Slanost ostrova Saona Energie gradientu: Modrá energie, osmotická energie a elektřina ze sladké a mořské vody

Úvod

Oceán obsahuje více než jen biologické zdroje, krásná pobřeží a příležitosti pro turistiku. Také drží energii v rozdílech mezi vodními hmotami. Jedna nově vznikající koncepce obnovitelné energie využívá k výrobě elektřiny rozdíl v koncentraci soli mezi sladkou a mořskou vodou.

Tato technologie se nazývá energie slaného gradientu, běžně známá jako modrá energie. Když se sladká voda a mořská voda smíchají, jejich různé chemické potenciály vytvoří příležitost k získání užitečné energie. Speciální membránové systémy mohou řídit proces míchání a přeměnit část této energie na elektřinu.

Pro ostrovní destinaci, jako je ostrov Saona v Dominikánské republice, nabízí modrá energie zajímavé téma pro výzkum mořského inženýrství. Vyvolává otázky týkající se dostupnosti sladké vody, kvality pobřežní vody, výkonu membrán, ochrany životního prostředí a praktických nákladů na výrobu elektřiny.

Existence mořské vody však sama o sobě nezaručuje, že místo je vhodné pro elektrárnu s gradientem slanosti. Bylo by třeba prokázat spolehlivý zdroj sladké vody, vhodné místo pro míchání a pozitivní energetickou bilanci.

Tato příručka vysvětluje vědu, hlavní technologie, technické požadavky a možnou cestu výzkumu pro vyhodnocení modré energie v okolí ostrova Saona.

1. Co je energie gradientu slanosti?

Energie gradientu slanosti je energie spojená s rozdílem v koncentraci soli mezi dvěma vodními roztoky.

Vezměte si dva vzorky vody:

• Sladká voda obsahuje relativně nízkou koncentraci rozpuštěných solí
• Moře obsahuje mnohem vyšší koncentraci solí
Seali. soli.

Když se tyto roztoky smíchají, rozdíl v koncentraci soli se postupně zmenšuje. Proces míchání je termodynamicky příznivý a uvolňuje Gibbsovu volnou energii.

Místo toho, aby se obě vody mohly mísit bez kontroly, energetický systém s gradientem slanosti využívá membrány a další zařízení k zachycení části dostupné energie.

Tento proces se někdy nazývá modrá energie, protože dokáže využít přirozený rozdíl mezi říční vodou a mořskou vodou.

Výzkumníci zkoumali několik technologií elektrolýzy, zejména elektrolýzu. Tyto systémy využívají různé fyzikální mechanismy k přeměně energie míchání na užitečnou práci.

2. Vědecký princip modré energie

Základní koncept je založen na chemickém potenciálu.

Chemický potenciál popisuje, jak se mění energie látky, když se mění její množství nebo koncentrace. Sladká voda a mořská voda mají různé chemické potenciály, protože jejich koncentrace rozpuštěných solí se liší.

Když se dva roztoky smíchají, systém se posouvá směrem k jednotnější koncentraci.

Teoretická energie dostupná při míchání souvisí se změnou Gibbsovy volné energie:

[
\Delta G_{\text{mix}}=\Delta H_T\Dtext{mix S_{\text{mix}}
]

Kde:

• (\Delta G_{\text{mix}}) = změna Gibbsovy volné energie
• (\Delta H_{\Ttext)
• (\Delta S_{\text{mix}}) = změna entropie

Elektrárna nedokáže zachytit všechnu tuto teoretickou energii. U skutečných systémů dochází k membránovému odporu, čerpacím ztrátám, tlakovým ztrátám, koncentrační polarizaci a dalším neefektivitám.

Praktickým cílem je proto získat užitečnou elektřinu a zároveň spotřebovat méně energie při příjmu, předúpravě, cirkulaci a vypouštění.

3. Hlavní typy technologie gradientní energie slanosti

Obzvláště důležité jsou dvě membránové technologie.

3.1 Pressure-Retarded Osmosis (PRO)

Tlaková osmóza využívá semipermeabilní membránu, která umožňuje průchod molekul vody a zároveň omezuje většinu rozpuštěné soli.

Systém

Systém

Systém

Napájecí roztok s nízkou slaností, jako je sladká voda.

Salinový roztok s vysokou slaností, jako je mořská voda.

Vzhledem k rozdílu v osmotickém tlaku se voda pohybuje přes membránu směrem ke koncentrovanějšímu roztoku.

Ve PRO je strana tahu udržována pod hydraulickým tlakem. Voda vstupující na tuto tlakovou stranu zvyšuje průtok tlakové vody, která může pohánět turbínu nebo jiné zařízení pro přeměnu energie.

Zjednodušený proces je:

1. Částice sladké a mořské vody jsou shromažďovány odděleně pomocí vhodných látek
2. S.
3. S. předúprava.
4. Dva proudy vstupují na opačné strany membrány PRO.
5. Voda se pohybuje přes membránu do tlakového tahového roztoku.
6. Stlačený tok prochází systémem rekuperace energie.
7. Turbína nebo hydraulický generátor přeměňuje dostupnou mechanickou energii na elektřinu.

Výkon membrány, průtok vody, průtok vody a odolnost PRO závisí jak na tlaku vody, tak na propustnosti vody. vodní proudy.

3.2 Reverzní elektrodialýza (RED)

Reverzní elektrodialýza vyrábí elektřinu pomocí pohybu rozpuštěných iontů přes selektivní membrány.

Na rozdíl od PRO, který spoléhá hlavně na pohyb vody a hydraulický tlak, RED spoléhá na pohyb iontů a rozdíl elektrochemického potenciálu.

ČERVENÝ zásobník obsahuje střídavě kationtoměničové a aniontoměničové membrány.

• Kationtoměničové membrány přednostně umožňují průchod kladně nabitým iontům.
• Aniontoměničové membrány přednostně umožňují průchod záporně nabitým iontům.

Sladká voda a mořská voda proudí střídajícími se oddíly. Rozdíl v koncentraci soli vytváří elektrochemický potenciál napříč membránami.

Jak se ionty pohybují skrz vrstvu, mezi elektrodami vzniká elektrický potenciál. Vnější obvod pak může shromažďovat výsledný elektrický proud.

Mezi hlavní součásti patří:

• Kationtoměničové membrány
• Aniontoměničové membrány
• Proplachovací kanály pro sladkovodní a mořskou vodu
• Electes
• RodliEli>Spacers řešení
• Čerpadla a monitorovací zařízení

RED je zvláště zajímavé, protože převádí iontový pohyb spojený s mícháním na elektrickou energii, aniž by vyžadovalo stejné uspořádání tlakové vodní turbíny jako v PRO.

3.3 PRO a RED: Klíčové rozdíly

FunkcePROREDHlavní mechanismusOsmotický pohyb vodyIbranmivýměnnýVýměnný membrányHlavní výstupní proces Průtok tlakové vodyElektrický potenciál a proudEnergetická konverzeHydraulická turbína nebo energetický měničElektrochemický okruhHlavní strojírenský problémZtráty toku a tlaku vody Odolnost membrány a transport iontůDůležité omezeníPožadavek na znečištění a čerpáníZtráty na znečištění a čerpání

Žádná technologie není automaticky nejlepší volbou pro každé místo. Vhodný systém závisí na zdrojích vody, vlastnostech membrán, provozních podmínkách, konstrukčním návrhu a ekonomických předpokladech.

4. Další přístupy modré energie

PRO a RED nejsou jedinými přístupy k energii s gradientem slanosti.

Kapacitní míchání

Kapacitní míchání využívá elektrody k ukládání a uvolňování elektrického náboje, když jsou elektrody vystaveny roztokům s různou koncentrací soli.

Měnící se iontové prostředí ovlivňuje elektrický potenciál elektrod. Řízením kontaktu mezi sladkou a slanou vodou může systém extrahovat elektrickou energii.

Reverzní selektivní membránové systémy

Výzkumníci také zkoumají nové membránové struktury a selektivní materiály pro transport iontů. Tyto přístupy mají za cíl zlepšit iontovou selektivitu, snížit vnitřní odpor a zvýšit množství energie získané z daného rozdílu salinity.

Hybridní systémy

Hybridní systém může kombinovat energii s gradientem slanosti s odsolováním, čištěním odpadních vod nebo jinými membránovými procesy.

Například vhodný proud odpadní vody by mohl poskytnout řešení s nižší salinitou, zatímco roztok s alinitou poskytuje řešení. Takovou integraci je třeba pečlivě posoudit, protože předúprava a čerpání mohou spotřebovat značné množství energie.

5. Proč jsou membrány tak důležité

Membrány jsou ústředními součástmi mnoha systémů s modrou energií.

Ve PRO musí membrána umožňovat dostatečný pohyb vody a zároveň omezovat průchod solí.

V RED musí iontoměničové membrány efektivně transportovat požadované ionty při zachování selektivity mezi kladnými a zápornými ionty.

Důležité vlastnosti class="pta-disc" membrána. pl-6 my-2 space-y-1">

Propustnost vody

Odmítání soli

Iontová selektivita

Elektrický odpor

Mechanická pevnost

Chemická stabilita

Odolnost proti zanášení

Dlouhodobá životnost membrána může být špatná, ale vysoká propustnost solí> s vysokou propustností solí>. Vysoce selektivní membrána s vysokou odolností může snížit užitečný energetický výdej.

Inženýři proto musí vyvážit propustnost, selektivitu, odolnost, trvanlivost a náklady.

6. Znečištění membrány a koncentrační polarizace

Výkon membrány se může snížit, když se na površích membrán nebo uvnitř membránových struktur hromadí nežádoucí materiály.

Tomuto stavu se říká znečištění membrány.

Možné příčiny zahrnují:

• S hmota
• Mikroorganismy
• Řasy a biologický materiál
• Usazeniny minerálů
• Koloidní částice

Biologické znečištění je zvláště důležité v mořském prostředí, protože mikroorganismy se mohou přichytit na mokré povrchy a vytvořit biologické filmy.

Polarizace koncentrací je dalším důležitým jevem. Dochází k němu, když se koncentrace soli v blízkosti povrchu membrány liší od koncentrací ve vodě. To snižuje efektivní hnací sílu pro přeměnu energie.

Možná kontrolní opatření zahrnují:

1. Odpovídající prosévání a filtrace.
2. Předúprava zvolená pro aktuální kvalitu vody.
3. Optimalizovaný design průtokového kanálu a distanční vložky.
4. Řízený provozní tlak a průtoková rychlost a kontrola poklesu tlaku, membrána, elektrický odpor.
5. Regulace. výkon systému.

Předúprava sama o sobě vyžaduje energii a vytváří provozní náklady. Úspěšný projekt musí tyto požadavky zahrnout do hodnocení čisté energie, nikoli je považovat za nepodstatné detaily.

7. Mohla by být modrá energie prozkoumána v okolí ostrova Saona?

Ostrov Saona poskytuje užitečné geografické prostředí pro diskusi o výzkumu obnovitelné mořské energie. Praktické vyhodnocení energetického gradientu slanosti by však vyžadovalo mnohem více než jen identifikaci pobřežního místa.

První otázkou je, zda je poblíž vhodného rozhraní mořské vody k dispozici vhodný zdroj sladké vody.

Ústí řeky je známým příkladem takového rozhraní, ale tento článek nepředpokládá, že na ostrově Saona existuje vhodný říční výtok nebo sladkovodní výtok.

Potřebuje k identifikaci a ověření jakéhokoli kandidáta pomocí terénní studie feas. šetření.

7.1 Posouzení sladkovodních zdrojů

Výzkumníci by nejprve prozkoumali potenciální zdroje sladké vody.

Možné zdroje k vyhodnocení by mohly zahrnovat:

• Ověřené přírodní sladkovodní odtoky
• ekologicky přijatelné vypouštění
• S sladkovodní toky

Každý zdroj by musel být posouzen z hlediska průtoku, sezónních změn, slanosti, teploty, nerozpuštěných pevných látek a kontaminace.

Dostupnost malého sladkovodního zdroje nemusí nutně znamenat, že může podporovat komerčně užitečný energetický systém.

7.2 Hodnocení mořské vody:

Vyšetření by vyžadovalo i proud mořské vody

Salinita

Teplota

Elektrická vodivost

Zákal

Suspendované pevné látky

Rozpuštěné organické látky a provozní podmínky

Biologická aktivita by měla být jiná než roční období

Biologická aktivita na jediném vzorku.

7.3 Kvalita vody a podmínky prostředí

Projekt pobřežní energie musí vzít v úvahu okolní mořské prostředí.

Před navržením jakéhokoli opatření pro příjem nebo vypouštění by výzkumníci museli identifikovat citlivá stanoviště a vyhodnotit možné účinky na kvalitu místní vody.

Potenciální obavy zahrnují:

• Změny v místní slanosti
• Narušení vodních organismů související s příjmem
• Změny vodních podmínek související s vypouštěním
• Použití chemikálií během předúpravy a čištění
• Odpad, který vzniká při výměně pobřeží v okolí stanoviště

Řízené vypouštění by mělo zabránit vytváření škodlivých místních změn slanosti. Monitorování životního prostředí by bylo zásadní během jakékoli pilotní studie.

8. Technický návrh malého pilotního projektu Blue-Energy

Malý výzkumný pilot by mohl pomoci určit, zda je koncept technicky vhodný pro vybranou pobřežní lokalitu.

Koncepční systém by zahrnoval následující komponenty.

Příjem vody

Oddělená uspořádání sání by shromažďovala nízkoslanou a vysoce slanou vodu, požadavky na vodní toky s usazeninami,

návrhy vodních toků. přístup, údržba a ochrana životního prostředí.

Jednotka předúpravy

Voda by procházela vhodným zařízením pro předúpravu, aby se snížily částice a nečistoty, které by mohly poškodit membrány.

Proces úpravy by měl být zvolen po laboratorní analýze kvality vody.

Membránový modul

Membránový modul by mohl poskytnout řízené rozhraní pro testování různých materiálů

Výzkum membránových řešení mezi těmito dvěma materiály. podmínek.

Jednotka pro přeměnu energie

U PRO by mohl být proud tlakové vody veden přes hydraulický systém rekuperace energie.

U RED by se membránová soustava připojila k elektrickému okruhu a vhodnému zařízení pro úpravu energie.

Řídicí a monitorovací systém

Monitorovací systém list by mohl zaznamenávat:

Systém kontroly a monitorování

Systém monitorování seznamu může zaznamenávat:

space-y-1">

Vstupní a výstupní průtok

Salinita a vodivost

Teplota

Tlak

Výkon membrány

Elektrické napětí a proud

Čerpací energie

Čistý energetický výstup

Tato měření by pomohla inženýrům identifikovat teoretický potenciál energie produkce.

9. Odhad energetického potenciálu

Studie proveditelnosti modré energie by měla začít s charakteristikami dvou vodních toků.

Pro zjednodušené posouzení může být dostupná energie při míšení vztažena ke změně Gibbsovy volné energie mezi nemíchaným a smíšeným řešením.

Teoretický energetický potenciál však není stejný jako elektřina dodávaná uživateli:

Avšak praktické:

A.

Čistý elektrický výkon = hrubá výroba elektrické energie − energie čerpání − energie předúpravy − spotřeba pomocné energie

Další ztráty mohou zahrnovat:

• Hydraulické tření
>Ztráty elektrické energie ztráty při přeměně
• Požadavky na čištění a údržbu

Systém, který vyrábí elektřinu, ale spotřebovává stejné nebo větší množství elektřiny při čerpání a čištění, by neposkytoval užitečnou čistou energetickou výhodu.

Z tohoto důvodu je čistý výkon a čistá rekuperace energie smysluplnější než samotné vykazování hrubého výkonu membrány.

10. Potenciální výhody modré energie

Pokud lze prokázat vhodné místo a životaschopnou technologii, energie s gradientem slanosti by mohla nabídnout několik potenciálních výhod.

Výzkum obnovitelné energie

Poskytuje příležitost prozkoumat mořský zdroj obnovitelné energie, který se liší od solární, větrné, vlnové a tepelné energie.

Integrace s vhodným projektem pro úpravu vody 3Úprava vody>A procesy čištění odpadních vod, za předpokladu, že celý systém má pozitivní energetickou a environmentální bilanci.

Nepřetržitá možnost zdrojů

Na rozdíl od slunce a větru není základní proces míchání přímo závislý na slunečním záření nebo rychlosti větru. Výstup elektřiny by však stále závisel na dostupnosti a průtoku dvou vodních toků a provozních podmínkách elektrárny.

Inženýrské vzdělávání

Pilotní systém by mohl poskytnout praktické příležitosti k učení v oblasti membránové technologie, mechaniky tekutin, elektrochemie, termodynamiky, testování kvality vody a hodnocení obnovitelné energie.

11. Hlavní výzvy komerční implementace

Modrá energie je vědecky slibná, ale komerční nasazení čelí významným technickým a ekonomickým výzvám.

Náklady na membrány: Specializované membrány a sady membrán mohou být drahé.

Znečištění: Biologický růst, suspendované částice a usazeniny minerálů mohou snížit výkon systému.

Čerpání vyžaduje požadavky na vodu: energie.

Nízká praktická hustota výkonu: Množství energie získané na jednotku plochy membrány může být za určitých podmínek nedostatečné pro ekonomický provoz.

Omezení zdrojů vody: Místo potřebuje vhodné vodní toky s dostatečným a spolehlivým rozdílem slanosti a průtoku.

Údržba: Požadavky na biologickou údržbu Marine mohou zvýšit požadavky na korozi a údržbu v moři.

Ochrana životního prostředí: Opatření pro nasávání a vypouštění musí být navržena tak, aby chránila mořská stanoviště a kvalitu místní vody.

Výzkumné průzkumy opakovaně identifikovaly výkonnost membrány, zanášení, předúpravu a energetické ztráty na úrovni systému jako důležité překážky širší implementace.

12. Navrhovaný výzkumný rámec pro ostrov Saona

Odpovědné vyšetřování by mohlo být organizováno do šesti fází.

Fáze 1 – Identifikace lokality

Identifikujte možná rozhraní sladké vody a mořské vody pomocí ověřených map, terénního průzkumu a konzultací s příslušnými místními úřady.

Fáze 2 – odběr vzorků vody a měření sladké vody

Fáze 3 – Sezónní monitorování

Opakujte měření, abyste pochopili sezónní změny v dostupnosti vody a rozdíly ve slanosti.

Fáze 4 – Laboratorní testování

Otestujte kandidátní vzorky vody PRO nebo RED. Zaznamenejte tok vody, elektrický výkon, tlakové ztráty a znečištění.

Fáze 5 – Technické a ekonomické posouzení

Odhadněte plochu membrány, požadavky na příjem, energii čerpání, požadavky na předúpravu, náklady na zařízení, údržbu a čistý výdej elektřiny.

Fáze 6 – Vyhodnocení životního prostředí

Posuďte případný dopad na životní prostředí a schvalování odpadů z hlediska životního prostředí, před posouzením vlivu na životní prostředí. instalace.

Studie by měla srovnávat PRO, RED a další vhodné přístupy spíše než vybírat technologii dříve, než budou známa dostupná data.

13. Role stavebního a environmentálního inženýrství

Energetický gradient slanosti není pouze tématem membránové vědy. Zahrnuje také několik oblastí stavebního a environmentálního inženýrství.

Hydraulické inženýrství: Sací konstrukce, potrubí, čerpadla, rozvody průtoku a hydraulické ztráty.

Environmentální inženýrství: Analýza kvality vody, předúprava, návrh vypouštění a prevence znečištění.

Stavební inženýrství: platforma nosných rámů. trvanlivost.

Geotechnické inženýrství: Průzkum půdy a stabilita základů pro jakékoli pozemní zařízení.

Pobřežní inženýrství: Pobřežní procesy, vystavení vlnám, ochrana pobřeží a bezpečné umístění infrastruktury.

Energetické inženýrství: Turbínové systémy, elektrický výkon, rekuperace energie a účinnost systému.

Multidisciplinární přístup k návrhu by byl nezbytný předtím, než by bylo možné zvážit skutečný projekt.

14. Budoucí vyhlídky pro modrou energii

Budoucí vývoj bude do značné míry záviset na zlepšení materiálů membrán, návrhu modulů a systémové integrace.

Výzkumníci zkoumají membrány s lepší selektivitou, nižší odolností a zlepšenou odolností vůči znečištění. Efektivnější průtokové kanály a vylepšené metody předúpravy mohou také pomoci snížit energetické ztráty.

Umělá inteligence a numerické modelování by mohly podporovat výběr membrán, optimalizaci průtoku, předpověď znečištění a provozní monitorování.

Pro ostrovní a pobřežní komunity mohou být nejužitečnějšími budoucími aplikacemi menší systémy integrované s vhodnou infrastrukturou pro úpravu vody, než aby se předpokládalo, že velká, samostatně stojící elektrárna na ostrově Sap má automaticky význam

by bylo pečlivě navržené hodnocení kvality zdrojů a vody – nikoli okamžitá výstavba.

15. Často kladené otázky

Co je energie gradientu slanosti?

Je to energie, kterou lze získat z rozdílu v koncentraci soli mezi dvěma vodními roztoky, jako je sladkovodní a mořská voda.

Proč se tomu říká modrá energie?

Ten termín popisuje energii získanou smícháním vodních proudů s různou tlakovou a slanou vodou

PRO používá semipermeabilní membránu a osmotický pohyb vody k vytvoření proudu tlakové vody, který lze použít k přeměně energie.

Co je to reverzní elektrodialýza?

RED využívá střídavé iontoměničové membrány k nasměrování kladných a záporných iontů skrz membránový svazek, čímž vzniká elektrický potenciál.

Žádná tepelná energie

Není to stejná tepelná energie jako oceán?h>

Modrá energie využívá rozdíl v salinitě, zatímco přeměna tepelné energie oceánu využívá rozdíl v teplotě vody.

Může modrá energie fungovat bez sladké vody?

Konvenční sladkovodní a mořský systém vyžaduje dvě řešení s různou salinitou. Mohou být možné i jiné inženýrské gradienty slanosti, ale jejich příprava a provoz musí být zahrnuty do energetické bilance.

Má ostrov Saona již elektrárnu s modrou energií?

Tento článek netvrdí, že na ostrově Saona existuje elektrárna s modrou energií. Místní projekt by vyžadoval ověřená data o vodních zdrojích, studie proveditelnosti, hodnocení životního prostředí a příslušná schválení.

Je modrá energie zcela bez znečištění?

Proces přeměny energie nevyžaduje spalování, ale i tak může mít celý systém dopad na životní prostředí ze sacích struktur, vypouštění, čerpání, chemikálií pro předúpravu, výroby membrán a odpadu. Tyto účinky je třeba vyhodnotit.

Co je lepší: PRO nebo RED?

Žádné z nich není univerzálně lepší. Jejich vhodnost závisí na rozdílu slanosti, kvalitě vody, vlastnostech membrán, provozních podmínkách, energetických ztrátách a ekonomice projektu.

Může modrá energie pohánět celý ostrov?

To nelze předpokládat. Záleželo by na dostupném průtoku sladké vody, rozdílu slanosti, účinnosti systému, kapacitě elektrárny, nákladech a poptávce po elektřině. Je nezbytné posouzení specifické pro dané místo.

Závěr

Energetický gradient slanosti nabízí zajímavý způsob, jak získat obnovitelnou energii z přirozeného rozdílu mezi sladkou a mořskou vodou. Prostřednictvím tlakově retardované osmózy, reverzní elektrodialýzy a dalších nově vznikajících přístupů vědci zkoumají, jak lze energii řízeného míchání přeměnit na užitečnou elektřinu.

Pro ostrov Saona je modrá energie nejlépe chápána jako potenciální výzkumná příležitost, spíše než zavedený místní zdroj energie. Nejdůležitějšími prvními kroky by bylo ověření vhodných zdrojů sladké vody, měření kvality vody, posouzení sezónní dostupnosti a vyhodnocení environmentálních důsledků jakéhokoli navrhovaného systému příjmu a vypouštění.

Díky pečlivému inženýrství, realistickým energetickým výpočtům a silným ekologickým zárukám by malý výzkumný projekt mohl pomoci určit, zda si energie s gradientem slanosti zaslouží další zvážení v širší karibské krajině obnovitelné energie.