محطة الطاقة الاسموزية في النرويج. محطة الطاقة الأسموزي: الطاقة النظيفة من المياه المالحة أين يكون بناء محطات الطاقة الأسموزي مربحًا؟

لقد تم استخدام ظاهرة التناضح على نطاق صناعي لأكثر من 40 عامًا. هذا فقط ليس التناضح الأمامي الكلاسيكي لـ Abbot Nollet، ولكن ما يسمى بالتناضح العكسي - وهي عملية اصطناعية لاختراق مذيب من محلول مركّز إلى محلول مخفف تحت تأثير ضغط يتجاوز الضغط الأسموزي الطبيعي. وقد تم استخدام هذه التقنية في محطات تحلية المياه وتنقيتها منذ أوائل السبعينيات. يتم ضخ مياه البحر المالحة إلى غشاء خاص، ويمر عبر مسامها، ويحرم من نسبة كبيرة من الأملاح المعدنية، وكذلك البكتيريا وحتى الفيروسات. يتطلب ضخ المياه المالحة أو الملوثة كميات كبيرة من الطاقة، ولكن اللعبة تستحق كل هذا العناء - فهناك العديد من المناطق على هذا الكوكب حيث يمثل نقص مياه الشرب مشكلة حادة.

من الصعب تصديق أن مجرد الاختلاف في تركيز المحلولين يمكن أن يخلق قوة خطيرة، ولكن هذا صحيح: الضغط الأسموزي يمكن أن يرفع منسوب مياه البحر بمقدار 120 مترًا.

تم إجراء تجارب على تحويل الضغط الأسموزي إلى طاقة كهربائية من قبل مجموعات وشركات علمية مختلفة منذ أوائل السبعينيات. كان مبدأ هذه العملية واضحا: تدفق المياه العذبة (النهر) التي تخترق مسام الغشاء يزيد الضغط في خزان مياه البحر، مما يسمح للتوربين بالدوران. ومن ثم يتم إطلاق المياه قليلة الملوحة في البحر. كانت المشكلة الوحيدة هي أن الأغشية الكلاسيكية لـ PRO (التناضح المتخلف عن الضغط) كانت باهظة الثمن ومتقلبة ولم توفر قوة التدفق المطلوبة. انطلقت هذه المسألة في أواخر الثمانينيات، عندما تناول الكيميائيان النرويجيان ثورليف هولت وثور ثورسن من معهد SINTEF حل المشكلة.

في الصور التخطيطية، يتم رسم الغشاء الاسموزي كجدار. في الواقع، إنها لفة محاطة بجسم أسطواني. يتناوب هيكلها متعدد الطبقات بين طبقات المياه العذبة والمالحة.

تتطلب أغشية لوب درجة سريرية للحفاظ على أعلى أداء. يتطلب تصميم الوحدة الغشائية لمحطة تحلية المياه وجود مرشح خشن أولي ومضخة قوية تعمل على إزالة الحطام من سطح عمل الغشاء.

قام هولت وثورسن، بعد تحليل خصائص معظم المواد الواعدة، باختيار مادة البولي إيثيلين المعدلة وغير المكلفة. جذبت منشوراتهم في المجلات العلمية انتباه المتخصصين من شركة Statcraft، وتمت دعوة الكيميائيين النرويجيين لمواصلة عملهم تحت رعاية شركة الطاقة. في عام 2001، حصل برنامج الأغشية التابع لشركة Statcraft على منحة حكومية. وباستخدام الأموال المتلقاة، تم بناء منشأة تناضحية تجريبية في سوندالسجور لاختبار عينات الأغشية واختبار التكنولوجيا ككل. كانت مساحة السطح النشطة فيه أعلى قليلاً من 200 متر مربع.

الفرق بين الملوحة (من الناحية العلمية - تدرج الملوحة) للمياه العذبة ومياه البحر هو المبدأ الأساسي لتشغيل محطة الطاقة الأسموزي. وكلما زاد حجمه، زاد حجم ومعدل التدفق على الغشاء، وبالتالي كمية الطاقة المولدة بواسطة التوربين الهيدروليكي. في توفت، تتدفق المياه العذبة إلى الغشاء نتيجة للتناضح، ويزداد ضغط مياه البحر على الجانب الآخر بشكل حاد. قوة التناضح هائلة - يمكن للضغط أن يرفع مستوى مياه البحر بمقدار 120 مترًا.

بعد ذلك، تندفع مياه البحر المخففة الناتجة عبر موزع الضغط إلى شفرات التوربينات، وبعد أن تمنحها كل طاقتها، يتم إلقاؤها في البحر. يأخذ موزع الضغط جزءًا من طاقة التدفق، ويقوم بتدوير المضخات التي تضخ مياه البحر. وبهذه الطريقة، من الممكن زيادة كفاءة المحطة بشكل كبير. ويقدر ريك ستوفر، كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة Energy Recovery، التي تصنع مثل هذه الأجهزة لمحطات تحلية المياه، أن كفاءة نقل الطاقة لدى الموزعين تقترب من 98%. بالضبط نفس أجهزة تحلية المياه تساعد على توصيل مياه الشرب إلى المباني السكنية.

وكما يشير سكيلهاغن، من الناحية المثالية، ينبغي الجمع بين محطات الطاقة التناضحية ومحطات تحلية المياه - حيث تكون ملوحة مياه البحر المتبقية في الأخيرة أعلى بعشر مرات من المستوى الطبيعي. في مثل هذا الترادف، ستزداد كفاءة إنتاج الطاقة مرتين على الأقل.

بدأت أعمال البناء في توفت في خريف عام 2008. تم استئجار مستودع فارغ في موقع مطحنة اللب Sódra Cell. في الطابق الأول تم تركيب سلسلة من المرشحات الشبكية والكوارتز لتنقية مياه الأنهار والبحر، وفي الطابق الثاني كانت هناك غرفة للآلات. وفي ديسمبر من نفس العام، تم رفع وتركيب وحدات الغشاء وموزع الضغط. في فبراير 2009، قامت مجموعة من الغواصين بوضع خطي أنابيب متوازيين على طول قاع الخليج - للمياه العذبة ومياه البحر.

يتم جمع مياه البحر في توفت من أعماق تتراوح بين 35 إلى 50 مترًا - في هذه الطبقة تكون ملوحتها مثالية. بالإضافة إلى ذلك، فهو أنظف بكثير مما هو عليه على السطح. لكن على الرغم من ذلك، تحتاج أغشية المحطة إلى تنظيف منتظم لإزالة المخلفات العضوية التي تسد المسام الدقيقة.

منذ أبريل 2009، تم تشغيل محطة توليد الكهرباء في الوضع التجريبي، وفي نوفمبر، وبمساعدة الأميرة ميت ماريت، تم إطلاقها بكامل طاقتها. يؤكد Skillhagen أنه بعد Tofte، سيكون لدى Statcraft مشاريع أخرى مماثلة ولكنها أكثر تقدمًا. وليس فقط في النرويج. ووفقا له، فإن المجمع الموجود تحت الأرض بحجم ملعب كرة قدم قادر على توفير الكهرباء دون انقطاع لمدينة بأكملها تضم ​​15000 منزل فردي. علاوة على ذلك، على عكس توربينات الرياح، فإن مثل هذا التثبيت التناضحي صامت عمليا، ولا يغير المشهد المألوف ولا يؤثر على صحة الإنسان. وسوف تعتني الطبيعة نفسها بتجديد احتياطيات الملح والمياه العذبة.

البحار والأنهار، مصادر الطاقة التي لا تنضب، لا تقوم فقط بتشغيل توربينات محطات توليد طاقة المد والجزر والأمواج ومحطات الطاقة الكهرومائية. يمكن أن تعمل مياه البحر والمياه العذبة جنبًا إلى جنب - ومن ثم يعمل عامل مثل التغير في ملوحة المياه كمولد للطاقة. على الرغم من أن الطاقة الملحية لا تزال في بداية تطورها التكنولوجي، إلا أنها تتمتع بالفعل بآفاق واضحة.

مبدأ التشغيل وإمكانات محطات الملح

يعتمد توليد الملح على عملية طبيعية تسمى التناضح. وهي ممثلة على نطاق واسع في الطبيعة، سواء الحية أو غير الحية. على وجه الخصوص، بسبب الضغط الأسموزي، تنتقل النسغ في الأشجار أثناء عملية التمثيل الغذائي لمسافة كبيرة من الجذور إلى الأعلى، وترتفع إلى ارتفاع مثير للإعجاب - على سبيل المثال، بالنسبة للسكويا، فهي حوالي مائة متر. هناك ظاهرة مماثلة - التناضح - متأصلة في المسطحات المائية وتتجلى في حركة الجزيئات. تتم حركة الجزيئات من منطقة بها عدد كبير من جزيئات الماء إلى وسط به شوائب ملحية.

التغيرات في الملوحة ممكنة في عدد من الحالات، بما في ذلك عندما يتلامس البحر أو البحيرات مع المياه العذبة - الأنهار ومصبات الأنهار والبحيرات القريبة من الساحل. بالإضافة إلى ذلك، فإن القرب من المياه المالحة والعذبة ممكن في المناطق ذات المناخ الجاف، في المناطق التي توجد بها رواسب الملح تحت الأرض، والقباب الملحية، وكذلك تحت قاع البحر. يمكن أن ينشأ الفرق في ملوحة الكتل المائية المتصلة بشكل مصطنع - في أحواض التبخر، والبرك الشمسية الطبقية، في محاليل تصريفات الصناعة الكيميائية وفي خزانات المياه في منشآت الطاقة، بما في ذلك محطات الطاقة النووية.

حركة الأيونات، مثل أي قوة طبيعية، يمكن استخدامها لتوليد الطاقة. يتضمن المبدأ الكلاسيكي لتوليد الملح بناء غشاء نافذ للأيونات بين المحاليل الطازجة والمالحة. في هذه الحالة، سوف تمر جزيئات المحلول الطازج عبر الغشاء، ويزيد ضغط السائل المالح ويعوض القوى الاسموزية. وبما أن إمدادات المياه العذبة في الأنهار ثابتة في الطبيعة، فإن حركة الأيونات ستكون مستقرة، لأن فرق الضغط لن يتغير. يقوم الأخير بتشغيل التوربينات الهيدروليكية للمولدات وبالتالي إنتاج الطاقة.

وتعتمد إمكانيات إنتاج الطاقة بالدرجة الأولى على ملوحة المياه، وكذلك على مستوى جريانها في مجرى النهر. ويبلغ متوسط ​​مستوى الملوحة في المحيطات العالمية 35 كيلو جرامًا لكل متر مكعب من الماء. ويصل الضغط الأسموزي عند هذا المستوى إلى 24 ضغط جوي، وهو ما يعادل قوة الماء المتساقط من ارتفاع سد يبلغ 240 متراً. يبلغ إجمالي تصريف المياه من المسطحات المائية العذبة إلى البحار 3.7 ألف كيلومتر مكعب سنويًا. وإذا استخدمنا 10% من إمكانات أكبر أنهار الاتحاد الأوروبي ــ نهر فيستولا، والراين، والدانوب ــ لتوليد الطاقة، فإن حجم الطاقة المولدة سوف يتجاوز متوسط ​​الاستهلاك في أوروبا ثلاث مرات.

بعض الأرقام الأكثر إثارة للإعجاب: مع بناء محطات توليد الطاقة في المنطقة التي يتدفق فيها نهر الفولغا إلى بحر قزوين، سيكون من الممكن إنتاج 15 تيراواط ساعة من الطاقة سنويا. من الممكن تمامًا توليد 10 تيراواط/ساعة و12 تيراواط/ساعة من الطاقة في مناطق التقاء بحر دنيبر-البحر الأسود ومضيق أمور-تتار، على التوالي. وبحسب متخصصين من شركة Statkraft النرويجية، فإن إجمالي إمكانات الطاقة الملحية يصل إلى 0.7-1.7 ألف تيراواط/ساعة أو 10% من الاحتياجات العالمية. وبحسب تقديرات الخبراء الأكثر تفاؤلا، فإن تعظيم الاستفادة من ملوحة المياه سيمكن من الحصول على كهرباء أكثر مما تستهلكه البشرية حاليا.

أوروبا: المشاريع المكتملة

تعود المحاولات الأولى التي قام بها العلماء لتوليد الكهرباء عن طريق خلق الضغط الأسموزي، الذي سيكون قادرا على تشغيل توربينات المولدات، إلى سبعينيات القرن العشرين. وحتى ذلك الحين، تم اقتراح استخدام غشاء شبه منفذ كمكون رئيسي لنوع جديد من محطات التوليد، لا يمكن اختراقه للتدفق العكسي للأملاح، ولكنه يسمح لجزيئات الماء بالمرور بحرية تامة.

بالكاد يمكن وصف التطورات الأولى بأنها ناجحة - فالأغشية لم توفر تدفقًا قويًا بدرجة كافية. كانت هناك حاجة إلى مواد يمكنها تحمل ضغط أكبر بعشرين مرة من شبكات إمدادات المياه، وفي الوقت نفسه يكون لها هيكل مسامي. بدأ التقدم في التطوير في منتصف الثمانينات، بعد أن قامت شركة SINTEF النرويجية بإنشاء بولي إيثيلين معدل رخيص الثمن يعتمد على السيراميك.

وبعد حصولهم على التكنولوجيا الجديدة، فتح النرويجيون الطريق فعليًا أمام التنفيذ العملي لمشاريع توليد الملح. وفي عام 2001، منحت حكومة البلاد شركة Statkraft منحة لبناء منشأة تناضحية تجريبية بمساحة غشائية إجمالية تبلغ 200 متر مربع. كلف بناء المحطة حوالي 20 مليون دولار. تم بناء المنشأة في مدينة توفت (الواقعة في بلدة خوروم). كان أساس البناء هو البنية التحتية لمصنع الورق Södra Cell Tofte.

مصنع الورق Södra Cell Tofte مع مصنع تجريبي

تبين أن قوة المولد أكثر من متواضعة - تنتج المحطة بحد أقصى 4 كيلو واط من الطاقة، وهو ما يكفي فقط لتشغيل غلايتين كهربائيتين. ومن المخطط في المستقبل زيادة مؤشر الطاقة إلى 10 كيلو واط. ومع ذلك، يجب أن نتذكر أن المشروع التجريبي تم إطلاقه كتجربة وكان يهدف في المقام الأول إلى اختبار التقنيات واختبار الحسابات النظرية في الممارسة العملية. ومن المفترض أن يتم تحويل المحطة إلى التشغيل التجاري إذا اعتبرت التجربة ناجحة. في هذه الحالة، يجب زيادة طاقة المولد الفعالة من حيث التكلفة إلى 5 واط لكل متر مربع من مساحة الغشاء، ولكن الآن هذا الرقم بالنسبة للمحطة النرويجية لا يزيد عن 1 واط لكل متر مربع.

الإعداد الاسموزي التجريبي

وكانت المرحلة التالية في تطوير توليد الملح باستخدام تقنيات الأغشية هي إطلاق محطة للطاقة في أفسلويتديك في هولندا في عام 2014. وكانت الطاقة الأولية للمنشأة 50 كيلوواط، وبحسب بيانات لم يتم التحقق منها، يمكن زيادتها إلى عشرات الميغاواط. المحطة، التي تم بناؤها قبالة ساحل بحر الشمال، إذا تم تطوير المشروع، ستكون قادرة على تلبية احتياجات الطاقة لـ 200 ألف أسرة، حسب حساب شركة Fudji، التي عملت كمورد للأغشية.

روسيا واليابان كمناطق واعدة

إذا تحدثنا عن أي مناطق من العالم ستظهر المحطات التالية، فإن هذا النوع من الطاقة لديه أكبر احتمالات في اليابان. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى الإنتاج الراسخ للمكونات الضرورية - تنتج شركات الدولة 70٪ من حجم الأغشية الأسموزي في العالم. من المحتمل أن يكون العامل الجغرافي مفيدًا أيضًا - فقد توصل المتخصصون من معهد طوكيو الفني إلى استنتاج مفاده أن اليابان لديها إمكانات كبيرة لتطوير الطاقة الملحية. وتحيط بجزر البلاد من جميع الجهات مياه المحيط التي يتدفق إليها عدد كبير من الأنهار. وسيمكن استخدام المحطات التناضحية من الحصول على 5 جيجاوات من الطاقة، وهو ما يعادل توليد العديد من محطات الطاقة النووية، والتي تم إغلاق معظمها في المنطقة اليابانية بعد كارثة فوكوشيما.

الأغشية الاسموزية

الأراضي الروسية ليست أقل جاذبية لتطوير هذا القطاع. وفقا للخبراء المحليين، فإن بناء محطة تناضحية في المنطقة التي يتدفق فيها نهر الفولغا إلى بحر قزوين، قد يكون مشروعا ممكنا تماما. ويبلغ منسوب تدفق المياه عند مصب النهر 7.71 ألف متر مكعب في الثانية، في حين ستتقلب القدرة المحتملة على توليد الملح في حدود 2.83 جيجاوات. وتبلغ قوة المحطة، التي تستخدم 10% من تدفق النهر، 290 ميجاوات. ومع ذلك، فإن النشاط الاقتصادي المتطور في المنطقة، ووفرة الحيوانات والنباتات في دلتا نهر الفولغا سوف يؤدي إلى حد ما إلى تعقيد مشروع بناء المحطة - ستكون هناك حاجة إلى بناء عدد من الهياكل الهندسية وقنوات مرور الأسماك ومستجمعات المياه.

بالإضافة إلى ذلك، تعد شبه جزيرة القرم أحد المواقع الواعدة لإدخال توليد التناضح. على الرغم من أن إجمالي إمكانات أنهار شبه الجزيرة منخفض، إلا أنها لا تزال قادرة على تلبية احتياجات الطاقة للمرافق الفردية، على سبيل المثال، الفنادق. يفكر الخبراء بشكل افتراضي بحت حتى في إمكانية استخدام مياه الصرف الصحي في شبه جزيرة القرم كمصدر جديد للمحطات التناضحية. وقد يتجاوز حجم مياه الصرف الصحي التي يتم تصريفها حاليًا في البحر خلال فصل الصيف في المنطقة كثافة تدفق الأنهار الفردية. ومع ذلك، في هذه الحالة، تصبح مسألة تكنولوجيا تنظيف المعدات بشكل فعال من الملوثات حادة بشكل خاص.

من ناحية أخرى، على الرغم من الظروف الجغرافية المواتية وإمكانية الاختيار الواسع لموقع مرافق التوليد، لم يتم تنفيذ تطورات منهجية حول هذه القضايا في روسيا بعد. على الرغم من أنه وفقًا لبعض البيانات، في عام 1990، على أساس مجموعة علمية من المركز العلمي للشرق الأقصى التابع لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم إجراء دراسة حول إمكانية تطوير الطاقة الملحية حتى التجارب المعملية، إلا أن نتائج ظل هذا العمل مجهولا. وعلى سبيل المقارنة، في أوروبا أيضًا، تكثفت الأبحاث في مجال إنشاء المحطات التناضحية بشكل حاد تحت ضغط المنظمات البيئية منذ أوائل التسعينيات. وتشارك جميع أنواع الشركات الناشئة بنشاط في هذا العمل في الاتحاد الأوروبي، ويتم استخدام الإعانات والمنح الحكومية.

طرق لمزيد من تطوير التكنولوجيا

تهدف الأبحاث الواعدة في صناعة الطاقة الملحية بشكل أساسي إلى تحسين كفاءة إنتاج الطاقة باستخدام تقنية الأغشية المذكورة. وتمكن الباحثون الفرنسيون، على وجه الخصوص، من زيادة معدل إنتاج الطاقة إلى مستوى 4 كيلووات لكل متر مربع من الغشاء، مما جعل إمكانية تحويل المحطات إلى أساس تجاري قريبة جدًا من الواقع. ذهب علماء من الولايات المتحدة واليابان إلى أبعد من ذلك - فقد تمكنوا من استخدام تكنولوجيا أفلام الجرافين في بنية الغشاء. يتم تحقيق درجة عالية من النفاذية بسبب سماكة الغشاء الصغيرة جدًا والتي لا تتجاوز حجم الذرة. ومن المفترض أنه مع استخدام أغشية الجرافين، يمكن زيادة إنتاج الطاقة لكل متر مربع من السطح إلى 10 كيلوواط.

بدأت مجموعة من المتخصصين من المدرسة الفيدرالية للفنون التطبيقية في لوزان (سويسرا) في البحث عن إمكانية التقاط شحنة الطاقة بشكل فعال بطريقة طرف ثالث - دون استخدام توربينات المولدات، ولكن مباشرة أثناء مرور الأيونات عبر الأغشية. وللقيام بذلك، استخدموا ألواح ثاني كبريتيد الموليبدينوم بسمك ثلاث ذرات في إعدادات الاختبار. هذه المادة رخيصة نسبيًا، واحتياطياتها في الطبيعة كبيرة جدًا.

ويتم عمل ثقوب دقيقة في الصفائح للسماح لجزيئات الملح المشحونة بالمرور من خلالها، مما يؤدي إلى توليد الطاقة أثناء تحركها. يمكن لأحد هذه المسام الغشائية أن ينتج ما يصل إلى 20 نانو واط. ووفقا للمعهد الاتحادي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، فإن الأغشية من هذا النوع التي تبلغ مساحتها 0.3 متر مربع تنتج نحو ميغاواط من الطاقة. ومن الواضح أن مثل هذا المؤشر في حالة التجارب الناجحة يمكن اعتباره طفرة حقيقية في الصناعة. حتى الآن، لا يزال البحث في مرحلته الأولية، وقد واجه العلماء بالفعل المشكلة الأولى - فهم غير قادرين بعد على صنع عدد كبير من الثقوب النانوية المتباعدة بشكل متساوٍ في الأغشية.

وفي الوقت نفسه، يجري تطوير طرق في الولايات المتحدة الأمريكية وإسرائيل والسويد للحصول على الطاقة من خلال التحليل الكهربائي العكسي، وهو نوع من تكنولوجيا الأغشية. تتيح هذه التقنية، التي تتضمن استخدام أغشية انتقائية للأيونات، تنفيذ مخطط للتحويل المباشر لملوحة المياه إلى كهرباء. دور عنصر التوليد الاسمي هو بطارية التحليل الكهربائي، التي تتكون من أقطاب كهربائية وعدة أغشية موضوعة بينها، مصممة بشكل منفصل لضمان تبادل الكاتيونات والأنيونات.

عكس دائرة التحليل الكهربائي

تشكل الأغشية عدة غرف تدخل إليها المحاليل بدرجات متفاوتة من تشبع الملح. عندما تمر الأيونات بين اللوحات في اتجاه معين، تتراكم الكهرباء على الأقطاب الكهربائية. ربما، مع استخدام أحدث تقنيات الأغشية، ستكون كفاءة هذه المنشآت عالية. حتى الآن، لم تظهر تجارب إنشاء منشآت ذات تصميم مماثل - باستخدام بطاريات غسيل الكلى - نتائج مبهرة. على وجه الخصوص، يوفر استخدام الأغشية الكاتيونية والأنيونية 0.33 واط فقط لكل متر مربع من الأغشية. هذه الأخيرة مكلفة للغاية وقصيرة الأجل.

بشكل عام، لا يتم إتقان تقنيات الأغشية من الصفر - مثل هذه التصميمات تشبه بشكل أساسي اللوحات المستخدمة في محطات تحلية المياه، ولكنها أرق بكثير وأكثر صعوبة في التصنيع. ولم تبدأ بعد الشركات الرائدة في إنتاج أغشية تحلية المياه، بما في ذلك شركة جنرال إلكتريك، في توريد اللوحات لمحطات التناضح. وبحسب الخدمة الصحفية للشركة، فإنها ستبدأ في إعداد إنتاج الأغشية لقطاع الطاقة في موعد لا يتجاوز خمس أو عشر سنوات.

على خلفية الصعوبات في تطوير تقنيات الأغشية التقليدية، كرس عدد من الباحثين أنشطتهم للبحث عن طرق بديلة لتوليد الملح. وهكذا، اقترح الفيزيائي دوريانو بروجيولي من إيطاليا استخدام ملوحة الماء لاستخراج الطاقة باستخدام الأيونستور - وهو مكثف ذو سعة كبيرة. يحدث تراكم الطاقة على أقطاب الكربون المنشط أثناء عملية الدخول المتسلسل للمياه العذبة والمالحة إلى نفس الغرفة. وخلال تجربة عملية، تمكن العالم من توليد 5 ميكروجول من الطاقة في دورة واحدة من ملء الخزان. وقدر إمكانات تركيبه أعلى بكثير - ما يصل إلى 1.6 كيلوجول لكل لتر من المياه العذبة، بشرط استخدام أيونات ذات سعة أعلى، وهو ما يمكن مقارنته تمامًا بمولدات الأغشية.

اتبع المتخصصون الأمريكيون من جامعة ستانفورد مسارًا مشابهًا. يوفر تصميم بطارياتها إمكانية ملء حجرة البطارية بالمياه العذبة مع إعادة شحنها بشكل صغير من مصدر خارجي. وبعد التحول من الماء العذب إلى ماء البحر، بسبب زيادة عدد الأيونات عشرات المرات، يزداد الجهد الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى توليد طاقة أكبر من تلك التي تنفق على إعادة شحن البطارية.

من الصعب جدًا تنفيذ مبدأ مختلف تمامًا لاستخدام ملوحة المياه، ولكن تم اختباره بالفعل على نماذج توليد الطاقة. يتضمن استخدام الفرق في ضغط البخار المشبع فوق المسطحات المائية بالمياه المالحة والعذبة. والحقيقة هي أنه مع زيادة درجة ملوحة الماء، ينخفض ​​​​ضغط البخار فوق سطحه. يمكن استخدام فرق الضغط لتوليد الطاقة.

عند استخدام التوربينات الدقيقة، من الممكن الحصول على ما يصل إلى 10 واط من الطاقة من كل متر مربع من المبادل الحراري، ولكن هذا يتطلب فقط المسطحات المائية ذات درجة الملوحة العالية - على سبيل المثال، البحر الأحمر أو البحر الميت. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب هذه التقنية الحفاظ على ضغط جوي منخفض وقريب من الفراغ داخل المنشأة، وهو ما يمثل مشكلة عندما يقع المولد في منطقة مياه مفتوحة.

الطاقة من الملح: المزيد من المزايا

وفي مجال إنتاج الملح، كما هو الحال في قطاعات الطاقة الأخرى، فإن حافز التنمية ذو الأولوية هو العامل الاقتصادي. في هذا الصدد، تبدو الطاقة الملحية أكثر من جذابة. وبالتالي، وفقًا للخبراء، إذا تم تحسين تقنيات إنتاج الطاقة الحالية باستخدام الأغشية، فإن تكلفة الإنتاج ستكون 0.08 يورو لكل كيلووات واحد - حتى في غياب الدعم لشركات التوليد.

وللمقارنة، تتراوح تكلفة إنتاج الطاقة في مزارع الرياح في الدول الأوروبية من 0.1 إلى 0.2 يورو لكل كيلوواط. توليد الفحم أرخص - 0.06-0.08 يورو، توليد الفحم بالغاز - 0.08-0.1 يورو، ومع ذلك، ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن المحطات الحرارية تلوث الهواء الجوي. وبالتالي، في قطاع الأسعار، تتمتع المحطات التناضحية بميزة واضحة على الأنواع الأخرى من الطاقة البديلة. على عكس محطات الرياح والطاقة الشمسية، تعد مولدات الملح أكثر كفاءة من الناحية الفنية - حيث لا يعتمد تشغيلها على الوقت من اليوم والموسم، كما أن مستوى ملوحة المياه ثابت تقريبًا.

إن بناء المحطات التناضحية، على عكس محطات الطاقة الكهرومائية وأنواع أخرى من المحطات على المسطحات المائية، لا يتطلب تكلفة إنشاء هياكل هيدروليكية خاصة. أما في الأنواع الأخرى من الطاقة البحرية فالوضع أسوأ. وكتب برونيدرا في وقت سابق أن بناء محطات المد والجزر يتطلب إنشاء بنية تحتية واسعة النطاق ومعقدة. ودعونا نتذكر أن مشاكل مماثلة تتعلق بمنشآت الطاقة التي تعمل بقوة تيارات المحيط وأمواج البحر.

باعتباره أحد مجالات الطاقة البديلة، يتميز توليد الملح بـ "ميزة بيئية" - حيث أن تشغيل المحطات التناضحية آمن تمامًا للبيئة، ولا يخل بالتوازن الطبيعي للطبيعة الحية. إن عملية توليد الطاقة من ملوحة الماء لا يصاحبها تأثيرات ضجيجية. لإطلاق المحطات، لا يتعين عليك تغيير المشهد. ليس لديها أي انبعاثات أو مخلفات أو أي أبخرة، وبالتالي يمكن تركيب هذه المحطات مباشرة في المدن. وتكتفي المحطات باستخدام العمليات الطبيعية المعتادة لتحلية المياه المالحة في مصبات الأنهار لتوليد الطاقة ولا تؤثر بأي شكل من الأشكال على مسارها.

على الرغم من عدد من المزايا الواضحة، فإن للطاقة المالحة أيضا عيوب معينة، مرتبطة في المقام الأول بعدم وجود التقنيات الحالية. بالإضافة إلى المشاكل المذكورة أعلاه المتعلقة بإنشاء أغشية عالية الإنتاجية وموثوقة وغير مكلفة في نفس الوقت، فإن مسألة تطوير مرشحات فعالة أمر ملح، حيث يجب تنظيف المياه التي تدخل محطة الطاقة الاسموزية تمامًا من المواد العضوية التي تسد القنوات المخصصة لمرور الأيونات.

تشمل عيوب المحطات الحد الجغرافي لإمكانية استخدامها - حيث يتم تركيب هذه المولدات فقط على حدود المسطحات المائية العذبة والمالحة، أي عند مصبات الأنهار، أو على البحيرات المالحة. ومع ذلك، حتى مع أوجه القصور الحالية وعلى خلفية مزاياها الهائلة، وبشرط التغلب على المشاكل التكنولوجية، فإن الطاقة الملحية لديها بلا شك فرصة كبيرة لاحتلال أحد المواقع الرئيسية في سوق التوليد العالمي.

من الضروري تحذيرك على الفور: لا يوجد خطأ في العنوان، ولن تكون هناك قصة عن الطاقة الكونية التي تتوافق مع العنوان. سنترك الأمر لعلماء الباطنية وكتاب الخيال العلمي. وسنتحدث عن ظاهرة مألوفة نتعايش معها جنبًا إلى جنب طوال حياتنا.

كم من الناس يعرفون بسبب العمليات التي يرتفع بها النسغ في الأشجار إلى ارتفاع كبير؟ بالنسبة للسكويا فهي أكثر من 100 متر. يحدث هذا النقل للعصائر إلى منطقة التمثيل الضوئي بسبب عمل التأثير الجسدي - التنافذ. إنها تكمن في ظاهرة بسيطة: في محلولين بتركيزات مختلفة، يتم وضعهما في وعاء به غشاء شبه منفذ (نفاذي فقط لجزيئات المذيبات)، وبعد مرور بعض الوقت يظهر اختلاف في المستويات. ترجمت حرفيا من اليونانية التناضح هو الدفع والضغط.

والآن دعونا نعود من الطبيعة الحية إلى التكنولوجيا. إذا تم وضع مياه البحر والمياه العذبة في وعاء به حاجز، فبسبب اختلاف تركيزات الأملاح الذائبة، الضغط الاسموزيوسوف يرتفع مستوى مياه البحر. تنتقل جزيئات الماء من المنطقة ذات التركيز العالي إلى منطقة المحلول، حيث يوجد عدد أكبر من الشوائب وجزيئات ماء أقل.

ثم يتم استخدام الفرق في مستويات المياه بالطريقة المعتادة: وهذا هو التشغيل المألوف لمحطات الطاقة الكهرومائية. والسؤال الوحيد هو، ما مدى ملاءمة تأثير التناضح للتطبيقات الصناعية؟تظهر الحسابات أنه عندما تبلغ ملوحة مياه البحر 35 جم/لتر، تؤدي ظاهرة التناضح إلى انخفاض الضغط بمقدار 2,389,464 باسكال أو حوالي 24 ضغطًا جويًا. ومن الناحية العملية، فإن هذا يعادل سدًا يبلغ ارتفاعه 240 مترًا.

ولكن إلى جانب الضغط، هناك خاصية أخرى مهمة جدًا وهي انتقائية الأغشية ونفاذيتها. ففي نهاية المطاف، لا تولد التوربينات الطاقة من اختلافات الضغط، بل من تدفق المياه. هنا، حتى وقت قريب، كانت هناك صعوبات خطيرة للغاية. يجب أن يتحمل الغشاء التناضحي المناسب ضغطًا أعلى 20 مرة من الضغط الموجود في مصدر المياه التقليدي. وفي الوقت نفسه، يتميز بمسامية عالية، لكنه يحتفظ بجزيئات الملح. مجموعة من المتطلبات المتضاربة حالت دون استخدام التناضح للأغراض الصناعية لفترة طويلة.

عند حل مشاكل تحلية المياه تم اختراعه غشاء اللوبالتي تحملت ضغطًا هائلاً واحتفظت بالأملاح المعدنية والجزيئات حتى 5 ميكرون. لم يكن من الممكن لفترة طويلة استخدام أغشية لوب للتناضح المباشر (توليد الكهرباء)، لأن كانت باهظة الثمن للغاية، ويصعب تشغيلها، وكانت نفاذيتها منخفضة.

حدث تقدم كبير في استخدام الأغشية الاسموزية في أواخر الثمانينات، عندما اقترح العالمان النرويجيان هولت وثورسن استخدام فيلم بولي إيثيلين معدل على قاعدة سيراميك. أدى تحسين هيكل البولي إيثيلين الرخيص إلى إنشاء تصميم مناسب للأغشية الحلزونية لاستخدامها في إنتاج الطاقة الاسموزية. لاختبار تكنولوجيا الحصول على الطاقة من تأثير التناضح، في عام 2009 تم إجراء أول تجربة في العالم محطة الطاقة الاسموزية.

أصبحت شركة الطاقة النرويجية ستاتكرافت، بعد أن تلقت منحة حكومية وأنفقت أكثر من 20 مليون دولار، رائدة في نوع جديد من الطاقة. تنتج محطة الطاقة التناضحية التي تم إنشاؤها حوالي 4 كيلوواط من الطاقة، وهو ما يكفي لتشغيل... غلايتين كهربائيتين. لكن أهداف بناء المحطة أكثر خطورة: فبعد كل شيء، فإن تطوير التكنولوجيا واختبار المواد الغشائية في ظروف حقيقية يفتح الطريق أمام إنشاء هياكل أكثر قوة.

تبدأ الجاذبية التجارية للمحطات بكفاءة إزالة الطاقة التي تزيد عن 5 واط لكل متر مربع من الأغشية. وفي المحطة النرويجية في توفت، بالكاد تتجاوز هذه القيمة 1 وات/م2. لكن الأغشية ذات الكفاءة 2.4 واط/م2 يتم اختبارها بالفعل، ومن المتوقع بحلول عام 2015 أن تحقق قيمة فعالة من حيث التكلفة تبلغ 5 واط/م2.

لكن هناك معلومات مشجعة من مركز أبحاث فرنسي. ومن خلال العمل باستخدام مواد تعتمد على أنابيب الكربون النانوية، حصل العلماء على عينات من كفاءة اختيار الطاقة التناضحية تبلغ حوالي 4000 واط/م2. وهذا ليس فعالاً من حيث التكلفة فحسب، بل يتجاوز كفاءة جميع مصادر الطاقة التقليدية تقريبًا.

يعد التطبيق بآفاق أكثر إثارة للإعجاب. ويصبح الغشاء، الذي يبلغ سُمكه طبقة ذرية واحدة، منفذًا تمامًا لجزيئات الماء، مع الاحتفاظ بأي شوائب أخرى. يمكن أن تتجاوز كفاءة هذه المواد 10 كيلو واط/م2. انضمت الشركات الرائدة من اليابان وأمريكا إلى السباق لإنشاء أغشية عالية الأداء.

إذا تمكنا من حل مشكلة أغشية المحطات التناضحية خلال العقد المقبل، فإن مصدر الطاقة الجديد سيحتل مكانة رائدة في تزويد البشرية بمصادر طاقة صديقة للبيئة. وعلى عكس طاقة الرياح والطاقة الشمسية، يمكن لمحطات التناضح المباشر أن تعمل على مدار الساعة ولا تتأثر بالظروف الجوية.

إن الاحتياطي العالمي من الطاقة الاسموزية هائل - حيث يبلغ التصريف السنوي لمياه الأنهار العذبة أكثر من 3700 كيلومتر مكعب. إذا كان من الممكن استخدام 10% فقط من هذا الحجم، فمن الممكن توليد أكثر من 1.5 تيراواط/ساعة من الطاقة الكهربائية، أي. حوالي 50% من الاستهلاك الأوروبي.

ولكن ليس هذا المصدر فقط يمكن أن يساعد في حل مشكلة الطاقة. بفضل الأغشية عالية الكفاءة، من الممكن تسخير طاقة أعماق المحيطات. والحقيقة أن ملوحة الماء تعتمد على درجة الحرارة، وتختلف باختلاف الأعماق.

وباستخدام التدرجات الحرارية للملوحة، من الممكن عدم ربطها بمصبات الأنهار في بناء المحطات، بل ببساطة وضعها في المحيطات. لكن هذه بالفعل مهمة للمستقبل البعيد. على الرغم من أن الممارسة تظهر أن إجراء التنبؤات في مجال التكنولوجيا مهمة ناكر للجميل. وقد يطرق المستقبل واقعنا غداً.

ترتبط محطات الطاقة التناضحية (OPS) بالطاقة البديلة الصديقة للبيئة وهي في مرحلة التنفيذ. محطة الطاقة الاسموزية هي محطة للطاقة الكهرومائية تعتمد على خلط الملح والمياه العذبة من خلال غشاء شبه منفذ، أي عملية التناضح.

التناضح هو نوع من الضغط يلعب دورًا مهمًا في العديد من العمليات الطبيعية حيث يتم تنظيم تركيزات المواد، على سبيل المثال في بيئة الخزانات. يستخدم الناس ظاهرة التناضح في منشآت الترشيح المختلفة. تعتبر محطة الطاقة الاسموزية أقل كفاءة من الألواح الشمسية، ومولدات الرياح، ومحطات الوقود الحيوي، ولكنها أعلى من محطات الطاقة الكهرومائية من المد والجزر.

مبدأ تشغيل محطة الطاقة الاسموزية.

لدى IPS خزانات بمياه البحر المالحة والمياه العذبة. يتم فصل الخزانات بغشاء شبه منفذ (مشار إليه بالحرف M في الشكل)، والذي يسمح بمرور الماء فقط. كما تعلم، تحتوي مياه البحر على أملاح أكثر (في الشكل، هذا هو الجزء الأيسر من الخزان W2) مقارنة بالمياه العذبة. تميل جزيئات الماء العذب إلى الذهاب إلى حيث يكون تركيز الملح أعلى، بينما في خزان مياه البحر يزداد حجم السائل. يحتفظ الغشاء بالأملاح. يؤدي التدفق المستمر للمياه العذبة عبر الغشاء باتجاه المياه المالحة إلى خلق ضغط زائد P في حجرة مياه البحر.

تقوم المياه المصرفة من الخزان البحري بتشغيل توربين هيدروليكي (مشار إليه بالرقم 6 في الشكل أدناه)، مما يؤدي إلى توليد الطاقة. مع تركيز ملح قدره 35 جم/لتر، يتم إنشاء انخفاض ضغط قدره 2389464 باسكال أو ما يقرب من 24 ضغطًا جويًا عن طريق التناضح - وهذا يتوافق مع ارتفاع السد 240 مترًا، وتعتمد قوة الضغط على مساحة الغشاء. انتقائية ونفاذية الأغشية مهمة أيضًا.

تاريخ تطور محطة الطاقة الاسموزية.

ظهرت فكرة إنتاج الطاقة باستخدام التناضح في السبعينيات من القرن الماضي، ولكن في ذلك الوقت لم تكن الأغشية فعالة بما فيه الكفاية. لاستخدام الطاقة الاسموزية بشكل مربح، يجب أن تكون كفاءة الغشاء أكثر من 5 وات/م2. إن زيادة كفاءة الغشاء هي المهمة الرئيسية الآن. اليوم، يتم تطوير التقنيات واختبار المواد اللازمة للأغشية. تم إطلاق أول نموذج أولي في العالم لمولد الملح في النرويج من قبل شركة الطاقة الحكومية Statkraft في عام 2009. تبلغ قوة محطة توليد الكهرباء هذه 5 كيلووات - وهذا لا يزال صغيرًا جدًا، ولكن الخطوات الأولى قد تم اتخاذها بالفعل. تستخدم شركة IPS النرويجية غشاء حلزوني مصنوع من طبقة بولي إيثيلين معدلة على قاعدة خزفية، اخترعها علماء نرويجيون في الثمانينيات. كما يتم أيضًا اعتبار أنابيب الكربون النانوية وأغشية الجرافين الأكثر كفاءة كمواد للغشاء.

مزايا محطة الطاقة الاسموزية:

1. تجاهل الظروف المناخية - الرياح والشمس. وهذا ما يميز محطات الطاقة الاسموزية عن محطات الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو المد والجزر
2. لا تشكل تهديدا للغازات الدفيئة، ولا تخلق انبعاثات سامة
3. الموارد التي يتم إنفاقها على تشغيل محطة توليد الكهرباء قابلة للتجديد
4. المواد الخام الرخيصة
5. تنتج كمية ثابتة ويمكن التنبؤ بها من الطاقة

عيب محطة الطاقة الأسموزي هو أنه لا يمكن استخدامها إلا على سواحل البحر. يتم تفسير استحالة استخدامه على نطاق واسع بغياب الملح والمياه العذبة في مكان واحد.

التناضح (من الكلمة اليونانية Osmos - الدفع، الضغط)، انتشار مادة، عادة مذيب، من خلال غشاء شبه منفذ يفصل بين المحلول والمذيب النقي أو محلولين بتركيزات مختلفة. الغشاء شبه المنفذ هو حاجز يسمح لجزيئات المذيبات الصغيرة بالمرور من خلاله، ولكنه غير منفذ لجزيئات المذاب الكبيرة. إن ظاهرة التناضح (معادلة تركيزات المحاليل التي يفصلها غشاء شبه منفذ) تكمن وراء عملية التمثيل الغذائي لجميع الكائنات الحية. على سبيل المثال، جدران الخلايا للنباتات والحيوانات والبشر عبارة عن غشاء طبيعي نافذ جزئيًا لأنه يسمح لجزيئات الماء بالمرور بحرية، ولكن ليس لجزيئات المواد الأخرى. عندما تمتص جذور النباتات الماء، تشكل جدران خلاياها غشاءًا أسموزيًا طبيعيًا يسمح لجزيئات الماء بالمرور عبره ويتم رفض معظم الشوائب. لا تقف الأعشاب والزهور منتصبة إلا بسبب ما يسمى بالضغط الأسموزي. لذلك، مع نقص المياه، تبدو ذابلة وخاملة. إن قدرة الغشاء الطبيعي على الترشيح فريدة من نوعها؛ فهو يفصل المواد عن الماء على المستوى الجزيئي، وهذا ما يسمح بوجود أي كائن حي.

إن استخدام الأغشية لفصل بعض مكونات المحلول عن غيرها معروف منذ زمن طويل. في البداية، اكتشف أرسطو أن مياه البحر تتحلى إذا مررت عبر جدران وعاء شمعي. بدأت دراسة هذه الظاهرة وعمليات الغشاء الأخرى في وقت لاحق بكثير، في بداية القرن الثامن عشر، عندما استخدم ريومور أغشية شبه منفذة ذات أصل طبيعي للأغراض العلمية. ولكن بحلول منتصف العشرينات من القرن الماضي، كانت كل هذه العمليات ذات أهمية نظرية بحتة، دون تجاوز المختبر. في عام 1927، تلقت الشركة الألمانية سارتوريوس العينات الأولى من الأغشية الاصطناعية. وفقط في منتصف القرن الماضي، أنشأ المطورون الأمريكيون إنتاج خلات السليلوز وأغشية النيتروسليلوز. في أواخر الخمسينيات - أوائل الستينيات، مع بداية الإنتاج الواسع النطاق لمواد البوليمر الاصطناعية، ظهرت الأعمال العلمية الأولى، والتي شكلت الأساس للتطبيق الصناعي للتناضح العكسي.

ظهرت أنظمة التناضح العكسي الصناعية الأولى فقط في أوائل السبعينيات، لذا فهي تقنية حديثة نسبيًا مقارنة بنفس التبادل الأيوني أو الامتزاز على الكربون المنشط. ومع ذلك، في الدول الغربية، أصبح التناضح العكسي أحد أكثر الطرق اقتصادية وعالمية وموثوقة لتنقية المياه، والتي يمكن أن تقلل من تركيز المكونات في الماء بنسبة 96-99٪ وتقضي على الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات بنسبة 100٪ تقريبًا. غالبًا ما تمثل آلية نقل جزيئات الماء عبر الغشاء الأسموزي الترشيح التقليدي، حيث يتم الاحتفاظ بالجزيئات الأكبر من قطر الغشاء المسامي. لا يمكن تحقيق معادلة التركيزات على جانبي هذا الغشاء إلا من خلال انتشار المذيب في اتجاه واحد. لذلك، ينطلق التناضح دائمًا من المذيب النقي إلى المحلول أو من المحلول المخفف إلى المحلول المركز. على وجه الخصوص، يتم ملاحظة ظاهرة التناضح عندما يتم فصل محلولين ملحيين بتركيزات مختلفة بواسطة غشاء شبه منفذ. يسمح هذا الغشاء بمرور الجزيئات والأيونات ذات حجم معين، ولكنه يعمل كحاجز أمام المواد ذات الجزيئات الأكبر. وبالتالي فإن جزيئات الماء قادرة على اختراق الغشاء، لكن جزيئات الأملاح الذائبة في الماء لا تستطيع ذلك. إذا كان هناك على الجانبين المتقابلين من الغشاء شبه النفاذ محاليل ملحية من الماء بتركيزات مختلفة من الأملاح، فسوف تختلط جزيئات الماء عبر الغشاء من محلول ضعيف التركيز إلى محلول أكثر تركيزًا، مما يؤدي إلى زيادة مستوى السائل في الأخير . ومن خلال ظاهرة التناضح يتم ملاحظة عملية اختراق الماء عبر الغشاء حتى عندما يكون كلا المحلولين تحت نفس الضغط الخارجي. إن الفرق في ارتفاع مستويات محلولين بتركيزات مختلفة يتناسب مع القوة التي يمر بها الماء عبر الغشاء. وتسمى هذه القوة "الضغط الأسموزي". على أرز. 23.1.ويرد رسم تخطيطي يوضح ظاهرة التناضح.

أرز. 23.1.

يعتمد مبدأ تشغيل محطة الطاقة الأسموزي على تكوين الضغط الأسموزي. في الأماكن التي يتدفق فيها النهر إلى البحر، تمتزج مياه النهر العذبة ببساطة مع مياه البحر المالحة، ولا يوجد ضغط يمكن أن يكون بمثابة مصدر للطاقة. ومع ذلك، إذا تم فصل مياه البحر والمياه العذبة قبل الخلط بواسطة مرشح - غشاء خاص يسمح بمرور الماء، ولكن ليس الملح، فإن ميل المحاليل إلى التوازن الديناميكي الحراري ومعادلة التركيزات لا يمكن أن يتحقق إلا بسبب حقيقة أن الماء سوف يتغلغل في المحلول الملحي، ولن يدخل الملح إلى الماء العذب. يتم وضع غشاء خاص بين خزانين يسمح بمرور الماء ولكن جزيئات الملح غير منفذة. أحدهما مملوء بالمياه العذبة والآخر مملوء بالمياه المالحة. وبما أن هذا النظام يسعى إلى تحقيق التوازن، يبدو أن المياه المالحة تسحب المياه العذبة من الخزان. إذا حدث هذا في خزان مغلق، فإن الضغط الهيدروستاتيكي الزائد ينشأ من مياه البحر. وفي الوقت نفسه، يظهر الضغط ويخلق تدفق المياه. إذا قمنا الآن بتركيب توربين مع مولد، فإن الضغط الزائد سوف يدور شفرات التوربين وينتج الكهرباء. أرز. 23.2.يظهر رسم تخطيطي مبسط للمحطة التناضحية. في هذا الشكل: 1- مياه البحر. 2 مياه النهر 3 - المرشحات. 4 - الغشاء. 5 - غرفة العمل. 6 - مخرج مياه النهر العادمة. 7 - توربين بمولد كهربائي. 8 - الإخراج.

أرز. 23.2.

ظهرت التطورات النظرية في هذا المجال في بداية القرن العشرين، ولكن لتنفيذها كان الشيء الرئيسي مفقودا - غشاء أسموزي مناسب. كان على مثل هذا الغشاء أن يتحمل ضغطًا أعلى 20 مرة من ضغط إمدادات المياه المنزلية العادية، كما أن له مسامية عالية جدًا. أصبح إنشاء مواد ذات خصائص مماثلة ممكنًا مع تطور تقنيات إنتاج البوليمرات الاصطناعية. وفي الواقع، يبلغ سمك الغشاء الفعال حوالي 0.1 ميكرومتر. وللمقارنة، يبلغ قطر شعرة الإنسان من 50 إلى 100 ميكرومتر. وهذا الغشاء الرقيق هو الذي يفصل في النهاية مياه البحر عن المياه العذبة. ومن الواضح أن مثل هذا الغشاء الرقيق لا يمكنه بمفرده أن يتحمل الضغط الأسموزي العالي. لذلك، يتم تطبيقه على قاعدة مسامية تشبه الإسفنج ولكنها متينة للغاية. بالمناسبة، فإن غشاء التناضح المباشر ليس جدارًا رقيقًا، كما هو موضح في مخططات مبسطة، ولكنه عبارة عن لفة طويلة محاطة بجسم أسطواني. يتم الاتصال بالجسم بحيث يوجد دائمًا في جميع طبقات اللفة مياه عذبة على أحد جانبي الغشاء، ومياه البحر على الجانب الآخر، كما هو موضح في أرز. 23.3.في هذا الشكل: 1 - المياه العذبة. 2 - مياه البحر. 3- الغشاء . على أرز. 23.4.يظهر جهاز الغشاء الموضوع في علبة معدنية أسطوانية. في هذا الشكل: 1 - المياه العذبة. 2 - مياه البحر. 3 - الغشاء. 4- جسم معدني . يمكن للأغشية المركبة المستخدمة حاليًا أن تقلل بشكل كبير من المقاومة الهيدروديناميكية. يتم فيها تطبيق طبقة انتقائية رقيقة كيميائيًا على قاعدة مسامية (الركيزة). سمك الطبقة الانتقائية هو 0.1-1.0 ميكرون، وسمك القاعدة المسامية هو 50-150 ميكرون. لا تخلق الركيزة تقريبًا أي مقاومة للتدفق بسبب مسامها الواسعة، كما تنخفض مقاومة الطبقة الانتقائية بشكل كبير بسبب الانخفاض الكبير في سمكها. بشكل عام، يوفر الهيكل المركب للغشاء قوة ميكانيكية بسبب

أرز. 23.3.

أرز. 23.4.

سمك الركيزة المسامية، وبالإضافة إلى ذلك، فإنه يجعل من الممكن تقليل المقاومة الإجمالية للغشاء بسبب رقة الطبقة الانتقائية. الطبقة الانتقائية للأغشية الأسموزي العكسي مصنوعة من مادة البولي أميد.

في التين. 23.س. يُظهر جهاز المحطة التناضحية التي تستخدم الأغشية الملفوفة.

وفي هذا الشكل: 1- إدخال مياه البحر؛ 2 - إدخال مياه النهر. 3 - المرشحات. 4 - أغشية ملفوفة. 5 - حجرة محكمة الغلق ذات ضغط أسموزي عالي. 6- توربين مزود بمولد كهربائي.

وفي عام 2009، بدأ تشغيل أول محطة كهرباء في العالم في مدينة توفت بالنرويج، وذلك باستخدام الفرق في ملوحة البحر والمياه العذبة لتوليد الكهرباء. في محطة الطاقة الاسموزية التي تم إنشاؤها، يتم إنشاء ضغط يعادل ضغط عمود من الماء بارتفاع 120 مترًا في حجرة مياه البحر. يعمل هذا الضغط على تشغيل عمود التوربين المتصل بمولد كهربائي. تتدفق المياه العذبة بالجاذبية إلى الغشاء. يتم جمع مياه البحر في توفت من أعماق تتراوح بين 35 إلى 50 مترًا - في هذه الطبقة تكون ملوحتها مثالية. بالإضافة إلى ذلك، فهو أنظف بكثير مما هو عليه على السطح. ولكن على الرغم من ذلك، فإن أغشية المحطة تتطلب تنظيفًا منتظمًا لإزالة المخلفات العضوية؛ اليوم تنتج هذه المحطة التناضحية حوالي 1 كيلو واط من الطاقة. وفي المستقبل القريب قد يرتفع هذا الرقم إلى 2-4 كيلوواط. لكي تكون قادرا على الحديث عن ربحية الإنتاج، فمن الضروري

أرز. 23.5.محطة تناضحية ذات أغشية ملفوفة

الحصول على انتاج حوالي 5 كيلو واط. ومع ذلك، هذه مهمة حقيقية للغاية. وبحلول عام 2015، من المخطط بناء محطة كبيرة من شأنها أن تولد 25 ميغاواط، والتي سوف توفر الكهرباء إلى 10000 أسرة في المتوسط. ومن المتوقع في المستقبل أن تصبح محطات الطاقة التناضحية قوية للغاية بحيث تصبح قادرة على إنتاج 1700 تيراواط سنويا، وهو ما يعادل نصف إنتاج أوروبا حاليا.

مزايا المحطات التناضحية. أولاً، تعتبر المياه المالحة (مياه البحر العادية مناسبة لتشغيل المحطة) مورداً طبيعياً لا ينضب. إن سطح الأرض مغطى بنسبة 94% بالمياه، و97% منها مالحة، لذلك سيكون هناك دائمًا وقود لمثل هذه المحطات. ثانيا، بناء محطات الطاقة الاسموزية لا يتطلب بناء هياكل هيدروليكية خاصة. الصداقة البيئية لهذه الطريقة لتوليد الكهرباء. لا توجد نفايات أو مواد خزان مؤكسدة أو أبخرة ضارة. يمكن تركيب محطات الطاقة الأسموزية حتى داخل المدينة دون التسبب في أي ضرر لسكانها.

أعلنت اليابان مؤخرًا أنها تخطط لإنتاج الطاقة باستخدام محطات تناضحية. ويحيط باليابان من جميع الجهات المحيط الذي تتدفق إليه العديد من الأنهار. ولأنها تتدفق باستمرار، فإن عملية توليد الكهرباء ستصبح مستمرة. ومن مميزات الطريقة الاسموزية لتوليد الطاقة هو استقلالها عن التضاريس، وستكون المحطة قادرة على العمل على السهل. وأهمها الظروف الجغرافية التي يحدث فيها اختلاط المياه العذبة والمالحة. وبالتالي، يمكن تركيب محطات الطاقة التناضحية في أي منطقة في اليابان حيث تتدفق الأنهار إلى المحيط. وستكون محطة التناضح قادرة على إنتاج ما بين 5 إلى 6 ملايين كيلووات من الطاقة، وللمقارنة، يتم إنتاج نفس الكمية عن طريق 5 إلى 6 محطات للطاقة النووية، وفقا لأكيهيكو تانيوكا، الأستاذ في جامعة طوكيو التقنية. وبالإضافة إلى ذلك، تعد اليابان واحدة من الشركات المصنعة الرئيسية للأغشية الأسموزي. حاليًا، تمثل الشركات اليابانية 70% من واردات الأغشية العالمية.