Ресурсы и способы преобразования энергии градиентов солености

Вестник ДВО РАН. 2010. № 3

УДК 620.93: 66.081.6-278: 66.087.97

В.В.КНЯЖЕВ

Ресурсы и способы преобразования энергии градиентов солености

Рассматривается новый источник энергии — градиенты солености. При равновесном смешении растворов разной концентрации она может быть преобразована в полезные формы. Оценены энергетические ресурсы градиентов солености на примере рек Приморского края. Рассмотрены некоторые способы ее преобразования.

Ключевые слова: осмос, раствор, градиенты солености, электродиализ, энергия.

Resources and methods of conversion of salinity gradients energy. V.V.KNYAZHEV (Institute of Marine Technology Problems, FEB RAS, Vladivostok).

A new source of energy — salinity gradients — is considered in the paper. At equilibrium mixing of solutions this energy can be converted into useful forms of energy. Based on the material of Primorsky Kray rivers, estimation of energy resources of salinity gradients is made, and several methods of salinity gradients energy transformation are considered.

Key words: osmosis, solution, salinity gradients, electrodialysis, energy.

Перепады концентраций солености природных вод и растворов могут использоваться как источники энергии градиентов солености (ЭГС). В качестве естественных мест ее получения рассматриваются устья впадающих в море рек; сильно соленые водоемы в засушливых зонах Земли (соленые озера с впадающими реками, лагуны, лиманы на побережьях морей); подземные месторождения соли и рассолов, соляные купола на побережье и под морским дном. Также ЭГС может быть выделена искусственно: при разности концентраций растворов с помощью испарительных водоемов, солнечных стратифицированных прудов, вымораживания; в сбросных растворах химических производств, опреснительных установок; при аккумулировании энергии от других источников, в частности АЭС, путем получения растворов разной концентрации.

Растворы разной концентрации имеют разные химические потенциалы, при равновесном их смешении может быть получена полезная энергия. Протекающие при этом процессы обратны тем, что происходят при опреснении и обессоливании растворов, поэтому большинство способов преобразования ЭГС обратны способам опреснения. Обмен молекулами растворителя или растворенного вещества между растворами может происходить через разделяющие их мембраны, поверхности разного фазового состояния или поверхности промежуточных тел.

Проиллюстрировать получение ЭГС можно на примере осмотического переноса воды через полупроницаемую мембрану (пропускающую только молекулы воды и не пропускающую растворенные вещества) между отсеками с разбавленным и более концентрированным растворами. Этот процесс идет до тех пор, пока перепад давлений между отсеками не сравняется с разностями осмотических давлений. При солености морской воды 35%о и температуре 10°C разность давлений эквивалентна давлению при перепаде уровней 245 м.

КНЯЖЕВ Валерий Викторович - научный сотрудник (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток). E-mail: kvv@marine.febras.ru

Градиенты солености имеют преимущество перед многими другими нетрадиционными источниками энергии по величине энергетического потенциала и плотности энергии. В отличие от большинства других источников ЭГС стабильна, так как ресурсы растворов меняются слабо, и может легко регулироваться и аккумулироваться.

По сравнению с другими источниками энергии преобразование и использование ЭГС оказывает минимальное воздействие на окружающую среду. При эксплуатации источников градиентов солености сброс дополнительных загрязняющих веществ в окружающую среду не производится, поступающие со станций растворы для большинства источников ЭГС являются естественными, природными, как при смешении речной и морской воды. При использовании концентрированных рассолов разбавленные растворы могут возвращаться в сильносоленый водоем для повышения концентрации при испарении или закачиваться под землю для растворения твердых залежей соли.

При всех преимуществах этого способа источники ЭГС и возможность получения от них энергии наименее исследованы, так как для преобразования этой энергии необходимо развитие высоких технологий.

Ресурсы энергии градиентов солености

Нами сделана оценка ресурсов ЭГС некоторых рек Приморского края на основе полученного нами выражения для расчетов мощности, доступной в устьях впадающих в моря рек:

W = 0,2757 ТБр ф>и,

где и - расход пресной воды, м3/с; Т - температура воды, К; £ - соленость морской воды, %о; Ф - осмотический коэффициент; р1 - плотность пресной воды, кг/ м3 (табл. 1) [6].

Таблица 1

Энергетический потенциал ЭГС в устьях рек Приморского края

Река Длина реки, км Площадь водосбора, км2 Норма стока, м3/с Годовой объем стока, мЧ06 Средняя мощность, МВт Выработка энергии за год, кВт-ч-106

Самарга 218 7760 103 3249 229,3 2009,3

Единка 108 2120 35,9 1132 79,9 700,1

Кабанья 87 1060 21 662 46,8 409,4

Пея 19 428 7,28 230 16,2 142,2

Светлая 61 791 13,2 424 29,3 262,2

Кузнецова 55 410 4,55 144 10,1 89,1

Максимовка 105 2240 40,3 1272 31,7 786,7

Кема 119 2720 45,2 1426 39,9 881,9

Таежная 71 685 7,28 230 16,2 142,2

Серебрянка 65 2300 33,4 1053 74,4 651,2

Джигитовка 71 2210 30,7 968 68,4 598,7

Рудная 73 1140 14,5 457 32,3 282,6

Зеркальная 109 1870 20,2 637 45,0 393,9

Аввакумовка 97 3170 30,1 949 67,0 586,9

Маргаритовка 73 948 11,2 353 24,9 218,3

Милоградовка 73 969 11,8 372 26,3 230,1

Киевка 130 3120 35,7 1126 79,5 696,4

Партизанская 142 4140 38,6 1217 85,9 752,6

Суходол 49 617 5,68 179 12,6 110,7

Шкотовка 59 714 6,88 217 15,3 134,2

Раздольная 414 16800 80,9 2552 180,1 1578,3

Барабаш 68 576 8,95 282 19,9 174,4

Энергсшчесинй погаыцмдп W МВт

irt3

1

10’ I II III IV V VI Vil VIH IX X XI XII

Месяц

Рис. 1. Энергетический потенциал градиентов солености в устьях рек: а) Самарга

Гидрологические характеристики (норма стока - среднегодовой расход воды, годовой объем стока - средние за многолетний период наблюдений) устьев рек Приморского края представлены Владивостокским бюро расчетов и справок ДВНИГМИ по состоянию на 1982 г. Изменения расхода рек в течение года взяты из [2, 3]. Регулярные наблюдения за соленостью воды в устьевой области рек и предустьевом пространстве моря в Приморском крае производились только в бухте Рудная (1940-1959 гг.), среднегодовая соленость здесь была 30,6%о, абсолютный максимум 35,5%о (август 1942 г.), абсолютный минимум 2,6%о (июнь 1941 г.). Для оценки диапазона изменения мы измеряли соленость морской воды (СМВ) при поступлении воды в экспериментальную электродиализную энергетическую установку [5] на МЭС о-в Попова в 1989-1991 гг. Вода подавалась из бухты Алексеева с глубины 2,3 м, водозабор находился недалеко от устья ручья. СМВ менялась от 28,94 до 33,55%, среднее значение солености 32,09%. В расчетах СМВ принята равной минимальной солености поверхностных вод Японского моря - 32,5% [8], изменение температуры морской воды в течение года - по данным [1, 7].

Изменения потенциала ЭГС для рек Самарга, Максимовка, Зеркальная, Маргаритовка на восточном побережье Приморья (данные по расходу 1971 и 1977 гг.) приведены на рис. 1, изменение энергетического потенциала ЭГС в разные по водности годы на примере устья р. Максимовка - на рис. 2.

Энергетический потенциал ХМ, МВт

10000

Месяц

Рис. 2. Изменение энергетического потенциала ЭГС в устье р. Максимовка в разные по водности годы: 1 - 1971 г.; 2 - 1967 г.

Анализ графиков показывает, что из-за неравномерного стока рек Приморья в течение года - с паводком летом и маловодьем зимой - мощность меняется на два порядка. Средняя мощность источника ЭГС характеризует теоретическую мощность энергетической станции в расчете на среднегодовой расход воды в устье реки, как если бы сток реки был зарегулирован плотиной с водохранилищем. В реальных условиях нецелесообразно строительство больших плотин и водохранилищ в устьях рек по экологическим и экономическим соображениям. Но даже при работе на минимальном гарантированном расходе воды мощность таких источников вполне достаточна для энергоснабжения удаленных населенных пунктов, в которых энергетические установки ЭГС будут пригодны по экономическим соображениям на начальном этапе внедрения.

Способы преобразования энергии градиентов солености

Предложены мембранные способы преобразования энергии с полупроницаемыми осмотическими и ионоселективными мембранами (обратный электродиализ), а также те, при которых перенос молекул воды происходит через поверхности, разделяющие разные фазовые состояния растворов, и другие способы.

Осмотические способы преобразования энергии. Разработками осмотических энергетических установок, испытанием мембран и небольших экспериментальных энергетических блоков занимались в США, Израиле, Италии, Японии. В ноябре 2009 г. в Норвегии государственная энергетическая компания 81а1кгай представила первую в мире осмотическую электростанцию, которая вырабатывает энергию за счет смешивания морской и пресной воды.

С.Лоеб (Израиль), Т.Хонда (Япония) и М.Реали (Италия) написали совместную работу с анализом механической эффективности трех типов осмотических установок:

1) наземной с постоянным потоком раствора на основе осмоса с противодавлением, в которой осмотический перенос воды через мембрану происходит против разности гидравлических давлений растворов при подаче под давлением более концентрированного раствора (предложен С.Лоебом в 1976 г.);

2) подземной с постоянным потоком раствора на основе осмоса с противодавлением (подводный преобразователь М.Реали);

ниже уровня морн

Рис. 3. Усовершенствованная подземная гидроосмотическая установка

3) наземной с изменяющимся потоком раствора на основе осмоса с противодавлением [9].

Наибольший интерес представляет вторая установка. Она размещается ниже уровня моря под землей на берегу или на морском дне на глубине около 90 м. Благодаря перепаду давления водяного столба пресной воды на гидротурбине насос для подачи морской воды под давлением не требуется. Необходимы только насосы для циркуляции пресной и морской воды через мембранный блок и откачки промывной пресной воды.

Конструкция этой установки была мною упрощена: из нее можно исключить насосы для пресной и морской воды (рис. 3) [4]. КПД данной установки будет 59% - такой же, как в [9]. То есть после упрощения конструкции эффективность установки по крайней мере не уменьшилась.

Обратный электродиализ. Установки обратного электродиализа позволяют осуществлять прямое преобразование ЭГС в электрическую энергию. Исследования по разработке и испытанию установок обратного электродиализа проводились в США, Швеции, Израиле.

Основным элементом электродиализной энергетической установки (ЭЭУ) является электродиализная батарея, которая представляет собой помещенную между электродами стопу из чередующихся анионо- и катионообменных мембран, разделенных рамками с вложенными в них турбулизаторами (рис. 4). Растворы с разной концентрацией подаются

Рис. 4. Экспериментальная электродиализная батарея. 1 - рамки; 2 - турбулизаторы; 3 - внешняя нагрузка; 4, 5 - верхняя и нижняя прижимные плиты, соответственно; 6 - цифровые вольтметр и амперметр; 7 - самопишущие вольтметр и амперметр; а и к - анионо- и катионообменные мембраны, э - электроды

Рис. 5. Экспериментальная электродиализная установка. 1 - трубопровод подачи морской воды; 2 - трубопровод подачи пресной воды; 3 - фильтр; 4 - электроконтакт-ный манометр; 5 - ротаметры; 6 - вентили; 7 - отводы для отбора проб растворов; 8 - электродиализная батарея; 9 - трубопровод слива

в камеры, образованные парами мембран и рабочими рамками, таким образом, что камеры с растворами высокой и низкой концентрации чередуются. Направленное движение ионов из камер с высокой концентрацией в камеры с низкой концентрацией приводит к накоплению электрического потенциала на электродах.

В лаборатории нетрадиционной энергетики ИПМТ ДВО РАН проведены исследования преобразования энергии градиентов солености способом обратного электродиализа. Этот способ имеет ряд преимуществ и наиболее подходит для преобразования энергии в устьях впадающих в моря рек [5]. На основе электро-диализного аппарата «Родник-3М» разработана и создана экспериментальная ЭЭУ (рис. 5, 6).

Электродиализная батарея собрана из 22 гетерогенных анионообменных мембран МА-40 и 21 гетерогенной катионообменной мембраны МК-40 (рис. 5). Площадь одной мембраны 0,165м2, они разделяются полипропиленовыми рабочими и поворотными рамками, внутрь рамок вложен турбулизатор из гофрированного просечного винипласта.

Камеры, образованные парой мембран и рамкой, соединяются между собой по потокам растворов последовательно или параллельно в зависимости от использования поворотной или рабочей рамки, соответственно. В рамках и мембранах выполнены пазы для прохода растворов.

Характеристики электродиализной батареи оценены по следующей модели процесса. Предположим, батарея питается растворами №С1, можно пренебречь потоками воды через мембраны, концентрационная поляризация вдоль поверхности мембран незначительна, концентрация растворов в пределах одного отсека не меняется.

С учетом сделанных допущений ЭДС батареи из N мембранных пар

Рис. 6. Экспериментальная электродиализная батарея

где Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура растворов; Е -число Фарадея; а - средняя проницаемость мембранной пары; а. - активность раствора в 1-й камере. Внутреннее сопротивление батареи равно

где £ - площадь одной мембраны; г и г - поверхностное сопротивление анионо- и катионообменных мембран, соответственно; к. - расстояние между мембранами; Л. - молярная электропроводность растворов; М. - молярность растворов; і - номер камеры.

Полезная мощность, выделяющаяся на сопротивлении нагрузки Я :

Чтобы получить от электродиализной установки максимальную мощность, необходимо оптимизировать величины концентраций растворов и сопротивления нагрузки, число ступеней батареи. Дифференцируя выражение (4) по сопротивлению нагрузки, получим, что выделяющаяся на нем мощность максимальна при Ян = Яб. При увеличении концентрации раствора с более высоким содержанием солей раствора мощность батареи монотонно растет. При увеличении концентрации разбавленного раствора уменьшаются ЭДС батареи и ее сопротивление. Оптимальное значение концентрации разбавленного раствора должно соответствовать максимальной полезной мощности.

Оценим характеристики батареи при условии, когда количество растворов не ограничено, т.е. концентрации растворов во всех отсеках с «морской» и «пресной» водой мало отличаются от их исходной концентрации: в этом случае преобразуется незначительная часть энергии растворов. Отсеки батареи соединены параллельно потокам морской и пресной воды. Потери энергии на подачу растворов не учитываются.

В поток пресной воды добавляется раствор для понижения электрического сопротивления. Формулы (2)-(4) для этого случая существенно упрощаются. Полученная из уравнения (4) трехмерная диаграмма зависимости мощности, выделяющейся на нагрузке, от концентрации разбавленного раствора и величины сопротивления нагрузки и кривая зависимости мощности батареи от концентрации разбавленного раствора при условии Ян=Яб приведена на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость мощности, выделяющейся на сопротивлении нагрузки, от концентрации разбавленного раствора и величины сопротивления нагрузки. Кривая зависимости мощности от концентрации разбавленного раствора при условии Я = Яб

Полученная мощность экспериментальной ЭЭУ относительно невелика, но удельная мощность установки достигает 1 кВт/м3 рабочего объема батареи.

В экспериментах напряжение батареи достигало 4,2 В, мощность 157 мВт на сопротивлении нагрузки 10-15 Ом при солености морской и пресной воды 33 и 0,14%, соответственно. Полученная величина ЭДС батареи близка к расчетной, однако мощность батареи была ниже расчетной из-за ее высокого внутреннего сопротивления вследствие повышенного поверхностного сопротивления мембран и концентрационной поляризации.

Уменьшение толщины перспективных мембран и межмембранных промежутков приведет к уменьшению сопротивления мембран и растворов и меньшей концентрационной поляризации.

Выводы

Ресурсы источников энергии градиентов солености в Приморье в устьях впадающих в Японское море рек высоки, достаточны для снабжения энергией удаленных потребителей. На основании теоретических расчетов предложена оптимизация способов обратного электродиализа и осмотических способов для преобразования энергии градиентов солености. Испытания экспериментальной энергетической установки подтвердили возможность использования способа обратного электродиализа для преобразования ЭГС. Исследование и разработка новых способов преобразования ЭГС при условии создания специальных мембран для преобразования ЭГС позволят добиться конкурентоспособности этих источников по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Атлас океанов. Тихий океан. Л.: ГУНО МО СССР, 1974. 302 с.

2. Гидрологический ежегодник. 1971. Т. 9. Бассейн Тихого океана. Вып. 6. Бассейн р. Уссури и б. Японского моря. Владивосток: ДВНИГМИ, 1972. 300 с.

3. Гидрологический ежегодник. 1977. Т. 9. Бассейн Тихого океана. Вып. 6. Бассейн р. Уссури и бухт Японского моря. Владивосток: ДВНИГМИ, 1978. 300 с.

4. Княжев В.В. Гидроосмотическое преобразование энергии градиентов солености // Материалы 2-й науч.-техн. конф. «Технические проблемы освоения Мирового океана», 2-5 окт. 2007 г. Владивосток: Дальнаука, 2007. С. 494-498.

5. Княжев В.В., Ковалев О.П. Исследование характеристик электродиализной энергетической установки // Междунар. науч. чтения «Приморские зори-2005». Экология, безопасность жизнедеятельности, защита в чрезвычайных ситуациях, охрана, безопасность, медицина и гигиена труда, устойчивое развитие Дальневосточных территорий. Вып. 2. Владивосток, 2005. С. 23-28.

6. Княжев В.В., Ковалев О.П. Ресурсы энергии градиентов солености рек Приморского края // Междунар. науч. чтения «Приморские зори-2001». Экология, безопасность жизнедеятельности, охрана труда, медицина и гигиена, устойчивое развитие Дальневосточных территорий. Вып. 3. Владивосток: ТАНЭБ, 2001. С. 56-60.

7. Месячные и годовые нормы температуры воды в северной части Тихого океана. Обнинск: ВНИИГМИ: МЦД, 1981. 319 с.

8. Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода: справочное руководство. М.: Наука, 1979. 327 с.

9. Loeb S., Honda T., Reali M. Comparative Mechanical Efficiency of Several Plant Configuration Using A Pressure-Retarded Osmosis // J. Membrane Sci. 1990. Vol. 51. Р 323-335.