Osmóza – zdroj energie budoucnosti?

V poslední době se objevily informace o záměru norské společnosti STATKRAFT vybudovat první elektrárnu, jejímž energetickým zdrojem by byla osmotická energie. Optimističtí zastánci alternativních zdrojů vidí – ovšem v daleké budoucnosti – možnost pokrytí až poloviny spotřeby elektřiny v Evropě právě tímto zdrojem. Vedení společnosti Statkraft je ale se svým experimentem skromnější a uvažuje o výkonu několika kWh, což by mělo postačit k rozsvícení několika žárovek.

Co je osmotický tlak?

Obecně vyjádřeno, je to tlak vznikající při průniku rozpouštědla (např. vody) polopropustnou (semipermeabilní) membránou do roztoku, v němž je vyšší koncentrace látek (molekul nebo iontů) než v pronikajícím rozpouštědle. Proces pronikání rozpouštědla trvá tak dlouho, až je dosaženo stejné koncentrace látek na obou stranách membrány. Dochází tedy k ředění roztoku s původně vyšší koncentrací rozpuštěných látek. Principiálně jde o proces obdobný difusi, při níž dochází k prostupu látek přes bariéru, dokud se koncentrace látek na obou stranách bariéry nevyrovnají, ovšem s rozdílem, že v tomto případě je bariéra prostupná jak pro rozpouštědlo, tak i pro látky rozpuštěné. A není rozhodující, zda jde o kapaliny nebo o plyny. Jev difuse znázorňuje obr. 1.

Je-li ale bariéra propustná pouze pro rozpouštědlo, je tedy polopropustná, semipermeabilní, rozpuštěné látky přes ní neprojdou a prochází pouze rozpouštědlo, a to tak dlouho, dokud se koncentrace na obou stranách bariéry nevyrovnají. K průchodu rozpouštědla dochází přesto, že na straně s vyšší koncentrací látek hladina roztoku stoupá a působí tak proti gravitační síle. Tuto práci vykonala osmotická síla. Názorně to představuje obr. 2.

První úvahy

Energetické využití osmotického tlaku bylo předmětem úvah o výstavbě elektráren u Mrtvého moře již v roce 1998, kdy se uvažovalo jednak o výrobě čisté vody reversní osmosou v množství až 2 miliony m3 za den a jednak o produkci elektrické energie 48 000 kW, přičemž investiční náklady na zařízení pro výrobu čisté vody se odhadovaly na 190 milionů dolarů a na výrobu elektrické energie 4 000 dolarů na instalovaný kW. Cena vyrobené 1 kWh by pak vycházela na 0,07 dolaru. Od projektu bylo nakonec upuštěno, protože ohrožoval unikátní životní prostředí Mrtvého moře. Jiné odsolovací stanice samozřejmě pracují (např. http://eretz.cz/content/view/3316/41/ ).

V roce 2006 byl v USA podán patent na využití osmotické energie pokrývající řadu variant polopropustných membrán.

První pokusná elektrárna

Prototyp modelové elektrárny Statkraft by měl vyrábět několik kWh elektrické energie a jeho hlavním posláním je ověřit schůdnost takového projektu. Největším problémem je velikost a propustnost membrány, což by se mělo vyřešit spřažením mnoha membránových modulů. Membránové moduly reversní osmosy byly vyřešeny již v 80. letech minulého století a jsou užívány pro průmyslovou úpravu vody v energetice, v potravinářském průmyslu a v jiných oborech. Příklad konstrukčního uspořádání modulů pro reversní osmosu je na obr. 3.

V laboratořích Statkraft se podařilo dospět k toku množství energie na plochu tři watty na jeden metr čtvereční membrány. K efektivní výrobě elektrické energie je ale třeba dosáhnout alespoň pěti wattů na metr čtvereční. I když se podaří zvýšit tok energie, k čemuž zřejmě prováděné experimenty spějí, zůstává problémem velikost takového energetického zařízení, s odhadem plochy jednoho až dvou fotbalových hřišť. A protože je možné zařízení vybudovat pouze v místech ústí řek do moře, kde je k disposici jak sladká, tak slaná voda, bude překážkou již beztak hustá zástavba v těchto místech. Ideální situaci s volnou zástavbovou plochou znázorňuje obr. 4.

Současný růst účinnosti membrán vyvíjených v laboratořích GKS (Německo), SINTEFF (Norsko) a EMI (Nizozemsko) ale dokládá, že cílové hodnoty membránové účinnosti 5 W/m2 ještě nebylo dosaženo.
Schematické uspořádání elektrárny je na obr. 5.

Variantou uspořádání je tzv. SHEOPP konvertor, který pracuje pod mořskou hladinou, optimálně v hloubce 110 m. Jeho schéma je na obr. 6.

Podobné uspořádání s využitím podzemní kaverny u mořského pobřeží je na obr. 7.

Výhody a nevýhody

Pokud by se zařízení na výrobu osmotické energie postavilo, mělo by výhodu v zajištění stabilní produkce, což je ve srovnání s větrnou či sluneční energií značná přednost. Že se jedná o „čistou“ energii, nezatíženou emisemi, je samozřejmé. Z jiných environmentálních aspektů lze ještě uvést, že během osmotického procesu dochází ke zvýšení teploty o necelých 0,5 °C, což nikterak neohrozí mořské organismy.

Jinak je tomu ale u ekonomiky: získání osmotické energie je zatím velmi drahé, přibližně 36krát dražší než u stávajících konvenčních elektráren. A budování podzemních nebo podmořských zařízení je rovněž náročné.

Ať již dopadne experiment Statkraft jakkoliv, myšlenka využití koncentračního gradientu může pokračovat např. v reversní elektrodialýze, při níž na membráně vzniká přímo potenciál několika desítek milivoltů. A může být využit i princip rozdílu parciálních tlaků par u čisté a slané vody, kdy by ani nebylo nutné používat semipermeabilní membrány.

Optimistická vize Statkraft očekává úspěšnost pilotního experimentu v dohledné době a realizaci komerčního projektu přibližně v roce 2015.

Víte, že:

Osmotický tlak je jedna ze základních sil, které ovlivňují živé buňky, protože cytoplazmatická membrána je polopropustná. Již u jednobuněčných organismů fungují některé pulsující vakuoly jako pumpy přečerpávající nadbytečnou vodu zpět do okolního prostředí, u rostlin vniká do cytoplazmy přes cytoplazmatickou membránu čistá voda do buňky a osmotický tlak (potenciál) je tím větší, čím vyšší je koncentrace osmoticky aktivních látek v buňce. Protože rostlinné buňky mají pevnou buněčnou stěnu, pronikající voda ji nemůže rozpínat, čímž vzniká síla působící proti buněčné stěně, které se nazývá turgor. Turgor jednotlivých buněk vytváří oporu rostlinným buňkám a při nedostatku vody se snižuje a rostlina vadne. U živočichů se udržuje v tělních tekutinách (tzv. extracelulárních) přesná koncentrace iontů, aby jednotlivé buňky nebyly poškozovány nadměrným přísunem vody nebo naopak jejím přílišným úbytkem; proto jsou injekční preparáty aplikovány v tzv. isotonickém roztoku.