Energia gradientului de salinitate a insulei Saona: energie albastră, putere osmotică și electricitate din apă dulce și apă de mare
Introducere
Oceanul conține mai mult decât resurse biologice, litoraluri frumoase și oportunități pentru turism. De asemenea, deține energie în diferențele dintre masele de apă. Un concept de energie regenerabilă în curs de dezvoltare utilizează diferența de concentrație de sare dintre apa dulce și apa de mare pentru a genera electricitate.
Această tehnologie se numește energie gradient de salinitate, cunoscută în mod obișnuit ca energie albastră. Când apa dulce și apa de mare se amestecă, potențialele lor chimice diferite creează o oportunitate de a extrage energie utilă. Sistemele speciale cu membrană pot controla procesul de amestecare și pot transforma o parte din acea energie în electricitate.
Pentru o destinație insulară precum insula Saona din Republica Dominicană, energia albastră oferă un subiect interesant pentru cercetarea ingineriei maritime. Ea ridică întrebări cu privire la disponibilitatea apei dulci, calitatea apei de coastă, performanța membranei, protecția mediului și costul practic al producerii de energie electrică.
Cu toate acestea, existența apei de mare singură nu stabilește că o locație este potrivită pentru o centrală electrică cu gradient de salinitate. Ar trebui demonstrate o sursă fiabilă de apă dulce, o locație adecvată de amestecare și un echilibru energetic net pozitiv.
Acest ghid explică știința, principalele tehnologii, cerințele de inginerie și posibila cale de cercetare pentru evaluarea energiei albastre din jurul insulei Saona.
1. Ce este energia gradientului de salinitate?
Energia gradientului de salinitate este energia asociată cu diferența de concentrație de sare dintre două soluții de apă.
Luați în considerare două mostre de apă:
- Apa dulce conține o concentrație relativ scăzută de săruri dizolvate. Sea dizolvată. săruri.
Când aceste soluții se amestecă, diferența de concentrație de sare scade treptat. Procesul de amestecare este favorabil din punct de vedere termodinamic și eliberează energia liberă Gibbs.
În loc să permită celor două ape să se amestece fără control, un sistem de alimentare cu gradient de salinitate folosește membrane și alte echipamente pentru a capta o parte din energia disponibilă.
Procesul este uneori numit energie albastră, deoarece poate folosi diferența naturală dintre apa râului și apa de mare.
Cercetatorii au investigat și cercetat mai multe tehnologii de presiune. electrodializa. Aceste sisteme folosesc diferite mecanisme fizice pentru a converti energia amestecării în muncă utilă.
2. Principiul științific din spatele energiei albastre
Conceptul fundamental se bazează pe potențialul chimic.
Potențialul chimic descrie modul în care energia unei substanțe se modifică atunci când se modifică cantitatea sau concentrația acesteia. Apa dulce și apa de mare au potențiale chimice diferite, deoarece concentrațiile lor de sare dizolvată sunt diferite.
Când cele două soluții se amestecă, sistemul se deplasează către o concentrație mai uniformă.
Energia teoretică disponibilă din amestecare este legată de modificarea energiei libere Gibbs:
[
\Delta G_{\text{mix}}}={\Deltamix}_={\DeltaDelta S_{\text{mix}}
]
Unde:
- (\Delta G_{\text{mix}}) = modificarea energiei libere a lui Gibbs
- (\Delta H_{\text{mix}}) =schimbare absolută =li{\text{mix}}} temperatura
- (\Delta S_{\text{mix}}) = modificarea entropiei
O centrală nu poate capta toată această energie teoretică. Sistemele reale se confruntă cu rezistența membranei, pierderile de pompare, pierderile de presiune, polarizarea concentrației și alte ineficiențe.
Obiectivul practic este, prin urmare, de a obține energie electrică utilă, consumând în același timp mai puțină energie în absorbția apei, pretratare, circulație și evacuare.
3. Principalele tipuri de tehnologie a energiei cu gradient de salinitate
Două tehnologii bazate pe membrană sunt deosebit de importante.
3.1 Osmoza întârziată cu presiune (PRO)
Osmoza cu întârziere sub presiune folosește o membrană semipermeabilă care permite trecerea moleculelor de apă, limitând în același timp majoritatea sării dizolvate. list-disc pl-6 my-2 space-y-1">
Din cauza diferenței de presiune osmotică, apa se deplasează prin membrană către soluția mai concentrată.
În PRO, partea hidraulică este menținută sub presiune. Apa care intră în această parte presurizată crește debitul de apă presurizată, care poate antrena o turbină sau un alt dispozitiv de conversie a energiei.
Un proces simplificat este:
- Apa dulce și apa de mare sunt colectate separat.
- Apa dulce și apa de mare sunt colectate separat. pretratare.
- Cele două fluxuri intră în părți opuse ale membranei PRO.
- Apa se deplasează prin membrană în soluția de tragere presurizată.
- Debitul sub presiune trece printr-un sistem de recuperare a energiei.
- O turbină sau un generator hidraulic transformă energia mecanică disponibilă în energie electrică. presiunea hidraulică, debitul și proprietățile ambelor fluxuri de apă.
3.2 Electrodializă inversă (RED)
Electrodializa inversă produce electricitate prin utilizarea mișcării ionilor dizolvați prin membrane selective.
Spre deosebire de PRO, care se bazează în principal pe mișcarea apei și presiunea hidraulică, RED se bazează pe mișcarea ionilor și pe o diferență de potențial electrochimic.
O stivă ROȘU conține membrane alternante de schimb cationic și de schimb anionic. space-y-1">
- Membranele schimbătoare de cationi permit de preferință trecerea ionilor încărcați pozitiv.
- Membranele schimbătoare de anioni permit, de preferință, trecerea ionilor încărcați negativ.
- Membrane schimbătoare de cationi
- Membrane schimbătoare de anioni
- Debitul de apă dulce și de apă de mare canale
- Distanțiere
- Electrozi
- Soluții de clătire cu electrozi
- Pompe și echipamente de monitorizare
- Permeabilitatea apei
- Rejectarea sării
- Selectivitatea ionilor
- Rezistența electrică
- Rezistența mecanică
- Stabilitatea chimică
- Rezistența la murdărire
- Durabilitatea pe termen lung
- Durabilitatea pe termen lung
- Permeabilitatea excesivă a sării poate permite o membrană excesivă sau selectivă înaltă. O membrană foarte selectivă cu rezistență ridicată poate reduce producția de energie utilă.
De aceea, inginerii trebuie să echilibreze permeabilitatea, selectivitatea, rezistența, durabilitatea și costul.
6. Murdărirea membranei și polarizarea concentrației
Performanța membranei poate scădea atunci când materialele nedorite se acumulează pe suprafețele membranei sau în interiorul structurilor membranei.
Acest lucru este cunoscut sub denumirea de murdărire a membranei.
Cauzele potențiale includ:
- Microorganisme
- Alge și material biologic
- Depozite minerale
- Particule coloidale
Biofouling-ul este deosebit de important în mediile marine, deoarece microorganismele se pot atașa de suprafețele umede și pot dezvolta pelicule biologice.
Polarizarea concentrației este o altă importantă. Apare atunci când concentrațiile de sare de lângă suprafața membranei diferă de cele din apa în vrac. Acest lucru reduce forța motrice eficientă pentru conversia energiei.
Măsurile de control posibile includ:
- Certare și filtrare adecvate.
- Pretratare selectată pentru calitatea reală a apei.
- Design optimizat al canalului de curgere și al distanțierului.
- Presiune de funcționare și debit controlate.
- Monitorizare reglare a căderii de presiune a membranei. rezistența electrică și performanța sistemului.
Pretratarea în sine necesită energie și creează costuri de operare. Un proiect de succes trebuie să includă aceste cerințe în evaluarea energiei nete, mai degrabă decât să le trateze ca detalii minore.
7. Ar putea fi investigată energia albastră în jurul insulei Saona?
Insula Saona oferă un cadru geografic util pentru discutarea cercetării în domeniul energiei marine regenerabile. Cu toate acestea, o evaluare practică a energiei gradientului de salinitate ar necesita mult mai mult decât identificarea unei locații de coastă.
Prima întrebare este dacă o sursă adecvată de apă dulce este disponibilă în apropierea unei interfețe adecvate de apă de mare.
O gura unui râu este un exemplu familiar de astfel de interfață, dar acest articol nu presupune că un râu adecvat sau un deversare de apă dulce există pe Insula Saona ar fi nevoie de o sursă candidată pentru a fi identificată și verificată pe teren. investigație.
7.1 Evaluarea surselor de apă dulce
Cercetătorii ar investiga mai întâi sursele potențiale de apă dulce.
Sursele posibile de evaluat ar putea include:
- Pute de apă dulce naturală verificate O
- Izări de apă dulce naturale verificate O>
- Subite tratate >
- fluxuri de apă dulce acceptabile din punct de vedere legal și ecologic
- Salinitatea
- Temperatura
- Conductivitate electrică
- Turbiditate
- Solide în suspensie
- Activitatea solidelor în suspensie
- Dizolvate
Materie organică
- Mesurată
- Dizolvată
- ar trebui să acopere diferite anotimpuri și condiții de funcționare, mai degrabă decât să se bazeze pe un singur eșantion.
7.3 Calitatea apei și condițiile de mediu
Un proiect energetic de coastă trebuie să ia în considerare mediul marin înconjurător.
Înainte de a propune orice aranjament de admisie sau evacuare, cercetătorii ar trebui să identifice habitate sensibile și să evalueze posibilele efecte asupra calității apei locale:
>.
- Modificări ale salinității locale
- Tulburări legate de aport la organismele acvatice
- Modificări legate de evacuare în condițiile apei
- Utilizarea chimică în timpul pretratării și curățării prin înlocuirea membranelor din apropiere
- E
- Efecte generate de membranele din apropiere. habitate de coastă
O deversare controlată ar trebui să evite crearea unor modificări locale dăunătoare ale salinității. Monitorizarea mediului ar fi esențială în timpul oricărui studiu pilot.
8. Proiectarea tehnică a unui mic pilot cu energie albastră
Un mic pilot de cercetare ar putea ajuta la determinarea dacă conceptul este adecvat din punct de vedere tehnic pentru un sit de coastă selectat.
Un sistem conceptual ar include următoarele componente.
Aportul de apă
Aranjamente separate de aport ar colecta salinitatea scăzută și cea cu salinitate ridicată. organisme, acces, întreținere și protecția mediului.
Unitatea de pretratare
Apa ar trece prin echipamente de pretratare adecvate pentru a reduce particulele și contaminanții care ar putea deteriora membranele.
Procesul de tratare ar trebui selectat după analiza de laborator a calității apei.
Modul de membrană
Un modul de membrană ar oferi interfața controlată între cele două materiale de cercetare.
Condiții.
Unitate de conversie a energiei
Pentru PRO, debitul de apă sub presiune ar putea fi direcționat printr-un sistem hidraulic de recuperare a energiei.
Pentru RED, stiva de membrane s-ar conecta la un circuit electric și la un echipament adecvat de condiționare a energiei.
Sistem de control și monitorizare
A monitoring system ar putea înregistra:
- Debitele la intrare și la ieșire
- Salinitate și conductivitate
- Temperatura
- Presiune
- Performanța membranei
- Tensiunea electrică și curentul
- Energia de pompare
- Măsurarea netă a energiei electrice
- Rezistența la frecare hidraulică
- >
- rezistență la frecare hidraulică
- >
- > pierderi
- Pierderi de conversie electrică
- Cerințe de curățare și întreținere
Apa dulce și apa de mare curg prin compartimente alternative. Diferența de concentrație de sare creează un potențial electrochimic peste membrane.
Pe măsură ce ionii se deplasează prin stivă, între electrozi se dezvoltă un potențial electric. Un circuit extern poate colecta apoi curentul electric rezultat.
Componentele principale includ:
RED este deosebit de interesant deoarece transformă mișcarea ionică asociată amestecării în energie electrică fără a necesita același aranjament de turbină cu apă sub presiune utilizat în PRO.
3 Cheie.3. Diferențe
Caracteristică PROREDMecanismul principal Mișcarea osmotică a apei Mișcarea selectivă a ionilor Tip de membrană Membrană semipermeabilă Membrane schimbătoare de ioni Proces principal de ieșire Debit de apă sub presiune Potențial electric și curent Conversie de energie Turbină hidraulică sau convertor de energieCircuit electrochimic Principala preocupare inginerească Fluxul de apă și limitarea rezistenței la presiune a membranei și transportul de ioni. cerere Fouling, rezistență și pierderi de stive
Nici o tehnologie nu este automat cea mai bună alegere pentru fiecare site. Sistemul adecvat depinde de sursele de apă, proprietățile membranei, condițiile de funcționare, proiectarea inginerească și ipotezele economice.
4. Alte abordări ale energiei albastre
PRO și RED nu sunt singurele abordări ale energiei gradientului de salinitate.
Amestecarea capacitivă
Amestecarea capacitivă folosește electrozi pentru a stoca și elibera sarcina electrică, deoarece electrozii sunt expuși la soluții cu concentrații diferite de sare.
Modificarea mediului ionic al electrozilor afectează potențialul electric al electrozilor. Prin controlul contactului dintre apa dulce și apa salină, un sistem poate extrage energie electrică.
Sisteme cu membrană inversă selectivă
Cercetătorii investighează, de asemenea, noi structuri membranare și materiale de transport selectiv de ioni. Aceste abordări urmăresc să îmbunătățească selectivitatea ionică, să reducă rezistența internă și să mărească cantitatea de energie recuperată dintr-o diferență de salinitate dată.
Sisteme hibride
Un sistem hibrid poate combina energia cu gradient de salinitate cu desalinizare, tratarea apelor uzate sau alte procese cu membrană.
De exemplu, o soluție adecvată a apei uzate ar putea oferi o soluție de concentrare mai scăzută, în timp ce o soluție de concentrare mai scăzută. O astfel de integrare trebuie evaluată cu atenție deoarece pretratarea și pomparea pot consuma o cantitate semnificativă de energie.
5. De ce sunt atât de importante membranele
Membranele sunt componentele centrale ale multor sisteme cu energie albastră.
În PRO, membrana trebuie să permită mișcarea suficientă a apei, limitând în același timp trecerea sării.
În ROȘU, membranele schimbătoare de ioni trebuie să transporte eficient ionii doriti, menținând în același timp selectivitatea între ionii pozitivi și cei negativi.
Proprietățile importante ale membranei includ pllet="--listp>
Fiecare sursă ar trebui să fie evaluată pentru debitul, variația sezonieră, salinitate, temperatură, solide în suspensie și contaminare.
Disponibilitatea unei surse mici de apă dulce nu înseamnă neapărat că poate susține un sistem de alimentare util din punct de vedere comercial.
7.2 Evaluarea apei de mare ar necesita, de asemenea,
investigație.
Parametrii relevanți includ:
ar ajuta la identificarea diferențelor practice între energia și energia potențială. producție.
9. Estimarea potențialului energetic
Un studiu de fezabilitate a energiei albastre ar trebui să înceapă cu caracteristicile celor două fluxuri de apă.
Pentru o evaluare simplificată, energia de amestecare disponibilă poate fi legată de schimbarea energiei libere Gibbs între soluțiile neamestecate și mixte.
Cu toate acestea, potențialul energetic teoretic nu este furnizat unui utilizator la fel ca și un consumator de energie electrică. luați în considerare:
Putere electrică netă = generare electrică brută − energie de pompare − energie de pretratare − consum de energie auxiliară
Pierderile suplimentare pot include:
Un sistem care generează energie electrică, dar consumă o cantitate egală sau mai mare de energie electrică în pompare și tratare nu ar oferi un beneficiu energetic net util.
Din acest motiv, puterea netă și recuperarea energiei nete sunt mai semnificative decât raportarea performanței membranei brute a singure.
. Beneficiile potențiale ale energiei albastre
Dacă se poate demonstra un sit adecvat și o tehnologie viabilă, energia cu gradient de salinitate ar putea oferi mai multe beneficii potențiale.
Cercetarea energiei regenerabile
Oferă o oportunitate de a investiga o resursă de energie regenerabilă marine care este diferită de energia solară, eoliană, valurilor și termică.
Oportunitate continuă de resurse
Spre deosebire de solar și eolian, procesul de amestecare subiacent nu este direct dependent de lumina soarelui sau de viteza vântului. Cu toate acestea, producția de energie electrică ar depinde în continuare de disponibilitatea și debitul celor două fluxuri de apă și de starea de funcționare a centralei.
Educație inginerească
Un sistem pilot ar putea oferi oportunități practice de învățare în tehnologia membranelor, mecanica fluidelor, electrochimie, termodinamică, testarea calității apei și evaluarea energiei regenerabile.
11. Principalele provocări ale implementării comerciale
Energia albastră este promițătoare din punct de vedere științific, dar implementarea comercială se confruntă cu provocări inginerești și economice semnificative.
Costul membranei: Membranele specializate și stivele de membrane pot fi costisitoare.
Îngroșare: Creșterea biologică, particulele în suspensie și depunerile minerale pot reduce performanța.
apa prin sistem necesită energie.
Densitate redusă de putere practică: Cantitatea de putere recuperată pe unitatea de suprafață a membranei poate fi insuficientă pentru o funcționare economică în anumite condiții.
Limitări ale sursei de apă: Un amplasament are nevoie de fluxuri de apă adecvate cu o diferență de salinitate și debit suficientă și fiabilă și debitul maritim poate crește. și cerințele de întreținere a echipamentelor.
Garanții de mediu: aranjamentele de admisie și evacuare trebuie să fie concepute pentru a proteja habitatele marine și calitatea apei locale.
Evaluările cercetărilor au identificat în mod repetat performanța membranei, murdăria, pretratarea și pierderile de energie la nivel de sistem ca fiind bariere importante în calea implementării mai largi.
12. Un cadru de cercetare propus pentru Insula Saona
O investigație responsabilă ar putea fi organizată în șase etape.
Etapa 1 – Identificarea site-ului
Identificarea posibilelor interfețe apă dulce-apă de mare utilizând hărți verificate, recunoaștere pe teren și consultare cu autoritățile locale relevante.
Etapa 2 – Prelevarea de probe de apă dulce și recoltarea de probe de apă
salinitate, conductivitate, temperatură, turbiditate, pH și alți parametri relevanți ai calității apei.Etapa 3 – Monitorizare sezonieră
Repetați măsurătorile pentru a înțelege schimbările sezoniere ale disponibilității apei și diferențele de salinitate.
Etapa 4 – Testare de laborator
Testați candidați reprezentativi de apă PRO sau probe de apă RED. Înregistrați fluxul de apă, ieșirea electrică, pierderile de presiune și comportamentul de murdărie.
Etapa 5 – Evaluare tehnică și economică
Estimați suprafața membranei, cerințele de admisie, energia de pompare, cererea de pretratare, costul echipamentelor, întreținerea și producția netă de electricitate.
Etapa 6 – Evaluarea mediului
a fost o taxă de impact, sensibilitate și gestionare a habitatului. necesitatea aprobărilor de mediu înainte de orice instalare pe teren.
Studiul ar trebui să compare PRO, RED și alte abordări adecvate, mai degrabă decât să selecteze o tehnologie înainte ca datele disponibile să fie cunoscute.
13. Rolul ingineriei civile și a mediului
Energia gradientului de salinitate nu este doar un subiect de știință a membranei. De asemenea, implică mai multe domenii de inginerie civilă și de mediu.
Inginerie hidraulică: Structuri de admisie, conducte, pompe, distribuție a debitului și pierderi hidraulice.
Ingineria mediului: Analiza calității apei, pretratare, proiectare de deversare și prevenirea poluării. cadre, fundații, platforme de echipamente și durabilitate marină.
Inginerie geotehnică: Investigarea solului și stabilitatea fundației pentru orice echipament de pe uscat.
Inginerie de coastă: Procese de țărm, expunere la valuri, protecția coastelor și amplasarea în siguranță a infrastructurii.
Sisteme de energie electrică, sisteme de turbine, producție de energie și energie electrică, sisteme de turbină. eficienta.
O abordare de proiectare multidisciplinară ar fi necesară înainte ca un proiect real să poată fi luat în considerare.
14. Perspective viitoare pentru energia albastră
Dezvoltarea viitoare va depinde în mare măsură de îmbunătățirea materialelor membranelor, a designului modulelor și a integrării sistemului.
Cercetătorii investighează membrane cu o selectivitate mai bună, rezistență mai mică și rezistență îmbunătățită la murdărie. Canalele de curgere mai eficiente și metodele de pretratare îmbunătățite pot contribui, de asemenea, la reducerea pierderilor de energie.
Inteligenta artificială și modelarea numerică ar putea sprijini selecția membranelor, optimizarea debitului, predicția murdăriei și monitorizarea operațională.
Pentru comunitățile insulare și de coastă, cele mai utile aplicații viitoare pot fi sisteme mai mici integrate cu o infrastructură adecvată de tratare a apei, mai degrabă decât să presupunem că o stație de alimentare mare este fezabilă automat.
Insulă, primul pas semnificativ ar fi o evaluare atent proiectată a resurselor și a calității apei – nu construcția imediată.
15. Întrebări frecvente
Ce este energia gradientului de salinitate?
Este energia care poate fi recuperată din diferența de concentrație de sare dintre două soluții de apă, cum ar fi apa dulce și apa de mare.
De ce se numește energie albastră?
Termenul descrie energia obținută din amestecarea unor fluxuri de apă dulce și de apă dulce, de obicei diferite. apa de mare.
Ce este osmoza cu întârziere a presiunii?
PRO folosește o membrană semipermeabilă și mișcarea osmotică a apei pentru a crea un curent de apă sub presiune care poate fi folosit pentru conversia energiei.
Ce este electrodializa inversă?
RED folosește alternarea membranelor schimbătoare de ioni prin intermediul membranelor electrice și pozitive cu schimb de ioni, pentru a direcționa membranele pozitive și negative, pentru a direcționa o stivă electrică. potențial.
Energia albastră este aceeași cu energia termică oceanică?
Nu. Energia albastră folosește o diferență de salinitate, în timp ce conversia energiei termice oceanice folosește o diferență de temperatură a apei.
Poate funcționa energia albastră fără apă dulce?
Un sistem convențional apă dulce-apă de mare necesită două soluții cu salinități diferite. Alți gradienți de salinitate proiectați pot fi posibili, dar pregătirea și funcționarea lor trebuie incluse în bilanțul energetic.
Insula Saona are deja o centrală cu energie albastră?
Acest articol nu susține că pe insula Saona există o centrală cu energie albastră. Un proiect local ar necesita date verificate despre sursa de apă, studii de fezabilitate, evaluare de mediu și aprobări corespunzătoare.
Este energia albastră complet lipsită de poluare?
Procesul de conversie a energiei nu necesită ardere, dar sistemul complet poate avea încă impact asupra mediului din structurile de admisie, evacuare, pompare, substanțe chimice de pretratare, fabricarea membranei și deșeuri. Aceste efecte trebuie evaluate.
Care este mai bun: PRO sau RED?
Nici unul nu este mai bun în mod universal. Adecvarea lor depinde de diferența de salinitate, calitatea apei, caracteristicile membranei, condițiile de funcționare, pierderile de energie și economia proiectului.
Poate energia albastră să alimenteze o întreagă insulă?
Nu se poate presupune acest lucru. Ar depinde de debitul de apă dulce disponibil, diferența de salinitate, eficiența sistemului, capacitatea instalației, costurile și cererea de energie electrică. Este necesară o evaluare specifică locului.
Concluzie
Energia gradientului de salinitate oferă o modalitate interesantă de a recupera energie regenerabilă din diferența naturală dintre apa dulce și apa de mare. Prin osmoză cu presiune întârziată, electrodializă inversă și alte abordări emergente, cercetătorii explorează modul în care energia amestecării controlate poate fi convertită în energie electrică utilă.
Pentru Insula Saona, energia albastră este cel mai bine înțeleasă ca o potențială oportunitate de cercetare și nu ca o resursă energetică locală stabilită. Primii pași cei mai importanți ar fi verificarea surselor adecvate de apă dulce, măsurarea calității apei, evaluarea disponibilității sezoniere și evaluarea consecințelor asupra mediului ale oricărui sistem de admisie și evacuare propus.
Cu o inginerie atentă, calcule energetice realiste și garanții de mediu puternice, un mic proiect de cercetare ar putea ajuta la determinarea dacă energia gradientului de salinitate merită o luare în considerare mai multă în peisajul energetic regenerabil.
Local explorer & expert guide in Birding Dominican Republic.
