Fyzika a klasická energetika

Článků v rubrice: 217

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.

Fotogalerie (8)
Difuze polopropustnou membránou

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.

RNDr. Milan Fara, CSc.
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Už zase našli Atlantidu!

Před 2 400 lety popsal filozof Plato mocný stát disponující nevídanou technologií, neslýchaným množstvím vozů, slonů a býků a nepředstavitelným bohatstvím. Nazval ji Atlantida a nechal ji v přírodní katastrofě zmizet v moři.

Naše první slova

Původ řeči je jednou z největších záhad lidstva. „Na začátku bylo slovo...“ praví Bible. Ale jaké? Minimálně od biblických časů jsme se snažili rozluštit původ lidské řeči. Je to konec konců jedna z charakteristik, která nás odlišuje od jiných živočichů.

Černá smrt gumy a jak jí čelit

Guma je jedním z neopěvovaných velkých hrdinů průmyslové revoluce. Kromě jejích obvyklých aplikací, jako jsou pneumatiky, kondomy, elastické spodní prádlo, apod., představuje základní složku asi ve 40 000 výrobcích, včetně absorbérů nárazu, hadic, lékařských nástrojů, těsnění, atd.

Z historie i současnosti vynálezů a jejich ochrany

Vynálezy a objevy často přicházejí na svět klikatými cestičkami. Jednou to vypadá, jako by se na ně čekalo tak netrpělivě, že se zrodí hned v několika hlavách v různých koutech světa, jindy je náhodou nebo omylem objeveno něco, s čím si nikdo neví rady.

Jak vyčíslit ekonomické přínosy jádra? A co na to evropský jaderný průmysl?

Společnost Deloitte vypracovala pro Euratom studii o přínosech jaderné energetiky v roce 2019 a 2050. V současné době je v provozu ve 14 zemích EU 126 komerčních reaktorů o výkonu 118 GWe. Do roku 2050 by měl jejich výkon stoupnout na 150 GWe, budou se ale muset snížit investiční náklady.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail