Osmosekraftwerk -Wikipedia

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a Osmosekraftwerk （塩勾配発電所）は、エネルギーを獲得して電気を生成するために、淡水と海水の間の塩分の違いを使用する発電所です。浸透エネルギー（塩度エネルギー）を使用する発電所の提案は、1970年代に最初に公開されました。 1990年代後半から具体的な研究開発プロジェクトがありました。浸透圧植物の世界初のプロトタイプとして、2009年11月24日にオスロフィヨルドのノルウェーのテントで小さな発電所が稼働しました。 [初め]

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浸透圧植物のエネルギー源は、濃度を補償する傾向がある2つの溶液の塩分（塩グレード）の違いです。従来の水力発電植物の場合、位置エネルギー（貯蔵発電所と同様）または大型水塊の運動と位置エネルギーの組み合わせ（水力発電植物の走行と同様）が使用されます。対照的に、塩のイオンの水和エネルギーは、オスモセクラフトワークで使用されており、その水節は増加します。

甘い水と塩水が半透過性膜を介して互いに接触している場合、純水は膜を通って塩水側（浸透）に拡散します。 3.5％の海水に塩分があるため、淡水と比較して10°Cの温度で約28バーの浸透圧があります。

地下発電所 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

技術的な実装では、塩を効率的に保持する特別な膜が必要ですが、水にも透過性があります。適切な膜が不足しているため、1970年代には原則を実現できませんでした。 1990年代半ば以降、ポリマーから適切な膜を開発する新しいアプローチがありました。

地下のオスモセクラフトウォーク

地下のOsmosekraftプラントは、機能の原則から比較的簡単に理解できます。まず、淡水の位置エネルギーが使用されます。ダウンパイプの底で、タービンが電気エネルギーを作成します。これは、低下水のエネルギーに対応します。

と = m de g de h {displaystyle e = mcdot gcdot h}

、それによって

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m {displaystyle m}

水の質量はです

g {displaystyle g}

地球の加速と

h {displaystyle h}

落下の高さ。その後、タービンの出力の水はさらに海に向けられなければなりません。これは、理論的には、海の水柱の圧力が浸透圧よりも小さい限り、エネルギーなしで可能です。 28 bar浸透圧では、これはほぼ280 mに対応します。

ただし、このような構造では、半透過膜による淡水の拡散は非常に遅くなります。膜を通る流れは、膜に圧力を落とすことにほぼ比例します。川の発電所の建設の場合、それはむしろ、得られたパフォーマンス、つまり時間あたりのエネルギーを最大化するという目標になりたいです。文献には、深さ100〜130メートルが記載されています。 [2]

図では、淡水コラムの圧力が指定された場所にあります

p 初め = r s g h {displaystyle p_ {1} = rho _ {text {s}} gh}

、海水の圧力

p 2 = r m g h – p Osmose {displaystyle p_ {2} = rho _ {text {m}} gh-p_ {text {{{}}}}}

タービンと膜の間の圧力

p 3 = p 初め – d p タービン = p 2 + d p 膜 {displaystyle P_ {3} = P_ {1} -delta P_ {Text {Turbine}} = P_ {2}+Delta P_ {Text {Membran}}}}}

。したがって

r s {displaystyle rho _ {text {s}}}

と

r m {displaystyle rho _ {text {m}}}

甘い水と海水の密度はです

d p タービン {displaystyle delta p_ {text {タービン}}}

タービンの圧力低下と

d p 膜 {displaystyle delta p_ {text {membran}}}

膜の圧力低下。

地上発電所 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

プリント交換器を備えたOsmosekraftプラント

塩水をろ過し、膜モジュールの淡水と混合する前に圧力（圧力交換）を下に置きます。膜によって拡散したように、タービンを通る水が流れます。濃度の違いを維持するために、塩水の約2倍の量がシステムを通して密輸されます。

海水の横には、タービンを駆動して電力を生成できるように、圧力が蓄積します。ただし、浸透圧はシステム内で低下し、発生する希釈を介して減少します。たとえば、静圧差が浸透圧の半分であり、残りの半分が膜抵抗を克服するために利用できる場合、最大パフォーマンスが達成されます。

逆電気透析 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

逆電気透析
「 – 」でマークされた膜 + – イオン「+」の葉でマークされたミンブランを比較してくださいcl – – イオン。

別の方法は逆電気透析です（英語の赤、 逆電気透析 ）。イオン選択的膜で分離され、塩と淡水は互いに導かれます。それぞれの膜を通して拡散するイオンは、Nernst方程式に従って計算できる（小さな）電圧につながります。これらの配置の多くのシリーズ接続により、それに応じて電圧を拡大できます。

電圧がタップされてエネルギーを使用すると、個別の負荷を補正する電流の流れが減少します。これを可能な限り低く保つために、膜は小さな距離（<1 mm）に配置されます。膜距離が小さくなると、流れ抵抗が増加し、2種類の水を通過するために克服する必要があります。膜間隔は、ポンプのパフォーマンス支出が、荷重キャリアのオーム抵抗を減らすことにより、パフォーマンスの向上と同じくらい大きいことが判明するように選択できます。 [3]

オランダのファイナルダイクのパイロット工場は、2014年末から稼働しています。膜表面は400m²で、スループットは1時間あたり220,000m³です。これにより、1.3 w/m²の出力が生成され、2〜3 w/m²の経済運営が予想されます。 [4]

膜を含まない方法 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

エネルギー生成のための概略的なサークルプロセス。 A：海水中のコンデンサの充電。 B：川の水ですすぎます。 C：川の水の一部の排出。 D：海水ですすぎます。

循環プロセスでのエネルギー生成の手順は、2009年に最初に公開されました。コンデンサが使用されます。これは、水がその地域の水と接触している電極の間に使用されます。周囲の水を交換できます。プロセスは4つのステップで構成されています（図を参照）。

  • ステップA：海水は電極の間にあります。コンデンサは電圧φと負荷qに充電されます
  • ステップB：電極は淡水で洗浄され、塩水のイオンは淡水にびまんでいます。コンデンサの電圧はφ+dφに上昇し、負荷qは一定のままです。
  • ステップC：電圧が再びφになるまでコンデンサがアンロードされます。荷重はq-dqに沈みます。エネルギーを使用できます。
  • ステップD：電極は海水で洗浄され、電圧は値φを下回ります。

コンデンサは、ステップCの放電よりも少ない電圧でステップAで充電されるため、エネルギーバランスは正です。得られたエネルギーは、イラストの囲まれた領域に対応しています。 [5]

さらなる研究では、とりわけ。電極はそれを使用しました

n a +{displaystyle mathrm {na^{+}}}

– また。

c l −{displaystyle mathrm {cl^{ – }}}

– 電極材料のイオン。適切な材料を選択すると、プリロードは必要ありません。 [6]

Osmosekraftwerkeの可能な場所は、川の口の海にあります。さらに、すべての領域は、異なる塩分含有量を持つ2つの水路が発生する場所として考えられます。たとえば、川の塩を含む水からの直接挿入もあります。流量が大きく、塩分の違いが大きいほど、達成可能なエネルギー増加が大きくなります。

Osmosekraftが機能するエネルギーの可能性を考慮する場合、浸透植物での川全体を完全に使用することは、技術的な理由で、および川の輸送と生態学の検討から実行可能ではないことに注意する必要があります。これらの理由から、技術的に関連する変換損失に加えて、許容される最大水の引き出し量の制限も含まれる生態学的ポテンシャルを考慮しています。世界の排水の10％が使用されていると仮定すると、Osmosekraft植物の技術的可能性は年間1300 TWHであり、これはEUの電力生産に対応しています。 [7]

ドイツの土壌で最も潜在的な場所は、北海へのエルベの口です。北とバルト海をもたらすすべてのドイツ川の使用の生態学的可能性は、約42 MWまたは約330 GWH/Aとして与えられています。 [8] これは、ドイツの電力要件の0.5％以上に対応します。一方、別の作業は、ドイツの電力要件の約0.05％しか想定していません。 [9] ライン川とドナウの排水量は、ドイツ以外で生じるため、含まれていません。

グローバルレベルでは、2012年の生態学的可能性は、約65 GWまたは約520 TWH/Aと推定されました。 [8] 2016年に発表された調査では、約625のTwhがわずかに高くなる可能性が実際に使用可能です。これは、世界の発電の約3％に相当します。 [十] 大陸と地域への潜在的な分布は、排水値を分配するのと同じようになります。

動作体積の流れに関連して、特に地中海や特に米国ユタの塩湖などの塩湖で、北とバルト海よりも高い塩分を持つ水域でのより高い特定の発電所サービスが達成される可能性があります。ハイデルベルクの物理学者フロリアンディンガーは、5ギガワット以上のカスピ海の東にあるカラボガスゴルの可能性を推定しています。 [11]

Osmosekraftは再生可能エネルギーを使用し、最終的には太陽によって供給されます。太陽エネルギーを海から蒸発させることにより、（海に残っている）塩水と（蒸発）淡水の分離を可能にします。蒸発した水は、雲の形成、降水量、川を通り、海に戻り、混合混合中に浸透植物のエネルギーを部分的に回収できます。そのため、浸透エネルギーは太陽によって「補充」されます。したがって、それは再生可能エネルギーの一形態であり、ドイツの再生可能エネルギー源法での言及を通して（Salzgragientenenergieの名前で、§3を参照）、技術的な実施前に公式の認識を発見しました。

ノルウェーのフルム近くのオスモセクラフトワークのStatKraftのプロトタイプ（2009年10月）の見解

2004年以来、EUが資金提供した研究プログラムでは、大規模な使用に十分な膜の基本が作成されています。 [12番目] システムパートナーは、Statkraft SF（ノルウェー）、Ciencia e Tecnologia de Polemeros（ポルトガル）です。ノルウェー工科大学シンテフ（ノルウェー）;ヘルシンキ工科大学（フィンランド）とヘルムホルツセンターのジェスタハト（ドイツ）。 [13] 現在、膜1平方メートルあたり3ワットの電気出力を実現できます。 [14] [11]

2007年秋、ノルウェー州の会社のStatkraftは、オスロフィヨルドの南部の丘陵地帯の川口で、フルム近くのこのような発電所の世界初の建設を発表しました。 [15] 2009年11月24日に、世界初のプロトタイプが動作し始めました。 [16] 膜が使用され、1平方メートルあたり0.2ワットの電力の代わりに、3ワットを提供できます。 [17] 次に、2015年に計画されていたのは、500万平方メートルの膜を備えた25メガワット発電所でした。 Stat Forceは、ノルウェーが長期的に電気エネルギーの10％をカバーできると推定しています。 [14] ただし、StatKraftは、競争力のあるエネルギー生成の目標を達成できなかったため、2013年の終わりにOsmosekaftの研究へのさらなる投資を停止します。 [18]

Helmholtz Center Geesthachtのプロジェクトグループは、2010年代の初めまでEUが資金提供したプロジェクトの一部として働いていました。 2006年、プロジェクトマネージャーのペイネマンは、Osmosekraftwerkの経済運営の前提条件として、1平方メートルあたり5ワットの出力を指定しました。 [19] このサービスは、経済アプリケーションのためにまだ達成されていません（2019年現在）。最大3 w/m²の高性能密度の膜は、構造が複雑であり、継続的に使用されていない（例：汚染による）。 [20]

  • ローブ、シドニー（1975）： 浸透圧力植物 。 Science 189、654–655。
  • ローブ、シドニー（1998）： 圧力遅刻浸透による死海でのエネルギー生産：挑戦またはキメラ？ 脱塩120、247–262。
  • ノーマン、リチャードS.（1974）： 塩水：エネルギー源。 科学186、350–352。
  • ステンゼル、ピーター（2012）： 電力を生産および保管するための浸透の可能性 。 Lit Publisher、ISBN 978-3-643-11271-2。
  1. ↑ 世界初のOsmosekraftwerkがオープンしました。 統計力：2009年11月24日のプレスリリース
  2. ↑ Osmosekraftwerk 、Max-Planck-Institut IPP
  3. ↑ David A. Vermaas、Enver Guler、Michel Saakes、Kitty Nijmeijer： 逆電気透析を使用した塩分勾配からの理論電力密度 。 の： エネルギーが来ました 。バンド20、2012、S。170–184 doi：10.1016/j.egypro.2012.03.018 （オープンアクセス）
  4. ↑ UTは最初の青いエネルギー植物に大きな貢献をしています （オランダの）
  5. ↑ Doriano Brogioli： コンデンサを使用して塩分の違いから再生可能エネルギーを抽出する 。の： 物理的なレビューレター 。 103年目、 いいえ。 5 。 American Physical Society（APS）、29。Juli2009、ISSN 0031-9007 、doi： 10.1103/physrevlett.103.058501 、 PMID 19792539 、bibcode： 2009phrvl.103e8501b 。
  6. ↑ 記事 Von Meng Ye et al。 ACS OMEGA 2019、4、7、11785–11790
  7. ↑ フェルナンダ・ヘルファー、チャールズ・レムカート： 塩分勾配の力：オーストラリアの例 。の： 再生可能および持続可能なエネルギーレビュー 50、（2015）、1–16、S。2、2： 10.1016/j.rser.2015.04.188 。
  8. ↑ a b ピーター・ステンゼル： 電力を生産および保管するための浸透の可能性。 Lit Publisher、2012年。
  9. ↑ トーマス・アイゼンバーグ： Osmosekraft Works：将来のテクノロジーの潜在的な分析。 Ruhr University Bochum、2010年5月2日、 2011年9月21日に取得 。
  10. ↑ Alvarez-Silva et al。： 実用的なグローバル塩分勾配エネルギーのポテンシャル 。の： 再生可能および持続可能なエネルギーレビュー 。 バンド 60 、2016、 S. 1387–1395 、doi： 10.1016/j.rser.2016.03.021 。
  11. ↑ a b ホルガーダムベック： Osmosekraft Plant：甘い水で作られた緑色の電気。 の： Spiegel.de 、2012年3月30日
  12. ↑ 塩分パワープロジェクト。 （ 記念 2012年9月5日から インターネットアーカイブ ）2004年10月、研究プログラムの最終報告（PDF; 314 KB）
  13. ↑ マックスプランクインスティテュートフォープラズマフィジックスオリビアマイヤー： Osmoseskraftwerk：混合物がそれを行います。 の： エネルギーの視点。 プラズマ物理学のためのマックスプランク研究所のニュースレター。エディション03/2005
  14. ↑ a b セバスチャンバルツター： ダブルガレージからの将来の音楽。 の： フランクフルター・アールゲミーヌ・ジタン。 20. 2008年11月、S。20
  15. ↑ ノルウェー人は世界中に最初の塩発電所を建設しています。 の： orf。 13. 2007年10月
  16. ↑ StatKraft： 浸透からのエネルギー生成：世界中の最初のプロトタイプは、操作を取り上げています。 2009年11月24日のプレスリリース
  17. ↑ アレクサンダーバデ： 塩からの電気：ノルウェーでは、浸透圧植物の世界初のプロトタイプが稼働します。 の： Deutschlandradio。 23. 2009年11月
  18. ↑ Statkraftは浸透圧力投資を停止します。 2013年12月20日のプレスリリース
  19. ↑ アンナ・レナ・ゲルマン： フリーチ：浸透のあるきれいな電気を生成します。 の： オンラインでミラー。 2. 2006年4月
  20. ↑ Xin et al。： 浸透圧エネルギー変換に使用される高性能シルクベースのハイブリッド膜 Nature Communications、2019年
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