Wenn man an erneuerbare Energien denkt, denkt man sofort an die Energie von Wind, Sonne, Gezeiten und Gezeiten, und die Geräte, die sie umwandeln, sind Windkraftanlagen, Solar-Photovoltaik-Konverter, Wasserturbinen, die heute bereits bekannt sind. All dies wird weltweit bereits massiv genutzt. Aber die Liste der erneuerbaren Energiequellen endet hier nicht. Es gibt noch eine andere Art der Energiegewinnung, die noch nicht weit verbreitet ist, aber das ist eine Frage der Zukunft - das ist die osmotische Energie.

Kürzlich wurde bekannt, dass in Norwegen das erste Kraftwerk der Welt in Betrieb genommen wurde, mit dem Sie Energie aus dem Unterschied der Salzkonzentration in Süß- und Salzwasser gewinnen können. Die Stromerzeugung erfolgt durch das Phänomen der Osmose. Die Station liegt in der Nähe der norwegischen Hauptstadt Oslo am Ufer des Oslofjords. Bauinvestor war das norwegische Energieunternehmen Statkraft, das der drittgrößte Erzeuger von Energierohstoffen in Skandinavien und der größte Erzeuger von Energie auf Basis erneuerbarer Energiequellen in Europa ist. Diese Nachricht war der Grund für das Schreiben dieses Artikels.

Was ist also osmotische Energie?

Osmotische Energie ist die Energie, die durch Osmose oder, wie man sagen kann, als Ergebnis des Diffusionsprozesses eines Lösungsmittels von einer weniger konzentrierten Lösung zu einer höher konzentrierten Lösung gewonnen wird.

Laut Wikipedia.org wird das Phänomen der Osmose in solchen Umgebungen beobachtet, in denen die Mobilität des Lösungsmittels größer ist als die Mobilität der gelösten Stoffe. Ein wichtiger Spezialfall der Osmose ist die Osmose durch eine semipermeable Membran. Als semipermeable Membranen werden Membranen bezeichnet, die nicht für alle, sondern nur für einige Stoffe, insbesondere für ein Lösungsmittel, eine ausreichend hohe Permeabilität aufweisen.

Osmose spielt eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen. Dank ihm gelangen Nährstoffe in die Zelle und umgekehrt - unnötige werden entfernt. Durch Osmose nehmen Pflanzenblätter Feuchtigkeit auf.

Osmotische Energie bezieht sich auf eine erneuerbare Quelle, die im Gegensatz zu Solar- oder Windenergie unabhängig vom Wetter eine vorhersehbare und nachhaltige Energiemenge produziert. Und das ist einer der Hauptvorteile dieser Technologie.

Warum wurde die Osmose nicht früher zur Energiegewinnung genutzt, sondern erst jetzt?

Die Hauptschwierigkeit liegt in der Effizienz und den Kosten der verwendeten Membranen. Das ist der Stolperstein. Strom wird in Generatoren erzeugt, die mit Salzwasser aus Tanks gespeist werden, in denen Süß- und Salzwasser gemischt werden. Je schneller der Mischvorgang, desto schneller wird das Wasser den Turbinen zugeführt, desto mehr Energie kann gewonnen werden.

Die Idee, Energie mittels Osmose zu erzeugen, entstand in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts. Aber damals waren die Membranen noch nicht so effektiv wie heute.

Osmosekraftwerk in Norwegen

Das gebaute Versuchskraftwerk nutzt den Unterschied der Salzkonzentration in Süß- und Salzwasser. Meer- und Flusswasser werden in eine Kammer geleitet, die durch eine Membran getrennt ist. Aufgrund des Phänomens der Osmose tendieren die Moleküle dazu, sich in den Bereich der Kammer zu bewegen, wo die Konzentration an gelösten Stoffen, in diesem Fall Salz, höher ist. Dieser Vorgang führt zu einer Volumenvergrößerung im Salzwasserraum. Dadurch entsteht ein erhöhter Druck, der einen Druck erzeugt, der dem Aufprall einer 120 Meter hohen Wassersäule entspricht. Dieser Druck wird an die Turbine gesendet, die den Generator dreht.

Das errichtete Kraftwerk verwendet eine Membran mit einer Effizienz von 2-3 W/m2. Daher besteht die Hauptaufgabe darin, effizientere Membranen zu finden. Damit die osmotische Energie sinnvoll genutzt werden kann, ist es den Forschern zufolge notwendig, eine Membraneffizienz von mehr als 5 Watt/m2 zu erreichen.

Jetzt erzeugt die Station nicht viel Energie - 4 kW. Für die Zukunft ist geplant, die Kapazität stetig zu erhöhen. Ststkraft plant, die Station bis 2015 auf ein autarkes Niveau zu bringen.

Zu den Nachteilen gehört, dass es nicht überall möglich ist, ein solches Kraftwerk zu bauen. Schließlich werden dafür zwei Wasserquellen gleichzeitig benötigt – frisch und salzig. Daher ist ein Bau in den Tiefen des Kontinents unmöglich, sondern nur an den Küsten in der Nähe der Salzwasserquelle. Für die Zukunft ist geplant, Membranen herzustellen, die nur den Salzgehaltsunterschied von Meerwasser nutzen.

Ein weiterer Nachteil ist die Effizienz der Station, die in erster Linie mit der Effizienz der verwendeten Membranen zusammenhängt.

Die Aufgabe der Station besteht hauptsächlich darin, Technologien für zukünftige kommerzielle Anwendungen zu erforschen und zu entwickeln. Das ist definitiv ein Schritt nach vorne. Immerhin wird das weltweite Potenzial an osmotischer Energie laut Statkraft auf 1600-1700 TWh Energie jährlich geschätzt, was 50 Prozent der gesamten Energieerzeugung in der Europäischen Union entspricht.

Bisher gibt es weltweit nur einen funktionsfähigen Prototyp eines osmotischen Kraftwerks. Aber in Zukunft werden es Hunderte von ihnen sein.

Das Funktionsprinzip des osmotischen Kraftwerks

Der Betrieb des Kraftwerks basiert auf dem osmotischen Effekt – der Eigenschaft speziell konstruierter Membranen, nur bestimmte Partikel passieren zu lassen. Zum Beispiel werden wir eine Membran zwischen zwei Behältern installieren und destilliertes Wasser in einen von ihnen gießen und Kochsalzlösung in den anderen. Wassermoleküle passieren die Membran ungehindert, Salzpartikel jedoch nicht. Und da in einer solchen Situation die Flüssigkeiten dazu neigen, sich auszugleichen, verteilt sich bald frisches Wasser durch die Schwerkraft in beiden Behältern.

Wenn der Unterschied in den Zusammensetzungen der Lösungen sehr groß gemacht wird, wird der Flüssigkeitsstrom durch die Membran ziemlich stark sein. Durch die Platzierung einer Wasserturbine in ihrem Weg ist es möglich, Strom zu erzeugen. Dies ist die einfachste Konstruktion eines osmotischen Kraftwerks. Die optimalen Rohstoffe dafür sind im Moment salziges Meerwasser und frisches Flusswasser – erneuerbare Energiequellen.

Ein solches Versuchskraftwerk wurde 2009 in der Nähe der norwegischen Stadt Oslo errichtet. Seine Leistung ist niedrig - 4 kW oder 1 W von 1 m². Membranen. In naher Zukunft wird dieser Indikator auf 5 W pro 1 m² erhöht. Bis 2015 wollen die Norweger ein kommerzielles Osmosekraftwerk mit einer Leistung von rund 25 MW bauen.

Perspektiven für die Nutzung dieser Energiequelle

Der Hauptvorteil des IPS gegenüber anderen Kraftwerkstypen liegt in der Verwendung extrem günstiger Rohstoffe. Tatsächlich ist es kostenlos, da 92-93% der Erdoberfläche mit Salzwasser bedeckt sind und Süßwasser mit der gleichen osmotischen Druckmethode in einer anderen Anlage leicht zu gewinnen ist. Durch die Installation eines Kraftwerks an der Mündung eines Flusses, der ins Meer mündet, lassen sich alle Probleme der Rohstoffversorgung auf einen Schlag lösen. Klimatische Bedingungen für den Betrieb des IPS spielen keine Rolle – solange das Wasser fließt, funktioniert die Installation.

Gleichzeitig entstehen keine giftigen Substanzen - am Auslass entsteht das gleiche Salzwasser. Der ECO ist absolut umweltfreundlich, er kann in unmittelbarer Nähe zu Wohngebieten aufgestellt werden. Das Kraftwerk schadet der Tierwelt nicht und für seinen Bau müssen keine Flüsse mit Dämmen blockiert werden, wie dies bei Wasserkraftwerken der Fall ist. Und der geringe Wirkungsgrad des Kraftwerks wird durch die Massennatur solcher Anlagen leicht kompensiert.

Das Phänomen der Osmose wird seit über 40 Jahren industriell genutzt. Nur handelt es sich hierbei nicht um die klassische Direktosmose von Abbé Nolle, sondern um die sogenannte Umkehrosmose – ein künstlicher Vorgang des Eindringens eines Lösungsmittels aus einer konzentrierten in eine verdünnte Lösung unter Einwirkung eines den natürlichen osmotischen Druck übersteigenden Drucks. Diese Technologie wird seit Anfang der 1970er Jahre in Entsalzungs- und Kläranlagen eingesetzt. Salziges Meerwasser wird auf eine spezielle Membran injiziert und durch seine Poren einem erheblichen Anteil an Mineralsalzen und gleichzeitig Bakterien und sogar Viren entzogen. Es kostet viel Energie, salziges oder verschmutztes Wasser zu pumpen, aber das Spiel ist die Kerze wert – es gibt viele Regionen auf der Erde, in denen die Trinkwasserknappheit ein akutes Problem ist.

Es ist kaum zu glauben, dass allein der Konzentrationsunterschied zweier Lösungen eine ernsthafte Kraft erzeugen kann, aber es ist wahr: Der osmotische Druck kann den Meeresspiegel um 120 m anheben.

Experimente zur Umwandlung von osmotischem Druck in elektrische Energie werden seit den frühen 1970er Jahren von verschiedenen wissenschaftlichen Gruppen und Unternehmen durchgeführt. Das Prinzip dieses Vorgangs war offensichtlich: Der Fluss von frischem (Fluss-)Wasser, das durch die Poren der Membran dringt, baut im Meerwassertank Druck auf und lässt die Turbine drehen. Das Abfall-Brackwasser wird dann ins Meer geworfen. Das einzige Problem war, dass klassische Membranen für PRO (Pressure Retarded Osmose) zu teuer, launisch waren und nicht die nötige Durchflussleistung lieferten. Den Anfang machten Ende der 1980er Jahre die norwegischen Chemiker Thorleif Holt und Thor Thorsen vom SINTEF-Institut.

Auf schematischen Bildern ist die osmotische Membran als Wand gezeichnet. Tatsächlich ist es eine Rolle, die in einem zylindrischen Körper eingeschlossen ist. In seinem mehrschichtigen Aufbau wechseln sich Süß- und Salzwasserschichten ab.

Loeb-Membranen erforderten klinische Qualität, um die Spitzenleistung aufrechtzuerhalten. Das Design des Membranmoduls der Entsalzungsstation sah das obligatorische Vorhandensein eines primären Grobfilters und einer leistungsstarken Pumpe vor, die Schmutz von der Arbeitsfläche der Membran klopfte.

Nachdem Holt und Thorsen die Eigenschaften der vielversprechendsten Materialien analysiert hatten, entschieden sie sich für kostengünstiges modifiziertes Polyethylen. Ihre Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften erregten die Aufmerksamkeit von Statcraft und die norwegischen Chemiker wurden eingeladen, ihre Arbeit unter der Schirmherrschaft des Energieunternehmens fortzusetzen. Im Jahr 2001 erhielt das Statcraft-Membranprogramm eine staatliche Förderung. Die erhaltenen Mittel wurden für den Bau einer experimentellen osmotischen Anlage in Sunndalsior verwendet, um Membranproben zu testen und die Technologie als Ganzes zu testen. Die aktive Oberfläche darin betrug etwas mehr als 200 m2.

Der Unterschied zwischen dem Salzgehalt (wissenschaftlich gesprochen: dem Salzgradienten) von Süß- und Meerwasser ist das grundlegende Funktionsprinzip eines osmotischen Kraftwerks. Je größer es ist, desto höher sind das Volumen und die Strömungsgeschwindigkeit auf der Membran und damit die von der Wasserturbine erzeugte Energiemenge. In Toft fließt Süßwasser durch die Schwerkraft zur Membran, durch Osmose steigt der Druck des Meerwassers auf der anderen Seite dramatisch an. Die Kraft der Osmose ist kolossal – der Druck kann den Meeresspiegel um 120 m anheben.

Außerdem strömt das resultierende verdünnte Meerwasser durch den Druckverteiler zu den Turbinenschaufeln und wird, nachdem es ihnen seine ganze Energie gegeben hat, ins Meer geschleudert. Der Druckverteiler nimmt einen Teil der Strömungsenergie auf und dreht die Pumpen, die das Meerwasser fördern. Dadurch ist es möglich, die Effizienz der Station deutlich zu steigern. Rick Stover, Cheftechnologe bei Energy Recovery, das solche Geräte für Entsalzungsanlagen herstellt, schätzt, dass die Energieübertragungseffizienz der Verteiler bei fast 98 % liegt. Genau die gleichen Geräte helfen bei der Entsalzung bei der Trinkwasserversorgung von Wohngebäuden.

Wie Skillhagen feststellt, sollten osmotische Kraftwerke idealerweise mit Entsalzungsanlagen kombiniert werden – der Salzgehalt des Restmeerwassers in letzteren ist zehnmal höher als der natürliche Wert. In einem solchen Tandem wird die Effizienz der Energieerzeugung um mindestens das Doppelte steigen.

Die Bauarbeiten in Toft begannen im Herbst 2008. Auf dem Gelände der Zellstofffabrik Sódra Cell wurde eine leerstehende Lagerhalle angemietet. Im ersten Stock wurde eine Kaskade aus Maschen- und Quarzfiltern angeordnet, um Fluss- und Meerwasser zu reinigen, und im zweiten Stock ein Maschinenraum. Im Dezember desselben Jahres erfolgte der Hub und Einbau der Membranmodule und des Druckverteilers. Im Februar 2009 verlegte eine Gruppe von Tauchern zwei parallele Pipelines am Grund der Bucht – für Süß- und Meerwasser.

Die Entnahme von Meerwasser erfolgt in Toft aus Tiefen von 35 bis 50 m – in dieser Schicht ist der Salzgehalt optimal. Außerdem ist es dort viel sauberer als an der Oberfläche. Trotzdem müssen die Membranen der Station regelmäßig von organischen Rückständen gereinigt werden, die Mikroporen verstopfen.

Seit April 2009 wird das Kraftwerk im Probebetrieb betrieben und im November mit der leichten Hand von Prinzessin Mette-Marit in Betrieb genommen. Skillhagen versichert, dass Statcraft nach Tofte weitere ähnliche, aber fortgeschrittenere Projekte haben wird. Und das nicht nur in Norwegen. Ihm zufolge kann ein unterirdischer Komplex von der Größe eines Fußballfelds eine ganze Stadt mit 15.000 Einfamilienhäusern kontinuierlich mit Strom versorgen. Darüber hinaus ist eine solche osmotische Anlage im Gegensatz zu Windmühlen praktisch geräuschlos, verändert die übliche Landschaft nicht und beeinträchtigt die menschliche Gesundheit nicht. Und die Natur selbst wird dafür sorgen, dass die darin enthaltenen Salz- und Süßwasserreserven wieder aufgefüllt werden.

Es gibt keinen Fehler im Titel, nicht von "Weltraum", sondern von "Osmose"

Jeden Tag sind wir davon überzeugt, dass wir von einer Masse der unerwartetsten Quellen erneuerbarer Energie umgeben sind. Neben Sonne, Wind, Strömungen und Gezeiten können auch Generatoren zur Stromerzeugung genutzt werden, die mit Salz betrieben werden – oder besser gesagt, mit der Differenz, die es zwischen Süß- und Meerwasser schafft. Dieser Unterschied wird als Salzgehaltsgradient bezeichnet und kann dank des Phänomens der Osmose genutzt werden, um einen überschüssigen Flüssigkeitsdruck zu erhalten, der von herkömmlichen Turbinen in Strom umgewandelt wird.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Energie des Salzgradienten in Strom umzuwandeln. Am vielversprechendsten für heute ist die osmoseunterstützte Umwandlung, daher wird die Energie des Salzgradienten oft als Energie der Osmose bezeichnet. Aber auch andere Wege der Umwandlung der Energie des Salinitätsgradienten sind grundsätzlich möglich.

Das Phänomen der Osmose ist wie folgt. Nimmt man eine halbdurchlässige Membran (Membrane) und stellt sie als Trennwand in ein Gefäß zwischen Süß- und Salzwasser, dann beginnen die osmotischen Kräfte sozusagen, Süßwasser in Salzwasser zu pumpen. Süßwassermoleküle werden durch die Trennmembran in die zweite Hälfte des mit Salzwasser gefüllten Behälters gelangen, und die Membran lässt keine Salzmoleküle in die erste Hälfte mit Süßwasser. Aufgrund dieser Eigenschaft wird die Membran semipermeabel genannt. Die bei diesem Vorgang freigesetzte Energie äußert sich in Form eines erhöhten Drucks, der im Teil des Gefäßes mit Salzwasser auftritt. Dies ist der osmotische Druck (manchmal auch als osmotischer Wasserfall bezeichnet). Der Maximalwert des osmotischen Drucks ist der Druckunterschied zwischen der Lösung (z. B. Salzwasser) und dem Lösungsmittel (z. B. Süßwasser), bei dem die Osmose aufhört, was durch die Bildung von Druckgleichheit auf beiden Seiten der semipermeablen Membran auftritt. Der daraus resultierende erhöhte Druck in der Hälfte des Behälters mit Salzwasser gleicht die osmotischen Kräfte aus, die Süßwassermoleküle durch eine halbdurchlässige Membran in Salzwasser drückten.

Das Phänomen der Osmose ist seit langem bekannt. Es wurde erstmals 1748 von A. Podlo beobachtet, aber eine detaillierte Studie begann mehr als ein Jahrhundert später. 1877 maß W. Pfeffer erstmals den osmotischen Druck bei der Untersuchung von wässrigen Rohrzuckerlösungen. 1887 stellte van't Hoff auf der Grundlage von Pfeffers Experimenten ein Gesetz auf, das den osmotischen Druck in Abhängigkeit von der Konzentration des gelösten Stoffes und der Temperatur bestimmt. Er zeigte, dass der osmotische Druck einer Lösung numerisch gleich dem Druck ist, den die Moleküle des gelösten Stoffes ausüben würden, wenn sie sich bei gleichen Temperatur- und Konzentrationswerten in gasförmigem Zustand befänden.

Um osmotische Energie zu erhalten, ist es notwendig, eine Quelle mit niedriger Salzkonzentration in der Nähe einer mehr oder weniger konzentrierten Lösung zu haben. Unter den Bedingungen des Weltozeans sind solche Quellen die Mündungen der Flüsse, die in ihn fließen.

Die aus dem osmotischen Druck berechnete Energie des Salzgradienten unterliegt keinen Effizienzbeschränkungen im Zusammenhang mit dem Carnot-Zyklus; dies ist eine der positiven Eigenschaften dieser Art von Energie. Die Frage ist, wie man ihn am besten in Strom umwandelt.

Das weltweit erste Kraftwerk, das Osmose zur Stromerzeugung nutzt, wurde kürzlich in Norwegen eröffnet. Der derzeitige Prototyp des Kraftwerks, das bei seiner Arbeit nur Salz- und Süßwasser verwendet, wird 2-4 Kilowatt erzeugen, aber in Zukunft wird diese Zahl erheblich steigen.Zur Energieerzeugung nutzt das von der norwegischen Firma Statkraft gebaute Kraftwerk die Phänomen der Osmose, dh die Bewegung von Lösungen durch die Membran zur Seite höherer Salzkonzentration. Da die Salzkonzentration in gewöhnlichem Meerwasser höher ist als in Süßwasser, entwickelt sich zwischen dem durch eine Membran getrennten Süß- und Salzwasser ein Osmosephänomen, und die Bewegung des Wasserstroms bewirkt, dass die Turbine Energie erzeugt, um zu arbeiten der bereits gestartete Prototyp ist klein und beläuft sich auf zwei bis vier Kilowattstunden. Wie Stein-Projektleiter Eric Skilhagen erklärte, habe das Unternehmen nicht das Ziel, sofort ein Kraftwerk im industriellen Maßstab zu bauen, sondern vielmehr zu zeigen, dass diese Technologie prinzipiell im Energiesektor eingesetzt werden könne, heißt es auf der Website von Statkraft. Nach Berechnungen von Ingenieuren ist es heute möglich, ein Osmosekraftwerk mit einer Leistung von 1700 Kilowatt pro Stunde zu bauen. Gleichzeitig wird im Gegensatz zu anderen Stationen mit alternativen Energiequellen – Sonne oder Wind – das Wetter keinen Einfluss auf den Betrieb der Station haben. Die Leistung des vorhandenen Prototyps reicht aus, um nur eine Kaffeemaschine mit Strom zu versorgen, aber Statkraft hofft, bis 2015 ein Kraftwerk zu bauen, das ein Dorf mit 10.000 Privathaushalten mit Strom versorgt.

Zu den bevorstehenden Herausforderungen gehört die Suche nach energieeffizienteren Membranen. Für diejenigen, die an der Station in Hurum, 60 km südlich von Oslo, verwendet werden, beträgt dieser Wert 1 W / m2. Nach einiger Zeit erhöht Statkraft die Leistung auf 2-3 Watt, aber um ein kostengünstiges Niveau zu erreichen, müssen Sie 5 Watt erreichen.

Osmose (vom griechischen Wort Osmos – Stoß, Druck), Diffusion eines Stoffes, meist eines Lösungsmittels, durch eine halbdurchlässige Membran, die eine Lösung und ein reines Lösungsmittel oder zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration trennt. Semipermeable Membran – eine Trennwand, die kleine Moleküle des Lösungsmittels passieren lässt, aber für große Moleküle des gelösten Stoffes undurchlässig ist. Das Phänomen der Osmose (Nivellierung der Konzentrationen von Lösungen, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind) liegt dem Stoffwechsel aller lebenden Organismen zugrunde. Beispielsweise sind die Zellwände von Pflanzen, Tieren und Menschen eine natürliche Membran, die teilweise durchlässig ist, weil sie Wassermoleküle ungehindert passieren lässt, aber keine Moleküle anderer Substanzen. Wenn Pflanzenwurzeln Wasser aufnehmen, bilden ihre Zellwände eine natürliche osmotische Membran, die Wassermoleküle passieren lässt und die meisten Verunreinigungen abstößt. Kräuter und Blüten stehen nur durch den sogenannten osmotischen Druck aufrecht. Daher sehen sie bei Wassermangel verwelkt und lethargisch aus. Die Filterfähigkeit der natürlichen Membran ist einzigartig, sie trennt Substanzen auf molekularer Ebene vom Wasser und dies ermöglicht die Existenz jedes lebenden Organismus.

Die Verwendung von Membranen zum Trennen einer Komponente einer Lösung von einer anderen ist seit sehr langer Zeit bekannt. In der ersten entdeckte Aristoteles, dass Meerwasser entsalzt wird, wenn es durch die Wände eines Wachsgefäßes geleitet wird. Die Untersuchung dieses Phänomens und anderer Membranprozesse begann viel später, zu Beginn des 18. Jahrhunderts, als Réaumur semipermeable Membranen natürlichen Ursprungs für wissenschaftliche Zwecke verwendete. Aber Mitte der 20er Jahre des letzten Jahrhunderts waren all diese Prozesse von rein theoretischem Interesse und gingen nicht über Labors hinaus. 1927 erhielt die deutsche Firma "Sartorius" die ersten Muster künstlicher Membranen. Und erst Mitte des letzten Jahrhunderts starteten amerikanische Entwickler die Produktion von Zelluloseacetat- und Nitrozellulosemembranen. In den späten 1950er und frühen 1960er Jahren, mit dem Beginn der flächendeckenden Produktion von synthetischen Polymermaterialien, erschienen die ersten wissenschaftlichen Arbeiten, die die Grundlage für die industrielle Anwendung der Umkehrosmose bildeten.

Die ersten industriellen Umkehrosmoseanlagen erschienen erst Anfang der 1970er Jahre, es handelt sich also um eine relativ junge Technologie im Vergleich zum gleichen Ionenaustausch oder zur Adsorption an Aktivkohlen. In den westlichen Ländern hat sich die Umkehrosmose jedoch zu einer der wirtschaftlichsten, vielseitigsten und zuverlässigsten Methoden der Wasserreinigung entwickelt, mit der Sie die Konzentration der Bestandteile im Wasser um 96-99% reduzieren und Mikroorganismen und Viren fast loswerden können 100%. Der Mechanismus für die Übertragung von Wassermolekülen durch eine osmotische Membran ist meistens eine herkömmliche Filtration, bei der Partikel zurückgehalten werden, die größer sind als der Durchmesser der porosmotischen Membran. Ein Konzentrationsausgleich auf beiden Seiten einer solchen Membran ist nur durch Einwegdiffusion des Lösungsmittels möglich. Daher geht die Osmose immer von einem reinen Lösungsmittel zu einer Lösung oder von einer verdünnten Lösung zu einer konzentrierten Lösung. Insbesondere wird das Phänomen der Osmose beobachtet, wenn zwei Salzlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen durch eine semipermeable Membran getrennt werden. Diese Membran lässt Moleküle und Ionen einer bestimmten Größe passieren, dient aber als Barriere für Substanzen mit größeren Molekülen. So können Wassermoleküle die Membran durchdringen, im Wasser gelöste Salzmoleküle jedoch nicht. Wenn sich auf gegenüberliegenden Seiten einer semipermeablen Membran Salzlösungen von Wasser mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen befinden, bewegen sich Wassermoleküle durch die Membran von einer schwach konzentrierten Lösung zu einer höher konzentrierten, wodurch der Flüssigkeitsspiegel in letzterer ansteigt. Durch das Phänomen der Osmose wird der Prozess des Wasserdurchtritts durch die Membran auch dann beobachtet, wenn beide Lösungen unter dem gleichen Außendruck stehen. Der Unterschied in der Höhe der Spiegel zweier Lösungen unterschiedlicher Konzentration ist proportional zur Kraft, mit der Wasser durch die Membran tritt. Diese Kraft wird "osmotischer Druck" genannt. Auf der Reis. 23.1. Ein Diagramm, das das Phänomen der Osmose veranschaulicht, ist angegeben.

Reis. 23.1.

Das Funktionsprinzip eines osmotischen Kraftwerks beruht auf der Bildung eines osmotischen Drucks. Dort, wo der Fluss ins Meer mündet, vermischt sich frisches Flusswasser einfach mit salzigem Meerwasser, und es entsteht kein Druck, der als Energiequelle dienen könnte. Wenn jedoch Meerwasser und Süßwasser vor dem Mischen durch einen Filter getrennt werden - eine spezielle Membran, die Wasser durchlässt, Salz jedoch nicht durchlässt, kann der Wunsch nach Lösungen für das thermodynamische Gleichgewicht und den Konzentrationsausgleich verwirklicht werden nur aufgrund der Tatsache, dass Wasser in die Salzlösung eindringt und Salz in Süßwasser nicht eindringt. Zwischen den beiden Tanks befindet sich eine spezielle Membran, die Wasser durchlässt, aber für Salzmoleküle undurchlässig ist. Einer davon ist mit Süßwasser gefüllt, der andere mit Salzwasser. Da ein solches System zum Ausgleich neigt, zieht das salzhaltigere Wasser das Frischwasser aus dem Reservoir. Wenn dies in einem geschlossenen Reservoir geschieht, entsteht ein hydrostatischer Überdruck von der Seite des Meerwassers. Gleichzeitig tritt Druck auf, erzeugt einen Wasserfluss. Wenn wir jetzt eine Turbine mit Generator einbauen, dreht der Überdruck die Turbinenschaufeln und produziert Strom. Reis. 23.2. Ein vereinfachtes Diagramm der osmotischen Station wird gezeigt. Auf dieser Abb.: 1 - Meerwasser; 2 Flusswasser; 3 - Filter; 4 - Membran; 5 - Arbeitskammer; 6 - Ablauf von Abwasser aus dem Fluss; 7 - Turbine mit elektrischem Generator; 8 - Ausgang.

Reis. 23.2.

Theoretische Entwicklungen auf diesem Gebiet gab es bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts, doch für deren Umsetzung fehlte vor allem eine geeignete osmotische Membran. Eine solche Membran musste dem 20-fachen Druck einer herkömmlichen Hauswasserversorgung standhalten und eine sehr hohe Porosität aufweisen. Die Entwicklung von Materialien mit ähnlichen Eigenschaften wurde durch die Entwicklung von Technologien zur Herstellung synthetischer Polymere möglich. Tatsächlich beträgt die Dicke der wirksamen Membran etwa 0,1 Mikrometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 bis 100 Mikrometern. Es ist dieser dünnste Film, der letztendlich Meerwasser von Süßwasser trennt. Es ist klar, dass eine so dünne Membran allein einem hohen osmotischen Druck nicht standhalten kann. Daher wird es auf einer porösen, schwammartigen, aber extrem haltbaren Unterlage aufgetragen. Übrigens ist eine Membran für die Direktosmose keine dünne Wand, die auf vereinfachten Diagrammen gezeichnet ist, sondern eine lange Rolle, die in einem zylindrischen Körper eingeschlossen ist. Die Verbindung mit dem Rumpf wird so hergestellt, dass sich in allen Schichten der Rolle immer Süßwasser auf der einen Seite der Membran und Meerwasser auf der anderen Seite befindet, wie in gezeigt Reis. 23.3. Auf dieser Abb.: 1 - Frischwasser; 2 - Meerwasser; 3 - Membran. Auf der Reis. 23.4. Die Vorrichtung der Membran, die in einem Metallgehäuse angeordnet ist, wird in zylindrischer Form gezeigt. Auf dieser Abb.: 1 - Frischwasser; 2 - Meerwasser; 3 - Membran; 4 - Metallgehäuse. Gegenwärtig verwendete Verbundmembranen können den hydrodynamischen Widerstand erheblich verringern. Dabei wird auf einer porösen Unterlage (Substrat) chemisch eine dünne selektive Schicht abgeschieden. Die Dicke der selektiven Schicht beträgt 0,1–1,0 &mgr;m und die Dicke der porösen Basis beträgt 50–150 &mgr;m. Das Substrat erzeugt durch die weiten Poren praktisch keinen Fließwiderstand, und der Widerstand der selektiven Schicht wird durch eine deutliche Verringerung ihrer Dicke deutlich reduziert. Im Allgemeinen sorgt die Verbundstruktur der Membran für mechanische Festigkeit aufgrund

Reis. 23.3.

Reis. 23.4.

die Dicke des porösen Substrats, und es ermöglicht außerdem, den Gesamtwiderstand der Membran aufgrund der Dünnheit der selektiven Schicht zu verringern. Die selektive Schicht von Umkehrosmosemembranen besteht aus Polyamidmaterial.

Auf Abb. 23.S. die Vorrichtung einer osmotischen Station ist gezeigt, sie verwendet gerollte Membranen.

Auf dieser Abb.: 1 - die Einführung von Meerwasser; 2 - Einleitung von Flusswasser; 3 - Filter; 4 - Rollmembranen; 5 - versiegelte Kammer mit hohem osmotischem Druck; 6-Turbine mit elektrischem Generator.

2009 ging in Toft, Norwegen, das weltweit erste Kraftwerk in Betrieb, das den Unterschied im Salzgehalt von Meer- und Süßwasser zur Stromerzeugung nutzt. Im errichteten Osmosekraftwerk entsteht im Kompartiment mit Meerwasser ein Druck, der dem Druck einer 120 Meter hohen Wassersäule entspricht. Dieser Druck treibt die Turbinenwelle an, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Frischwasser fließt durch die Schwerkraft zur Membran. Die Entnahme von Meerwasser erfolgt in Toft aus Tiefen von 35 bis 50 Metern – in dieser Schicht ist der Salzgehalt optimal. Außerdem ist es dort viel sauberer als an der Oberfläche. Trotzdem müssen die Stationsmembranen regelmäßig von organischen Rückständen gereinigt werden, die ihre Mikroporen verstopfen. Bis heute produziert diese Osmosestation etwa 1 kW Energie. In naher Zukunft kann diese Zahl auf 2-4 kW steigen. Um über die Rentabilität der Produktion sprechen zu können, ist es notwendig

Reis. 23.5. Osmosestation mit gerollten Membranen

eine Leistung von etwa 5 kW erreichen. Dies ist jedoch eine sehr reale Herausforderung. Bis 2015 ist der Bau einer großen Anlage mit einer Leistung von 25 MW geplant, die 10.000 durchschnittliche Haushalte mit Strom versorgen wird. In Zukunft wird davon ausgegangen, dass osmotische Kraftwerke so leistungsfähig werden, dass sie 1700 TW pro Jahr produzieren können, so viel wie heute halb Europa produziert.

Vorteile von osmotischen Stationen. Zum einen ist Salzwasser (normales Meerwasser ist für den Betrieb der Station geeignet) eine unerschöpfliche natürliche Ressource. Die Erdoberfläche ist zu 94 % mit Wasser bedeckt, von dem 97 % salzig sind, daher wird es immer Treibstoff für solche Stationen geben. Zweitens erfordert der Bau von Osmosekraftwerken nicht den Bau spezieller hydraulischer Strukturen. Die Umweltfreundlichkeit dieser Art der Stromerzeugung. Kein Abfall, oxidierte Tankmaterialien, schädliche Dämpfe. Osmotische Kraftwerke können sogar innerhalb der Stadt installiert werden, ohne den Bewohnern Schaden zuzufügen.

Kürzlich gab Japan bekannt, dass es plant, Energie mit Osmoseanlagen zu produzieren. Japan ist allseitig vom Meer umgeben, in das zahlreiche Flüsse münden. Da sie ständig fließen, wird der Prozess der Stromerzeugung kontinuierlich. Zu den Vorteilen der osmotischen Methode zur Energiegewinnung gehört die Unabhängigkeit vom Gelände, die Station kann in der Ebene arbeiten. Die wichtigsten sind die geografischen Bedingungen, unter denen die Vermischung von Süß- und Salzwasser stattfindet. Somit können osmotische Kraftwerke in allen Gebieten Japans installiert werden, wo Flüsse in den Ozean münden. Laut Akihiko Tanioka, Professor an der Tokyo Technical University, wird die Osmoseanlage 5-6 Millionen kW Energie erzeugen können, im Vergleich zu 5-6 Kernkraftwerken. Darüber hinaus ist Japan einer der wichtigsten Hersteller von osmotischen Membranen. Heute machen japanische Unternehmen 70 % der weltweiten Membranimporte aus.