Человечеству необходима возобновляемая энергия, и сегодня мы находимся на пороге нового рубежа использования водных ресурсов. Приливная энергия хорошо изучена, но ее потенциал в области устойчивых возобновляемых источников энергии все еще находится в зачаточном состоянии.
По мнению некоторых экспертов, к середине этого десятилетия мировой рынок гидроэнергетики может оцениваться в $11 млрд. Однако для того, чтобы приливная энергия стала значимым инструментом в комплексе возобновляемых источников энергии, предстоит решить многие вопросы.
Энергия океанов не ограничивается приливами. В главном отчете Ocean Energy Europe (OEE) говорится о том, что: «Морская вода обычно содержит в 200 раз больше соли, чем пресная речная вода, в процессе их «смешивания», возникающее химическое давление может непрерывно генерировать возобновляемую энергию».
В статье «Powering Homes» некоммерческая организация, объединившая ведущих европейских специалистов в области энергетики океана, заявила, что, «несмотря на то, что исследования этой «высокопотенциальной технологии» находятся на начальной стадии, уже наметился некоторый прогресс».
Что такое энергия градиента солености и «синяя энергия»?
«Синяя энергия» собирается из градиентов солености. Ионы диффундируют от более высокой солености к более низкой, создавая электрический потенциал через ионоселективную мембрану. Это похоже на генерацию потенциала через мембраны живых клеток», - объясняет Николас Котов, профессор химических наук и инженерии Мичиганского университета имени Ирвинга Ленгмюра. «Этот потенциал можно использовать для генерации внешнего тока».
Речная и морская вода смешиваются через «стек» мембран, генерируя полезную электроэнергию, которую из-за способа производства называют «синяя энергия». Объединенный поток солоноватой воды возвращается в океан - точно так же, как течет река, - в то время как полученная энергия подается непосредственно в сеть.
Энергия может быть «создана и собрана» из разницы в концентрации соли между морской и пресной водой с помощью так называемых «стеков» чередующихся анионных и катионообменных мембран. OEE добавляет, что по текущим оценкам, реальный годовой потенциал энергии градиента солености в мире составляет 5 177 ТВт-ч.
OEE заявляет, что самой передовой технологией в этой области является обратный электродиализ (RED), поэтому в местах, где «соленая вода встречается с пресной» - например, в устьях крупных рек – существует огромный потенциал для выработки энергии.
Однако есть проблемы, которые еще предстоит решить.
Профессор, ведущий исследователь совместного американско-австралийского проекта по разработке осмотической системы для выработки электроэнергии Николас Котов, говорит: «RED – это отличная концептуальная технология, …но ионоселективные мембраны должны быть намного эффективнее, чем те, которые доступны на данный момент».
Николас Котов совместно с профессором Вэйвэем Лэем из Университета Дикин разработал систему, воспроизводящую принцип биомембраны.
«Мы разработали биомиметические мембраны на основе арамидных нановолокон, которые максимизируют ионную селективность и механическую прочность при минимальной стоимости», - поясняет Николас Котов.
Арамидные нановолокна, полученные из кевлара, широкодоступны и относительно дешевы в производстве, поэтому коммерциализация подобных технологий имеет все шансы на широкое распространение.
Проект Afsluitdijk.
Открытие композитных мембран может коренным образом изменить способ использования воды для выработки электроэнергии. В 2020 году Николас Котов рассказал о проекте на плотине Afsluitdijk в Нидерландах, предположив, что это может стать образцом для будущего использования RED.
Afsluitdijk находится в Ваттовом море, к северу от Нидерландов, что обеспечивает близость к морской и пресной воде и является идеальной площадкой для пилотного проекта по производству RED.
«Вода Ваттового моря богата с биологической точки зрения, также в нем много взвешенных частиц ила. Следовательно, прежде чем воду можно будет пропускать через трубы, она должна быть очищена», - заявила компания REDstack, эксплуатирующая установку.
Тем не менее, эти проблемы позволили многое понять. Основная цель REDstack заключалась в том, чтобы показать, что «концепция жизнеспособна».
«Пилотная установка работает нормально», - говорит председатель правления Питер Хак. «Она соответствует задачам проекта - от приема, предварительной обработки, дымовых труб - до подачи энергии в сеть. Она работает на настоящей морской и пресной воде. Теперь можно увеличить ее мощность до мегаватта».
Установка в Afsluitdijk доказывает возможность более широкого использования таких технологий, а полученный опыт поможет подтвердить широкий потенциал этого источника возобновляемой энергии. OEE утверждает, что энергия, выделяемая 1 м³ пресной воды, сопоставима с энергией, выделяемой тем же 1 м³, падающим с высоты 260 м.
Снижение стоимости мембран.
«Основная проблема сейчас - это средства, которые необходимы как для строительства масштабируемых систем, так и для того, чтобы убедить конечных пользователей, таких как энергетические компании и крупные промышленные предприятия, в том, что технология действительно работает и надежна в больших масштабах», - говорит Хак.
Большая часть стоимости проекта приходится на мембраны. По оценкам OEE, в настоящее время это составляет 50- 80 % от общей стоимости любого проекта градиента солености и в три раза превышает стоимость коммерчески доступных мембран. Хак, однако, с этим не согласен, так как «стоимость мембран RED аналогична другим и продолжает падать».
Снижение расходов возможно за счет производства современных мембран из переработанной кевларовой ткани, что одновременно уменьшает загрязнение окружающей среды.
Капитальные вложения – это проблема, которая решается объединением выработки «синей энергии» с другими геотехническими решениями, например, предотвращением наводнений».
Это мнение разделяет Хак, который говорит: «Технология может быть реализована в системах защиты от наводнений, в дельтах, где находятся дома и промышленные предприятия».
Несмотря на то, что в настоящее время стоимость мембран является проблемой, есть вероятность, что работы, подобные работам Хака и Котова, в сочетании с инновациями других заинтересованных сторон в ближайшее время смогут способствовать снижению затрат. Так в этом году Sweetch Energy объявила, что получила финансирование в размере 5,2 млн. евро на разработку прототипа мембраны нового поколения, основанного на нанотехнологиях и экологическом материаловедении, в сочетании со специально разработанными электродами и инновационными конструкциями ячеек.
Назвав осмотическую энергию «прорывом в области возобновляемых источников энергии», французская компания заявила, что ее работа предвещает «невиданный ранее уровень рентабельности, открывая дверь для широкомасштабного внедрения осмотической энергии в качестве конкурентоспособного рыночного решения».
Совершенно очевидно, что на этот новый и потенциально революционный источник возобновляемой энергии возлагаются большие надежды.
«Синяя энергия» не требует топлива и работает непрерывно, в отличие от солнечной и ветряной энергии. Она стабильна днем и ночью, ее можно использовать в промышленных условиях в сочетании с очисткой воды», - говорит Котов. «Синяя энергия» является непрерывной, таким образом, снижается потребность в крупномасштабных, неэффективных и дорогих системах преобразования и хранения.