Ketika berpikir tentang energi terbarukan, energi angin, matahari, pasang surut dan pasang surut langsung muncul di benak kita, dan perangkat yang mengubahnya adalah pembangkit listrik tenaga angin, konverter fotovoltaik surya, turbin air yang sudah tidak asing lagi saat ini. Semua ini sudah digunakan secara besar-besaran di seluruh dunia. Tetapi daftar sumber energi terbarukan tidak berakhir di situ. Ada jenis produksi energi lain yang belum tersebar luas, tetapi ini adalah masalah masa depan - ini adalah energi osmotik.

Baru-baru ini diketahui tentang peluncuran pembangkit listrik pertama di dunia di Norwegia, yang memungkinkan Anda untuk mengekstrak energi dari perbedaan konsentrasi garam dalam air tawar dan air asin. Produksi listrik dilakukan sebagai akibat dari fenomena osmosis. Stasiun ini terletak di dekat ibu kota Norwegia, Oslo, di tepi Fjord Oslo. Investor konstruksi adalah perusahaan energi Norwegia Statkraft, yang merupakan produsen sumber energi terbesar ketiga di kawasan Skandinavia, serta produsen energi terbesar berdasarkan sumber energi terbarukan di Eropa. Berita ini adalah alasan untuk menulis artikel ini.

Jadi apa itu energi osmotik?

Energi osmotik adalah energi yang diperoleh sebagai hasil osmosis, atau, seperti yang dapat Anda katakan, sebagai hasil dari proses difusi pelarut dari larutan yang kurang pekat ke larutan yang lebih pekat.

Menurut Wikipedia.org, fenomena osmosis diamati di lingkungan di mana mobilitas pelarut lebih besar daripada mobilitas zat terlarut. Kasus khusus penting dari osmosis adalah osmosis melalui membran semipermeabel. Membran semi-permeabel disebut, yang memiliki permeabilitas yang cukup tinggi tidak untuk semua, tetapi hanya untuk beberapa zat, khususnya, untuk pelarut.

Osmosis memainkan peran penting dalam proses biologis. Berkat dia, nutrisi masuk ke dalam sel, dan sebaliknya - yang tidak perlu dihilangkan. Melalui osmosis, daun tanaman menyerap kelembaban.

Energi osmotik mengacu pada sumber terbarukan yang, tidak seperti energi matahari atau angin, menghasilkan jumlah energi yang dapat diprediksi dan berkelanjutan terlepas dari cuaca. Dan inilah salah satu keunggulan utama dari teknologi ini.

Mengapa osmosis tidak digunakan sebelumnya untuk produksi energi, tetapi baru sekarang?

Kesulitan utama terletak pada efisiensi dan biaya membran yang digunakan. Ini adalah batu sandungan. Listrik dihasilkan di generator yang diberi air asin dari tangki di mana air tawar dan air asin dicampur. Semakin cepat proses pencampuran, semakin cepat air disuplai ke turbin, semakin banyak energi yang bisa diperoleh.

Ide untuk menghasilkan energi menggunakan osmosis muncul pada tahun 70-an abad terakhir. Tapi kemudian membran itu masih belum cukup efektif, seperti sekarang ini.

Pembangkit listrik osmotik di Norwegia

Pembangkit listrik eksperimental yang dibangun menggunakan perbedaan konsentrasi garam di air tawar dan air asin. Air laut dan sungai dikirim ke ruang yang dipisahkan oleh membran. Karena fenomena osmosis, molekul cenderung bergerak ke wilayah ruang di mana konsentrasi zat terlarut, dalam hal ini garam, lebih tinggi. Proses ini menghasilkan peningkatan volume di kompartemen air asin. Akibatnya, tekanan yang meningkat terbentuk, yang menciptakan tekanan yang setara dengan tumbukan kolom air setinggi 120 meter. Tekanan ini dikirim ke turbin yang memutar generator.

Pembangkit yang dibangun menggunakan membran dengan efisiensi 2-3 W/m2. Oleh karena itu, tugas utamanya adalah menemukan membran yang lebih efisien. Menurut peneliti, agar penggunaan energi osmotik dapat bermanfaat, perlu dicapai efisiensi membran lebih dari 5 watt/m2.

Sekarang stasiun tidak menghasilkan banyak energi - 4 kW. Ke depan, rencananya akan terus ditingkatkan kapasitasnya. Ststkraft berencana untuk membawa stasiun ke tingkat mandiri pada tahun 2015.

Kerugiannya termasuk fakta bahwa tidak mungkin membangun pembangkit listrik seperti itu di mana-mana. Lagi pula, ini secara bersamaan membutuhkan dua sumber air - segar dan asin. Karena itu, konstruksi tidak mungkin dilakukan di kedalaman benua, tetapi hanya di pantai dekat sumber air asin. Kedepannya, direncanakan akan dibuat membran yang menggunakan perbedaan konsentrasi garam air laut saja.

Kerugian lain adalah efisiensi stasiun, yang terutama terkait dengan efisiensi membran yang digunakan.

Tugas stasiun ini terutama untuk meneliti dan mengembangkan teknologi untuk aplikasi komersial di masa depan. Ini jelas merupakan langkah maju. Bagaimanapun, potensi energi osmotik dunia, menurut Statkraft, diperkirakan mencapai 1600-1700 TWh energi per tahun, yang setara dengan 50 persen dari total produksi energi di Uni Eropa.

Sejauh ini, hanya ada satu prototipe operasi pembangkit listrik osmotik di dunia. Tapi di masa depan akan ada ratusan dari mereka.

Prinsip pengoperasian pembangkit listrik osmotik

Pengoperasian pembangkit listrik didasarkan pada efek osmotik - sifat membran yang dirancang khusus untuk memungkinkan hanya partikel tertentu yang dapat melewatinya. Misalnya, kami akan memasang membran di antara dua wadah dan menuangkan air suling ke salah satunya, dan larutan garam ke wadah lainnya. Molekul air akan bebas melewati membran, tetapi partikel garam tidak. Dan karena dalam situasi seperti itu cairan akan cenderung seimbang, segera air tawar akan menyebar secara gravitasi ke kedua wadah.

Jika perbedaan komposisi larutan dibuat sangat besar, maka aliran cairan melalui membran akan cukup kuat. Dengan menempatkan turbin air di jalurnya, dimungkinkan untuk menghasilkan listrik. Ini adalah desain paling sederhana dari pembangkit listrik osmotik. Saat ini, bahan baku yang optimal untuk itu adalah air laut asin dan air sungai tawar - sumber energi terbarukan.

Pembangkit listrik eksperimental jenis ini dibangun pada tahun 2009 di dekat kota Oslo, Norwegia. Kinerjanya rendah - 4 kW atau 1 W dari 1 sq.m. membran. Dalam waktu dekat, indikator ini akan ditingkatkan menjadi 5 W per 1 sq.m. Pada tahun 2015, Norwegia bermaksud untuk membangun pembangkit listrik osmosis komersial dengan kapasitas sekitar 25 MW.

Prospek penggunaan sumber energi ini

Keuntungan utama dari IPS dibandingkan jenis pembangkit listrik lainnya adalah penggunaan bahan baku yang sangat murah. Sebenarnya, ini gratis, karena 92-93% permukaan planet ditutupi dengan air asin, dan air tawar mudah diperoleh dengan menggunakan metode tekanan osmotik yang sama di instalasi lain. Dengan memasang pembangkit listrik di muara sungai yang mengalir ke laut, semua masalah pasokan bahan baku dapat diselesaikan dalam satu gerakan. Kondisi iklim untuk pengoperasian IPS tidak penting - selama air mengalir, instalasi berfungsi.

Pada saat yang sama, tidak ada zat beracun yang dibuat - air garam yang sama terbentuk di outlet. ECO benar-benar ramah lingkungan, dapat dipasang di dekat area perumahan. Pembangkit listrik tidak membahayakan satwa liar, dan untuk pembangunannya tidak perlu menutup sungai dengan bendungan, seperti halnya pembangkit listrik tenaga air. Dan efisiensi pembangkit listrik yang rendah dengan mudah dikompensasi oleh karakter massa dari instalasi tersebut.

Fenomena osmosis telah digunakan dalam skala industri selama lebih dari 40 tahun. Hanya ini bukan osmosis langsung klasik Abbé Nolle, tetapi yang disebut osmosis balik - proses buatan penetrasi pelarut dari larutan pekat ke larutan encer di bawah pengaruh tekanan yang melebihi tekanan osmotik alami. Teknologi ini telah digunakan di pabrik desalinasi dan pemurnian sejak awal 1970-an. Air laut asin disuntikkan ke membran khusus dan, melewati pori-porinya, kehilangan sebagian besar garam mineral, dan pada saat yang sama bakteri dan bahkan virus. Dibutuhkan banyak energi untuk memompa air asin atau tercemar, tetapi permainan ini sepadan dengan lilinnya - ada banyak wilayah di planet ini di mana kekurangan air minum merupakan masalah akut.

Sulit dipercaya bahwa perbedaan konsentrasi dua larutan saja dapat menciptakan kekuatan yang serius, tetapi memang benar: tekanan osmotik dapat menaikkan permukaan air laut sebesar 120 m.

Eksperimen untuk mengubah tekanan osmotik menjadi energi listrik telah dilakukan oleh berbagai kelompok ilmiah dan perusahaan sejak awal 1970-an. Skema prinsip dari proses ini jelas: aliran air tawar (sungai), menembus pori-pori membran, membangun tekanan di tangki air laut, sehingga memungkinkan turbin berputar. Limbah air payau tersebut kemudian dibuang ke laut. Satu-satunya masalah adalah bahwa membran klasik untuk PRO (Pressure retarded osmosis) terlalu mahal, berubah-ubah dan tidak menyediakan daya aliran yang diperlukan. Hal-hal mulai berkembang pada akhir 1980-an, ketika ahli kimia Norwegia Thorleif Holt dan Thor Thorsen dari Institut SINTEF mengambil alih tugas tersebut.

Pada gambar skema, membran osmotik digambarkan sebagai dinding. Sebenarnya, itu adalah gulungan yang tertutup dalam tubuh silinder. Dalam struktur multilayer, lapisan air tawar dan air asin bergantian.

Membran Loeb membutuhkan tingkat klinis untuk mempertahankan kinerja puncak. Desain modul membran dari stasiun desalinasi menyediakan keberadaan wajib filter kasar primer dan pompa kuat yang menjatuhkan puing-puing dari permukaan kerja membran.

Holt dan Thorsen, setelah menganalisis karakteristik bahan yang paling menjanjikan, memilih polietilen modifikasi yang murah. Publikasi mereka dalam jurnal ilmiah menarik perhatian Statcraft dan para ahli kimia Norwegia diundang untuk melanjutkan pekerjaan mereka di bawah naungan perusahaan energi. Pada tahun 2001, program membran Statcraft menerima hibah pemerintah. Dana yang diterima digunakan untuk membangun fasilitas osmosis eksperimental di Sunndalsior untuk menguji sampel membran dan menguji teknologi secara keseluruhan. Luas permukaan aktif di dalamnya sedikit di atas 200 m2.

Perbedaan antara salinitas (dalam istilah ilmiah, gradien salinitas) air tawar dan air laut adalah prinsip dasar pengoperasian pembangkit listrik osmotik. Semakin besar, semakin tinggi volume dan laju aliran pada membran, dan karenanya jumlah energi yang dihasilkan oleh hidroturbin. Di Toft, air tawar mengalir secara gravitasi ke membran, sebagai akibat dari osmosis, tekanan air laut di sisi lain meningkat secara dramatis. Kekuatan osmosis sangat besar - tekanannya dapat menaikkan permukaan air laut hingga 120 m.

Selanjutnya, air laut encer yang dihasilkan mengalir melalui distributor tekanan ke bilah turbin dan, setelah memberi mereka semua energinya, dibuang ke laut. Distributor tekanan mengambil bagian dari energi aliran, memutar pompa yang memompa air laut. Dengan demikian, adalah mungkin untuk secara signifikan meningkatkan efisiensi stasiun. Rick Stover, kepala teknolog di Energy Recovery, yang memproduksi perangkat semacam itu untuk pabrik desalinasi, memperkirakan bahwa efisiensi transfer energi dari distributor mendekati 98%. Perangkat yang sama persis selama desalinasi membantu menyalurkan air minum ke bangunan tempat tinggal.

Seperti yang dicatat oleh Skillhagen, idealnya, pembangkit listrik osmotik harus dikombinasikan dengan pembangkit desalinasi - salinitas dari sisa air laut di pembangkit listrik terakhir adalah 10 kali lebih tinggi dari tingkat alami. Bersamaan dengan itu, efisiensi pembangkitan energi akan meningkat setidaknya dua kali lipat.

Pekerjaan konstruksi di Toft dimulai pada musim gugur 2008. Sebuah gudang kosong disewa di wilayah pabrik pulp Sódra Cell. Di lantai pertama, rangkaian saringan mesh dan kuarsa diatur untuk memurnikan air sungai dan laut, dan di lantai dua, ruang mesin. Pada bulan Desember tahun yang sama, pengangkatan dan pemasangan modul membran dan distributor tekanan dilakukan. Pada bulan Februari 2009, sekelompok penyelam meletakkan dua pipa paralel di sepanjang dasar teluk - untuk air tawar dan air laut.

Pengambilan air laut dilakukan di Toft dari kedalaman 35 hingga 50 m - di lapisan ini salinitasnya optimal. Selain itu, di sana jauh lebih bersih daripada di permukaan. Namun, terlepas dari ini, membran stasiun memerlukan pembersihan rutin dari residu organik yang menyumbat pori mikro.

Sejak April 2009, pembangkit listrik telah dioperasikan dalam mode percobaan, dan pada bulan November, dengan tangan ringan Putri Mette-Marit, itu diluncurkan secara maksimal. Skillhagen memastikan bahwa setelah Tofte, Statcraft akan memiliki proyek serupa lainnya, tetapi lebih maju. Dan tidak hanya di Norwegia. Menurutnya, sebuah kompleks bawah tanah seukuran lapangan sepak bola mampu terus menerus memasok listrik ke seluruh kota dengan 15.000 rumah individu. Selain itu, tidak seperti kincir angin, instalasi osmotik semacam itu praktis tidak bersuara, tidak mengubah lanskap biasa dan tidak mempengaruhi kesehatan manusia. Dan alam sendiri akan mengurus pengisian kembali cadangan garam dan air tawar di dalamnya.

Tidak ada kesalahan dalam judul, bukan dari "ruang", tetapi dari "osmosis"

Setiap hari kita yakin bahwa kita dikelilingi oleh sekumpulan sumber energi terbarukan yang paling tak terduga. Selain Matahari, angin, arus dan pasang surut, generator yang menggunakan garam dapat digunakan untuk menghasilkan listrik - atau lebih tepatnya, pada perbedaan yang tercipta antara air tawar dan air laut. Perbedaan ini disebut gradien salinitas, dan berkat fenomena osmosis, dapat digunakan untuk mendapatkan tekanan cairan berlebih, yang diubah menjadi listrik oleh turbin konvensional.

Ada beberapa cara untuk mengubah energi gradien salinitas menjadi listrik. Yang paling menjanjikan untuk saat ini adalah transformasi dengan bantuan osmosis, sehingga mereka sering berbicara tentang energi gradien salinitas sebagai energi osmosis. Tetapi cara lain untuk mengubah energi gradien salinitas juga secara mendasar dimungkinkan.

Fenomena osmosis adalah sebagai berikut. Jika Anda mengambil membran semi-permeabel (membran) dan menempatkannya sebagai partisi dalam wadah antara air tawar dan air asin, maka gaya osmotik akan mulai, seolah-olah, memompa air tawar ke dalam air asin. Molekul air tawar akan melewati membran pemisah ke paruh kedua bejana berisi air asin, dan membran tidak akan membiarkan molekul garam masuk ke paruh pertama dengan air tawar. Untuk sifat ini, membran disebut semipermeabel. Energi yang dilepaskan selama proses ini diwujudkan dalam bentuk peningkatan tekanan yang terjadi di bagian bejana dengan air asin. Ini adalah tekanan osmotik (kadang-kadang disebut air terjun osmotik). Nilai maksimum tekanan osmotik adalah perbedaan tekanan antara larutan (yaitu air asin) dan pelarut (yaitu air tawar), di mana osmosis berhenti, yang terjadi karena pembentukan kesetaraan tekanan di kedua sisi membran semipermeabel. Peningkatan tekanan yang dihasilkan di setengah bejana dengan air asin menyeimbangkan kekuatan osmotik yang memaksa molekul air tawar melalui membran semipermeabel ke dalam air asin.

Fenomena osmosis telah dikenal sejak lama. Ini pertama kali diamati oleh A. Podlo pada tahun 1748, tetapi studi terperinci dimulai lebih dari satu abad kemudian. Pada tahun 1877, W. Pfeffer mengukur tekanan osmotik untuk pertama kalinya ketika mempelajari larutan air gula tebu. Pada tahun 1887, Van't Hoff, berdasarkan eksperimen Pfeffer, menetapkan hukum yang menentukan tekanan osmotik sebagai fungsi konsentrasi zat terlarut dan suhu. Dia menunjukkan bahwa tekanan osmotik suatu larutan secara numerik sama dengan tekanan yang akan diberikan oleh molekul-molekul zat terlarut jika mereka berada dalam keadaan gas pada nilai suhu dan konsentrasi yang sama.

Untuk memperoleh energi osmotik, diperlukan sumber dengan konsentrasi garam rendah di dekat larutan yang kurang lebih pekat. Dalam kondisi Samudra Dunia, sumber-sumber seperti itu adalah muara sungai-sungai yang mengalir ke dalamnya.

Energi gradien salinitas yang dihitung dari tekanan osmotik tidak tunduk pada batasan efisiensi yang terkait dengan siklus Carnot; ini adalah salah satu fitur positif dari jenis energi ini. Pertanyaannya adalah bagaimana cara terbaik untuk mengubahnya menjadi listrik.

Pembangkit listrik pertama di dunia yang menggunakan osmosis untuk menghasilkan listrik baru-baru ini dibuka di Norwegia. Hanya menggunakan garam dan air tawar dalam pekerjaannya, prototipe pembangkit listrik saat ini akan menghasilkan 2-4 kilowatt, tetapi di masa depan angka ini akan meningkat secara signifikan.Untuk menghasilkan energi, stasiun yang dibangun oleh perusahaan Norwegia Statkraft ini menggunakan fenomena osmosis, yaitu pergerakan larutan melalui membran ke sisi konsentrasi garam yang lebih tinggi. Karena konsentrasi garam di air laut biasa lebih tinggi daripada di air tawar, fenomena osmosis berkembang antara air tawar dan air asin yang dipisahkan oleh membran, dan pergerakan aliran air menyebabkan turbin menghasilkan energi untuk bekerja. prototipe yang sudah diluncurkan berukuran kecil dan berjumlah dua hingga empat kilowatt-jam. Seperti yang dijelaskan manajer proyek Stein Eric Skilhagen, perusahaan tidak memiliki tujuan untuk segera membangun pembangkit listrik skala industri, lebih penting untuk menunjukkan bahwa teknologi ini pada prinsipnya dapat digunakan di sektor energi. , catat situs web Statkraft. Menurut perhitungan para insinyur, hari ini dimungkinkan untuk membangun pembangkit listrik osmotik dengan kapasitas 1700 kilowatt per jam. Pada saat yang sama, tidak seperti stasiun lain pada sumber energi alternatif - matahari atau angin - cuaca tidak akan berpengaruh pada pengoperasian stasiun. Kekuatan prototipe yang ada cukup untuk menyediakan listrik hanya untuk pembuat kopi, tetapi pada tahun 2015 Statkraft berharap untuk membangun pembangkit listrik yang memasok listrik ke desa dengan 10.000 rumah pribadi.

Di antara tantangan ke depan adalah pencarian membran yang lebih hemat energi. Untuk yang digunakan di stasiun di Hurum yang berjarak 60 km sebelah selatan Oslo, angka ini adalah 1 W/m2. Setelah beberapa waktu, Statkraft akan meningkatkan daya menjadi 2-3 watt, tetapi untuk mencapai tingkat hemat biaya, Anda harus mencapai 5 watt.

Osmosis (dari kata Yunani Osmos - dorongan, tekanan), difusi zat, biasanya pelarut, melalui membran semipermeabel yang memisahkan larutan dan pelarut murni atau dua larutan dengan konsentrasi berbeda. Membran semipermeabel - partisi yang memungkinkan molekul pelarut kecil melewatinya, tetapi tidak permeabel terhadap molekul zat terlarut besar. Fenomena osmosis (penyetaraan konsentrasi larutan yang dipisahkan oleh membran semipermeabel) mendasari metabolisme semua organisme hidup. Misalnya, dinding sel tumbuhan, hewan, dan manusia adalah membran alami yang sebagian permeabel karena secara bebas memungkinkan molekul air melewatinya, tetapi tidak molekul zat lain. Ketika akar tanaman menyerap air, dinding selnya membentuk membran osmotik alami yang memungkinkan molekul air melewatinya dan menolak sebagian besar kotoran. Tumbuhan dan bunga berdiri tegak hanya karena apa yang disebut tekanan osmotik. Karena itu, dengan kekurangan air, mereka terlihat layu dan lesu. Kemampuan penyaringan membran alami adalah unik, memisahkan zat dari air pada tingkat molekuler dan inilah yang memungkinkan setiap organisme hidup ada.

Penggunaan membran untuk memisahkan satu komponen larutan dari yang lain telah dikenal sejak lama. Pada awalnya, Aristoteles menemukan bahwa air laut menjadi desalinasi ketika melewati dinding bejana lilin. Studi tentang fenomena ini dan proses membran lainnya dimulai jauh kemudian, pada awal abad ke-18, ketika Réaumur menggunakan membran semipermeabel yang berasal dari alam untuk tujuan ilmiah. Tetapi pada pertengahan 20-an abad terakhir, semua proses ini murni kepentingan teoritis, tidak melampaui laboratorium. Pada tahun 1927, perusahaan Jerman "Sartorius" menerima sampel pertama membran buatan. Dan hanya di pertengahan abad terakhir, pengembang Amerika meluncurkan produksi membran selulosa asetat dan nitroselulosa. Pada akhir 1950-an dan awal 1960-an, dengan dimulainya produksi luas bahan polimer sintetik, karya ilmiah pertama muncul, yang membentuk dasar untuk aplikasi industri osmosis balik.

Sistem reverse osmosis industri pertama muncul hanya pada awal 1970-an, jadi ini adalah teknologi yang relatif muda dibandingkan dengan pertukaran ion yang sama atau adsorpsi pada karbon aktif. Namun, di negara-negara Barat, reverse osmosis telah menjadi salah satu metode pemurnian air yang paling ekonomis, serbaguna, dan andal, yang memungkinkan Anda untuk mengurangi konsentrasi komponen dalam air hingga 96-99% dan menghilangkan mikroorganisme dan virus hingga hampir 100%. Mekanisme transfer molekul air melalui membran osmotik paling sering adalah filtrasi konvensional, di mana partikel yang lebih besar dari diameter membran porosmotik dipertahankan. Persamaan konsentrasi pada kedua sisi membran seperti itu hanya mungkin dengan difusi pelarut satu arah. Oleh karena itu, osmosis selalu berpindah dari pelarut murni ke larutan, atau dari larutan encer ke larutan pekat. Secara khusus, fenomena osmosis diamati ketika dua larutan garam dengan konsentrasi berbeda dipisahkan oleh membran semi-permeabel. Membran ini memungkinkan molekul dan ion dengan ukuran tertentu untuk melewatinya, tetapi berfungsi sebagai penghalang zat dengan molekul yang lebih besar. Dengan demikian, molekul air mampu menembus membran, tetapi molekul garam yang terlarut dalam air tidak. Jika ada larutan garam dari air dengan konsentrasi garam yang berbeda pada sisi yang berlawanan dari membran semipermeabel, molekul air akan bergerak melalui membran dari larutan yang berkonsentrasi lemah ke yang lebih pekat, menyebabkan peningkatan level cairan pada yang terakhir. Melalui fenomena osmosis, proses penetrasi air melalui membran diamati bahkan ketika kedua larutan berada di bawah tekanan eksternal yang sama. Perbedaan ketinggian tingkat dua larutan dengan konsentrasi yang berbeda sebanding dengan gaya di mana air melewati membran. Gaya ini disebut "tekanan osmotik". pada Beras. 23.1. Sebuah diagram yang menggambarkan fenomena osmosis diberikan.

Beras. 23.1.

Prinsip pengoperasian pembangkit listrik osmotik didasarkan pada pembentukan tekanan osmotik. Di tempat-tempat di mana sungai mengalir ke laut, air sungai tawar hanya bercampur dengan air laut yang asin, dan tidak ada tekanan yang dapat berfungsi sebagai sumber energi. Namun, jika, sebelum pencampuran, air laut dan air tawar dipisahkan oleh filter - membran khusus yang memungkinkan air melewatinya, tetapi tidak melewati garam, maka keinginan solusi untuk kesetimbangan termodinamika dan pemerataan konsentrasi dapat diwujudkan. hanya karena fakta bahwa air akan menembus ke dalam larutan garam, dan garam ke dalam air tawar tidak akan masuk. Sebuah membran khusus yang memungkinkan air untuk melewati tetapi kedap molekul garam ditempatkan di antara dua tangki. Salah satunya diisi dengan air tawar, yang lain diisi dengan air asin. Karena sistem seperti itu cenderung seimbang, air yang lebih asin menarik air tawar keluar dari reservoir. Jika hal ini terjadi pada tangki tertutup, maka timbul tekanan hidrostatik berlebih dari sisi air laut. Pada saat yang sama, tekanan muncul, menciptakan aliran air. Jika sekarang kita memasang turbin dengan generator, kelebihan tekanan akan memutar bilah turbin dan menghasilkan listrik. Beras. 23.2. Diagram sederhana dari stasiun osmotik ditampilkan. Pada Gambar ini: 1 - air laut; 2 air sungai; 3 - filter; 4 - membran; 5 - ruang kerja; 6 - keluaran air sungai limbah; 7 - turbin dengan generator listrik; 8 - keluaran.

Beras. 23.2.

Perkembangan teoretis di bidang ini muncul pada awal abad ke-20, tetapi hal utama yang hilang untuk implementasinya - membran osmotik yang sesuai. Membran seperti itu harus menahan tekanan 20 kali tekanan pasokan air domestik konvensional, dan memiliki porositas yang sangat tinggi. Penciptaan bahan dengan sifat serupa telah dimungkinkan dengan perkembangan teknologi untuk produksi polimer sintetis. Memang, ketebalan membran efektif adalah sekitar 0,1 mikrometer. Sebagai perbandingan: rambut manusia memiliki diameter 50 hingga 100 mikrometer. Lapisan tertipis inilah yang pada akhirnya memisahkan air laut dari air tawar. Jelas bahwa membran tipis seperti itu tidak dapat dengan sendirinya menahan tekanan osmotik yang tinggi. Oleh karena itu, ini diterapkan pada alas seperti spons berpori tetapi sangat tahan lama. Omong-omong, membran untuk osmosis langsung bukanlah dinding tipis, yang digambarkan pada diagram yang disederhanakan, tetapi gulungan panjang yang tertutup dalam tubuh silinder. Sambungan dengan lambung dibuat sedemikian rupa sehingga di semua lapisan gulungan selalu ada air tawar di satu sisi membran, dan air laut di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada Beras. 23.3. Pada Gambar ini: 1 - air tawar; 2 - air laut; 3 - membran. pada Beras. 23.4. Perangkat membran yang ditempatkan dalam wadah logam ditunjukkan, berbentuk silinder. Pada Gambar ini: 1 - air tawar; 2 - air laut; 3 - membran; 4 - kotak logam. Membran komposit yang digunakan saat ini dapat secara signifikan mengurangi resistensi hidrodinamik. Di dalamnya, lapisan selektif tipis disimpan secara kimia pada dasar berpori (substrat). Ketebalan lapisan selektif adalah 0,1-1,0 m, dan ketebalan dasar berpori adalah 50-150 m. Substrat praktis tidak menciptakan hambatan untuk mengalir karena pori-pori yang lebar, dan hambatan lapisan selektif berkurang secara signifikan karena pengurangan ketebalan yang signifikan. Secara umum, struktur komposit membran memberikan kekuatan mekanik karena:

Beras. 23.3.

Beras. 23.4.

ketebalan substrat berpori, dan di samping itu, memungkinkan untuk mengurangi resistensi keseluruhan membran karena tipisnya lapisan selektif. Lapisan selektif membran reverse osmosis terbuat dari bahan poliamida.

Pada Gambar. 23.S. perangkat stasiun osmotik ditampilkan, menggunakan membran digulung.

Pada Gambar ini: 1 - pengenalan air laut; 2 - pengenalan air sungai; 3 - filter; 4 - membran gulung; 5 - ruang tertutup dengan tekanan osmotik tinggi; 6- turbin dengan generator listrik.

Pada tahun 2009, di Toft, Norwegia, pembangkit listrik pertama di dunia mulai beroperasi, menggunakan perbedaan salinitas antara laut dan air tawar untuk menghasilkan listrik. Di pembangkit listrik osmotik yang dibangun, di kompartemen dengan air laut, tekanan dibuat yang setara dengan tekanan kolom air setinggi 120 meter. Tekanan ini menggerakkan poros turbin yang terhubung dengan generator listrik. Air tawar mengalir secara gravitasi ke membran. Pengambilan air laut dilakukan di Toft dari kedalaman 35 hingga 50 meter - di lapisan ini salinitasnya optimal. Selain itu, di sana jauh lebih bersih daripada di permukaan. Namun, terlepas dari ini, membran stasiun membutuhkan pembersihan rutin dari residu organik, menyumbat pori-pori mikronya. Sampai saat ini, stasiun osmotik ini menghasilkan sekitar 1 kW energi. Dalam waktu dekat, angka ini dapat meningkat menjadi 2-4 kW. Untuk dapat berbicara tentang profitabilitas produksi, perlu

Beras. 23.5. Stasiun osmotik dengan membran yang digulung

mendapatkan output sekitar 5 kW. Namun, ini adalah tantangan yang sangat nyata. Pada tahun 2015, direncanakan untuk membangun stasiun besar yang akan menghasilkan 25 MW, yang akan memasok listrik ke 10.000 rumah tangga rata-rata. Di masa depan, diasumsikan pembangkit listrik osmotik akan menjadi sangat kuat sehingga mampu menghasilkan 1700 TW per tahun, sebanyak setengah dari produksi Eropa saat ini.

Keuntungan dari stasiun osmotik. Pertama, air asin (air laut biasa cocok untuk pengoperasian stasiun) adalah sumber daya alam yang tidak ada habisnya. Permukaan Bumi 94% tertutup air, 97% di antaranya asin, jadi akan selalu ada bahan bakar untuk stasiun semacam itu. Kedua, pembangunan pembangkit listrik osmotik tidak memerlukan konstruksi struktur hidrolik khusus. Ramah lingkungan dari metode pembangkit listrik ini. Tidak ada limbah, bahan tangki teroksidasi, asap berbahaya. Pembangkit listrik osmotik dapat dipasang bahkan di dalam kota tanpa menyebabkan kerusakan pada penghuninya.

Baru-baru ini, Jepang mengumumkan bahwa mereka berencana untuk menghasilkan energi menggunakan stasiun osmosis. Jepang dikelilingi di semua sisi oleh lautan, di mana banyak sungai mengalir. Karena terus menerus mengalir, maka proses pembangkitan listrik akan berlangsung terus menerus. Di antara keuntungan metode osmotik untuk memperoleh energi adalah kemandirian dari medan, stasiun akan dapat bekerja di dataran. Yang utama adalah kondisi geografis di mana pencampuran air tawar dan air asin terjadi. Dengan demikian, pembangkit listrik osmotik dapat dipasang di area mana pun di Jepang di mana sungai mengalir ke laut. Pabrik osmosis akan mampu menghasilkan 5-6 juta kW energi, dibandingkan dengan 5-6 pembangkit listrik tenaga nuklir, menurut Akihiko Tanioka, seorang profesor di Tokyo Technical University. Selain itu, Jepang adalah salah satu produsen utama membran osmotik. Sekarang perusahaan Jepang menyumbang 70% dari impor membran global.