10228

60

Честь открытия явления осмоса приписывают французскому аббату Жану-Антуану Ноле, который в 1748 его впервые заметил и описал.

Спустя столетие другим французом – ботаником и естествоиспытателем Анри Дютроше было продолжено более глубокое исследование этого явления, который в свою очередь описал законами осмоса процессы поглощения воды и растворенных в ней веществ растениями.

Далее важно отметить, что 1888 году немецкий физик и химик Вальтер Герман Нернст вывел уравнение для диффузионного потенциала, а в 1911 году Фредериком Джорджем Доннаном были сформулированы законы мембранного равновесия, после чего происходит переломный момент.

Пути развития биологии и исследования мембран расходятся: изучение клеточных, биологических мембран и мембран естественного происхождения остается за биологией, а химики и физики, исследующие мембраны, смещают свои интересы в сторону создания мембран различной природы и изучения их свойств, а также описания процессов массопереноса через них.

Вконце XIX начале XX вв. были открыты мембранные методы разделения: электродиализ, разделение и ультрафильтрация. В начале 30-х годов появились первые упоминания об обратноосмотической задержке электролитов мембранами при фильтрации растворов.

Нельзя также не упомянуть американского ученого Сиднея Лоэба, которым совместно с его коллегой Шринивасом Суранджаном была разработана конструкция спирального ОО-модуля на основе анизотропной полупроницаемой мембраны, которая способна выдерживать колоссальное давление и обладающая высокой пропускной способностью при минимальных размерах.

При участии Лоэба в 1967 году была построена опреснительная установка мощностью 150 м3 в сутки, производившая чистую питьевую воду из подземного озера с соленостью, десятикратно превышавшей морскую.

Таким образом, началом практического применения явления осмоса в промышленных масштабах можно считать начало 70-х годов 20 века.

Внастоящий момент существует 3 типа осмотических установок:

1)наземный с постоянным потоком раствора на основе осмоса с противодавлением,

вкоторой осмотический перенос воды через мембрану происходит против разности гидравлических давлений растворов при подаче под давлением более концентрированного раствора (предложен С. Лоэбом в 1976 г.);

2)подземный с постоянным потоком раствора на основе осмоса с противодавлением;

3)наземный с изменяющимся потоком раствора на основе осмоса с противодавлением.

Первая экспериментальная установка была построена на средства государственного гранта 2001 года компанией Statcraft (крупнейший производитель электроэнергии Норвегии, город Тофте) для тестирования образцов мембран, площадью активной поверхности около 200 м2.

61

Рис. 58. Процесс осмос. Общий принцип работа осмотической установки.

Разница между концентрацией соли (градиент солености) пресной и морской воды

– базовый принцип работы осмотической электростанции. Чем она больше, тем выше объем и скорость потока на мембране, а, следовательно, и количество энергии, вырабатываемой гидротурбиной. В Тофте пресная вода самотеком поступает на мембрану, в результате осмоса давление морской воды по ту сторону резко возрастает (получаемое давление может поднять уровень морской воды на 120 м).

Полученная разбавленная морская вода устремляется через распределитель давления на лопатки турбины и, отдав им всю свою энергию, выбрасывается в море. Распределитель давления отбирает часть энергии потока, раскручивая насосы, закачивающие морскую воду. Таким образом, удается значительно повысить эффективность работы станции.

Забор морской воды осуществляется в Тофте с глубин от 35 до 50 м – в этом слое ее соленость оптимальна. Кроме того, там она значительно чище, чем у поверхности. Но, несмотря на это, мембраны станции требуют регулярной чистки от забивающих микропоры органических остатков.

Построенная электростанция производит 2-4 кВт электроэнергии – ее эффективность пока составляет 1 Вт с 1 кв. м мембраны, и основное ее назначение – отработка технологии и повышение эффективности до 5 Вт/кв. м мембраны.

Для возникновения обратного электродиализа требуется 2 типа селективных мембран (которые могут пропускать только конкретные ионы):

63

концентрацией в камеры с низкой концентрацией приводит к накоплению электрического потенциала на электродах.

Стремление получать энергию из энергии океана это требующее больших капитальных затрат и мощностей мероприятие, находящее отклики в многочисленных изобретениях, патентах, экспериментальных установках и просто идеях инженеров всего мира. Их положительные результаты оправдывают приложенные усилия, однако, в отличие от солнечной или ветряной энергии, использование энергии океана невозможно при индивидуальном строительстве - это всегда установки больших мощностей. Таким образом, поддержать разработку подобных устройств могут позволить себе лишь гигантские корпорации, поверившие в успех тех или иных идей, готовые тратить большие средства на многочисленные испытания, модернизации и доработки, учитывая различные особенности водной стихии.

Энергия геотермальных вод

Энергия геотермальных вод или геотермальная энергетика по сравнению со всеми остальными возобновляемыми источниками в данной работе имеет, пожалуй, самые большие ограничения по применению. Для разъяснения причин этой проблемы рассмотрим слои, из которых состоит наша планета (рис. 60).

Рис. 60. Слои Земли.

Вся геотермальная энергетика направлена на получение электрической и тепловой энергии из энергии, содержащейся в недрах земли. Чем толще слой земной коры, тем сложнее добраться до наиболее нагретых частей земной породы. При современном развитии технологий бурения скважин экономически нерентабельными считаются скважины глубже 5 км. Это существенно сокращает область использования геотермальных источников до областей, где толщина земной коры меньше 5 км, то есть в районах с вулканической активностью, гейзерами и горячими источниками.

Мировыми лидерами в использовании геотермальных источников являются США, Филиппины, Индонезия, Италия, Новая Зеландия, Япония, Исландия. Но только в Исландии геотермальная энергетика достигла поистине королевского размаха, т.к. 99 % всех энергетических затрат покрывается за счет геотермальных ресурсов.

64

Рис. 61. Исландия. Формирование гейзера.

Рис. 62. Исландия. Рейкьявик. ГеоТЭС.

Геотермальные источники, согласно классификации Международного энергетического агентства, подразделяются на 5 типов: 1) месторождения геотермального сухого пара: сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки. Тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;

2)источники влажного пара (смеси горячей воды и пара): встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);

3)месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду): представляют собой, так называемые, геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой

65

близко лежащей магмой;

4)сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более): их запасы энергии наиболее велики;

5)магма, представляющая собой расплавленные горные породы, нагретые до 1300

°С.

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами — для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятии.

Когда вода вырывается из-под земли в виде "сухого пара" (без взвешенных частиц воды), он может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии, а отработанный пар в виде конденсата можно возвращать в землю.

Рис. 63. Геотермальная паровая электростанция В местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), пар дополнительно

осушают в испарителе (во избежание повреждения турбин каплями воды) и затем используют для вращения турбин (рис. 64).

66

Рис. 64. Гидротермальная электростанция

Рис. 65. Геотермальная электростанция с бинарным циклом

Вбольшинстве месторождений есть только горячая вода, и энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем, чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс называют системой

сбинарным циклом (рис. 65).

Врайонах, отличающихся газотермальной активностью для отопления используются парогеотермальные источники. Применение этого способа отопления лимитируется наличием в мире соответствующих районов. Тем не менее, имеется потенциальная возможность его расширения путем прокачивания геотермальных вод через горячие подземные породы, где они находятся на умеренной глубине.

Применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологически чистое потому, что пар часто сопровождается газообразными выбросами, включая сероводород и радон - оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того, там, где смесь воды и пара извлекается из земли для электростанций, работающих на влажном паре, и там, где горячая вода извлекается для станций с бинарным циклом, воду необходимо удалять. Эта вода может быть необычно соленой (до 20% соли), и тогда потребуется перекачка ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера мог бы уничтожить в них пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко содержатся также значительные количества сероводорода

— обладающего резким неприятным запахом газа, опасного в больших концентрациях. Несмотря на то, что Россия не является лидером в области применения

геотермальной энергетики в мире, у нас также имеется опыт работы с этим источником энергии, например, на Мутновской ГеоАС, расположенной в юго-восточной части полуострова Камчатка.

67

Управляемый термоядерный синтез

Нельзя не упомянуть управляемый термоядерный синтез (УТС) в рамках возобновляемых источников энергии, тем более в 2009 году на совещании в Сарове президент Российской Федерации Д.А. Медведев сформулировал программу развития ядерной энергетики в стране, где было прописано в долгосрочной перспективе освоения управляемого термоядерного синтеза как основы энергетики будущего.

Почему данное направление рассматривается многими исследователями в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе и в чем разница с «классической» ядерной энергетикой? Ответ на данный вопрос заключается в применяемом топливе, как уже ранее было описано, для атомных электростанций используется уран, в то время как при УТС – водород, запасы которого практически неисчерпаемы. Однако, под водородом здесь понимают не «классический» водород, а его изотопы – дейтерий и тритий.

радиоактивный изотоп водорода. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов, его называют тритоном и обозначают t.

Рис. 66. Принцип управляемого термоядерного синтеза.

Источником такого топлива служит морская вода на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию топливных ресурсов одной или группой стран.

В отличие от ядерного топлива при использовании изотопов водорода отсутствуют продукты сгорания, а радиоактивные отходы имеют короткий период полураспада.

Однако, в настоящее время, существенные препятствия возникают на всех стадиях управляемого термоядерного синтеза: непосредственно понимание процессов ядерного синтеза, технологические возможности и практическое использование синтеза. Неясным является даже то, насколько может быть рентабельным производство электроэнергии с использованием управляемого термоядерного синтеза. И хотя наблюдается постоянный прогресс в исследованиях, инженеры постоянно сталкиваются с новыми проблемами.

Управляемый термоядерный синтез протекает в специальных тороидальных камерах с магнитными катушками (Токамак).

68

Рис. 67. Экспериментальная термоядерная установка Токамак Т-15 в НИЦ "Курчатовский институт" (запуск запланирован на 2018 год)

Рис. 68. Схема принципиальных узлов токамака В токамаке плазма изолируется от стенок камеры с помощью магнитного поля. Магнитное

поле в токамаке является результирующей суммой магнитных полей:

1.Тороидальные катушки создают продольное магнитное поле вдоль оси тора (оно направлено как плазменный шнур).

2.Ток, текущий по плазме создает магнитное поле вокруг себя (оно направлено как тороидальные катушки).

В результате суммы этих двух полей получается винтовое магнитное поле, однако, при такой конфигурации на частицы действует сила, направленная по большому радиусу тора, и

69

плазменный шнур распадается.

3. Чтобы подавить эту силу используется магнитное поле создаваемое полоидальными витками - полоидальное магнитное поле, Вр, направленное вдоль малого обхода тора.

Результирующее магнитное поле имеет силовые линии в виде бесконечных спиралей, охватывающих центральную линию плазменного тора - магнитную ось. Таким образом, силовые линии магнитного поля образуют в токамаке замкнутые, вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности. Ток в плазме поддерживается вихревым электрическим полем, создаваемым первичной обмоткой индуктора. При этом плазменный виток играет роль вторичной обмотки.

Индукционное поддержание тока в токамаке ограничено запасом потока магнитного поля в первичной обмотке и возможно лишь в течение конечного времени. Кроме тороидальных катушек и первичной обмотки индуктора в токамаке должны быть полоидальные обмотки, которые нужны для поддержания равновесия плазмы и контроля ее положения в камере. Токи, текущие в полоидальных катушках создают электромагнитные силы, действующие на плазменный ток, и таким образом могут изменить ее положение в камере и форму сечения плазменного шнура.

Рис. 69. Свечение плазмы в токамаке.

По сути реакции взаимодействия дейтерия и трития по аналогии с реакцией, происходящей в ядре Солнца только с разницей в развиваемой температуре в 10 раз, т.е. для создания управляемого термоядерного синтеза необходимо разогреть плазму до температуры 150000000 К.

Энергия биотоплива

Под биомассой или биоматерией понимают совокупную массу растительных или животных организмов, которые присутствуют в исторически связанном сообществе, тесно связанных между собой обменом веществ и энергии живой и неживой природы, называемой биогеоценозом.

Биомасса может служить источником энергии путем её непосредственного сжигания. Хорошим примером могут послужить топливные пеллеты – цилиндрические гранулы, получаемые из торфа, древесных отходов (некачественная древесина, кора, опилки и т.д.) и отходов сельскохозяйственного производства (отходы кукурузы, лузга подсолнечника и т.д.) (рис. 70), которые сжигаются в специальных гранульных котлах, либо в печах для индивидуального отопления.