Энергию из градиента солености воды можно получать с помощью конденсатора

Рис. 1. Схематический рисунок устройства Броджоли. Камера содержит два электрода из пористого активированного угля, образующих конденсатор огромной емкости — ионистор, который может быть заряжен или разряжен. Камера заполняется соленой водой (раствором NaCl), идущей с одного из резервуаров. Рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Существующие способы получения энергии из градиента солености воды, возникающего в результате смешивания пресной и соленой воды, — осмос и обратный электродиализ — основаны на контакте воды со специальными мембранами. Однако высокая стоимость мембран и короткий срок их эксплуатации из-за их быстрого загрязнения не позволяют пока что внедрить данную технологию повсеместно. Итальянский физик Дориано Броджоли предложил и экспериментально продемонстрировал совершенно новый, относительно дешевый метод, использующий ионистор — конденсатор очень большой емкости. При правильно подобранном ионисторе устройство Броджоли способно вырабатывать столько же энергии, сколько устройства, основанные на принципах осмоса и обратного электродиализа.

Впадение рек в море или океан можно использовать для извлечения значительной энергии, которая диссипируется (рассеивается) вследствие смешивания пресной и соленой воды. Возникающий градиент солености производит приблизительно 2,2 кДж (килоджоуля) энергии на литр пресной воды, попадающей затем в соленую воду. В 70-е годы прошлого века была предложена идея использовать эту энергию, создавая специальные электростанции. Принцип их работы должен был базироваться на явлении осмоса с применением полупроницаемой мембраны или же обратного электродиализа (reverse electrodialysis), использующего ионоселективные мембраны.

Рис. 2. Перетекание молекул пресной воды W1 в соленую воду W2 под действием осмотического давления через полупроницаемую мембрану создает более низкий уровень в правой половине сосуда. Теоретически разность уровней может достигать 270 метров. Рис. с сайта en.wikipedia.org

Осмос — это процесс диффундирования растворителя из менее концентрированного в более концентрированный раствор. Предположим, что в нашем распоряжении имеется сосуд, разделенный мембраной. В одной половине емкости находится соленая вода, то есть вода с растворенным в ней хлоридом натрия NaCl, и вода, в которой концентрация соли близка к нулю. Свойство мембраны таково, что она свободно пропускает молекулы воды, но препятствует проникновению молекул соли из соленой воды в пресную. Собственно, поэтому мембрана и называется «полупроницаемая». Осмос как бы стремится выровнять концентрации соли в обеих половинах сосуда. Но из-за полупроницаемой мембраны под действием возникающего осмотического давления происходит лишь направленное перетекание молекул воды из правой части в левую, что приводит к возникновению неравных уровней воды в половинах емкости (рис. 2). Перераспределение будет происходить до тех пор, пока гидростатическое давление, то есть давление разности уровней воды в левой и правой части сосуда, не уравновесит давление осмотическое. Теоретически осмотическое давление между соленой и пресной водой равно 26 атмосферам, что соответствует разности уровней их уровней приблизительно 270 метров. В Норвегии компания Statkraft собирается запустить электростанцию, которая будет получать энергию за счет описанного выше процесса.

Второй метод получения энергии также использует мембранную технологию и основывается на явлении обратного электродиализа. В этом процессе необходимо наличие двух типов селективных (избирательных) мембран: мембраны, которые прозрачны только для положительных ионов соли (ионы натрия), и мембраны, беспрепятственно пропускающие исключительно отрицательные ионы — ионы хлора (рис. 2). Секции с соленой водой создают направленное движение ионов соли из секции в секцию. Зарядовое разделение создает на мембранах разность потенциалов, которая затем суммируется и превращается на катоде и аноде посредством окислительно-восстановительных реакций из ионного тока в обычный электрический ток. Снимаемое напряжение зависит от числа мембран, температуры, отношения концентраций соли в пресной и соленой воде, а также от внутреннего сопротивления катода и анода. Заметим, что кинетика ионов соли здесь возникает из-за разности концентраций соли в соседних секциях, поэтому наличие пресной воды в процессе обратного электродиализа необходимо.

Рис. 3. Получение электрического тока на основе явления обратного электродиализа. Через два типа ионоселективных мембран происходит контакт пресной и соленой воды, приводящий к распределению в секциях ионов соли и их движения к соответствующим электродам. В результате возникает разность потенциалов на мембранах. Вблизи электродов, благодаря окислительно-восстановительным реакциям, происходит трансформация ионного тока в обычный электрический ток. Рис. с сайта www.leonardo-energy.org

Существует еще третий метод, использующий разность давлений насыщенных паров пресной и соленой воды. Впервые он был предложен в 1979 году американскими учеными (см. M. Olsson, G. Wick, J. Isaacs. Salinity Gradient Power: Utilizing Vapor Pressure Differences // Science. 1979. V. 206. P. 452–454). Дело в том, что давление насыщенных паров соленой воды ниже, чем у чистой воды при той же температуре (этот факт отражается в более высокой температуре кипения соленой воды). Если резервуары с пресной и соленой водой соединить, откачав предварительно из них воздух и создав вакуум, то пресная вода будет испаряться и конденсироваться в соленой воде. Таким образом, возникает движение насыщенного пара из одного резервуара в другой, которое может быть использовано, если установить на пути движения турбину. В настоящее время такой метод получения энергии развит и исследован в меньшей степени, нежели способы, основанные на мембранных технологиях, — осмос и обратный электродиализ.

Согласно расчетам, такие энерговырабатывающие устройства способны производить порядка 1 кВт при скорости потока пресной воды 1 л/с.

Итальянский физик Дориано Броджоли (Doriano Brogioli) в статье Extracting Renewable Energy from a Salinity Difference Using a Capacitor, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предложил новый способ извлечения энергии из градиента солености воды. В основе его технологии производства энергии лежит ионистор — конденсатор очень большой емкости.

Физический принцип работы этого устройства можно понять из аналогии с плоским конденсатором, между обкладками которого расположен диэлектрик, а сам конденсатор заряжен, но при этом не подключен к источнику питания. Попытка вытащить диэлектрик из конденсатора приведет к увеличению напряжения, так как емкость конденсатора вследствие этого уменьшилась, а заряд остался прежним. Рост разности потенциалов на обкладках конденсатора также увеличивает его энергию. Происходит трансформация механической работы (извлечение диэлектрика) в электрическую энергию, отражающаяся как рост напряжения в конденсаторе.

Фактически всё то же самое происходит и в устройстве Броджоли, где роль диэлектрика играет соленая вода, а процесс его извлечения эквивалентен вытеснению соленой воды пресной водой (рис. 1).

Два резервуара, наполненных водой с разными концентрациями соли хлорида натрия, представляют собой пресную и соленую воду. Они по очереди заполняют камеру, вымывая друг друга из нее. Помимо этого в камере находятся два электрода из активированного угля, которые образуют конденсатор огромной емкости — ионистор.

Почему Броджоли в своем проекте использует ионистор и почему в качестве материала для него применяется активированный уголь? Очевидно, что в данном случае конденсатор в ходе вымывания диэлектрика должен как можно больше изменить свою энергию в сторону возрастания, чтобы затем ее отдать. Поскольку энергия конденсатора пропорциональна емкости, то это случится лишь в том случае, когда емкость конденсатора будет наибольшей. Но емкость определяется геометрией конденсатора: она пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Поэтому, чтобы не делать обкладки конденсатора очень большими, а расстояние между ними максимально уменьшить, используют компактный конденсатор — ионистор.

Ионистор состоит из двух погруженных в электролит сильно пористых электродов, что позволяет максимально увеличить эффективную площадь конденсатора (это первое преимущество ионистора). Для этой цели, как выяснили ученые, лучше всего подходит активированный уголь. Под действием приложенного напряжения ионы электролита движутся к соответствующему электроду и накапливаются на его поверхности, образуя с зарядом электрода так называемый двойной электрический слой (поэтому в англоязычной литературе ионистор еще называют конденсатором с двойным электрическим слоем). Толщина этого слоя очень маленькая величина — всего несколько десятков нанометров (это второе преимущество), поэтому его можно интерпретировать как обкладки обычного конденсатора: одна обкладка — электрод, а вторая состоит из ионов. За счет таких геометрических хитростей с материалом и получаются конденсаторы с гигантской емкостью порядка 1 Ф (одной фарады) и более, которые обладают при этом размерами, не отличающимися от размеров традиционных маленьких конденсаторов.

Что касается схемы работы устройства, то извлечение энергии из градиента солености воды с его помощью условно можно разбить на четыре фазы (рис. 4).

Рис. 4. Полный цикл работы устройства по извлечению энергии из градиента солености воды. (а) Схема четырех фаз цикла (см. подробности в тексте). (b) Графики временных зависимостей разности потенциалов между электродами ионистора и тока, текущего через нагрузку. Отрицательное значение тока соответствует процессу разрядки ионистора. Рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Фаза А. Камера заполнена соленой водой. Ионистор заряжают через нагрузку в виде сопротивления 1 кОм до напряжения 300 мВ.

Фаза В. Электрический контур разомкнут. Камера заполняется пресной водой, вытесняя соленую воду. Разность потенциалов на электродах ионистора увеличивается до 333 мВ. Напомним, что рост напряжения происходит из-за того, что запуск пресной воды и вытеснение соленой воды эквивалентны извлечению пластины диэлектрика из плоского конденсатора.

Фаза С. Конденсатор разряжается через то же сопротивление до прежнего напряжения 300 мВ.

Фаза D. Электрический контур разомкнут. Углеродные электроды снова вступают в контакт с соленой водой. Далее происходит падение разности потенциалов до 274 мВ. Теперь происходит как бы внесение диэлектрика в пространство между обкладками плоского конденсатора, что вызывает снижение разности потенциалов.

Глядя на напряжения, которые появляются на электродах, логично было бы предположить, что рост напряжения на электродах приведет к увеличению энергии ионистора. На самом деле, к сожалению, увеличение разности потенциалов не даст ожидаемого результата. При напряжении выше 1 В на ионисторе ток начинает протекать благодаря окислительно-восстановительным химическим реакциям, приводящим к быстрому разряду ионистора.

Графически все четыре фазы можно представить в координатной плоскости заряд—напряжение (рис. 5) — по аналогии с координатной плоскостью объем—давление для тепловой машины, работающей по замкнутому циклу. Из графика видно, что суммарный заряд, полученный ионистором за время одного полного цикла, равен нулю, то есть никаких энергетических затрат в процессе его заряда и разряда не требуется.

Рис. 5. Графическая интерпретация полного цикла (четырех фаз) работы устройства: кривая изменения напряжения на ионисторе в зависимости от заряда на его электродах. Площадь замкнутой кривой соответствует величине извлеченной энергии — в устройстве Броджоли она равна 5 мкДж. Рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Разумеется, потери заряда в течение одного цикла работы устройства присутствуют, но они несущественны и по своему численному значению на два порядка меньше (примерно 33 мкКл, микрокулона), нежели заряд, который получает и отдает ионистор (порядка мКл, милликулона).

В эксперименте Броджоли его установка генерировала 5 мкДж за цикл. Конечно, это маленькая величина, но автор резонно замечает, что если использовать ионисторы, емкость которых составляет 300 Ф на 1 грамм вещества, то выход энергии может достигать приблизительно 1,6 кДж на литр пресной воды, что по порядку величины уже сравнивается с получением энергии на основе мембранной технологии — путем осмоса или обратного электродиализа.

Источник: Doriano Brogioli. Extracting Renewable Energy from a Salinity Difference Using a Capacitor (полный текст — PDF, 282 Кб) // Phys. Rev. Lett. 103, 058501 (2009).

Юрий Ерин

<< Назад