Ωσμωτική ενέργεια

Η ανάμειξη γλυκού και θαλασσινού νερού απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες ενέργειας, όπως συμβαίνει όταν ένα ποτάμι εκβάλει στον ωκεανό. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται ωσμωτική ενέργεια (ή γαλάζια ενέργεια) και ανακτάται όταν το νερό του ποταμού και το θαλασσινό νερό είναι διαχωρισμένα από μια ημι-διαπερατή μεμβράνη και το γλυκό νερό περνάει μέσω αυτής. Η ενέργεια είναι αποτέλεσμα της αλλαγής της εντροπίας από την διαφορά αλατότητας μεταξύ του νερού του ποταμού με το θαλασσινό νερό. Η πρόκληση είναι η αξιοποίηση αυτής της ενέργειας, καθώς από την ανάμειξη που πραγματοποιείται αυξάνεται ελάχιστα τοπικά η θερμοκρασία του νερού. Σε ένα σύστημα που περιέχει νερό του ποταμού και θαλασσινό νερό η μέγιστη πίεση που μπορεί θεωρητικά να δημιουργηθεί είναι της τάξης των 26 bar. Προϋπόθεση για την επίτευξη της πίεσης είναι η διατήρηση σε σταθερή τιμή της έντασης της πίεσης του θαλασσινού νερού. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από την ανάμειξη του γλυκού νερού με το θαλασσινό νερό μπορεί να γίνει αντιληπτή με την κατανόηση του φαινομένου της ώσμωσης, από όπου προκύπτει και το όνομα «ωσμωτική ενέργεια». Οι μέθοδοι για την μετατροπή αυτής της ενέργειας σε ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας ημι-διαπερατές μεμβράνες είναι: η Αντίστροφη Ηλεκτροδιάλυση (Reverse Electrodialysis, RED) και η Παρατεταμένης-πίεσης Ώσμωση (Pressure Retarded Osmosis, PRO).

 Η αντίστροφη ηλεκτροδιάλυση (Reverse Electrodialysis, RED), επικεντρώνεται στην θεωρία της ηλεκτροδιάλυσης, όπου ιόντα αλατιού μεταφέρονται από το ένα διάλυμα, μέσω μεμβρανών ανταλλαγής ιόντων, προς το άλλο διάλυμα κάτω από την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Οι μεμβράνες ανταλλαγής ιόντων είναι δύο τύπων: η μεμβράνη ανταλλαγής κατιόντων (Cation Exchange Membrane, CEM) και η μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (Anion Exchange Membrane, AEM). Το θαλασσινό και το γλυκό νερό εισρέουν σε μια στοίβα εναλλασσόμενων καθόδων και ανόδων μεμβρανών ανταλλαγής ιόντων. Κατά τη διάρκεια της ροής, τα ιόντα Na+ διαπερνούν μέσω των μεμβρανών ανταλλαγής κατιόντων προς την κατεύθυνση της καθόδου και τα ιόντα Cl- διαπερνούν μέσω των μεμβρανών ανταλλαγής ανιόντων προς την κατεύθυνση της ανόδου. Το διάλυμα στη πλευρά της ανόδου είναι αρνητικά φορτισμένο, λόγω της μεταφοράς των αρνητικών ιόντων Cl- προς την άνοδο. Η ηλεκτρική ουδετερότητα του διαλύματος στη πλευρά της καθόδου διατηρείται μέσω αναγωγής στην επιφάνεια της καθόδου, και στη πλευρά της ανόδου μέσω οξείδωσης στην επιφάνεια της ανόδου. Ως αποτέλεσμα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μεταφερθεί από την άνοδο προς την κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Αυτό το ηλεκτρικό ρεύμα και η διαφορά δυναμικού πάνω από τα ηλεκτρόδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η κινητήρια δύναμη για τη μετακίνηση των ιόντων είναι η διαφορά στην ελεύθερη ενέργεια μεταξύ της συμπυκνωμένης και της αραιωμένης πλευράς του διαλύματος. Η διαφορά δυναμικού επί των ηλεκτροδίων είναι ίση με τη διαφορά δυναμικού του γινομένου της διαφοράς δυναμικού στη μεμβράνη και τον αριθμό των μεμβρανών. Για την αξιοποίηση αυτής της ενέργειας, έχει ασχοληθεί μέχρι στιγμής η εταιρεία REDstack στην Ολλανδία, έχοντας θέσει σε λειτουργία μονάδα 50 kW με το επόμενο βήμα να είναι η κατασκευή μονάδας RED ισχύος 1 MW. Η μέθοδος της Παρατεταμένης-πίεσης Ώσμωση (Pressure Retarded Osmosis, PRO), εξάγει ενέργεια όταν δυο διαλύματα με διαφορετικές τιμές αλατότητας (συνήθως το νερό του ποταμού με το θαλασσινό νερό) διαχωρίζονται από μια ημι-διαπερατή μεμβράνη, η οποία αποτελείται από πορώδες στρώμα με μικρές οπές. Η μεμβράνη επιτρέπει μικρά μόρια, όπως τα μόρια του νερού, να διαπεράσουν μέσω αυτής. Τα μόρια άλατος, άμμου, λάσπης και άλλες προσμείξεις, δεν μπορούν να διαπεράσουν στην αντίθετη πλευρά της μεμβράνης. Το νερό επιδιώκει να μειώσει την συγκέντρωση άλατος στην πλευρά της μεμβράνης που περιέχει το περισσότερο αλάτι. Το νερό για αυτό τον λόγο ρέει δια μέσω της μεμβράνης και αυξάνει την πίεση στην πλευρά του θαλασσινού νερού. Η πίεση αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας με την κίνηση υδροστρόβιλου παράγοντας ηλεκτρισμό. Το γλυκό νερό εισέρχεται στη μονάδα και φιλτράρεται πριν καταλήξει στη μεμβράνη. Το 80-90% του γλυκού νερού μεταφέρεται δια μέσω της μεμβράνης, εξαιτίας του φαινομένου της ώσμωσης, στην πλευρά της μεμβράνης που περιέχει θαλασσινό νερό σε υψηλότερη πίεση. Το φαινόμενο της ώσμωσης αυξάνει την ογκομετρική ροή του νερού με υψηλή πίεση με αποτέλεσμα την παραγωγή ενέργειας με την περιστροφή τουρμπίνας. Το θαλασσινό νερό αντλείται από τη θάλασσα και φιλτράρεται πριν τροφοδοτηθεί στη πλευρά της μεμβράνης όπου καταλήγει και το γλυκό νερό από το φαινόμενο της ώσμωσης. Για την επίτευξη μεγάλης ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας η πίεση λειτουργίας θα πρέπει να είναι από 11 έως 15 bars. Εκτιμάται ότι αυτό το είδος ανανεώσιμης ενέργειας έχει τη δυνατότητα από την ανάμειξη του γλυκού με του θαλασσινού νερού στις εκβολές να παράγει 1650 ΤWh το χρόνο παγκοσμίως, δηλαδή το 13% της τωρινής παγκόσμιας καταναλωμένης ενέργειας. Η παραγωγή ενέργειας από PRO έχει υψηλή απόδοση και έχει παραγωγική ικανότητα λειτουργίας περισσότερη από 7.000 ώρες το χρόνο. Παρά τις δυνατότητες αυτές, η ανάπτυξη ωσμωτικής μονάδας έχει εμποδιστεί από την έλλειψη μεμβράνης με υψηλή απόδοση για την διαδικασία PRO και σε χαμηλή τιμή. Η χρησιμοποίηση εμπορικά διαθέσιμων μεμβρανών που χρησιμοποιούνται για εφαρμογές αφαλάτωσης είναι μη αποδοτικές, παράγοντας λίγη ενέργεια. Για να θεωρηθεί ανταγωνιστική με οικονομικά κριτήρια η ωσμωτική μονάδα έναντι των άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας πρέπει η πυκνότητα ενέργειας της μεμβράνης να είναι τουλάχιστον 5 W/m². Προς το παρόν, καμία μεμβράνη δεν έχει ξεπεράσει τα 3,5 W/m² πυκνότητα ενέργειας με χρήση γλυκού και θαλασσινού νερού. Η μορφή αυτή ανανεώσιμης ενέργειας δεν χρησιμοποιείται ακόμη για εμπορική χρήση, αλλά οι εξελίξεις τα τελευταία χρόνια οδήγησαν σε νέες μελέτες παραγωγής ενέργειας με τη μέθοδο PRO σε εργαστηριακή κλίμακα και στην κατασκευή της πρώτης πιλοτικής μονάδας το 2009 από την κρατική εταιρεία Statkraft, ισχύος 4 kW. Και στις δύο περιπτώσεις της ωσμωτικής ενέργειας, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης είναι: Ώσμωση