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Osmotische Station. Osmotisches Kraftwerk: alternative Energie aus Meerwasser. Energie aus Salz: mehr Vorteile

Zwischen zwei Tanks wird eine spezielle Membran angebracht, die Wasser, jedoch keine Salzmoleküle durchlässt. In einen von ihnen wird frisches Wasser gegossen, in den anderen Salzwasser. Da ein solches System nach Gleichgewicht strebt, scheint das salzigere Wasser frisches Wasser aus dem Reservoir zu ziehen. Wenn ein Generator vor der Membran platziert wird, dreht der Überdruck seine Flügel und erzeugt Strom.
Die Idee wurde, wie so oft, von der belebten Natur vorgeschlagen: Für den Stofftransport in Zellen kommt das gleiche Prinzip zum Einsatz – die gleichen teilweise durchlässigen Membranen sorgen für die Elastizität der Zellen. Osmotischer Druck wird vom Menschen seit langem erfolgreich zur Entsalzung von Meerwasser genutzt, bisher wurde er jedoch erstmals zur Stromerzeugung genutzt.
Derzeit produziert der Prototyp etwa 1 kW Energie. In naher Zukunft könnte dieser Wert auf 2-4 kW steigen. Um über die Rentabilität der Produktion zu sprechen, ist es notwendig, eine Produktion von etwa 5 kW zu erreichen. Dies ist jedoch eine sehr reale Aufgabe. Bis 2015 ist der Bau eines Großkraftwerks mit einer Leistung von 25 MW geplant, das 10.000 durchschnittliche Haushalte mit Strom versorgen wird. Es wird erwartet, dass IPS in Zukunft so leistungsfähig werden, dass sie 1.700 TW pro Jahr erzeugen können, so viel wie die Hälfte Europas derzeit produziert. Die Hauptaufgabe besteht derzeit darin, effizientere Membranen zu finden.
Das Spiel ist auf jeden Fall die Kerze wert. Die Vorteile osmotischer Stationen liegen auf der Hand. Erstens ist Salzwasser (normales Meerwasser eignet sich für den Betrieb der Station) eine unerschöpfliche natürliche Ressource. Die Erdoberfläche ist zu 94 % mit Wasser bedeckt, davon sind 97 % salzig, sodass es für solche Stationen immer Treibstoff geben wird. Zweitens erfordert die Organisation einer UES nicht den Bau spezieller Standorte: Geeignet sind alle ungenutzten Räumlichkeiten bestehender Unternehmen oder andere Bürogebäude. Darüber hinaus können IPS an Flussmündungen installiert werden, wo Süßwasser in das Salzmeer oder den Ozean fließt – und in diesem Fall ist es nicht einmal erforderlich, die Reservoirs speziell mit Wasser zu füllen.

Süßwasser + Meerwasser = Energiequelle

Normalerweise vermischt sich dort, wo ein Fluss ins Meer mündet, einfach Süßwasser mit Salzwasser, und es herrscht dort kein Druck, der als Energiequelle dienen könnte. Professor Klaus-Viktor Peinemann vom Institut für Polymerforschung am GKSS-Forschungszentrum im norddeutschen Geesthacht nennt die Bedingungen, die für die Entstehung des osmotischen Drucks notwendig sind: „Wenn Meerwasser und Süßwasser zuvor durch einen Filter getrennt werden Mischen - eine spezielle Membran, die Wasser durchlässt, aber für Salz undurchlässig ist. Dann kann die Tendenz von Lösungen zum thermodynamischen Gleichgewicht und zum Konzentrationsausgleich nur dadurch realisiert werden, dass Wasser in die Salzlösung eindringt und Salz nicht ins Süßwasser gelangen.“

Geschieht dies in einem geschlossenen Becken, entsteht im Meerwasser ein hydrostatischer Überdruck, der sogenannte osmotische Druck. Um es zur Energieerzeugung zu nutzen, muss an der Stelle, an der der Fluss ins Meer mündet, ein großer Tank mit zwei Kammern installiert werden, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind, die den Wasserdurchlass und den Salzdurchlass verhindert durch. Eine Kammer ist mit Salzwasser gefüllt, die andere mit Süßwasser. „Der entstehende osmotische Druck kann sehr hoch sein“, betont Professor Peineman. „Er erreicht etwa 25 Bar, was dem Wasserdruck am Fuß eines Wasserfalls entspricht, der aus 100 Metern Höhe fällt.“

Wasser unter einem so hohen osmotischen Druck wird einer Generatorturbine zugeführt, die Strom erzeugt.

Die Hauptsache ist die richtige Membran

Es scheint, dass alles einfach ist. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Idee, Osmose als Energiequelle zu nutzen, vor fast einem halben Jahrhundert entstand. Aber... „Eines der Haupthindernisse war damals der Mangel an Membranen der richtigen Qualität“, sagt Professor Peineman. „Die Membranen waren extrem langsam, sodass die Effizienz des osmotischen Stromgenerators sehr gering war. Aber in.“ In den nächsten 20 bis 30 Jahren kam es zu mehreren technologischen Durchbrüchen. Wir haben gelernt: „Heute produzieren wir extrem dünne Membranen, was bedeutet, dass ihr Durchsatz deutlich höher geworden ist.“
Spezialisten des GKSS-Forschungszentrums haben maßgeblich zur Entwicklung jener Membran beigetragen, die es nun ermöglicht, die osmotische Energiegewinnung in die Praxis umzusetzen – wenn auch noch rein experimentell. Einer der Entwickler, Carsten Blicke, erklärt: „Die Dicke der Membran beträgt etwa 0,1 Mikrometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 bis 100 Mikrometern. Es ist dieser dünne Film, der letztendlich Meerwasser vom Süßwasser trennt.“

Es ist klar, dass eine so dünne Membran allein einem hohen osmotischen Druck nicht standhalten kann. Daher wird es auf eine poröse, schwammartige, aber äußerst haltbare Unterlage aufgetragen. Im Allgemeinen sieht eine solche Trennwand aus wie Hochglanzpapier, und die Tatsache, dass sich darauf ein Film befindet, ist mit bloßem Auge nicht zu erkennen.

Strahlende Aussichten

Für den Bau der Pilotanlage waren Investitionen in Höhe von mehreren Millionen Euro erforderlich. Es fanden sich dennoch risikobereite Investoren, wenn auch nicht sofort. Statkraft, eines der größten Energieunternehmen Norwegens und europäischer Marktführer bei der Nutzung erneuerbarer Energiequellen, hat sich freiwillig zur Finanzierung des innovativen Projekts bereit erklärt. Professor Peineman erinnert sich: „Sie hörten von dieser Technologie, waren begeistert und unterzeichneten einen Kooperationsvertrag mit uns. Die Europäische Union stellte 2 Millionen Euro für die Umsetzung dieses Projekts bereit, den Rest der Mittel steuerten Statkraft und eine Reihe anderer Unternehmen bei.“ , einschließlich unseres Instituts.“

„Eine Reihe anderer Unternehmen“ sind Forschungszentren in Finnland und Portugal sowie ein norwegisches Forschungsunternehmen. Die Pilotanlage mit einer Leistung von 2 bis 4 Kilowatt, die im Oslofjord nahe der Stadt Tofte gebaut und heute eingeweiht wurde, soll die innovative Technologie testen und verbessern. Doch das Management von Statkraft ist zuversichtlich, dass es in einigen Jahren zur kommerziellen Nutzung der Osmose kommen wird. Und das gesamte globale Potenzial der osmotischen Energieerzeugung wird auf nicht weniger als 1600-1700 Terawattstunden pro Jahr geschätzt – das ist etwa die Hälfte des Energieverbrauchs der gesamten Europäischen Union. Der wichtigste Vorteil solcher Anlagen ist ihre Umweltfreundlichkeit – sie verursachen keinen Lärm und belasten die Atmosphäre nicht durch Treibhausgasemissionen. Darüber hinaus lassen sie sich einfach in die bestehende Infrastruktur integrieren.

Umweltfreundlichkeit

Unabhängig davon möchte ich die absolute Umweltfreundlichkeit dieser Art der Stromerzeugung hervorheben. Kein Abfall, oxidierende Tankmaterialien, schädliche Dämpfe. IPS kann sogar innerhalb der Stadt installiert werden, ohne den Bewohnern Schaden zuzufügen.
Außerdem erfordert der Betrieb des IPS keine anderen Energiequellen zum Starten und ist nicht von den klimatischen Bedingungen abhängig. All dies macht IPS zu einer nahezu idealen Möglichkeit, Strom zu erzeugen.

Das Phänomen der Osmose wird seit mehr als 40 Jahren industriell genutzt. Nur handelt es sich hierbei nicht um die klassische Vorwärtsosmose von Abt Nollet, sondern um die sogenannte Umkehrosmose – ein künstlicher Prozess des Eindringens eines Lösungsmittels aus einer konzentrierten in eine verdünnte Lösung unter dem Einfluss eines Drucks, der den natürlichen osmotischen Druck übersteigt. Diese Technologie wird seit Anfang der 1970er Jahre in Entsalzungs- und Kläranlagen eingesetzt. Salziges Meerwasser wird auf eine spezielle Membran gepumpt und durch deren Poren wird ihm ein erheblicher Anteil an Mineralsalzen sowie Bakterien und sogar Viren entzogen. Das Pumpen von salzhaltigem oder verunreinigtem Wasser erfordert viel Energie, aber das Spiel lohnt sich: Es gibt viele Regionen auf der Erde, in denen der Mangel an Trinkwasser ein akutes Problem darstellt.

Es ist kaum zu glauben, dass der bloße Konzentrationsunterschied zweier Lösungen eine ernsthafte Kraft erzeugen kann, aber es stimmt: Der osmotische Druck kann den Meerwasserspiegel um 120 m ansteigen lassen.

Experimente zur Umwandlung von osmotischem Druck in elektrische Energie wurden seit Anfang der 1970er Jahre von verschiedenen wissenschaftlichen Gruppen und Unternehmen durchgeführt. Das Prinzip dieses Prozesses war offensichtlich: Der Fluss von Süßwasser (Flusswasser), der durch die Poren der Membran dringt, erhöht den Druck im Meerwasserreservoir und ermöglicht so das Drehen der Turbine. Das überschüssige Brackwasser wird dann ins Meer eingeleitet. Das einzige Problem bestand darin, dass klassische Membranen für PRO (druckverzögerte Osmose) zu teuer und unbeständig waren und nicht die erforderliche Durchflussleistung lieferten. Die Sache begann Ende der 1980er Jahre, als die norwegischen Chemiker Thorleif Holt und Thor Thorsen vom SINTEF-Institut die Lösung des Problems in Angriff nahmen.

In schematischen Bildern ist die osmotische Membran als Wand dargestellt. Tatsächlich handelt es sich um eine Rolle, die in einem zylindrischen Körper eingeschlossen ist. In seiner mehrschichtigen Struktur wechseln sich Schichten aus Süß- und Salzwasser ab.

Loeb-Membranen erforderten klinische Qualität, um Spitzenleistungen aufrechtzuerhalten. Das Design des Membranmoduls der Entsalzungsstation erforderte das Vorhandensein eines primären Grobfilters und einer leistungsstarken Pumpe, die Schmutz von der Arbeitsfläche der Membran entfernte.

Nachdem Holt und Thorsen die Eigenschaften der vielversprechendsten Materialien analysiert hatten, entschieden sie sich für kostengünstiges modifiziertes Polyethylen. Ihre Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften erregten die Aufmerksamkeit von Spezialisten von Statcraft, und die norwegischen Chemiker wurden eingeladen, ihre Arbeit unter der Schirmherrschaft des Energieunternehmens fortzusetzen. Im Jahr 2001 erhielt das Membranprogramm von Statcraft einen staatlichen Zuschuss. Mit den erhaltenen Mitteln wurde in Sunndalsjor eine experimentelle osmotische Anlage gebaut, um Membranproben zu testen und die Technologie als Ganzes zu testen. Die aktive Fläche darin betrug etwas über 200 m2.

Der Unterschied zwischen dem Salzgehalt (wissenschaftlich ausgedrückt: Salzgehaltsgradient) von Süß- und Meerwasser ist das Grundprinzip des Betriebs eines osmotischen Kraftwerks. Je größer es ist, desto höher ist das Volumen und die Durchflussrate auf der Membran und damit die Energiemenge, die von der hydraulischen Turbine erzeugt wird. In Toft fließt Süßwasser durch die Schwerkraft auf die Membran; durch Osmose steigt der Druck des Meerwassers auf der anderen Seite stark an. Die Kraft der Osmose ist enorm – der Druck kann den Meeresspiegel um 120 m ansteigen lassen.

Anschließend strömt das resultierende verdünnte Meerwasser durch den Druckverteiler auf die Turbinenschaufeln und wird, nachdem es ihnen seine gesamte Energie abgegeben hat, ins Meer geschleudert. Der Druckverteiler nimmt einen Teil der Strömungsenergie auf und dreht die Pumpen, die Meerwasser pumpen. Auf diese Weise ist es möglich, die Effizienz der Station deutlich zu steigern. Rick Stover, Chief Technology Officer bei Energy Recovery, das solche Geräte für Entsalzungsanlagen herstellt, schätzt, dass die Energieübertragungseffizienz der Verteiler bei nahezu 98 % liegt. Genau die gleichen Entsalzungsgeräte helfen bei der Trinkwasserversorgung von Wohngebäuden.

Wie Skillhagen anmerkt, sollten osmotische Kraftwerke idealerweise mit Entsalzungsanlagen kombiniert werden – der Salzgehalt des restlichen Meerwassers in letzteren ist zehnmal höher als der natürliche Wert. In einem solchen Tandem wird sich die Effizienz der Energieerzeugung um mindestens das Doppelte steigern.

Die Bauarbeiten in Tofte begannen im Herbst 2008. Auf dem Gelände der Zellstofffabrik Sódra Cell wurde eine leere Lagerhalle angemietet. Im ersten Stock wurde eine Kaskade aus Maschen- und Quarzfiltern zur Reinigung von Fluss- und Meerwasser installiert, und im zweiten Stock befand sich ein Maschinenraum. Im Dezember desselben Jahres wurden die Membranmodule und der Druckverteiler angehoben und installiert. Im Februar 2009 verlegte eine Tauchergruppe zwei parallele Pipelines entlang des Grundes der Bucht – für Süß- und Meerwasser.

Meerwasser wird in Toft aus Tiefen von 35 bis 50 m gesammelt – in dieser Schicht ist sein Salzgehalt optimal. Außerdem ist es dort viel sauberer als an der Oberfläche. Dennoch müssen die Membranen der Station regelmäßig gereinigt werden, um organische Rückstände zu entfernen, die die Mikroporen verstopfen.

Seit April 2009 wurde das Kraftwerk im Probebetrieb betrieben und im November konnte es mit der leichten Hand von Prinzessin Mette-Marit sein volles Potenzial entfalten. Skillhagen versichert, dass Statcraft nach Tofte weitere ähnliche, aber fortgeschrittenere Projekte haben wird. Und das nicht nur in Norwegen. Seiner Meinung nach ist der unterirdische Komplex von der Größe eines Fußballfeldes in der Lage, eine ganze Stadt mit 15.000 Einzelhäusern unterbrechungsfrei mit Strom zu versorgen. Darüber hinaus ist eine solche osmotische Anlage im Gegensatz zu Windkraftanlagen praktisch geräuschlos, verändert die vertraute Landschaft nicht und beeinträchtigt nicht die menschliche Gesundheit. Und die Natur selbst wird dafür sorgen, dass die Salz- und Süßwasserreserven wieder aufgefüllt werden.

Bisher gibt es weltweit nur einen funktionierenden Prototyp eines osmotischen Kraftwerks. Aber in Zukunft werden es Hunderte sein.

Funktionsprinzip eines osmotischen Kraftwerks

Der Betrieb des Kraftwerks basiert auf dem osmotischen Effekt – der Eigenschaft speziell konstruierter Membranen, nur bestimmte Partikel durchzulassen. Installieren wir zum Beispiel eine Membran zwischen zwei Behältern und gießen wir in einen von ihnen destilliertes Wasser und in den anderen eine Salzlösung. Wassermoleküle passieren die Membran ungehindert, Salzpartikel jedoch nicht. Und da in einer solchen Situation die Flüssigkeiten dazu neigen, sich auszugleichen, verteilt sich das Frischwasser bald durch die Schwerkraft auf beide Behälter.

Wenn der Unterschied in der Zusammensetzung der Lösungen sehr groß ist, ist der Flüssigkeitsfluss durch die Membran ziemlich stark. Durch die Platzierung einer hydraulischen Turbine in seinem Weg kann Strom erzeugt werden. Dies ist der einfachste Aufbau eines Osmosekraftwerks. Die optimalen Rohstoffe dafür sind derzeit salziges Meerwasser und frisches Flusswasser – erneuerbare Energiequellen.

Ein solches Versuchskraftwerk wurde 2009 in der Nähe der norwegischen Stadt Oslo gebaut. Seine Produktivität ist gering – 4 kW oder 1 W pro 1 m². Membranen. In naher Zukunft wird dieser Wert auf 5 W pro 1 m² erhöht. Bis 2015 wollen die Norweger ein kommerzielles Osmosekraftwerk mit einer Leistung von rund 25 MW bauen.

Perspektiven für die Nutzung dieser Energiequelle

Der Hauptvorteil des IPS gegenüber anderen Kraftwerkstypen ist die Verwendung äußerst günstiger Rohstoffe. Tatsächlich ist es kostenlos, da 92-93 % der Erdoberfläche mit Salzwasser bedeckt sind und Süßwasser mit der gleichen Methode des osmotischen Drucks in einer anderen Anlage leicht zu gewinnen ist. Durch die Installation eines Kraftwerks an der Mündung eines ins Meer mündenden Flusses können alle Probleme der Rohstoffversorgung auf einen Schlag gelöst werden. Klimatische Bedingungen für den Betrieb des IPS spielen keine Rolle – solange das Wasser fließt, funktioniert die Installation.

Dabei entstehen keine giftigen Stoffe – am Ausgang entsteht das gleiche Salzwasser. Das IPS ist absolut umweltfreundlich und kann in unmittelbarer Nähe von Wohngebieten installiert werden. Das Kraftwerk schadet der Tierwelt nicht und für seinen Bau ist es nicht erforderlich, Flüsse durch Dämme zu blockieren, wie es bei Wasserkraftwerken der Fall ist. Und der geringe Wirkungsgrad des Kraftwerks lässt sich durch die enorme Größe solcher Anlagen leicht ausgleichen.

Es gibt keinen Fehler im Titel, nicht aus dem „Weltraum“, sondern genau aus „Osmose“

Wir sind jeden Tag davon überzeugt, dass wir von vielen der unerwartetsten Quellen erneuerbarer Energie umgeben sind. Zur Stromerzeugung können neben Sonne, Wind, Strömungen und Gezeiten auch Generatoren genutzt werden, die mit Salz – oder besser gesagt mit dem Unterschied, den es zwischen Süß- und Meerwasser erzeugt – betrieben werden. Dieser Unterschied wird als Salzgehaltsgradient bezeichnet und kann dank des Phänomens der Osmose genutzt werden, um einen überschüssigen Flüssigkeitsdruck zu erzeugen, der von herkömmlichen Turbinen in Strom umgewandelt wird.

Es gibt mehrere bekannte Möglichkeiten, die Energie des Salzgehaltsgradienten in Elektrizität umzuwandeln. Am vielversprechendsten ist heute die Umwandlung mittels Osmose, weshalb die Energie des Salzgehaltsgradienten oft auch als Osmoseenergie bezeichnet wird. Aber auch andere Arten der Energieumwandlung des Salzgehaltsgradienten sind grundsätzlich möglich.

Das Phänomen der Osmose ist wie folgt. Wenn Sie eine semipermeable Membran (Membran) nehmen und diese als Trennwand in einem beliebigen Gefäß zwischen Süß- und Salzwasser platzieren, Dann beginnen osmotische Kräfte, Süßwasser in Salzwasser zu pumpen. Süßwassermoleküle gelangen durch die Trennmembran in die zweite Hälfte des mit Salzwasser gefüllten Gefäßes, während die Membran verhindert, dass Salzmoleküle in die erste Hälfte mit Süßwasser gelangen. Aufgrund dieser Eigenschaft wird die Membran semipermeabel genannt. Die dabei freigesetzte Energie äußert sich in einem erhöhten Druck, der im Gefäßteil mit Salzwasser entsteht. Dies ist der osmotische Druck (manchmal auch osmotischer Wasserfall genannt). Der Maximalwert des osmotischen Drucks ist der Druckunterschied zwischen der Lösung (d. h. Salzwasser) und dem Lösungsmittel (d. h. Süßwasser), bei dem die Osmose aufhört, was auf die Bildung gleicher Drücke auf beiden Seiten der semipermeablen Membran zurückzuführen ist . Der daraus resultierende erhöhte Druck in der Salzwasserhälfte des Gefäßes gleicht die osmotischen Kräfte aus, die die Süßwassermoleküle durch die semipermeable Membran in das Salzwasser drückten.

Das Phänomen der Osmose ist seit langem bekannt. Es wurde erstmals 1748 von A. Podlo beobachtet, aber detaillierte Untersuchungen begannen mehr als ein Jahrhundert später. Im Jahr 1877 maß W. Pfeffer erstmals den osmotischen Druck, während er wässrige Lösungen von Rohrzucker untersuchte. Im Jahr 1887 stellte Van't Hoff auf der Grundlage von Pfeffers Experimenten ein Gesetz auf, das den osmotischen Druck in Abhängigkeit von der Konzentration der gelösten Substanz und der Temperatur bestimmt. Er zeigte, dass der osmotische Druck einer Lösung numerisch gleich dem Druck ist, den die Moleküle der gelösten Substanz ausüben würden, wenn sie sich bei gleicher Temperatur und Konzentration im gasförmigen Zustand befänden.

Um osmotische Energie zu gewinnen, ist eine Quelle mit geringer Salzkonzentration in der Nähe einer mehr oder weniger konzentrierten Lösung erforderlich. Unter den Bedingungen des Weltmeeres sind solche Quellen die Mündungen der in ihn mündenden Flüsse.

Die aus dem osmotischen Druck berechnete Salzgehaltsgradientenenergie unterliegt nicht den Effizienzbeschränkungen, die mit dem Carnot-Zyklus verbunden sind. Dies ist eine der positiven Eigenschaften dieser Energieart. Die Frage ist, wie man es am besten in Strom umwandelt.

Das weltweit erste Kraftwerk, das das Phänomen der Osmose zur Stromerzeugung nutzt, wurde kürzlich in Norwegen eröffnet. Der aktuelle Prototyp des Kraftwerks wird bei seinem Betrieb nur Salz- und Süßwasser erzeugen und 2 bis 4 Kilowatt produzieren Phänomen der Osmose, also der Bewegung von Lösungen durch eine Membran hin zur Seite höherer Salzkonzentration. Da die Salzkonzentration in gewöhnlichem Meerwasser höher ist als in Süßwasser, entsteht das Phänomen der Osmose zwischen Süß- und Salzwasser, die durch eine Membran getrennt sind, und die Bewegung des Wasserflusses bewirkt, dass die Turbine in Betrieb geht und Energie erzeugt. Die Kraft des bereits gestarteten Prototyps ist gering und beträgt zwei bis vier Kilowattstunden. Wie Projektleiter Stein Eric Skilhagen erklärte, hatte das Unternehmen nicht das Ziel, sofort ein Kraftwerk im industriellen Maßstab zu bauen, sondern es ginge vielmehr darum, zu zeigen, dass diese Technologie grundsätzlich im Energiesektor eingesetzt werden kann. Die Idee von Die Nutzung des Phänomens der Osmose zur Stromerzeugung wurde erstmals 1992 von Aktivisten von Umweltbewegungen vorgeschlagen, heißt es auf der Website von Statkraft. Nach Berechnungen der Ingenieure ist es heute möglich, ein osmotisches Kraftwerk mit einer Leistung von 1.700 Kilowatt pro Stunde zu bauen. Gleichzeitig hat das Wetter im Gegensatz zu anderen Stationen, die alternative Energiequellen – Sonne oder Wind – nutzen, keinen Einfluss auf den Betriebsmodus der Station. Die Leistung des vorhandenen Prototyps reicht aus, um lediglich eine Kaffeemaschine mit Strom zu versorgen. Bis 2015 hofft Statkraft jedoch, ein Kraftwerk zu bauen, das ein Dorf mit 10.000 Privathäusern mit Strom versorgen wird.

Zu den bevorstehenden Herausforderungen gehört die Suche nach energieeffizienteren Membranen. Für diejenigen, die am Bahnhof in Hurum, 60 km südlich von Oslo, verwendet werden, beträgt dieser Wert 1 W/m2. Nach einiger Zeit wird Statkraft die Leistung auf 2-3 W erhöhen, aber um ein profitables Niveau zu erreichen, müssen 5 W erreicht werden.

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Aufrechterhaltung

Die Hauptrichtung der alternativen Energie ist die Suche und Nutzung alternativer (nicht-traditioneller) Energiequellen. Energiequellen sind „natürlich vorkommende Stoffe und Prozesse, die es einem Menschen ermöglichen, die für seine Existenz notwendige Energie zu gewinnen.“ Eine alternative Energiequelle ist eine erneuerbare Ressource; sie ersetzt traditionelle Energiequellen, die mit Öl, gefördertem Erdgas und Kohle betrieben werden, die bei der Verbrennung Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben, was zum Wachstum des Treibhauseffekts und der globalen Erwärmung beiträgt. Der Grund für die Suche nach alternativen Energiequellen ist die Notwendigkeit, diese aus der Energie erneuerbarer oder praktisch unerschöpflicher natürlicher Ressourcen und Phänomene zu gewinnen. Auch Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit können berücksichtigt werden.

Im Jahr 2010 machten alternative Energien (ohne Wasserkraft) 4,9 % des gesamten Energieverbrauchs der Menschheit aus. Einschließlich für Heizung und Warmwasserbereitung (Biomasse, solare und geothermische Warmwasserbereitung und Heizung) 3,3 %; Biokraftstoff 0,7 %; Stromerzeugung (Wind-, Solar-, Geothermiekraftwerke und Biomasse in TPP) 0,9 %. Erneuerbare (alternative) Energiequellen machten 2010 nur etwa 5 % der weltweiten Stromerzeugung aus. Im Mai 2009 waren es 13 % des Stroms in den Vereinigten Staaten aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt. 9,4 % des Stroms wurden aus Wasserkraftwerken erzeugt, etwa 1,8 % aus Windenergie, 1,3 % aus Biomasse, 0,4 % aus Geothermie und 0,3 % aus Solarenergie. In Australien wurden 2009 8 % des Stroms aus erneuerbaren Quellen erzeugt.

Heutzutage benötigen Energiemenschen immer mehr Energie, da sie immer mehr neue Erfindungen erfinden, die Energie erfordern.

Energie entstand vor vielen Millionen Jahren, als die Menschen lernten, Feuer zu machen: Sie jagten mit Feuer, empfingen Licht und Wärme und es diente viele Jahre lang als Quelle der Freude und des Optimismus. In meinem Aufsatz werde ich über eine mögliche umweltfreundliche Energiequelle sprechen, mit der die Menschen die Welt um sich herum nicht verschmutzen würden.

1. Begründung

Warum wähle ich ein osmotisches Kraftwerk als alternative Form der Energiegewinnung?

Der Hauptvorteil ist seine Umweltfreundlichkeit – es gibt keinen Lärm und belastet die Atmosphäre nicht mit Treibhausgasemissionen; - eine kontinuierliche erneuerbare Energiequelle mit geringen saisonalen Schwankungen bereitgestellt wird; - einfache Implementierung bestehender Infrastruktur; Ein osmotisches Kraftwerk kann nur in Flussmündungen eingesetzt werden, in denen Süßwasser in Salzwasser mündet. Das in der Natur weit verbreitete Phänomen der Osmose ermöglicht es Pflanzen, Feuchtigkeit über ihre Blätter aufzunehmen, und wird häufig bei der Entsalzung eingesetzt.

2. Effizienz der Nutzung

Ein Osmosekraftwerk ist ein stationäres Kraftwerk, das auf dem Prinzip der Flüssigkeitsdiffusion (Osmose) basiert.

Das erste und derzeit einzige osmotische Kraftwerk der Welt wurde von Statkraft in der norwegischen Stadt Tofte auf dem Gelände der Zellstoff- und Papierfabrik „Södra Cell Tofte“ gebaut. Der Bau des Kraftwerks kostete 20 Millionen US-Dollar und erforderte zehn Jahre Forschung und Technologieentwicklung. Dieses Kraftwerk produziert immer noch sehr wenig Energie: etwa 2-4 Kilowatt. Anschließend ist geplant, die Energieproduktion auf 10 Kilowatt zu steigern.

Derzeit befindet sich das Kraftwerk in der Versuchsphase, aber wenn die Tests erfolgreich abgeschlossen werden, wird die Station für die kommerzielle Nutzung in Betrieb genommen.

Es scheint, dass alles einfach ist. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Idee, Osmose als Energiequelle zu nutzen, vor fast einem halben Jahrhundert entstand. Aber... „Eines der Haupthindernisse war der Mangel an Membranen der richtigen Qualität“, sagte Professor Payneman dazu. „Die Membranen waren extrem langsam, daher wäre die Effizienz des osmotischen Stromgenerators sehr gering. Aber in der In den nächsten 20 bis 30 Jahren kam es zu mehreren technologischen Durchbrüchen. Wir haben heute gelernt, extrem dünne Membranen herzustellen, was bedeutet, dass ihr Durchsatz deutlich höher geworden ist.“ Spezialisten des GKSS-Forschungszentrums haben maßgeblich zur Entwicklung jener Membran beigetragen, die es nun ermöglicht, die osmotische Energiegewinnung in die Praxis umzusetzen – wenn auch noch rein experimentell. Daraus folgt, dass die Effizienz dieser Energie, obwohl sie gering ist, durch die enorme Größe solcher Anlagen leicht ausgeglichen werden kann.

Osmotisches Kraftwerk alternative Energie

3. Technologien

Wo also Flüsse in Meere und Ozeane münden, gibt es in der Nachbarschaft riesige Quellen für Süß- und Salzwasser – dies ist ein idealer Ort für den Bau osmotischer Kraftwerke. Wie bekomme ich Energie? Der einfachste Weg besteht darin, Wasser in einen Behälter zu füllen, der durch eine semipermeable Membran in zwei Kammern unterteilt ist.

Einem Fach wird Meerwasser zugeführt, dem anderen Frischwasser. Aufgrund der unterschiedlichen Salzkonzentrationen im Meer- und Süßwasser gelangen Wassermoleküle aus dem Frischkompartiment, die versuchen, die Salzkonzentration auszugleichen, durch die Membran in das Meereskompartiment. Durch diesen Vorgang entsteht im Meerwasserraum ein Überdruck, der wiederum zum Drehen einer hydraulischen Turbine zur Stromerzeugung genutzt wird.

Es ist auch notwendig, die Vor- und Nachteile der osmatischen Elektrizität hervorzuheben.

Vorteile:

Im Gegensatz zu Wind und Sonne stellen sie eine kontinuierliche erneuerbare Energiequelle mit geringen saisonalen Schwankungen dar.

Es gibt keinen Treibhauseffekt.

Mängel:

Die aktuelle Membran hat einen Indikator von 1 W/mI. Der Indikator, der die Stationen rentabel macht, liegt bei 5 W/m². Es gibt mehrere Unternehmen auf der Welt, die ähnliche Membranen herstellen (General Electric, Dow Chemical, Hydranautics, Toray Industries), aber Geräte für eine Osmosestation müssen viel dünner sein als die derzeit hergestellten.

Ein osmotisches Kraftwerk kann nur in Flussmündungen eingesetzt werden, in denen Süßwasser in Salzwasser mündet.

4. Aussichten

Perspektiven für den Einsatz in Russland. Flüsse sind die Grundlage des russischen Wasserfonds. Russland nimmt etwa 12 % der Landfläche ein und zeichnet sich durch ein gut ausgebautes Flussnetz sowie eine einzigartige Wasserküste mit einer Länge von etwa 60.000 km aus. Die Flüsse Russlands gehören zu den Becken dreier Ozeane: der Arktis, des Pazifiks und des Atlantiks. Somit verfügt Russland über ein enormes Potenzial bei der Entwicklung der osmotischen Energie, das Interesse an dieser erneuerbaren Energiequelle wächst und Wissenschaftler auf der ganzen Welt bündeln ihre Kräfte, um sie zu entwickeln.

Kanadas Hydro-Québec, der weltweit größte Wasserkraftproduzent, arbeitet mit Statkraft bei der Erforschung der nächsten Phase der PRO-Technologie zusammen. Darüber hinaus wird die Möglichkeit geprüft, entlang der kanadischen Küste osmotische Stationen zu errichten.

In Japan hat das Tokyo Institute of Technology ein Forschungszentrum zur Erforschung osmotischer Energie eröffnet. Seinen Mitarbeitern zufolge ermöglicht das Energiepotenzial japanischer Flüsse – wenn es durch den Bau osmotischer Stationen an der Mündung der Flüsse ins Meer ausgeschöpft wird – den Ersatz von 5-6 Kernkraftwerken.

Abschluss

Die Rolle der Energie bei der Erhaltung und Weiterentwicklung der Zivilisation ist sehr groß. In der modernen Gesellschaft ist es schwierig, mindestens einen Bereich menschlicher Aktivität zu finden, der nicht – direkt oder indirekt – mehr Energie erfordert, als menschliche Muskeln bereitstellen können. Der Energieverbrauch ist ein wichtiger Indikator für den Lebensstandard. Damals, als der Mensch Nahrung durch das Sammeln von Waldfrüchten und die Jagd auf Tiere erhielt, benötigte er täglich etwa 8 MJ Energie. Nach der Beherrschung des Feuers stieg dieser Wert auf 16 MJ: In einer primitiven Agrargesellschaft waren es 50 MJ und in einer weiter entwickelten Gesellschaft 100 MJ.

Im Laufe der Entwicklung der Zivilisation wurden traditionelle Energiequellen viele Male durch neue, fortschrittlichere ersetzt, und zwar nicht, weil die alte Quelle erschöpft war.

Die stärkste Energiequelle ist die Kernenergie – der Spitzenreiter im Energiebereich. Die Uranreserven sind im Vergleich zu den Kohlereserven nicht so groß. Aber pro Gewichtseinheit enthält es millionenfach mehr Energie als Kohle. Man geht davon aus, dass bei der Stromerzeugung in einem Kernkraftwerk hunderttausendmal weniger Geld und Arbeit aufgewendet werden müssen als bei der Energiegewinnung aus Kohle. Und Kernbrennstoff ersetzt Öl und Kohle ... Das war schon immer so: Die nächste Energiequelle war auch leistungsfähiger. Es handelte sich sozusagen um eine „militante“ Energielinie. Mit der intensiven Energieentwicklung werden in Zukunft verteilte Energiequellen entstehen, die nicht zu leistungsstark, aber hocheffizient, umweltfreundlich und einfach zu nutzen sind. Zum Beispiel ein schneller Einstieg in die elektrochemische Energie, die später offenbar durch Solarenergie ergänzt wird. Energie sammelt sich sehr schnell an, assimiliert und absorbiert die neuesten Ideen, Erfindungen und wissenschaftlichen Errungenschaften. Das ist verständlich: Energie ist buchstäblich mit allem verbunden, und alles wird von Energie angezogen und hängt von ihr ab. Daher sind Energiechemie, Wasserstoffenergie, Weltraumkraftwerke, in Antimaterie versiegelte Energie, Quarks, „Schwarze Löcher“, Vakuum – das sind nur die hellsten Meilensteine, Striche, einzelne Zeilen des Szenarios, das vor unseren Augen geschrieben wird und das kann wird „Tomorrow Energy“ heißen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass es unzählige alternative Formen der Energienutzung gibt, sofern hierfür effiziente und wirtschaftliche Methoden entwickelt werden müssen. Die Hauptsache ist, die Energieentwicklung in die richtige Richtung zu lenken.

Gepostet auf Allbest.ru

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