ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАДИЕНТА СОЛЕНОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ

Оценки показывают, что большой энергетический потенциал океана связан с разностью соленостей пресной и морской воды и может быть использован в районах впадения рек в море. Осмотическое давление1* пресной воды по отношению к морской воде превышает 2 МПа, так что водный поток с расходом 1 м3/с несет потенциальную мощность

Р = pV = 2 -106 -1 = 2 МВт. (15)

Для выработки той же мощности в расчете на тот же расход воды потребова­лось бы создание гидроэлектростанции с плотиной высотой 200 м.

Устройства для извлечения этой энергии базируются на использовании полу­проницаемых мембран. Это могут быть устройства, использующие осмотическое давление, или установки электродиализа, основанные на разности электропо­тенциалов, возникающей на мембране, которая проницаема для катионов и не­проницаема для анионов (или наоборот).

Проблема состоит в том, что известные мембраны дороги и пока имеют ма­лый срок службы. Одной из наиболее продвинутых в разработке мембранных технологий использования энергии градиента солености является норвежская компания Statkraft.

Известно также оригинальное устройство, в котором мембраны не исполь­зуются. Пока созданы лишь лабораторные установки, успешно работающие в условиях использования пресной воды и рассола (насыщенный раствор хлори­да натрия). Вероятно, такие установки смогут работать также и на настоящей морской воде.

Известно, что морская вода вскипает при более высокой температуре, чем пресная. Это значит, что при одинаковой температуре давление водяных паров над соленой водой меньше, чем над пресной. На рис. 14.8 показана зависимость давления пара пресной воды от температуры. На нем также изображена разность давлений пара для пресной воды и рассола.

Предлагаемая установка схематически представлена на рис. 14-9. Камера А содержит рассол, В — пресную воду. Если жидкости находятся при одинаковой температуре, давление пара в камере А ниже, чем в А В результате в трубе, со­единяющей камеры В и А, возникает движение водяного пара, приводящее во вращение турбину. При испарении пресной воды она охлаждается, что приводит к понижению давления, в то время как разбавление рассола в камере А приво-

Прим. ред. Осмотическое давление — сила, действующая на полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора с разной концентрацией растворенных веществ и направленная от более разбавленного к более концентрированному раствору.

дит к росту температуры (и давления). С течением времени система достигнет равновесного состояния и турбина прекратит вращение.

Этого можно избежать, если тепло конденсации направить обратно из каме­ры В в камеру А. Если все тепло возвращается, изменений температуры не про­исходит, и, в конце концов, процесс закончится лишь тогда, когда вся пресная вода переместится в камеру с рассолом. Для обеспечения теплообмена необхо­димо, чтобы камеры А и В были разделены лишь тонкой стенкой с хорошими теплопроводящими свойствами.

На практике в качестве рассола может использоваться морская вода, а в ка­честве пресной воды — речная вода. Оценим, сколько энергии можно извлечь в расчете на 1 кмоль пресной воды. Пусть pFR — давление пара над пресной во­дой, рш — давление пара в контейнере с рассолом. Пусть VFR — объем пара, проходящего через турбину со стороны пресной воды, и VBR — объем пара, вы­ходящего из турбины на стороне камеры с рассолом. Все величины относятся к заданному промежутку времени.

Водяной пар, проходящий через турбину, совершает работу

Pbr

W = J йрУ

PtR

и, поскольку расширение происходит адиабатически,

PfrVfr = РшУпк ■

Тогда интеграл будет равен:

i-v

Для 1 кмоля идеального газа pV=RT. Предположим, что система находится при постоянной температуре 25 °С (298 К), тогда произведение pFR VIR будет равно 8314 • 298 = 2,49 • 106 Дж. Для воды у = 1,29.

Тогда работа, совершенная в расчете на 1 кмоль,

При 25 °С давление пара pFR =3,1 кПа и разность давлений между камерами с пресной водой и рассолом составляет 0,59 кПа (см. рис. 14.8). Это означает, что Pbr = 2,51 кПа. Подставив это значение в уравнение (19), получим, что каждый киломоль водяного пара, который проходит через турбину, теоретически может обеспечить выработку 396 кДж механической энергии.

Сравним полученную выше величину с энергией, которую могла бы произ­вести установка ОТЕС, работающая в диапазоне температур между 25 и 5 °С (АТ = 20 К). Положим, что половина этой АТ срабатывается турбиной. Тогда КПД цикла Карно для указанных температур составит около 0,033. Если теплая вода при передаче тепла циклу охлаждается на 1/4 Д Т, располагаемая тепловая энергия в расчете на 1 кмоль теплой воды составит около 10 МДж и механиче­ская энергия, вырабатываемая турбиной, может составить около 330 Дж. Эта
величина имеет тот же порядок — 396 Дж/кмоль, полученные для устройства, работающего на разности соленостей. Следует отметить, что на лабораторных моделях установок достигнуты энергетические показатели на уровне 40 % тео­ретических.

Одной из серьезных проблем практической реализации описанного устрой­ства, работающего в условиях сильного разрежения, является проблема дегазации воды, необходимой для того, чтобы давление в камерах определялось только во­дяным паром. Если вместо искусственно приготовленных рассолов использовать морскую воду, энергетический выход системы существенно понизится.