Мы уделяем постоянное внимание важным инновациям в области энергетических технологий. Как мы знаем, в последние годы наблюдается бум разработок в области использования «чистой» энергии. Направлений здесь достаточно много, но случилось так, что на первое место выдвинулись солнце и ветер. Примерно пару десятилетий с ними тесно увязывали энергетику будущего, из-за чего на второй план отодвинулись другие виды «чистой» энергии. Некоторые из них (по крайней мере - в нашей стране) до сих пор малоизвестны, и технические решения в этой области наверняка будут восприниматься как что-то «экзотическое». Настолько необычными они могут показаться для многих из нас.
В данном случае мы как раз хотим обратить внимание на одно такое «экзотическое» решение. Представьте себе картину, когда энергия вырабатывается путем особого смешения соленой и пресной воды – без всякого сжигания топлива. Для «непосвященных» звучит невероятно, но выработка электричества может осуществляться за счет естественного осмотического процесса. По мнению ученых, осмотическая энергия (которую иногда называют «синей» энергией) является одним из самых недооцененных источников возобновляемой энергии, который способен (по расчетам специалистов Стэнфорда) занять в мировом энергобалансе долю до 13 процентов.
Сама концепция осмотической энергии разрабатывается уже давно, начиная где-то с середины 1950-х годов. В 1970-х годах изобретатель обратного осмоса для опреснения воды - Сидни Лоэб - сделал важные выводы из наблюдений естественного смешения пресной воды реки Иордан с соленой водой Мертвого моря. Так возникла идея использования подобного процесса для выработки электричества в тех местах, где реки впадают в моря.
Принцип работы осмотической электростанции кажется весьма простым. Энергия вырабатывается за счет соприкосновения двух емкостей с водой разной степени солености. Представим себе ванну, разделенную пополам полупроницаемой мембраной. С одной стороны мембраны ванна наполнена соленой водой, с другой стороны – пресной водой. В силу естественных причин молекулы пресной воды начнут проникать через мембрану в сторону соленой воды, чтобы разбавить ее (именно так в природе устанавливается равновесие разных сред). Данный процесс и называется осмосом.
Когда молекулы воды проходят через мембрану, в соленой части повышается уровень воды и растет давление. Поднимающаяся вода создает поток, который приводит в движение турбину, запускающую электрический генератор.
Данный процесс можно технически организовать в устьях рек, впадающих в море. Согласно расчетам, при смешивании соленой и пресной воды выделяется приличная энергия – примерно 2,2 КДж на каждый литр пресной воды, поступающей из реки. Чисто теоретически можно сгенерировать примерно 1 КВт электричества при объеме потока пресной воды один литр в секунду.
В теории, конечно, всё выглядит просто. Однако на практике разработчики сталкивались с достаточно серьезными ограничениями. Так, много энергии затрачивается при закачке воды на электростанцию и при прохождении ее через мембраны. Не меньше проблем создавали и сами мембраны, которые на первых порах были малоэффективны и недолговечны. Первые эксперименты с небольшими объектами лабораторного образца внушали оптимизм, но удачно масштабировать процесс долгое время не удавалось.
В 2009 году Норвегия осуществила реальный практически задел, создав первую в мире электростанцию, работающую на осмотическом эффекте. Точнее, речь идет о прототипе коммерческой установки, которая наглядно демонстрировала возможности таких устройств. Сам прототип был небольшим, вырабатывая всего лишь около четырех КВт электроэнергии. Работа установки осуществлялась по описанному выше принципу: пресная и морская вода подавались в разные камеры, разделенные мембраной. Далее пресная вода начинала смешиваться с морской водой, благодаря чему создавалось необходимое давление, способное вращать турбину, соединенную с генератором.
Несмотря на очевидное достижение, при попытке масштабирования данной технологии возникли серьезные трудности, из-за чего в 2013 году инвестиции в осмотическую энергетику были прекращены.
Существенный прорыв наметился после появления более совершенных мембран. Это позволило создать первую полностью функционирующую осмотическую электростанция в Дании в 2023 году. Электростанция расположена на соляной шахте Нобианс возле прибрежного городка Мариагер. Ее мощность составляет около 100 КВт. Принцип работы тот же, что был описан выше. Важным новшеством стало использование передовых полых волоконных мембран обратного осмоса, разработанных компанией Toyobo.
Самым впечатляющим примером стала японская осмотическая электростанция в Фокуоке, запущенная в августе 2025 года. Она является второй по счету действующей электростанцией данного типа. Ее выработка составляет примерно 880 000 КВт-часов в год. Электричество используется, в основном, для работы опреснительной станции, снабжающей город и окружающие районы пресной водой. Указанного количества электроэнергии, по словам специалистов, достаточно для снабжения 220 домохозяйств. Принцип работы тот же, что и в предыдущих случаях: при смешивании через мембрану пресной и соленой воды создается избыточное давление, способное вращать турбину.
Понятно, что указанные мощности пока что невелики. Да и КПД, по признанию специалистов, оставляет желать лучшего. Тем не менее, ученые видят пути дальнейшего усовершенствования таких устройств. Главным стимулом является то, что осмотические электростанции относятся к системам ВИЭ нового поколения, которые не зависят от капризов погоды и могут работать круглые сутки в течение года, невзирая на смену сезонов. В этом – их главное, фундаментальное преимущество перед солнечными и ветряными электростанциями, которые уже вызвали массу нареканий из-за прерывистого характера работы. Кроме того, специалисты рассматривают возможности расширения мест применения таких систем. В этом случае они допускают использование не только естественных речных стоков, но также «серых» сточных вод. То есть потенциал «синей» энергии может оказаться даже выше первоначальных расчетов.
Отметим еще один момент. Тот принцип работы осмотической электростанции, который мы описали (то есть когда электричество вырабатывается через вращение турбины) – не единственный. Существует также метод обратного электродиализа. Этот метод не требует потока воды под давлением. Здесь используются ионообменные мембраны для прямой выработки электричества за счет движения ионов соли. Лучше всего такая система работает в контролируемых условиях, например, на опреснительных установках.
Сегодня такую технологию пытаются развивать в Нидерландах. Например, соответствующий проект реализуется на крупной плотине, отделяющей озеро Эйсселмер от Ваттового моря. Такая же технология испытывается на полигоне в Бризандейке. Здесь используются стопки мембран, вырабатывающих путем «избирательного» пропуска ионов электрический ток. Мощность такой установки планируется довести до 16 КВт, обеспечив непрерывное производство электроэнергии на уровне 132 000 КВт-час в год. Этого достаточно, чтобы обеспечить энергией примерно 40 домохозяйств.
В общем, процесс в указанном направлении движется. Помимо названных стран, опытные работы с «синей» энергией проводят в Австралии (Сидней), в Южной Корее, в Испании и даже в Катаре. Во всяком случае первые шаги сделаны, и они обнадеживают. Здесь стоит еще раз подчеркнуть: подобные исследования призваны создать новую, более совершенную возобновляемую энергетику, лишенную главного недостатка солнечных и ветряных электростанций – прерывистости работы. Возможно, это несколько охладит интерес к ветрякам и фотовольтаике, однако даст возможность перевести фокус внимания разработчиков на более перспективные объекты.
Андрей Колосов
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии