Энергия градиента солености острова Саона: голубая энергия, осмотическая энергия и электричество из пресной и морской воды

Введение

Океан содержит больше, чем просто биологические ресурсы, красивые береговые линии и возможности для туризма. Он также удерживает энергию в различиях между водными массами. Одна из новых концепций возобновляемой энергии использует разницу в концентрации соли в пресной и морской воде для выработки электроэнергии.

Эта технология называется энергией градиента солености, широко известной как голубая энергия. Когда пресная и морская вода смешиваются, их разный химический потенциал создает возможность извлекать полезную энергию. Специальные мембранные системы могут контролировать процесс смешивания и преобразовывать часть этой энергии в электричество.

Для такого острова, как остров Саона в Доминиканской Республике, голубая энергия представляет собой интересный объект для морских инженерных исследований. Это поднимает вопросы о наличии пресной воды, качестве прибрежной воды, характеристик мембран, защите окружающей среды и практической стоимости производства электроэнергии.

Однако наличие морской воды само по себе не означает, что место подходит для электростанции с градиентом солености. Необходимо продемонстрировать надежный источник пресной воды, подходящее место для смешивания и положительный баланс чистой энергии.

В этом руководстве объясняются научные аспекты, основные технологии, инженерные требования и возможные направления исследований для оценки голубой энергии вокруг острова Саона.

1. Что такое энергия градиента солености?

Энергия градиента солености — это энергия, связанная с разницей в концентрации соли между двумя водными растворами.

Рассмотрим две пробы воды:

• Пресная вода содержит относительно низкую концентрацию растворенных солей.
• Морская вода содержит гораздо более высокую концентрацию растворенных солей.
• солей.

При смешивании этих растворов разница в концентрации солей постепенно уменьшается. Процесс смешивания термодинамически выгоден и высвобождает свободную энергию Гиббса.

Вместо того, чтобы позволить двум водам бесконтрольно смешиваться, энергетическая система с градиентом солености использует мембраны и другое оборудование для улавливания части доступной энергии.

Этот процесс иногда называют голубой энергией, потому что он может использовать естественную разницу между речной и морской водой.

Исследователи исследовали несколько технологий, в частности осмос с замедлением давления и обратный электродиализ. Эти системы используют разные физические механизмы для преобразования энергии смешения в полезную работу.

2. Научный принцип, лежащий в основе голубой энергии

Фундаментальная концепция основана на химическом потенциале.

Химический потенциал описывает, как меняется энергия вещества при изменении его количества или концентрации. Пресная и морская вода имеют разные химические потенциалы, поскольку концентрации растворенных в них солей различны.

Когда два раствора смешиваются, система движется к более однородной концентрации.

Теоретическая энергия, доступная при смешивании, связана с изменением свободной энергии Гиббса:

[
\Delta G_{\text{mix}}=\Delta H_{\text{mix}}-T\Delta S_{\text{mix}}
]

Где:

• (\Delta G_{\text{mix}}) = изменение свободной энергии Гиббса
• (\Delta H_{\text{mix}}) = изменение энтальпии
• (T) = абсолютное температура
• (\Delta S_{\text{mix}}) = изменение энтропии

Электростанция не может уловить всю эту теоретическую энергию. В реальных системах наблюдаются мембранное сопротивление, насосные потери, потери давления, концентрационная поляризация и другие недостатки.

Поэтому практическая цель состоит в том, чтобы получить полезную электроэнергию, потребляя при этом меньше энергии при заборе, предварительной очистке, циркуляции и сливе воды.

3. Основные типы технологии получения энергии с градиентом солености

Две мембранные технологии особенно важны.

3.1 Осмос с замедлением давления (PRO)

В осмосе с замедлением давления используется полупроницаемая мембрана, которая пропускает молекулы воды, ограничивая при этом большую часть растворенной соли.

Система разделяет два потока:

• Питающий раствор с низкой соленостью, например, пресная вода.
• Раствор для вытяжки с высокой соленостью, например, морская вода.

Из-за разницы в осмотическом давлении вода движется через мембрану к более концентрированному раствору.

В PRO на стороне выдачи поддерживается гидравлическое давление. Вода, попадающая в эту сторону под давлением, увеличивает поток воды под давлением, которая может привести в действие турбину или другое устройство преобразования энергии.

Упрощенный процесс:

1. Пресная и морская вода собираются отдельно.
2. Суспендированные частицы и другие загрязняющие вещества уменьшаются за счет соответствующей предварительной обработки.
3. Поступают два потока противоположные стороны мембраны PRO.
4. Вода движется через мембрану в вытяжной раствор под давлением.
5. Поток под давлением проходит через систему рекуперации энергии.
6. Турбина или гидравлический генератор преобразует имеющуюся механическую энергию в электричество.

Эффективность PRO зависит от водопроницаемости мембраны, отталкивания солей, гидравлического давления, скорости потока и свойств обоих потоков воды.

3.2 Обратный электродиализ (КРАСНЫЙ)

Обратный электродиализ производит электричество за счет движения растворенных ионов через селективные мембраны.

В отличие от PRO, который в основном опирается на движение воды и гидравлическое давление, RED опирается на движение ионов и электрохимическую разность потенциалов.

Стек RED содержит чередующиеся катионообменные и анионообменные мембраны.

• Катионообменные мембраны преимущественно пропускают положительно заряженные ионы.
• Анионообменные мембраны преимущественно пропускают отрицательно заряженные ионы.

Пресная и морская вода проходят через чередующиеся отсеки. Разница в концентрации соли создает электрохимический потенциал на мембранах.

По мере того, как ионы движутся через стопку, между электродами возникает электрический потенциал. Полученный электрический ток может затем собираться внешней цепью.

Основные компоненты включают:

• катионообменные мембраны
• анионообменные мембраны
• каналы для потока пресной и морской воды
• прокладки
• электроды
• промывку электродов решения
• Насосы и оборудование для мониторинга

RED особенно интересен, поскольку он преобразует ионное движение, связанное со смешиванием, в электрическую энергию, не требуя той же турбины с водой под давлением, что и в PRO.

3.3 PRO и RED: ключевые различия

ОсобенностьPROREDОсновной механизмОсмотическое движение водыСелективное движение ионовТип мембраныПолупроницаемая мембранаИонообменные мембраныОсновной выход ПроцессПоток воды под давлениемЭлектрический потенциал и токПреобразование энергииГидравлическая турбина или преобразователь энергииЭлектрохимическая схемаОсновная инженерная задачаПоток воды и потери давленияСопротивление мембраны и перенос ионовВажное ограничениеЗагрязнение и потребность в перекачкеЗагрязнение, сопротивление и потери в дымовой трубе

Ни одна технология автоматически не является лучшим выбором для каждого объекта. Выбор подходящей системы зависит от источников воды, свойств мембраны, условий эксплуатации, инженерного проектирования и экономических предположений.

4. Другие подходы «голубой энергии»

PRO и RED — не единственные подходы к использованию энергии градиента солености.

Емкостное смешивание

При емкостном смешивании используются электроды для хранения и высвобождения электрического заряда, поскольку электроды подвергаются воздействию растворов с различной концентрацией соли.

Изменение ионной среды влияет на электрический потенциал электродов. Контролируя контакт между пресной и соленой водой, система может извлекать электрическую энергию.

Мембранные системы с обратной селективностью

Исследователи также исследуют новые мембранные структуры и материалы для селективного переноса ионов. Эти подходы направлены на улучшение селективности ионов, снижение внутреннего сопротивления и увеличение количества энергии, извлекаемой из заданной разницы солености.

Гибридные системы

Гибридная система может сочетать энергию градиента солености с опреснением, очисткой сточных вод или другими мембранными процессами.

Например, подходящий поток сточных вод может обеспечить раствор с более низкой соленостью, в то время как солевой поток обеспечивает раствор с более высокой концентрацией. Такую интеграцию необходимо тщательно оценивать, поскольку предварительная обработка и перекачка могут потреблять значительное количество энергии.

5. Почему мембраны так важны

Мембраны являются центральными компонентами многих систем синей энергии.

В PRO мембрана должна обеспечивать достаточное движение воды, ограничивая при этом проход соли.

В RED ионообменные мембраны должны эффективно транспортировать нужные ионы, сохраняя при этом селективность между положительными и отрицательными ионами.

Важные свойства мембран включают:

• Водопроницаемость
• Солеотталкивание
• Ионная селективность
• Электрическое сопротивление
• Механическая прочность
• Химическая стабильность
• Устойчивость к загрязнению
• Долговечность

Мембрана с высокой проницаемостью, но плохой селективностью может допускать чрезмерную утечку солей. Высокоселективная мембрана с высоким сопротивлением может снизить выход полезной энергии.

Поэтому инженеры должны сбалансировать проницаемость, селективность, сопротивление, долговечность и стоимость.

6. Загрязнение мембраны и концентрационная поляризация

Работа мембраны может снизиться, когда нежелательные материалы накапливаются на поверхности мембраны или внутри мембранных структур.

Это известно как загрязнение мембраны.

Потенциальные причины включают в себя:

• Взвешенные осадки
• Органические вещества вещество
• Микроорганизмы
• Водоросли и биологический материал
• Минеральные отложения
• Коллоидные частицы

Биологическое обрастание особенно важно в морской среде, поскольку микроорганизмы могут прикрепляться к влажным поверхностям и образовывать биологические пленки.

Концентрационная поляризация является еще одним важным явлением. Это происходит, когда концентрации солей вблизи поверхности мембраны отличаются от таковых в объеме воды. Это снижает эффективную движущую силу преобразования энергии.

Возможные меры контроля включают:

1. Соответствующая сортировка и фильтрация.
2. Предварительная обработка выбирается в зависимости от фактического качества воды.
3. Оптимизированная конструкция проточного канала и прокладки.
4. Контролируемое рабочее давление и скорость потока.
5. Регулярный осмотр и очистка мембраны.
6. Контроль перепада давления, электрического сопротивления и системы производительность.

Предварительная обработка сама по себе требует энергии и создает эксплуатационные расходы. Успешный проект должен включать эти требования в свою оценку полезного энергопотребления, а не рассматривать их как второстепенные детали.

7. Можно ли исследовать голубую энергию вокруг острова Саона?

Остров Саона представляет собой полезную географическую площадку для обсуждения исследований возобновляемой морской энергии. Однако для практической оценки энергии градиента солености потребуется гораздо больше, чем просто определение прибрежного местоположения.

Первый вопрос заключается в том, доступен ли подходящий источник пресной воды вблизи соответствующего интерфейса с морской водой.

Устье реки является знакомым примером такого интерфейса, но в этой статье не предполагается, что на острове Саона существует подходящий речной сток или выпуск пресной воды.

В технико-экономическом обосновании необходимо будет идентифицировать и проверить любой возможный источник в полевых условиях. исследование.

7.1 Оценка источников пресной воды

Исследователям сначала предстоит изучить потенциальные источники пресной воды.

Возможные источники для оценки могут включать:

• Подтвержденные естественные источники пресной воды
• Подходящие сбросы очищенных сточных вод
• Другие юридически и экологически приемлемые пресные воды потоки

Каждый источник необходимо будет оценить на предмет скорости потока, сезонных колебаний, солености, температуры, взвешенных твердых частиц и загрязнения.

Наличие небольшого источника пресной воды не обязательно означает, что он может поддерживать коммерчески полезную энергосистему.

7.2 Оценка морской воды

Поток морской воды также потребует исследования.

Соответствующие параметры включают в себя:

• Соленость
• Температура
• Электрическая проводимость
• Мутность
• Взвешенные вещества
• Растворенные органические вещества
• Биологическая активность

Измерения должны охватывать различные сезоны и условия эксплуатации, а не полагаться на один образец.

7.3 Качество воды и условия окружающей среды

Прибрежный энергетический проект должен учитывать окружающую морскую среду.

Прежде чем предлагать какое-либо устройство водозабора или сброса, исследователям необходимо определить уязвимые места обитания и оценить возможное воздействие на местное качество воды.

Потенциальные проблемы включают в себя:

• Изменения местной солености
• Нарушение водных организмов, связанное с водозабором
• Изменения условий воды, связанные со сбросом
• Использование химикатов во время предварительной обработки и очистки
• Отходы, образующиеся в результате замены мембран
• Воздействие на близлежащие прибрежные районы среды обитания

Контролируемый сброс должен избегать вредных местных изменений солености. Мониторинг окружающей среды будет иметь важное значение во время любого пилотного исследования.

8. Инженерный проект небольшого пилотного проекта по производству голубой энергии

Небольшое пилотное исследование может помочь определить, является ли эта концепция технически подходящей для выбранного прибрежного участка.

Концептуальная система будет включать следующие компоненты.

Водозабор

Отдельные водозаборные устройства будут собирать потоки воды с низкой и высокой соленостью.

При проектировании водозабора будут учитываться требования к стоку, отложениям, морским организмам, доступу, обслуживанию и защита окружающей среды.

Блок предварительной очистки

Вода будет проходить через подходящее оборудование для предварительной обработки, чтобы уменьшить количество частиц и загрязнений, которые могут повредить мембраны.

Процесс очистки следует выбирать после лабораторного анализа качества воды.

Мембранный модуль

Мембранный модуль будет обеспечивать контролируемый интерфейс между двумя растворами.

Исследователи смогут тестировать различные мембранные материалы и условия эксплуатации.

Энергетика Конверсионный блок

Для PRO поток воды под давлением может быть направлен через гидравлическую систему рекуперации энергии.

Для RED мембранный пакет будет подключаться к электрической цепи и подходящему оборудованию для кондиционирования питания.

Система управления и мониторинга

Система мониторинга может записывать:

• Впускное и выпускное отверстия скорости потока
• Соленость и проводимость
• Температура
• Давление
• Производительность мембраны
• Электрическое напряжение и ток
• Энергия накачки
• Чистая выработка электроэнергии

Эти измерения помогут инженерам определить разницу между теоретическим энергетическим потенциалом и практическим производством энергии.

9. Оценка энергетического потенциала

Технико-экономическое обоснование использования голубой энергии должно начинаться с характеристик двух водных потоков.

Для упрощенной оценки доступная энергия смешивания может быть связана с изменением свободной энергии Гиббса между несмешанными и смешанными растворами.

Однако теоретический энергетический потенциал — это не то же самое, что электричество, доставляемое пользователю.

Практический энергетический баланс должен учитывать:

Чистая электрическая мощность = валовая выработка электроэнергии - энергия накачки - энергия предварительной обработки - потребление вспомогательной энергии

Дополнительные потери могут включать:

• Гидравлическое трение
• Сопротивление мембраны
• Потери при преобразовании энергии
• Потери при электрическом преобразовании
• Очистка и требования к техническому обслуживанию.

Система, которая генерирует электроэнергию, но потребляет такое же или большее количество электроэнергии при перекачке и очистке, не обеспечит полезной выгоды от чистой энергии.

По этой причине чистая мощность и чистая рекуперация энергии более значимы, чем отчетность только по общей производительности мембраны.

10. Потенциальные преимущества голубой энергии

Если будет продемонстрировано подходящее место и жизнеспособная технология, энергия градиента солености может предложить несколько потенциальных преимуществ.

Исследование возобновляемых источников энергии

Это дает возможность изучить морской возобновляемый источник энергии, который отличается от солнечной, ветровой, волновой и тепловой энергии.

Интеграция с очисткой воды

Подходящий проект может быть интегрирован с очисткой воды или очисткой сточных вод. процессов при условии, что вся система имеет положительный энергетический и экологический баланс.

Постоянная возможность использования ресурсов

В отличие от солнца и ветра, основной процесс смешивания не зависит напрямую от солнечного света или скорости ветра. Тем не менее, выработка электроэнергии по-прежнему будет зависеть от наличия и расхода двух водных потоков, а также от рабочего состояния станции.

Инженерное образование

Пилотная система может предоставить возможности практического обучения в области мембранных технологий, механики жидкости, электрохимии, термодинамики, тестирования качества воды и оценки возобновляемых источников энергии.

11. Основные проблемы коммерческого внедрения

Голубая энергия перспективна с научной точки зрения, но коммерческое внедрение сталкивается со значительными инженерными и экономическими проблемами.

Стоимость мембран: Специализированные мембраны и пакеты мембран могут быть дорогими.

Загрязнение: Биологический рост, взвешенные частицы и минеральные отложения могут снизить производительность.

Требования к насосу: Перемещение воды через систему требует энергии.

Низкая практическая плотность мощности: Количество энергии, рекуперированной на единицу площади мембраны, может быть недостаточным для экономичной работы при некоторых условиях.

Ограничения источника воды: На объекте необходимы подходящие водные потоки с достаточной и надежной разницей солености и скоростью потока.

Техническое обслуживание: Морские условия могут увеличить требования к коррозии, биообрастанию и техническому обслуживанию оборудования.

Экологические гарантии: Механизмы забора и сброса должны быть разработаны так, чтобы защитить морскую среду обитания и качество местной воды.

Обзоры исследований неоднократно указывали на производительность мембран, загрязнение, предварительную очистку и потери энергии на уровне системы как важные препятствия для более широкого внедрения.

12. Предлагаемая основа исследования острова Саона

Ответственное исследование может быть организовано в шесть этапов.

Этап 1 – Идентификация участка

Определить возможные границы раздела пресной и морской воды с использованием проверенных карт, полевых исследований и консультаций с соответствующими местными властями.

Этап 2 – Отбор проб воды

Отбор проб пресной и морской воды и измерение солености, проводимости, температура, мутность, pH и другие соответствующие параметры качества воды.

Этап 3 – Сезонный мониторинг

Повторите измерения, чтобы понять сезонные изменения в доступности воды и различиях в солености.

Этап 4 – Лабораторные испытания

Протестируйте мембраны-кандидаты PRO или RED, используя репрезентативные образцы воды. Запишите поток воды, выходную мощность, потери давления и поведение загрязнения.

Этап 5 – Техническая и экономическая оценка

Оцените площадь мембраны, требования к водозабору, энергию перекачки, потребность в предварительной очистке, стоимость оборудования, техническое обслуживание и чистую выработку электроэнергии.

Этап 6 – Экологическая оценка

Оцените воздействие водозабора и сброса, чувствительность среды обитания, управление отходами и необходимость получения экологических разрешений перед любыми полями установка.

В исследовании следует сравнивать PRO, RED и другие подходящие подходы, а не выбирать технологию до того, как станут известны доступные данные.

13. Роль гражданской и экологической инженерии

Энергия градиента солености – это не только предмет мембранной науки. Оно также включает в себя несколько областей гражданского и экологического проектирования.

Гидротехника: Водозаборные сооружения, трубопроводы, насосы, распределение потока и гидравлические потери.

Экологическая инженерия: Анализ качества воды, предварительная обработка, проектирование сбросов и предотвращение загрязнения.

Строительная инженерия: Опорные конструкции, фундаменты, платформы для оборудования и морская долговечность.

Геотехническая инженерия: Исследование почвы и устойчивость фундамента для любого наземного оборудования.

Береговая инженерия: Береговые процессы, воздействие волн, защита побережья и безопасное размещение инфраструктуры.

Энергетика: Турбинные системы, электрическая мощность, рекуперация энергии и эффективность системы.

Перед рассмотрением реального проекта необходим междисциплинарный подход к проектированию.

14. Будущие перспективы голубой энергии

Будущее развитие будет во многом зависеть от усовершенствований мембранных материалов, конструкции модулей и системной интеграции.

Исследователи исследуют мембраны с лучшей селективностью, меньшим сопротивлением и улучшенной устойчивостью к загрязнению. Более эффективные каналы потока и улучшенные методы предварительной очистки также могут помочь снизить потери энергии.

Искусственный интеллект и численное моделирование могут помочь в выборе мембран, оптимизации потока, прогнозировании загрязнения и оперативном мониторинге.

Для островных и прибрежных сообществ наиболее полезными будущими приложениями могут быть небольшие системы, интегрированные с подходящей инфраструктурой очистки воды, а не предполагать, что большая автономная электростанция автоматически осуществима.

Для острова Саона первым значимым шагом будет тщательно спроектированный ресурс и качество воды. оценка, а не немедленное строительство.

15. Часто задаваемые вопросы

Что такое энергия градиента солености?

Это энергия, которую можно извлечь из разницы концентраций солей в двух водных растворах, например, в пресной и морской воде.

Почему ее называют голубой энергией?

Этот термин описывает энергию, полученную в результате смешивания водных потоков с разной соленостью, обычно пресной и морской воды.

Что такое энергия с задержкой давления осмос?

PRO использует полупроницаемую мембрану и осмотическое движение воды для создания потока воды под давлением, который можно использовать для преобразования энергии.

Что такое обратный электродиализ?

RED использует чередующиеся ионообменные мембраны для направления положительных и отрицательных ионов через стопку мембран, создавая электрический потенциал.

Является ли синяя энергия тем же, что и тепловая энергия океана?

Нет. Голубая энергия использует разницу в солености, а преобразование тепловой энергии океана использует разницу в температуре воды.

Может ли голубая энергия работать без пресной воды?

Обычная система пресная-морская вода требует двух решений с разной соленостью. Возможны и другие искусственные градиенты солености, но их подготовка и эксплуатация должны быть включены в энергетический баланс.

Есть ли на острове Саона уже электростанция голубой энергии?

В этой статье не утверждается, что на острове Саона существует электростанция голубой энергии. Для местного проекта потребуются проверенные данные об источниках воды, технико-экономическое обоснование, экологическая оценка и соответствующие разрешения.

Является ли голубая энергия полностью экологически чистой?

Процесс преобразования энергии не требует сжигания, но вся система все равно может оказывать воздействие на окружающую среду из-за водозаборных сооружений, сброса, перекачки, химикатов предварительной обработки, производства мембран и отходов. Эти эффекты необходимо оценить.

Что лучше: PRO или RED?

Ни то, ни другое не является лучшим в целом. Их пригодность зависит от разницы солености, качества воды, характеристик мембран, условий эксплуатации, энергетических потерь и экономики проекта.

Может ли голубая энергия обеспечить энергией целый остров?

Этого нельзя предположить. Это будет зависеть от доступного потока пресной воды, разницы солености, эффективности системы, мощности установки, затрат и спроса на электроэнергию. Необходима оценка конкретного объекта.

Заключение

Энергия градиента солености предлагает интересный способ восстановления возобновляемой энергии из естественной разницы между пресной и морской водой. С помощью осмоса с задержкой давления, обратного электродиализа и других новых подходов исследователи изучают, как энергия контролируемого смешивания может быть преобразована в полезное электричество.

Для острова Саона голубая энергия лучше всего воспринимается как потенциальная возможность для исследований, а не как устоявшийся местный энергетический ресурс. Самыми важными первыми шагами будут проверка подходящих источников пресной воды, измерение качества воды, оценка сезонной доступности и оценка экологических последствий любой предложенной системы водозабора и сброса.

Благодаря тщательному проектированию, реалистичным энергетическим расчетам и строгим экологическим гарантиям небольшой исследовательский проект может помочь определить, заслуживает ли энергия градиента солености дальнейшего рассмотрения в более широком ландшафте возобновляемых источников энергии Карибского бассейна.