Vés al contingut

Energia blava

De Viki.cat
(S'ha redirigit des de: Energia osmòtica)

L'energia osmòtica, energia del gradient de salinitat o energia blava és l'energia que s'obtén a partir de la diferència en la concentració de sal entre l'aigua de mar i l'aigua dels rius. Hi ha dos mètodes pràctics utilitzats, que són l'electrodiàlisi inversa (RED) i l'osmosi retardada per pressió (PRO). Ambdós processos es basen en l'osmosi amb membranes. El principal producte residual és l'aigua salobre. Aquest subproducte és el resultat de les forces naturals que s'aprofiten en el flux d'aigua dolça cap al mar que està compost d'aigua salada.

Aquesta font d'energia renovable presenta un gran potencial a regions amb rius cabalosos: als Països Baixos, per exemple, més de 3300 m³ d'aigua dolça per segon desemboquen al mar com a mitjana. El potencial energètic és, per tant, de 3300 MW, suposant 1 MW/m³ d'aigua fresca per segon. Dues tecnologies complementàries, en la utilització de membranes, estan actualment en desenvolupament: l'osmosi per pressió retardada (OPR) i l'electrodiàlisi inversa (RED: Reversed electrodialysis).

Origen e història

Osmosi retardada per pressió

El 1954, Pattle[1] va suggerir que hi havia una font d'energia inexplorada quan un riu es barreja amb el mar, en termes de la pèrdua de pressió osmòtica, però no va ser fins a mitjans de la dècada de 1970 quan Loeb[2] va esbossar un mètode pràctic per aprofitar-la mitjançant membranes selectivament permeables.

El mètode de generació d'energia mitjançant osmosi retardada per pressió va ser inventat per Sidney Loeb el 1973 a la Universitat Ben-Gurion del Nègueb, Beersheba, Israel. La idea va venir a Loeb, en part, mentre observava el riu Jordà desembocant al Mar Mort. Volia aprofitar l'energia de la barreja de les dues solucions aquoses (el riu Jordà n'era una i el Mar Mort l'altra) que es malgastaria en aquest procés de barreja natural.[3] El 1977, Loeb va inventar un mètode per produir energia mitjançant un motor tèrmic d'electrodiàlisi inversa.[4]

Les tecnologies que s'han confirmat en condicions de laboratori, s'estan desenvolupant per a ús comercial als Països Baixos (RED) i Noruega (PRO). El cost de la membrana ha estat un obstacle. Una nova membrana de menor cost, basada en un plàstic de polietilè modificat elèctricament, la va fer apta per a un possible ús comercial.[5] S'han proposat altres mètodes i actualment estan en desenvolupament. Entre ells hi ha un mètode basat en la tecnologia de condensadors elèctrics de doble capa[6] i un mètode basat en la diferència de pressió de vapor.[7]

Conceptes bàsics de la energia del gradient de salinitat

Clasificació del tipus d'aigua según contenido de sal disuelta (en parts per mil)

L'energia del gradient de salinitat és una alternativa d'energia renovable específica que crea energia renovable i sostenible mitjançant processos naturals. Aquesta pràctica no contamina ni allibera emissions de diòxid de carboni (CO2 ) (els mètodes de pressió de vapor alliberaran aire dissolt que contéCO2 a baixes pressions; aquests gasos no condensables es poden redissoldre, és clar, però amb una penalització energètica). També, tal com afirmen Jones i Finley en el seu article "Recent Development in Salinity Gradient Power", bàsicament no hi ha cost de combustible.

L'energia del gradient de salinitat es basa en l'ús dels recursos de la "diferència de pressió osmòtica entre l'aigua dolça i l'aigua de mar".[8] Tota l'energia que es proposa per utilitzar la tecnologia de gradient de salinitat depèn de l'evaporació per separar l'aigua de la sal. La pressió osmòtica és el "potencial químic de les solucions concentrades i diluïdes de sal".[9] Quan s'observen les relacions entre la pressió osmòtica alta i la baixa, les solucions amb concentracions més altes de sal tenen una pressió més alta.

Existeixen diverses generacions d'energia de gradient de salinitat; una de les més comentades és l'osmosi amb retard de pressió (PRO). Dins de PRO, l'aigua de mar es bomba a una cambra de pressió on la pressió és inferior a la diferència entre la pressió de l'aigua dolça i la salada. L'aigua dolça es mou en una membrana semipermeable i augmenta el seu volum a la cambra. A mesura que es compensa la pressió a la cambra, una turbina gira per generar electricitat. A l'article de Braun afirma que aquest procés és fàcil d'entendre d'una manera més desglossada. Dues solucions, A que és aigua salada i B que és aigua dolça, estan separades per una membrana. Afirma que "només les molècules d'aigua poden travessar la membrana semipermeable. Com a resultat de la diferència de pressió osmòtica entre ambdues solucions, l'aigua de la solució B es difondrà a través de la membrana per diluir la solució A".[9] La pressió acciona les turbines i fa funcionar el generador que produeix l'energia elèctrica. L'osmosi es podria utilitzar directament per "bombar" aigua dolça dels Països Baixos al mar. Actualment això es fa amb bombes elèctriques.

Eficiència

Un estudi del 2012 sobre l'eficiència de la Universitat de Yale va concloure que el treball extraïble més alt en PRO a pressió constant amb una solució d'extracció d'aigua de mar i una solució d'alimentació d'aigua de riu és 0.75 kWh/m3 (2.7 kJ/L) mentre que l'energia lliure de mescla és 0.81 kWh/m3 (2.9 kJ/L), una eficiència d'extracció termodinàmica del 91,0%.[10]

Mètodes

Tot i que encara s'estan estudiant la mecànica i els principis de funcionament de l'energia osmòtica, aquesta font d'energia ja s'ha implementat en diferents llocs. La majoria d'aquests són experimentals, però fins ara han tingut un èxit important. Les diverses empreses que han utilitzat aquesta energia també ho han implementat de maneres diferents, ja que hi ha diversos conceptes i processos que aprofiten l'energia del gradient de salinitat.

Osmosi retardada per pressió

Esquema simple de generació d'energia PRO
Prototip d'energia osmòtica a Tofte (Hurum), Noruega

Un mètode per utilitzar l'energia del gradient de salinitat s'anomena osmosi amb retard de pressió.[11] En aquest mètode, l'aigua de mar es bomba a una cambra de pressió que està a una pressió inferior a la diferència entre les pressions de l'aigua salina i l'aigua dolça. També es bomba aigua dolça a la cambra de pressió a través d'una membrana, cosa que augmenta tant el volum com la pressió de la cambra. A mesura que es compensen les diferències de pressió, es fa girar una turbina que proporciona energia cinètica. Aquest mètode està sent estudiat específicament per la companyia elèctrica noruega Statkraft, que ha calculat que fins a 2,85 GW estarien disponibles amb aquest procés a Noruega.[12] Statkraft ha construït el primer prototip de central elèctrica PRO del món al fiord d'Oslo, que es va inaugurar el 24 de novembre de 2009. El seu objectiu era produir prou electricitat per il·luminar i escalfar una petita ciutat en cinc anys mitjançant l'osmosi. Al principi, produïa uns minúsculs 4 quilowatts, suficients per escalfar un bullidor elèctric gran, però el 2015 l'objectiu era de 25 megawatts, el mateix que un petit parc eòlic. Tanmateix, el gener de 2014, Statkraft va anunciar que no continuaria amb aquest projecte pilot.[13] Statkraft va descobrir que amb la tecnologia existent, el gradient de sal no era prou alt per ser econòmic, cosa que altres estudis han confirmat.[14] Es poden trobar gradients de sal més alts en salmorres geotèrmiques i salmorres de plantes dessalinitzadores,[15] i SaltPower, una empresa danesa, està construint ara la seva primera planta comercial amb salmorra d'alta salinitat. Potser hi ha més potencial en la integració de l'osmosi amb pressió retardada com a mode de funcionament de l'osmosi inversa, en lloc d'una tecnologia independent.[16]

Electrodiàlisi inversa

Prototip RED de REDstack a l'Afsluitdijk als Països Baixos

Un segon mètode que s'està estudiant i aplicant és l'electrodiàlisi inversa o diàlisi inversa, que és essencialment la creació d'una bateria de sal. Aquest mètode va ser descrit per Weinstein i Leitz com "una matriu de membranes d'intercanvi alternant d'anions i cations que es pot utilitzar per generar energia elèctrica a partir de l'energia lliure de l'aigua dels rius i del mar".

La tecnologia relacionada amb aquest tipus d'energia encara es troba en etapes inicials, tot i que el principi es va descobrir a la dècada del 1950. Els estàndards i una comprensió completa de totes les maneres en què es poden utilitzar els gradients de salinitat són objectius importants a assolir per tal de fer que aquesta font d'energia neta sigui més viable en el futur.

Mètode capacitiu

Un tercer mètode és el mètode capacitiu de Doriano Brogioli[6], que és relativament nou i fins ara només s'ha provat a escala de laboratori. Amb aquest mètode es pot extreure energia de la barreja d'aigua salina i aigua dolça carregant cíclicament els elèctrodes en contacte amb aigua salina, seguit d'una descàrrega en aigua dolça. Com que la quantitat d'energia elèctrica que es necessita durant el pas de càrrega és menor que la que s'obté durant el pas de descàrrega, cada cicle complet produeix energia de manera efectiva. Una explicació intuïtiva d'aquest efecte és que el gran nombre d' ions a l'aigua salina neutralitza eficaçment la càrrega de cada elèctrode formant una capa fina de càrrega oposada molt a prop de la superfície de l'elèctrode, coneguda com a doble capa elèctrica. Per tant, el voltatge sobre els elèctrodes es manté baix durant el pas de càrrega i la càrrega és relativament fàcil. Entre les etapes de càrrega i descàrrega, els elèctrodes es posen en contacte amb aigua dolça. Després d'això, hi ha menys ions disponibles per neutralitzar la càrrega de cada elèctrode, de manera que el voltatge sobre els elèctrodes augmenta. Per tant, el pas de descàrrega que segueix és capaç de subministrar una quantitat d'energia relativament elevada. Una explicació física és que en un condensador carregat elèctricament, hi ha una força elèctrica mútuament atractiva entre la càrrega elèctrica de l'elèctrode i la càrrega iònica del líquid. Per tal d'arreglar els ions de l'elèctrode carregat, la pressió osmòtica ha de fer treball. Aquest treball realitzat augmenta l' energia potencial elèctrica del condensador. Una explicació electrònica és que la capacitància és una funció de la densitat d'ions. En introduir un gradient de salinitat i permetre que alguns dels ions es difonguin fora del condensador, això redueix la capacitància i, per tant, el voltatge ha d'augmentar, ja que el voltatge és igual a la relació entre la càrrega i la capacitància.

Diferències de pressió de vapor: cicle obert i cicle de refrigeració per absorció (cicle tancat)

Cap d'aquests mètodes depèn de membranes, per la qual cosa els requisits de filtració no són tan importants com en els esquemes PRO i RED.

Cicle obert

Similar al cicle obert en la conversió d'energia tèrmica oceànica (OTEC). El desavantatge d'aquest cicle és el feixuc problema d'una turbina de gran diàmetre (75 metres o més) que funciona a una pressió inferior a la atmosfèrica per extreure l'energia entre l'aigua amb menys salinitat i l'aigua amb més salinitat.

Cicle de refrigeració per absorció (cicle tancat)

Per deshumidificar l'aire, en un sistema de refrigeració per absorció per polvorització d'aigua, el vapor d'aigua es dissol en una mescla d'aigua salada deliquescent utilitzant l'energia osmòtic com a intermediari. La font d'energia primària s'origina a partir d'una diferència tèrmica, com a part d'un cicle de motor tèrmic termodinàmic.

Estany solar

A la mina de potassa Eddy, a Nou Mèxic, s'utilitza una tecnologia anomenada " estany solar de gradient de salinitat" (SGSP) per proporcionar l'energia que necessita la mina. Aquest mètode no aprofita l'energia osmòtica, només l'energia solar (vegeu: estany solar ). La llum solar que arriba al fons de l'estany d'aigua salada s'absorbeix en forma de calor. L'efecte de la convecció natural, en què la "calor puja", es bloqueja utilitzant diferències de densitat entre les tres capes que formen l'estany, per tal d'atrapar la calor. La zona de convecció superior és la zona més superior, seguida de la zona de gradient estable i després la zona tèrmica inferior. La zona de gradient estable és la més important. L'aigua salada d'aquesta capa no pot pujar a la zona més alta perquè l'aigua salada superior té menys salinitat i, per tant, és menys densa i més flotant; i no pot enfonsar-se al nivell inferior perquè aquesta aigua salada és més densa. Aquesta zona mitjana, la zona de gradient estable, esdevé efectivament un "aïllant" per a la capa inferior (tot i que el propòsit principal és bloquejar la convecció natural, ja que l'aigua és un mal aïllant). Aquesta aigua de la capa inferior, la zona d'emmagatzematge, es bomba i la calor s'utilitza per produir energia, generalment mitjançant una turbina en un cicle Rankine orgànic.[17]

En teoria, un estany solar es podria utilitzar per generar energia osmòtica si l'evaporació de la calor solar s'utilitza per crear un gradient de salinitat, i l'energia potencial d'aquest gradient de salinitat s'aprofita directament mitjançant un dels tres primers mètodes anteriors, com ara el mètode capacitiu.

Nanotubs de nitrur de bor

Un equip de recerca va construir un sistema experimental utilitzant nitrur de bor que produïa molta més energia que el prototip de Statkraft. Utilitzava una membrana impermeable i aïllant elèctricament que estava perforada per un únic nanotub de nitrur de bor amb un diàmetre extern d'unes poques dotzenes de nanòmetres. Amb aquesta membrana que separa un dipòsit d'aigua salada i un dipòsit d'aigua dolça, l'equip va mesurar el corrent elèctric que passava a través de la membrana utilitzant dos elèctrodes immersos en el fluid a banda i banda del nanotub.

Els resultats van mostrar que el dispositiu era capaç de generar un corrent elèctric de l'ordre d'un nanoampere. Els investigadors afirmen que això és 1.000 vegades el rendiment d'altres tècniques conegudes per a la recol·lecció d'energia osmòtica i fa que els nanotubs de nitrur de bor siguin una solució extremadament eficient per a la recol·lecció d'energia dels gradients de salinitat per a l'energia elèctrica utilitzable.

L'equip va afirmar que un Plantilla:Convert/m2Plantilla:Convert/test/A la membrana podria generar al voltant de 4 kW i ser capaç de generar fins a 30 MWh a l'any.[18]

A la reunió de tardor de 2019 de la Materials Research Society, un equip de la Universitat Rutgers va informar de la creació d'una membrana que contenia al voltant de 10 milions de BNNT per centímetre cúbic.[19][20]

Ús d'energia residual baixa en calories mitjançant la regeneració d'un bicarbonat d'amoni d'alta solució en una solució amb baixa salinitat.

A la Universitat Estatal de Pennsilvània, el Dr. Logan intenta utilitzar la calor residual amb baixa caloria aprofitant el fet que el bicarbonat d'amoni es descompon enNH3 iCO2 en aigua tèbia per formar bicarbonat d'amoni de nou en aigua freda. Així doncs, en un sistema tancat productor d'energia RED es mantenen els dos gradients diferents de salinitat.[21]

Possible impacte ambiental negatiu

Els ambients marins i fluvials presenten diferències òbvies en la qualitat de l'aigua, és a dir, en la salinitat. Cada espècie de planta i animal aquàtic està adaptada per sobreviure en ambients marins, salobres o d'aigua dolça. Hi ha espècies que poden tolerar ambdues coses, però aquestes espècies solen prosperar millor en un entorn aquàtic específic. El principal producte residual de la tecnologia de gradient de salinitat és l'aigua salobre. L'abocament d'aigua salobre a les aigües circumdants, si es fa en grans quantitats i amb certa regularitat, provocarà fluctuacions de salinitat. Si bé és habitual una certa variació en la salinitat, sobretot on l'aigua dolça (rius) desemboca a un oceà o mar de totes maneres, aquestes variacions esdevenen menys importants per a ambdues masses d'aigua amb l'addició d'aigües residuals salobres. Els canvis extrems de salinitat en un ambient aquàtic poden provocar baixes densitats tant d'animals com de plantes a causa de la intolerància a les baixades o pics sobtats de salinitat.[22] Segons les opinions ecologistes predominants, els operadors dels futurs grans establiments d'energia blava haurien de considerar la possibilitat d'aquests efectes negatius.

L'impacte de l'aigua salobre en els ecosistemes es pot minimitzar bombant-la al mar i alliberant-la a la capa mitjana, lluny de la superfície i dels ecosistemes del fons.

L'impacte i l'arrossegament a les estructures d'admissió són una preocupació a causa dels grans volums d'aigua de riu i de mar utilitzats tant en els esquemes PRO com RED. Els permisos de construcció de les preses d'aigua han de complir unes estrictes normatives ambientals, i les plantes dessalinitzadores i les centrals elèctriques que utilitzen aigua superficial de vegades estan involucrades amb diverses agències locals, estatals i federals per obtenir un permís que pot trigar fins a 18 mesos.

La base de dades Tethys proporciona accés a literatura científica i informació general sobre els possibles efectes ambientals de l'energia del gradient de salinitat.[23]

Referències

  1. ↑ R.E. Pattle Nature, 174, 4431, 02-10-1954, p. 660. Bibcode: 1954Natur.174..660P. DOI: 10.1038/174660a0.
  2. ↑ S. Loeb Science, 189, 4203, 22-08-1975, p. 654–655. Bibcode: 1975Sci...189..654L. DOI: 10.1126/science.189.4203.654. PMID: 17838753.
  3. ↑ ^ Weintraub, Bob. "Sidney Loeb," Bulletin of the Israel Chemical Society, Dec. 2001, issue 8, page 8-9. https://drive.google.com/file/d/1hpgY6dd0Qtb4M6xnNXhutP4pMxidq_jqG962VzWt_W7-hssGnSxSzjTY8RvW/edit
  4. ↑ United States Patent US4171409
  5. ↑ History of osmotic power (PDF) at archive.org
  6. ↑ 6,0 6,1 Brogioli, Doriano Physical Review Letters, 103, 5, 29-07-2009. Bibcode: 2009PhRvL.103e8501B. DOI: 10.1103/physrevlett.103.058501. ISSN: 0031-9007. PMID: 19792539.
  7. ↑ Olsson, M.; Wick, G. L.; Isaacs, J. D. Science, 206, 4417, 26-10-1979, p. 452–454. Bibcode: 1979Sci...206..452O. DOI: 10.1126/science.206.4417.452. ISSN: 0036-8075. PMID: 17809370.
  8. ↑ Jones, A.T.. «Recent development in salinity gradient power». A: Oceans 2003. Celebrating the Past ... Teaming Toward the Future (IEEE Cat. No.03CH37492). 4. IEEE, 2003, p. 2284–2287. DOI 10.1109/oceans.2003.178265. ISBN 0-933957-30-0. 
  9. ↑ 9,0 9,1 Brauns, E. (en anglès) Desalination, 219, 1–3, 1-2008, p. 312–323. Bibcode: 2008Desal.219..312B. DOI: 10.1016/j.desal.2007.04.056.
  10. ↑ Yin Yip, Ngai; Elimelech, Menachem Environmental Science & Technology, 46, 9, 2012, p. 5230–5239. Bibcode: 2012EnST...46.5230Y. DOI: 10.1021/es300060m. PMID: 22463483.
  11. ↑ Post, Jan W.; Veerman, Joost; Hamelers, Hubertus V.M.; Euverink, Gerrit J.W.; Metz, Sybrand J. (en anglès) Journal of Membrane Science, 288, 1–2, 2007, p. 218–230. DOI: 10.1016/j.memsci.2006.11.018.
  12. ↑ Recent Developments in Salinity Gradient Power Arxivat 2011-09-01 a Wayback Machine.
  13. ↑ «Is PRO economically feasible? Not according to Statkraft | ForwardOsmosisTech», 22-01-2014. Arxivat de l'original el 2017-01-18. [Consulta: 18 gener 2017].
  14. ↑ Straub, Anthony P.; Deshmukh, Akshay; Elimelech, Menachem Energy & Environmental Science, 9, 1, 2016, p. 31–48. Bibcode: 2016EnEnS...9...31S. DOI: 10.1039/c5ee02985f. ISSN: 1754-5692.
  15. ↑ Chung, Hyung Won; Swaminathan, Jaichander; Banchik, Leonardo D.; Lienhard, John H. Desalination, 448, 2018, p. 13–20. Bibcode: 2018Desal.448...13C. DOI: 10.1016/j.desal.2018.09.007. ISSN: 0011-9164.
  16. ↑ Rao, Akshay K.; Li, Owen R; Wrede, Luke; Coan, Stephen M.; Elias, George Desalination, 511, 2021. Bibcode: 2021Desal.51115088R. DOI: 10.1016/j.desal.2021.115088. ISSN: 0011-9164.
  17. ↑ Salinity Gradient Solar Pond Technology Applied to Potash Solution Mining
  18. ↑ «Nanotubes boost potential of salinity power as a renewable energy source». Gizmag.com, 13-03-2013. Arxivat de l'original el 2013-10-28. [Consulta: 15 març 2013].
  19. ↑ Service, Robert F. «Rivers could generate thousands of nuclear power plants worth of energy, thanks to a new 'blue' membrane» (en English). Science | AAAS, 04-12-2019. Arxivat de l'original el 2019-12-06. [Consulta: 6 desembre 2019].
  20. ↑ «Symposium Sessions | 2019 MRS Fall Meeting | Boston». www.mrs.org. Arxivat de l'original el 2019-11-29. [Consulta: 6 desembre 2019].
  21. ↑ «Energy from Water». Arxivat de l'original el 2017-02-02. [Consulta: 28 gener 2017].
  22. ↑ Montague, Clay L.; Ley, Janet A. Estuaries, 16, 4, 12-1993, p. 703. DOI: 10.2307/1352429. JSTOR: 1352429.
  23. ↑ «Tethys». Tethys. PNNL.

Bibliografia

Enllaços externs

Obtingut de «https://www.viki.cat/w/index.php?title=Energia_blava&oldid=417146»