Контент-платформа Pandia.ru:     2 872 000 материалов , 128 197 пользователей.     Регистрация


Вода и растворы-источник энергии

 просмотров


Вода и растворы – источник энергии

Княжев В. В.

Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия

Введение

Места, где существуют перепады солености (концентраций) природных вод и растворов могут быть использованы как источники энергии, которые называют источниками энергии градиентов солености (ЭГС). В качестве источников энергии градиентов солености рассматривают, прежде всего:

§  устья впадающих в море рек;

§  сильно соленые водоемы в засушливых зонах Земли:

а) соленые озера с впадающими реками,

б) лагуны, лиманы на побережьях морей;

§  подземные месторождения соли и рассолов, соляные купола на побережье и под морским дном;

§  искусственное получение разности концентраций растворов с помощью испарительных водоемов, солнечных стратифицированных прудов, вымораживания растворов;

§  сбросные растворы химических производств, опреснительных установок;

§  аккумулирование энергии от других источников, в частности АЭС, получая растворы разной концентрации.

Проиллюстрировать наглядно ЭГС можно на примере осмотического переноса воды через полупроницаемую мембрану (мембрану, пропускающую только молекулы воды и не пропускающую растворенные вещества) из отсека с разбавленным раствором в отсек с более концентрированным раствором, этот процесс идет до тех пор, пока перепад давлений между отсеками не сравняются с разностями осмотических давлений. При солености морской воды 35о/оо и температуре 10°C перепад уровней - 245 м.

Градиенты солености имеют преимущество перед многими другими нетрадиционными источниками энергии по величине энергетического потенциала и плотности энергии. В отличие от большинства других источников энергии выработка энергии при использовании градиентов солености стабильна и легко может регулироваться, так как ресурсы растворов меняются слабо.

Преобразование и использование энергии градиентов солености оказывает минимальное воздействие на окружающую среду, по сравнению с другими источниками энергии. При эксплуатации источников градиентов солености не производится сброс дополнительных загрязняющих веществ в окружающую среду, поступающие со станций растворы для большинства источников ЭГС являются естественными, природными, как это происходит при смешении речной и морской воды. При использовании концентрированных рассолов, разбавленные растворы могут возвращаться назад в сильносоленый водоем, где вновь повышается концентрация при испарении, или могут закачиваться под землю и растворять твердые залежи соли.

Растворы разной концентрации имеют разные химические потенциалы, при равновесном смешении растворов может быть получена полезная энергия. Процессы, протекающие при равновесном смешении растворов, обратны процессам, происходящим при опреснении и обессоливании растворов. Поэтому большинство способов преобразования энергии градиентов солености (ЭГС) обратны способам опреснения растворов. Обмен молекулами растворителя или растворенного вещества между растворами может происходить через мембраны, поверхность промежуточного тела или поверхности разного фазового состояния растворов.

Ресурсы энергии градиентов солености

На основе полученного нами выражения для расчетов мощности доступной в устьях впадающих в моря рек:

, (1)

где U - расход пресной воды, м3/с, T - температура воды, S - соленость морской воды, о/оо, Ф - осмотический коэффициент, - плотность пресной воды, кг/ м3, сделана оценка ресурсов ЭГС некоторых рек Приморского края (табл.1) [1].

Таблица 1. Энергетический потенциал ЭГС в устьях рек Приморского края

Река

Длина реки, км

Площадь

водосбора,

км2

Норма стока, м3/с

Годовой

объем стока,

м3×106

Средняя

мощность,

МВт

Выработка энергии за год, кВт×ч×106

1

Самарга

218

7760

103

3249

229,3

2009,3

2

Единка

108

2120

35,9

1132

79,9

700,1

3

Кабанья

87

1060

21

662

46,8

409,4

4

Пея

19

428

7,28

230

16,2

142,2

5

Светлая

61

791

13,2

424

29,3

262,2

6

Кузнецова

55

410

4,55

144

10,1

89,1

7

Максимовка

105

2240

40,3

1272

31,7

786,7

8

Кема

119

2720

45,2

1426

39,9

881,9

9

Таежная

71

685

7,28

230

16,2

142,2

10

Серебрянка

65

2300

33,4

1053

74,4

651,2

11

Джигитовка

71

2210

30,7

968

68,4

598,7

12

Рудная

73

1140

14,5

457

32,3

282,6

13

Зеркальная

109

1870

20,2

637

45,0

393,9

14

Аввакумовка

97

3170

30,1

949

67,0

586,9

15

Маргаритовка

73

948

11,2

353

24,9

218,3

16

Милоградовка

73

969

11,8

372

26,3

230,1

17

Киевка

130

3120

35,7

1126

79,5

696,4

18

Партизанская

142

4140

38,6

1217

85,9

752,6

19

Суходол

49

617

5,68

179

12,6

110,7

20

Шкотовка

59

714

6,88

217

15,3

134,2

21

Раздольная

414

16800

80,9

2552

180,1

1578,3

22

Барабаш

68

576

8,95

282

19,9

174,4

Изменения энергетического потенциала ЭГС для рек Самарга и Максимовка на восточном побережье Приморья (данные по расходу 1971 и 1977 годов) приведены на рис. 1. Изменение энергетического потенциала ЭГС в разные по водности годы на примере устья реки Максимовки приведено на рис.2.

Рис.1. Энергетического потенциалы ЭГС в устьях рек Самарга и Максимовка

(среднемесячные и среднегодовые значения на примере 1971 г. и 1977 г.).

Анализ графиков показывает, что из–за неравномерного стока рек Приморья в течение года, с паводком летом и маловодьем зимой, мощность меняется на два порядка. Средняя мощность источника ЭГС характеризует теоретическую мощность энергетической станции при использовании среднегодового расхода воды в устье реки, что соответствует случаю, как если бы сток реки был бы зарегулирован плотиной с водохранилищем. В реальных условиях нецелесообразно строительство больших плотин и водохранилищ в устьях рек по экологическим и экономическим соображениям. Возможна работа энергетической станции на оптимальном расходе воды, гарантированном большую часть года.

Способы преобразования энергии градиентов солености

Был предложен ряд способов для преобразования ЭГС. Это, прежде всего мембранные способы преобразования энергии с использованием полупроницаемых осмотических мембран и ионоселективных мембран (обратный электродиализ), а также способы преобразования энергии, при которых перенос молекул воды происходит через поверхности, разделяющие разные фазовые состояния растворов и др.

Осмотические способы преобразования энергии. Разработками осмотических энергетических установок, испытанием мембран и небольших экспериментальных энергетических блоков занимались в США, Израиле, Италии, Японии. В настоящее время в Норвегии энергетическая компания Statraft строит опытно промышленную осмотическую электростанцию.

С. Лоеб (Израиль), Т. Хонда (Япония) и М. Реали (Италия) написали совместную работу [2], в которой на основании своих предыдущих исследований и разработок они сделали анализ механической эффективности трех типов осмотических установок:

§  наземная установка с постоянным потоком раствора на основе осмоса с противодавлением, в которой осмотический перенос воды через мембрану происходит против разности гидравлических давлений растворов, создаваемой подачей под давлением более концентрированного раствора, этот способ предложен С. Лоебом в 1976 г;

§  подземная установка с постоянным потоком раствора на основе осмоса с противодавлением, развитие идеи подводного преобразователя предложенного М. Реали.

§  наземная установка с изменяющимся потоком раствора на основе осмоса с противодавлением

Из этих установок наибольший интерес представляет вторая установка, размещающаяся ниже уровня моря под землей на берегу, или на морском дне на глубине около 90 м. Благодаря этому создается перепад давления водяного столба пресной воды на гидротурбине, и не требуется насос для подачи под давлением морской воды. Необходимы только насосы для циркуляции пресной и морской воды через мембранный блок и откачки промывной пресной воды.

Конструкция этой установки была мною упрощена (рис.3) [3]. Показано, что можно исключить из нее насосы для пресной и морской воды. КПД данной установки по оценке будет 59%, такой же, как и в [2]. Таким образом, после упрощения конструкции установки, ее КПД, по крайней мере, не уменьшился.

Обратный электродиализ. Установки обратного электродиализа позволяют осуществлять прямое преобразование энергии градиентов солености в электрическую энергию. Исследования по разработке и испытанию установок обратного электродиализа проводились в США, Швеции, Израиле.

Основным элементом ЭЭУ является электродиализная батарея (рис. 4), которая представляет собой помещенный между электродами пакет из чередующихся анионо - и катионообменных мембран, разделенных рамками с вложенными в них турбулизаторами. Растворы с разной концентрацией подаются в камеры, образованные парами мембран и рабочими рамками, таким образом, что камеры с растворами высокой и низкой концентрации чередуются. Направленное движение ионов из камер с высокой концентрации в камеры с низкой концентрацией приводит к накоплению электрического потенциала на электродах.

Рис. 3. Усовершенствованная подземная гидроосмотическая установка.

В лаборатории нетрадиционной энергетики ИПМТ ДВО РАН проведены исследования преобразования энергии градиентов солености способом обратного электродиализа, т. к. этот способ имеет ряд преимуществ и наиболее подходит для преобразования энергии в устьях впадающих в моря рек [4]. Была разработана и создана экспериментальная ЭЭУ на основе электродиализного аппарата “Родник-3М”, Схема ЭЭУ приведена на рис.5, а фотография экспериментальной электродиализной батареи – на рис.6.

Рис.4. Экспериментальная электродиализная батарея:

1 - рамки, 2 - турбулизаторы, 3 - внешняя нагрузка, 4, 5 - верхняя и нижняя прижимные плиты, соответственно, 6 - цифровые вольтметр и амперметр, 7 - самопишущие вольтметр и амперметр, а и к - анионо- и катионообменные мембраны, э – электроды.

Электродиализная батарея была собрана из 22 гетерогенных анионообменных мембран МА-40 и 21 гетерогенной катионообменной мембраны МК-40. Площадь одной мембраны 0,165м2. Мембраны разделяются полипропиленовыми рабочими и поворотными рамками, внутрь рамок вложен турбулизатор из гофрированного просечного винипласта.

Рис.5. Экспериментальная электродиализная установка:

1 - трубопровод подачи морской воды, 2 – трубопровод подачи пресной воды, 3 - фильтр, 4 – электроконтактный манометр, 5 - ротаметры, 6 - вентили, 7 - отводы для отбора проб растворов, 8 - электродиализная батарея, 9 - трубопровод слива.

Камеры, образованные парой мембран и рамкой, соединяются между собой по потокам растворов последовательно или параллельно в зависимости от использования поворотной или рабочей рамки, соответственно. В рамках и мембранах выполнены пазы для прохода растворов.

Рис.6. Экспериментальная электродиализная батарея

Характеристики электродиализной батареи были оценены исходя из следующей модели процесса. Предположим: батарея питается растворами NaCl, можно пренебречь потоками воды через мембраны, концентрационная поляризация вдоль поверхности мембран незначительна, концентрация растворов в пределах одного отсека не меняется.

С учетом сделанных допущений ЭДС батареи из N мембранных пар равна

V , (2)

где R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура растворов, F - число Фарадея, a - средняя проницаемость мембранной пары, ai - активность раствора в i-й камере. Внутреннее сопротивление батареи равно

, (3)

где S - площадь одной мембраны, ra и- поверхностное сопротивление анионо - и катионообменных мембран, соответственно, hi - расстояние между мембранами, Li - молярная электропроводность растворов, Mi - молярность растворов, i - номер камеры.

Полезная мощность, выделяющаяся на сопротивлении нагрузки , равна

. (4)

Чтобы получаемая от электродиализной установки мощность была максимальна, необходима оптимизация по величинам концентраций растворов, сопротивлению нагрузки, числу ступеней батареи. Дифференцируя выражение (4) по сопротивлению нагрузки, получим, что выделяющаяся на нем мощность максимальна при Rн = Rб. При увеличении концентрации более концентрированного раствора мощность батареи монотонно растет. От концентрации разбавленного раствора зависимость сложнее. При увеличении концентрации разбавленного раствора уменьшается ЭДС батареи, но уменьшается и сопротивление батареи. Поэтому существует оптимальное значение концентрации разбавленного раствора соответствующее максимальной полезной мощности.

Оценим характеристики батареи при условиях, если количество растворов не ограничено, т. е. концентрации растворов во всех отсеках с "морской" и "пресной" водой мало отличаются от их исходной концентрации. Отсеки батареи соединены параллельно по потокам морской и пресной воды. Потери энергии на подачу растворов не учитываются.

Рис.7. Зависимость мощности, выделяющейся на сопротивлении нагрузки, от концентрации разбавленного раствора и величины сопротивления нагрузки. Кривая зависимости мощности от концентрации разбавленного раствора при условии Rн=.

В поток пресной воды добавляется раствор для понижения электрического сопротивления. Формулы 2 - 4 для этого случая существенно упрощаются. На рис.7 приведена полученная из уравнения (4) трехмерная диаграмма зависимости мощности, выделяющейся на сопротивлении нагрузки от концентрации разбавленного раствора и величины сопротивления нагрузки и кривая зависимости мощности батареи от концентрации разбавленного раствора при условии Rн=.

Полученная величина мощности экспериментальной ЭЭУ относительно невелика, но удельная мощность установки достигает 1 кВт/м3 рабочего объема батареи.

В экспериментах напряжение батареи достигало 4,2 В, мощность 157 мВт на сопротивлении нагрузки от 10 до 15 Ом при солености морской и пресной воды 33 о/оо и 0,14 о/оо, соответственно. Полученная величина ЭДС батареи близка к расчетной, однако мощность батареи была ниже расчетной из-за высокого внутреннего сопротивления батареи вследствие повышенного поверхностного сопротивления мембран, и концентрационной поляризации. Уменьшение толщины перспективных мембран и межмембранных промежутков приведет к уменьшению сопротивления мембран и растворов и меньшей концентрационной поляризации.

Выводы

Ресурсы источников энергии градиентов солености высоки. Предложены способы обратного электродиализа и осмотические. Испытания экспериментальной энергетической установки работоспособность подтвердили способа обратного электродиализа. Исследование и разработка новых способов преобразования ЭГС, получение и производство мембран, предназначенных специально для преобразования ЭГС, позволит добиться конкурентоспособности данного источника энергии по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Княжев В. В., Ковалев О. П. (2001). Ресурсы энергии градиентов солености рек Приморского края В: Международные научные чтения «Приморские зори – 2001». Экология, безопасность жизнедеятельности, охрана труда, медицина и гигиена, устойчивое развитие Дальневосточных территорий. Вып. 3,ТАНЭБ, Владивосток, стр..56-60

[2] Loeb S., Honda T., Reali M. (1990). Comparative Mechanical Efficiency of Several Plant Configuration Using A Pressure-Retarded Osmosis В: Journal of Membrane Science. V.51, pp..

[3] Княжев В. В. (2007). Гидроосмотическое преобразование энергии градиентов солености. В: Материалы 2-й научно-технической конференции «Технические проблемы освоения Мирового океана» 2-5 октября 2007 г., Дальнаука, Владивосток, стр. 494-498.

[4] Княжев В. В. , Ковалев О. П. (2005). Исследование характеристик электродиализной энергетической установки В: Международные научные чтения «Приморские зори – 2005». Экология, безопасность жизнедеятельности, защита в чрезвычайных ситуациях, охрана, безопасность, медицина и гигиена труда, устойчивое развитие Дальневосточных территорий. Вып. 2. Владивосток; стр.23-28.

Прокомментируйте:

Регистрация
Мы в соцсетях:


Подпишитесь на рассылку:
Посмотрите по Вашей теме:

Вода - основа жизни
Значение воды для человека

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалоги
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьер

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказЭкономикаРегионы РоссииПрограммы регионов
История: СССРИстория РоссииРоссийская ИмперияВремя2016 год
Окружающий мир: Животные • (Домашние животные) • НасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШкола
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовМуниципалитетыМуниципальные районыМуниципальные образованияМуниципальные программыБюджетные организацииОтчетыПоложенияПостановленияРегламентыТермины(Научная терминология)

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства