განახლებად ენერგიაზე ფიქრისას მაშინვე მახსენდება ქარის, მზის, ტალღების და ტალღების ენერგია და მოწყობილობები, რომლებიც მათ გარდაქმნის არის ქარის ელექტროსადგურები, მზის ფოტოელექტრული გადამყვანები, ჰიდროტურბინები, რომლებიც დღეს უკვე ცნობილია. ეს ყველაფერი უკვე მასიურად გამოიყენება მთელ მსოფლიოში. მაგრამ განახლებადი ენერგიის წყაროების სია ამით არ მთავრდება. არსებობს ენერგიის წარმოების სხვა სახეობა, რომელიც ჯერ კიდევ არ არის გავრცელებული, მაგრამ ეს მომავლის საქმეა - ეს არის ოსმოსური ენერგია.

ახლახან ცნობილი გახდა ნორვეგიაში მსოფლიოში პირველი ელექტროსადგურის გაშვების შესახებ, რომელიც საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ენერგია მტკნარ წყალში მარილის კონცენტრაციის სხვაობიდან. ელექტროენერგიის წარმოება ხორციელდება ოსმოსის ფენომენის შედეგად. სადგური მდებარეობს ნორვეგიის დედაქალაქ ოსლოს მახლობლად, ოსლოს ფიორდის სანაპიროზე. სამშენებლო ინვესტორი იყო ნორვეგიული ენერგეტიკული კომპანია Statkraft, რომელიც არის ენერგორესურსების სიდიდით მესამე მწარმოებელი სკანდინავიის რეგიონში, ასევე განახლებადი ენერგიის წყაროებზე დაფუძნებული ენერგიის უმსხვილესი მწარმოებელი ევროპაში. ეს სიახლე გახდა ამ სტატიის დაწერის მიზეზი.

რა არის ოსმოსური ენერგია?

ოსმოსური ენერგია არის ოსმოსის შედეგად მიღებული ენერგია, ან, როგორც შეიძლება ითქვას, გამხსნელის ნაკლებად კონცენტრირებული ხსნარიდან უფრო კონცენტრირებულ ხსნარში დიფუზიის პროცესის შედეგად.

Wikipedia.org-ის მიხედვით, ოსმოსის ფენომენი შეინიშნება იმ გარემოში, სადაც გამხსნელის მობილურობა უფრო მეტია, ვიდრე ხსნადი ნივთიერებების მობილურობა. ოსმოსის მნიშვნელოვანი განსაკუთრებული შემთხვევაა ოსმოსი ნახევრად გამტარი მემბრანის მეშვეობით. ნახევრად გამტარ მემბრანებს უწოდებენ, რომლებსაც აქვთ საკმარისად მაღალი გამტარიანობა არა ყველასთვის, არამედ მხოლოდ ზოგიერთი ნივთიერებისთვის, კერძოდ, გამხსნელისთვის.

ოსმოზი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ბიოლოგიურ პროცესებში. მისი წყალობით უჯრედში საკვები ნივთიერებები ხვდება და პირიქით - არასაჭიროები იხსნება. ოსმოსის საშუალებით მცენარის ფოთლები შთანთქავს ტენიანობას.

ოსმოსური ენერგია ეხება განახლებად წყაროს, რომელიც, მზის ან ქარისგან განსხვავებით, გამოიმუშავებს ენერგიის პროგნოზირებად და მდგრად რაოდენობას ამინდის მიუხედავად. და ეს არის ამ ტექნოლოგიის ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა.

რატომ არ იყენებდნენ ოსმოსს ადრე ენერგიის წარმოებისთვის, მაგრამ მხოლოდ ახლა?

მთავარი სირთულე მდგომარეობს გამოყენებული მემბრანების ეფექტურობასა და ღირებულებაში. ეს არის დაბრკოლება. ელექტროენერგია იწარმოება გენერატორებში, რომლებიც იკვებება მარილიანი წყლით ავზებიდან, სადაც შერეულია სუფთა და მარილიანი წყალი. რაც უფრო სწრაფად მიმდინარეობს შერევის პროცესი, რაც უფრო სწრაფად მიეწოდება წყალი ტურბინებს, მით მეტი ენერგიის მიღება შეიძლება.

ოსმოსის გამოყენებით ენერგიის წარმოების იდეა გასული საუკუნის 70-იან წლებში გაჩნდა. მაგრამ მაშინ მემბრანები ჯერ კიდევ არ იყო საკმარისად ეფექტური, როგორც დღეს.

ოსმოსური ელექტროსადგური ნორვეგიაში

აშენებული ექსპერიმენტული ელექტროსადგური იყენებს მარილის კონცენტრაციის განსხვავებას მტკნარ და მარილიან წყალში. ზღვისა და მდინარის წყალი იგზავნება გარსით გამოყოფილ კამერაში. ოსმოსის ფენომენის გამო, მოლეკულები მიდრეკილნი არიან გადავიდნენ კამერის რეგიონში, სადაც გახსნილი ნივთიერებების, ამ შემთხვევაში მარილის კონცენტრაცია უფრო მაღალია. ეს პროცესი იწვევს მარილის წყლის განყოფილებაში მოცულობის ზრდას. შედეგად წარმოიქმნება გაზრდილი წნევა, რომელიც ქმნის 120 მეტრის სიმაღლის წყლის სვეტის ზემოქმედების ტოლფას წნევას. ეს წნევა ეგზავნება ტურბინას, რომელიც ბრუნავს გენერატორს.

აშენებული ელექტროსადგური იყენებს მემბრანას 2-3 ვტ/მ2 ეფექტურობით. ამიტომ, მთავარი ამოცანაა უფრო ეფექტური მემბრანების პოვნა. მკვლევარების აზრით, იმისთვის, რომ ოსმოსური ენერგიის გამოყენება სასარგებლო იყოს, საჭიროა 5 ვტ/მ2-ზე მეტი მემბრანის ეფექტურობის მიღწევა.

ახლა სადგური დიდ ენერგიას არ გამოიმუშავებს - 4 კვტ. სამომავლოდ იგეგმება სიმძლავრის მუდმივი გაზრდა. Ststkraft გეგმავს სადგურის თვითშენარჩუნების დონემდე მიყვანას 2015 წლისთვის.

მინუსებში შედის ის ფაქტი, რომ ყველგან ასეთი ელექტროსადგურის აშენება შეუძლებელია. ყოველივე ამის შემდეგ, ამას ერთდროულად სჭირდება წყლის ორი წყარო - სუფთა და მარილიანი. ამიტომ მშენებლობა შეუძლებელია კონტინენტის სიღრმეში, მაგრამ მხოლოდ მარილიანი წყლის წყაროს მახლობლად სანაპიროებზე. სამომავლოდ იგეგმება მემბრანების შექმნა, რომლებიც გამოიყენებენ მარილის კონცენტრაციის განსხვავებას მხოლოდ ზღვის წყალში.

კიდევ ერთი მინუსი არის სადგურის ეფექტურობა, რომელიც პირველ რიგში დაკავშირებულია გამოყენებული გარსების ეფექტურობასთან.

სადგურის ამოცანაა, ძირითადად, მომავალში კომერციული აპლიკაციების ტექნოლოგიების კვლევა და განვითარება. ეს ნამდვილად წინგადადგმული ნაბიჯია. ბოლოს და ბოლოს, ოსმოსური ენერგიის მსოფლიო პოტენციალი, Statkraft-ის მიხედვით, ყოველწლიურად 1600-1700 ტვტ/სთ ენერგიად არის შეფასებული, რაც ევროკავშირში მთლიანი ენერგიის წარმოების 50 პროცენტის ექვივალენტურია.

ჯერჯერობით მსოფლიოში ოსმოსური ელექტროსადგურის მხოლოდ ერთი მოქმედი პროტოტიპი არსებობს. მაგრამ მომავალში ასობით მათგანი იქნება.

ოსმოსური ელექტროსადგურის მუშაობის პრინციპი

ელექტროსადგურის ფუნქციონირება ეფუძნება ოსმოსურ ეფექტს - სპეციალურად შექმნილი მემბრანების თვისებას მხოლოდ გარკვეული ნაწილაკების გავლა. მაგალითად, ორ კონტეინერს შორის დავამონტაჟებთ მემბრანას და ერთში ჩავასხამთ გამოხდილ წყალს, მეორეში კი მარილიან ხსნარს. წყლის მოლეკულები თავისუფლად გაივლის მემბრანაში, მაგრამ მარილის ნაწილაკები არა. და რადგან ასეთ სიტუაციაში სითხეები დაბალანსდება, მალე მტკნარი წყალი გრავიტაციით გავრცელდება ორივე კონტეინერში.

თუ ხსნარების კომპოზიციებში განსხვავება ძალიან დიდია, მაშინ მემბრანის მეშვეობით სითხის ნაკადი საკმაოდ ძლიერი იქნება. მის გზაზე ჰიდროტურბინის დაყენებით შესაძლებელია ელექტროენერგიის გამომუშავება. ეს არის ოსმოსური ელექტროსადგურის უმარტივესი დიზაინი. ამ დროისთვის მისთვის ოპტიმალური ნედლეული არის მარილიანი ზღვის წყალი და მტკნარი მდინარის წყალი - განახლებადი ენერგიის წყაროები.

ამ ტიპის ექსპერიმენტული ელექტროსადგური აშენდა 2009 წელს ნორვეგიის ქალაქ ოსლოს მახლობლად. მისი შესრულება დაბალია - 4 კვტ ან 1 ვტ 1 კვ.მ. გარსები. უახლოეს მომავალში ეს მაჩვენებელი 1 კვ.მ-ზე 5 ვტ-მდე გაიზრდება. 2015 წლისთვის ნორვეგიელები აპირებენ ააშენონ კომერციული ოსმოსის ელექტროსადგური, რომლის სიმძლავრე იქნება დაახლოებით 25 მეგავატი.

ამ ენერგიის წყაროს გამოყენების პერსპექტივები

IPS-ის მთავარი უპირატესობა სხვა ტიპის ელექტროსადგურებთან შედარებით არის უკიდურესად იაფი ნედლეულის გამოყენება. სინამდვილეში, ის უფასოა, რადგან პლანეტის ზედაპირის 92-93% დაფარულია მარილიანი წყლით, ხოლო მტკნარი წყლის მიღება ადვილია იგივე ოსმოსური წნევის მეთოდით სხვა ინსტალაციაში. ზღვაში ჩამავალი მდინარის შესართავთან ელექტროსადგურის დაყენებით, ნედლეულის მიწოდებასთან დაკავშირებული ყველა პრობლემა ერთი დარტყმით მოგვარდება. IPS-ის მუშაობისთვის კლიმატური პირობები არ არის მნიშვნელოვანი - სანამ წყალი მიედინება, სამონტაჟო სამუშაოები.

ამასთან, არ იქმნება ტოქსიკური ნივთიერებები - გამოსასვლელში წარმოიქმნება იგივე მარილიანი წყალი. ECO აბსოლუტურად ეკოლოგიურად სუფთაა, ის შეიძლება დამონტაჟდეს საცხოვრებელ ადგილებთან ახლოს. ელექტროსადგური არ აზიანებს ველურ ბუნებას და მისი მშენებლობისთვის არ არის საჭირო მდინარეების გადაკეტვა კაშხლებით, როგორც ეს არის ჰიდროელექტროსადგურების შემთხვევაში. და ელექტროსადგურის დაბალი ეფექტურობა ადვილად ანაზღაურდება ასეთი დანადგარების მასობრივი ბუნებით.

ოსმოსის ფენომენი ინდუსტრიული მასშტაბით გამოიყენება 40 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში. მხოლოდ ეს არ არის Abbé Nolle-ის კლასიკური პირდაპირი ოსმოზი, არამედ ეგრეთ წოდებული საპირისპირო ოსმოზი - გამხსნელის შეღწევის ხელოვნური პროცესი კონცენტრირებული ხსნარში განზავებულ ხსნარში წნევის გავლენის ქვეშ, რომელიც აღემატება ბუნებრივ ოსმოსურ წნევას. ეს ტექნოლოგია 1970-იანი წლების დასაწყისიდან გამოიყენებოდა დეზალიზაციისა და გამწმენდ ქარხნებში. მარილიანი ზღვის წყალი შეჰყავთ სპეციალურ მემბრანაზე და, მისი ფორების გავლით, მოკლებულია მინერალური მარილების მნიშვნელოვან ნაწილს, და ამავე დროს ბაქტერიებს და ვირუსებსაც კი. მარილიანი ან დაბინძურებული წყლის ამოტუმბვას დიდი ენერგია სჭირდება, მაგრამ თამაში სანთლად ღირს - პლანეტაზე ბევრი რეგიონია, სადაც სასმელი წყლის დეფიციტი მწვავე პრობლემაა.

ძნელი დასაჯერებელია, რომ მხოლოდ ორი ხსნარის კონცენტრაციის განსხვავებამ შეიძლება შექმნას სერიოზული ძალა, მაგრამ ეს ასეა: ოსმოსურ წნევას შეუძლია ზღვის წყლის დონე 120 მ-ით აწიოს.

ოსმოსური წნევის ელექტრულ ენერგიად გადაქცევის ექსპერიმენტებს 1970-იანი წლების დასაწყისიდან ატარებდნენ სხვადასხვა სამეცნიერო ჯგუფი და კომპანია. ამ პროცესის პრინციპული სქემა აშკარა იყო: მტკნარი (მდინარის) წყლის ნაკადი, რომელიც შეაღწევს მემბრანის ფორებს, ზრდის წნევას ზღვის წყლის ავზში, რითაც საშუალებას აძლევს ტურბინას დატრიალდეს. ნარჩენი მლაშე წყალი შემდეგ ზღვაში ჩადის. ერთადერთი პრობლემა ის იყო, რომ კლასიკური მემბრანები PRO (წნევის შეფერხებული ოსმოზი) იყო ძალიან ძვირი, კაპრიზული და არ უზრუნველყოფდა საჭირო ნაკადის ძალას. საქმეები 1980-იანი წლების ბოლოს დაიწყო, როდესაც ნორვეგიელმა ქიმიკოსებმა ტორლეიფ ჰოლტმა და თორ ტორსენმა SINTEF ინსტიტუტიდან შეასრულეს დავალება.

სქემატურ სურათებზე ოსმოსური მემბრანა კედელად არის დახატული. სინამდვილეში, ეს არის რულონი, რომელიც ჩასმულია ცილინდრულ სხეულში. მის მრავალშრიან სტრუქტურაში ერთმანეთს ენაცვლება მტკნარი და მარილიანი წყლის ფენები.

Loeb-ის მემბრანებს სჭირდებოდათ კლინიკური ხარისხი მაქსიმალური შესრულების შესანარჩუნებლად. გამწმენდი სადგურის მემბრანული მოდულის დიზაინი ითვალისწინებდა პირველადი უხეში ფილტრის და მძლავრი ტუმბოს სავალდებულო არსებობას, რომელიც ანადგურებდა ნამსხვრევებს მემბრანის სამუშაო ზედაპირიდან.

ჰოლტმა და ტორსენმა, გააანალიზეს ყველაზე პერსპექტიული მასალების მახასიათებლები, აირჩიეს იაფი მოდიფიცირებული პოლიეთილენი. მათმა პუბლიკაციებმა სამეცნიერო ჟურნალებში მიიპყრო Statcraft-ის ყურადღება და ნორვეგიელი ქიმიკოსები მიიწვიეს ენერგეტიკული კომპანიის ეგიდით მუშაობის გასაგრძელებლად. 2001 წელს Statcraft-ის მემბრანულმა პროგრამამ მიიღო სახელმწიფო გრანტი. მიღებული თანხები გამოიყენეს სუნდალსიორში ექსპერიმენტული ოსმოსური ერთეულის ასაგებად, მემბრანის ნიმუშების შესამოწმებლად და მთლიანად ტექნოლოგიის შესამოწმებლად. მასში აქტიური ზედაპირის ფართობი ოდნავ აღემატებოდა 200 მ2-ს.

განსხვავება მტკნარი და ზღვის წყლის მარილიანობას (მეცნიერული თვალსაზრისით, მარილიანობის გრადიენტს) შორის არის ოსმოსური ელექტროსადგურის მუშაობის ძირითადი პრინციპი. რაც უფრო დიდია ის, მით უფრო მაღალია მემბრანაზე მოცულობა და დინების სიჩქარე და, შესაბამისად, ჰიდროტურბინის მიერ გამომუშავებული ენერგიის რაოდენობა. ტოფტში მტკნარი წყალი გრავიტაციით მიედინება გარსისკენ, ოსმოსის შედეგად, მეორე მხარეს ზღვის წყლის წნევა მკვეთრად იზრდება. ოსმოსის ძალა კოლოსალურია - წნევამ შეიძლება აწიოს ზღვის წყლის დონე 120 მ-ით.

გარდა ამისა, შედეგად განზავებული ზღვის წყალი მიედინება წნევის დისტრიბუტორის მეშვეობით ტურბინის პირებზე და, რაც მათ მთელ ენერგიას აძლევს, ზღვაში ჩადის. წნევის დისტრიბუტორი იღებს ნაკადის ენერგიის ნაწილს, ატრიალებს ტუმბოებს, რომლებიც ტუმბოს ზღვის წყალს. ამრიგად, შესაძლებელია მნიშვნელოვნად გაიზარდოს სადგურის ეფექტურობა. რიკ სტოვერი, Energy Recovery-ის მთავარი ტექნოლოგი, რომელიც აწარმოებს ასეთ მოწყობილობებს მარილიანი ქარხნებისთვის, შეფასებით, რომ დისტრიბუტორების ენერგიის გადაცემის ეფექტურობა 98%-მდეა. ზუსტად იგივე მოწყობილობები ხელს უწყობს სასმელი წყლის მიწოდებას საცხოვრებელ კორპუსებში.

როგორც Skillhagen აღნიშნავს, იდეალურ შემთხვევაში, ოსმოსური ელექტროსადგურები უნდა იყოს შერწყმული დემარილიზაციის სადგურებთან - ამ უკანასკნელში ნარჩენი ზღვის წყლის მარილიანობა 10-ჯერ აღემატება ბუნებრივ დონეს. ასეთ ტანდემში ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა მინიმუმ ორჯერ გაიზრდება.

ტოფტში სამშენებლო სამუშაოები 2008 წლის შემოდგომაზე დაიწყო. ვაკანტური საწყობი ქირავდებოდა Sódra Cell-ის მერქნის ქარხნის ტერიტორიაზე. პირველ სართულზე ბადისა და კვარცის ფილტრების კასკადი მოეწყო მდინარისა და ზღვის წყლის გასაწმენდად, მეორე სართულზე კი სამანქანო ოთახი. იმავე წლის დეკემბერში განხორციელდა მემბრანული მოდულების და წნევის დისტრიბუტორის აწევა და მონტაჟი. 2009 წლის თებერვალში, მყვინთავების ჯგუფმა ყურის ფსკერზე ორი პარალელური მილსადენი გაუშვა - სუფთა და ზღვის წყლისთვის.

ზღვის წყლის მიღება ტოფტში 35-დან 50 მ-მდე სიღრმიდან ხორციელდება - ამ ფენაში მისი მარილიანობა ოპტიმალურია. გარდა ამისა, იქ ის ბევრად უფრო სუფთაა, ვიდრე ზედაპირზე. მაგრამ, ამის მიუხედავად, სადგურის გარსები საჭიროებს რეგულარულ გაწმენდას ორგანული ნარჩენებისგან, რომლებიც ბლოკავს მიკროფორებს.

2009 წლის აპრილიდან ელექტროსადგური საცდელ რეჟიმში მუშაობდა და ნოემბერში, პრინცესა მეტ-მარიტის მსუბუქი ხელით, სრულად ამოქმედდა. Skillhagen ირწმუნება, რომ Tofte-ს შემდეგ Statcraft-ს ექნება სხვა მსგავსი, მაგრამ უფრო მოწინავე პროექტები. და არა მარტო ნორვეგიაში. მისი თქმით, ფეხბურთის მოედნის ზომის მიწისქვეშა კომპლექსს შეუძლია უწყვეტად მიაწოდოს ელექტროენერგია მთელ ქალაქს, სადაც 15000 ინდივიდუალური სახლია. უფრო მეტიც, ქარის წისქვილებისაგან განსხვავებით, ასეთი ოსმოსური ინსტალაცია პრაქტიკულად ჩუმია, არ ცვლის ჩვეულებრივ ლანდშაფტს და არ მოქმედებს ადამიანის ჯანმრთელობაზე. და ბუნება თავად იზრუნებს მასში მარილისა და მტკნარი წყლის მარაგების შევსებაზე.

სათაურში შეცდომა არ არის, არა "სივრციდან", არამედ "ოსმოსიდან".

ყოველდღე ვრწმუნდებით, რომ გარშემორტყმული ვართ განახლებადი ენერგიის ყველაზე მოულოდნელი წყაროებით. მზის, ქარის, დინებისა და ტალღების გარდა, გენერატორები, რომლებიც მარილზე მუშაობენ, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად - უფრო სწორად, იმ განსხვავებით, რასაც ის ქმნის მტკნარ და ზღვის წყალს შორის. ამ განსხვავებას მარილიანობის გრადიენტს უწოდებენ და ოსმოსის ფენომენის წყალობით, მისი გამოყენება შესაძლებელია ჭარბი სითხის წნევის მისაღებად, რომელიც გარდაიქმნება ელექტროენერგიად ჩვეულებრივი ტურბინებით.

მარილიანობის გრადიენტის ენერგიის ელექტროენერგიად გადაქცევის რამდენიმე გზა არსებობს. დღეს ყველაზე პერსპექტიული არის ოსმოსის დახმარებით გარდაქმნა, ამიტომ მარილიანობის გრადიენტის ენერგიას ხშირად ოსმოსის ენერგიად მოიხსენიებენ. მაგრამ ფუნდამენტურად შესაძლებელია მარილიანობის გრადიენტის ენერგიის გარდაქმნის სხვა გზებიც.

ოსმოსის ფენომენი შემდეგია. თუ აიღებთ ნახევრად გამტარ მემბრანას (მემბრანას) და მოათავსებთ მას დანაყოფად ჭურჭელში სუფთა და მარილიან წყალს შორის, მაშინ ოსმოსური ძალები დაიწყებენ, თითქოსდა, მტკნარი წყლის მარილ წყალში გადატუმბვას. მტკნარი წყლის მოლეკულები გამყოფი მემბრანაში გაივლის მარილიანი წყლით სავსე ჭურჭლის მეორე ნახევარში, ხოლო მემბრანა არ დაუშვებს მარილის მოლეკულებს პირველ ნახევარში სუფთა წყლით. ამ თვისებისთვის მემბრანას ნახევრად გამტარს უწოდებენ. ამ პროცესის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია ვლინდება გაზრდილი წნევის სახით, რომელიც წარმოიქმნება ჭურჭლის მარილიანი წყლის ნაწილში. ეს არის ოსმოსური წნევა (ზოგჯერ ოსმოსურ ჩანჩქერსაც უწოდებენ). ოსმოსური წნევის მაქსიმალური მნიშვნელობა არის წნევის სხვაობა ხსნარს (ანუ მარილიან წყალს) და გამხსნელს (ანუ მტკნარ წყალს) შორის, რომლის დროსაც ჩერდება ოსმოზი, რაც ხდება ნახევრად გამტარი მემბრანის ორივე მხარეს წნევის თანასწორობის ფორმირების გამო. შედეგად მიღებული გაზრდილი წნევა ჭურჭლის ნახევარში მარილიან წყალთან ერთად აბალანსებს ოსმოსურ ძალებს, რომლებმაც აიძულა მტკნარი წყლის მოლეკულები ნახევრად გამტარი მემბრანის გავლით მარილიან წყალში.

ოსმოსის ფენომენი დიდი ხანია ცნობილია. ის პირველად ა.პოდლომ დააფიქსირა 1748 წელს, მაგრამ დეტალური შესწავლა დაიწყო საუკუნეზე მეტი ხნის შემდეგ. 1877 წელს W. Pfeffer-მა პირველად გაზომა ოსმოსური წნევა ლერწმის შაქრის წყალხსნარების შესწავლისას. 1887 წელს ვანტ ჰოფმა პფეფერის ექსპერიმენტების საფუძველზე დაადგინა კანონი, რომელიც განსაზღვრავს ოსმოსურ წნევას გამხსნელის კონცენტრაციისა და ტემპერატურის მიხედვით. მან აჩვენა, რომ ხსნარის ოსმოსური წნევა რიცხობრივად უდრის იმ წნევას, რომელსაც მოახდინეს გამხსნელი ნივთიერების მოლეკულები, თუ ისინი იყვნენ აირისებრ მდგომარეობაში ტემპერატურისა და კონცენტრაციის იგივე მნიშვნელობებზე.

ოსმოსური ენერგიის მისაღებად საჭიროა არსებობდეს მარილის დაბალი კონცენტრაციის წყარო მეტ-ნაკლებად კონცენტრირებულ ხსნართან. მსოფლიო ოკეანის პირობებში ასეთი წყაროა მასში ჩაედინება მდინარეების პირები.

ოსმოსური წნევით გამოთვლილი მარილიანობის გრადიენტის ენერგია არ ექვემდებარება კარნოს ციკლთან დაკავშირებულ ეფექტურობის შეზღუდვებს; ეს არის ამ ტიპის ენერგიის ერთ-ერთი დადებითი თვისება. საკითხავია, როგორ გადავიტანოთ ის ელექტროენერგიად.

მსოფლიოში პირველი ელექტროსადგური, რომელიც იყენებს ოსმოსს ელექტროენერგიის წარმოებისთვის, ახლახან გაიხსნა ნორვეგიაში. ელექტროსადგურის ამჟამინდელი პროტოტიპი მუშაობაში მხოლოდ მარილისა და მტკნარი წყლის გამოყენებით გამოიმუშავებს 2-4 კილოვატს, თუმცა მომავალში ეს მაჩვენებელი მნიშვნელოვნად გაიზრდება.ენერგიის წარმოებისთვის ნორვეგიული კომპანია Statkraft-ის მიერ აშენებული სადგური იყენებს ოსმოსის ფენომენი, ანუ ხსნარების გადაადგილება მემბრანის გავლით მარილის მაღალი კონცენტრაციის მხარეს. იმის გამო, რომ მარილების კონცენტრაცია ჩვეულებრივ ზღვის წყალში უფრო მაღალია, ვიდრე მტკნარ წყალში, მემბრანით გამოყოფილ მტკნარ და მარილიან წყალს შორის ვითარდება ოსმოსის ფენომენი და წყლის ნაკადის მოძრაობა იწვევს ტურბინას ენერგიის გამომუშავებას. უკვე გაშვებული პროტოტიპი მცირეა და შეადგენს ორ-ოთხ კილოვატ საათს. როგორც Stein-ის პროექტის მენეჯერმა ერიკ სკილჰაგენმა განმარტა, კომპანიას არ ჰქონდა მიზანი დაუყოვნებლივ აეშენებინა სამრეწველო მასშტაბის ელექტროსადგური, უფრო მნიშვნელოვანი იყო იმის ჩვენება, რომ ეს ტექნოლოგია პრინციპში შეიძლება გამოიყენებოდეს ენერგეტიკულ სექტორში. , აღნიშნავს Statkraft ვებსაიტზე. ინჟინრების გათვლებით, დღეს შესაძლებელია 1700 კილოვატი საათში სიმძლავრის ოსმოსური ელექტროსადგურის აშენება. ამავდროულად, ენერგიის ალტერნატიულ წყაროებზე - მზის ან ქარის სხვა სადგურებისგან განსხვავებით, ამინდი არ იმოქმედებს სადგურის მუშაობაზე. არსებული პროტოტიპის სიმძლავრე საკმარისია იმისთვის, რომ ელექტროენერგიით უზრუნველყოს მხოლოდ ყავის მწარმოებელი, მაგრამ 2015 წლისთვის Statkraft იმედოვნებს, რომ ააშენებს ელექტროსადგურს, რომელიც ელექტროენერგიით ამარაგებს სოფელს, სადაც 10000 კერძო სახლია.

წინ გამოწვევებს შორის არის უფრო ენერგოეფექტური მემბრანების ძიება. მათთვის, ვინც გამოიყენება ჰურუმში სადგურზე, რომელიც მდებარეობს ოსლოდან სამხრეთით 60 კილომეტრში, ეს მაჩვენებელი არის 1 ვტ/მ2. გარკვეული პერიოდის შემდეგ, Statkraft გაზრდის სიმძლავრეს 2-3 ვატამდე, მაგრამ ეკონომიური დონის მისაღწევად, თქვენ უნდა მიაღწიოთ 5 ვატს.

ოსმოსი (ბერძნული სიტყვიდან Osmos - ბიძგი, წნევა), ნივთიერების, ჩვეულებრივ გამხსნელის, დიფუზია ნახევრად გამტარი მემბრანის მეშვეობით, რომელიც ჰყოფს ხსნარს და სუფთა გამხსნელს ან სხვადასხვა კონცენტრაციის ორ ხსნარს. ნახევრად გამტარი მემბრანა - დანაყოფი, რომელიც საშუალებას აძლევს გამხსნელის მცირე მოლეკულებს გაიარონ, მაგრამ გაუვალია გამხსნელის დიდი მოლეკულებისთვის. ოსმოსის ფენომენი (ნახევრად გამტარი მემბრანით გამოყოფილი ხსნარების კონცენტრაციის გათანაბრება) საფუძვლად უდევს ყველა ცოცხალი ორგანიზმის მეტაბოლიზმს. მაგალითად, მცენარეების, ცხოველებისა და ადამიანების უჯრედის კედლები არის ბუნებრივი მემბრანა, რომელიც ნაწილობრივ გამტარია, რადგან თავისუფლად აძლევს წყლის მოლეკულებს გავლის საშუალებას, მაგრამ არა სხვა ნივთიერებების მოლეკულებს. როდესაც მცენარის ფესვები შთანთქავს წყალს, მათი უჯრედის კედლები ქმნიან ბუნებრივ ოსმოსურ მემბრანას, რომელიც წყლის მოლეკულებს საშუალებას აძლევს გაიარონ და მინარევების უმეტესობა უარყოფილია. მწვანილი და ყვავილები თავდაყირა დგას მხოლოდ ე.წ ოსმოსური წნევის გამო. ამიტომ, წყლის ნაკლებობით, ისინი გამომშრალი და ლეთარგიულად გამოიყურებიან. ბუნებრივი მემბრანის ფილტრაციის უნარი უნიკალურია, ის წყლისგან ნივთიერებებს მოლეკულურ დონეზე გამოყოფს და ეს არის ის, რაც საშუალებას აძლევს ნებისმიერ ცოცხალ ორგანიზმს არსებობდეს.

მემბრანების გამოყენება ხსნარის ერთი კომპონენტის მეორისგან გამოსაყოფად ცნობილია ძალიან დიდი ხნის განმავლობაში. პირველში არისტოტელემ აღმოაჩინა, რომ ზღვის წყალი ცვილის ჭურჭლის კედლებში გავლისას ხდება დემარილირება. ამ ფენომენისა და სხვა მემბრანული პროცესების შესწავლა დაიწყო გაცილებით გვიან, მე-18 საუკუნის დასაწყისში, როდესაც რიუმურმა გამოიყენა ბუნებრივი წარმოშობის ნახევრად გამტარი გარსები სამეცნიერო მიზნებისთვის. მაგრამ გასული საუკუნის 20-იანი წლების შუა პერიოდისთვის ყველა ეს პროცესი წმინდა თეორიულ ინტერესს იწვევდა და არ სცილდებოდა ლაბორატორიებს. 1927 წელს გერმანულმა კომპანიამ „სარტორიუსმა“ მიიღო ხელოვნური მემბრანების პირველი ნიმუშები. და მხოლოდ გასული საუკუნის შუა ხანებში ამერიკელმა დეველოპერებმა დაიწყეს ცელულოზის აცეტატისა და ნიტროცელულოზის მემბრანების წარმოება. 1950-იანი წლების ბოლოს და 1960-იანი წლების დასაწყისში, სინთეზური პოლიმერული მასალების ფართო წარმოების დაწყებით, გამოჩნდა პირველი სამეცნიერო ნაშრომები, რომლებმაც საფუძველი ჩაუყარეს საპირისპირო ოსმოსის ინდუსტრიულ გამოყენებას.

პირველი სამრეწველო საპირისპირო ოსმოსის სისტემები გამოჩნდა მხოლოდ 1970-იანი წლების დასაწყისში, ასე რომ, ეს შედარებით ახალგაზრდა ტექნოლოგიაა იმავე იონის გაცვლასთან ან ადსორბციასთან შედარებით გააქტიურებულ ნახშირბადზე. ამასთან, დასავლეთის ქვეყნებში, საპირისპირო ოსმოზი გახდა წყლის გაწმენდის ერთ-ერთი ყველაზე ეკონომიური, მრავალმხრივი და საიმედო მეთოდი, რომელიც საშუალებას გაძლევთ შეამციროთ კომპონენტების კონცენტრაცია წყალში 96-99% -ით და თითქმის თავიდან აიცილოთ მიკროორგანიზმები და ვირუსები. 100%. ოსმოსური მემბრანის მეშვეობით წყლის მოლეკულების გადაცემის მექანიზმი ყველაზე ხშირად ჩვეულებრივი ფილტრაციაა, რომლის დროსაც ფოროსმოტული მემბრანის დიამეტრზე დიდი ნაწილაკები ინახება. ასეთი მემბრანის ორივე მხარეს კონცენტრაციების გათანაბრება შესაძლებელია მხოლოდ გამხსნელის ცალმხრივი დიფუზიით. ამიტომ, ოსმოზი ყოველთვის გადადის სუფთა გამხსნელიდან ხსნარში, ან განზავებული ხსნარიდან კონცენტრირებულ ხსნარში. კერძოდ, ოსმოსის ფენომენი შეინიშნება, როდესაც ორი მარილის ხსნარი სხვადასხვა კონცენტრაციით გამოყოფილია ნახევრად გამტარი მემბრანით. ეს მემბრანა საშუალებას აძლევს გარკვეული ზომის მოლეკულებს და იონებს გაიარონ, მაგრამ ემსახურება როგორც ბარიერს უფრო დიდი მოლეკულების მქონე ნივთიერებებისთვის. ამრიგად, წყლის მოლეკულებს შეუძლიათ მემბრანაში შეღწევა, მაგრამ წყალში გახსნილი მარილის მოლეკულები არა. თუ ნახევრად გამტარი მემბრანის მოპირდაპირე მხარეს არის მარილის მარილის ხსნარები სხვადასხვა მარილის კონცენტრაციით, წყლის მოლეკულები მემბრანაში გადავა სუსტად კონცენტრირებული ხსნარიდან უფრო კონცენტრირებულ ხსნარში, რაც იწვევს ამ უკანასკნელში სითხის დონის მატებას. ოსმოსის ფენომენის საშუალებით მემბრანაში წყლის შეღწევის პროცესი შეინიშნება მაშინაც კი, როდესაც ორივე ხსნარი ერთნაირი გარეგანი წნევის ქვეშ იმყოფება. სხვადასხვა კონცენტრაციის ორი ხსნარის დონეების სიმაღლეში განსხვავება პროპორციულია იმ ძალისა, რომლითაც წყალი გადის მემბრანაში. ამ ძალას ეწოდება "ოსმოსური წნევა". Ზე ბრინჯი. 23.1.მოცემულია დიაგრამა, რომელიც ასახავს ოსმოსის ფენომენს.

ბრინჯი. 23.1.

ოსმოსური ელექტროსადგურის მუშაობის პრინციპი ეფუძნება ოსმოსური წნევის ფორმირებას. იმ ადგილებში, სადაც მდინარე მიედინება ზღვაში, მტკნარი მდინარის წყალი უბრალოდ ერევა მარილიან ზღვის წყალს და არ არსებობს წნევა, რომელიც შეიძლება გახდეს ენერგიის წყარო. ამასთან, თუ შერევამდე ზღვის წყალი და მტკნარი წყალი გამოყოფილია ფილტრით - სპეციალური მემბრანა, რომელიც საშუალებას აძლევს წყალს გაიაროს, მაგრამ არ გაივლის მარილს, მაშინ შეიძლება განხორციელდეს ხსნარების სურვილი თერმოდინამიკური წონასწორობისთვის და კონცენტრაციების გათანაბრება. მხოლოდ იმის გამო, რომ წყალი შეაღწევს მარილის ხსნარში, ხოლო მარილი მტკნარ წყალში არ შედის. ორ ავზს შორის მოთავსებულია სპეციალური მემბრანა, რომელიც წყალს საშუალებას აძლევს გაიაროს, მაგრამ მარილის მოლეკულებისთვის გაუვალია. ერთი მათგანი ივსება მტკნარი წყლით, მეორე კი მარილიანი წყლით. ვინაიდან ასეთი სისტემა ბალანსისკენ მიდრეკილია, უფრო მარილიანი წყალი წყალსაცავიდან გამოაქვს მტკნარ წყალს. თუ ეს ხდება დახურულ ავზში, მაშინ ჭარბი ჰიდროსტატიკური წნევა წარმოიქმნება ზღვის წყლის მხრიდან. ამავდროულად, ჩნდება წნევა, ქმნის წყლის ნაკადს. თუ ახლა ჩვენ დავაყენებთ ტურბინას გენერატორით, ზედმეტი წნევა მოაბრუნებს ტურბინის პირებს და გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას. ბრინჯი. 23.2.ნაჩვენებია ოსმოსური სადგურის გამარტივებული დიაგრამა. ამ ნახ.: 1 - ზღვის წყალი; 2 მდინარის წყალი; 3 - ფილტრები; 4 - მემბრანა; 5 - სამუშაო პალატა; 6 - ნარჩენი მდინარის წყლის გამომუშავება; 7 - ტურბინა ელექტრო გენერატორით; 8 - გამომავალი.

ბრინჯი. 23.2.

თეორიული განვითარება ამ სფეროში ჯერ კიდევ მე-20 საუკუნის დასაწყისში გამოჩნდა, მაგრამ მთავარი, რაც აკლდა მათ განხორციელებას, იყო შესაფერისი ოსმოსური მემბრანა. ასეთ მემბრანას უნდა გაუძლო წნევა 20-ჯერ აღემატება ჩვეულებრივი საყოფაცხოვრებო წყლის მიწოდების წნევას და ჰქონდეს ძალიან მაღალი ფორიანობა. მსგავსი თვისებების მქონე მასალების შექმნა შესაძლებელი გახდა სინთეზური პოლიმერების წარმოების ტექნოლოგიების შემუშავებით. მართლაც, ეფექტური მემბრანის სისქე დაახლოებით 0,1 მიკრომეტრია. შედარებისთვის: ადამიანის თმის დიამეტრი 50-დან 100 მიკრომეტრამდეა. ეს არის ყველაზე თხელი ფილმი, რომელიც საბოლოოდ გამოყოფს ზღვის წყალს მტკნარი წყლისგან. ნათელია, რომ ასეთი თხელი მემბრანა თავისთავად ვერ გაუძლებს მაღალ ოსმოსურ წნევას. ამიტომ, იგი გამოიყენება ფოროვან ღრუბლისმაგვარ, მაგრამ უკიდურესად გამძლე ფუძეზე. სხვათა შორის, პირდაპირი ოსმოსის მემბრანა არ არის თხელი კედელი, რომელიც დახატულია გამარტივებულ დიაგრამებზე, არამედ ცილინდრულ სხეულში ჩასმული გრძელი რულონი. კორპუსთან შეერთება ხდება ისე, რომ რულონის ყველა ფენაში მემბრანის ერთ მხარეს ყოველთვის არის სუფთა წყალი, ხოლო მეორე მხარეს ზღვის წყალი, როგორც ნაჩვენებია ბრინჯი. 23.3.ამ ნახ.: 1 - მტკნარი წყალი; 2 - ზღვის წყალი; 3 - მემბრანა. Ზე ბრინჯი. 23.4.ნაჩვენებია ლითონის კოლოფში მოთავსებული გარსის მოწყობილობა, ცილინდრული ფორმის. ამ ნახ.: 1 - მტკნარი წყალი; 2 - ზღვის წყალი; 3 - მემბრანა; 4 - ლითონის საქმე. ამჟამად გამოყენებულ კომპოზიციურ მემბრანებს შეუძლიათ მნიშვნელოვნად შეამცირონ ჰიდროდინამიკური წინააღმდეგობა. მათში თხელი სელექციური ფენა ქიმიურად დეპონირებულია ფოროვან ბაზაზე (სუბსტრატზე). სელექციური ფენის სისქეა 0,1-1,0 მკმ, ხოლო ფოროვანი ფუძის სისქე 50-150 მკმ. ფართო ფორების გამო სუბსტრატი პრაქტიკულად არ ქმნის ნაკადის წინააღმდეგობას, ხოლო სელექციური ფენის წინააღმდეგობა მნიშვნელოვნად მცირდება მისი სისქის მნიშვნელოვანი შემცირების გამო. ზოგადად, მემბრანის კომპოზიტური სტრუქტურა უზრუნველყოფს მექანიკურ სიმტკიცეს იმის გამო

ბრინჯი. 23.3.

ბრინჯი. 23.4.

ფოროვანი სუბსტრატის სისქე და გარდა ამისა, იგი საშუალებას იძლევა შემცირდეს მემბრანის საერთო წინააღმდეგობა შერჩევითი ფენის სიმკვრივის გამო. საპირისპირო ოსმოსის მემბრანების შერჩევითი ფენა დამზადებულია პოლიამიდური მასალისგან.

ნახ. 23.ს. ნაჩვენებია ოსმოსური სადგურის მოწყობილობა, ის იყენებს ნაგლინ გარსებს.

ამ ნახ.: 1 - ზღვის წყლის შეყვანა; 2 - მდინარის წყლის შეყვანა; 3 - ფილტრები; 4 - როლი გარსები; 5 - დალუქული კამერა მაღალი ოსმოსური წნევით; 6- ტურბინა ელექტრო გენერატორით.

2009 წელს ნორვეგიაში, ტოფტში, მსოფლიოში პირველმა ელექტროსადგურმა დაიწყო ფუნქციონირება, რომელიც გამოიყენებდა ზღვისა და მტკნარ წყალს შორის მარილიანობის განსხვავებას ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად. აშენებულ ოსმოსურ ელექტროსადგურში, ზღვის წყლის განყოფილებაში, იქმნება წნევა, რომელიც უდრის 120 მეტრი სიმაღლის წყლის სვეტის წნევას. ეს წნევა ამოძრავებს ტურბინის ლილვს, რომელიც დაკავშირებულია ელექტრო გენერატორთან. მტკნარი წყალი გრავიტაციით მიედინება გარსისკენ. ზღვის წყლის მიღება ტოფტში ხორციელდება 35-დან 50 მეტრამდე სიღრმეზე - ამ ფენაში მისი მარილიანობა ოპტიმალურია. გარდა ამისა, იქ ის ბევრად უფრო სუფთაა, ვიდრე ზედაპირზე. მაგრამ, ამის მიუხედავად, სადგურის გარსები საჭიროებს რეგულარულ გაწმენდას ორგანული ნარჩენებისგან, ბლოკავს მის მიკროფორებს. დღეისათვის ეს ოსმოსური სადგური დაახლოებით 1 კვტ ენერგიას გამოიმუშავებს. უახლოეს მომავალში ეს მაჩვენებელი შესაძლოა 2-4 კვტ-მდე გაიზარდოს. იმისათვის, რომ წარმოების მომგებიანობაზე ვისაუბროთ, აუცილებელია

ბრინჯი. 23.5.ოსმოსური სადგური ნაგლინი მემბრანებით

მიიღეთ დაახლოებით 5 კვტ სიმძლავრე. თუმცა, ეს ძალიან რეალური გამოწვევაა. 2015 წლისთვის იგეგმება დიდი ელექტროსადგურის აშენება, რომელიც გამოიმუშავებს 25 მგვტ სიმძლავრეს, რომელიც ელექტროენერგიას მიაწვდის საშუალოდ 10 000 ოჯახს. სამომავლოდ, ვარაუდობენ, რომ ოსმოსური ელექტროსადგურები გახდებიან ისეთი ძლიერი, რომ შეძლებენ წელიწადში 1700 ტვატის წარმოებას, რამდენსაც ამჟამად ევროპის ნახევარი აწარმოებს.

ოსმოსური სადგურების უპირატესობები. ჯერ ერთი, მარილიანი წყალი (ჩვეულებრივი ზღვის წყალი შესაფერისია სადგურის მუშაობისთვის) ამოუწურავი ბუნებრივი რესურსია. დედამიწის ზედაპირი 94% დაფარულია წყლით, რომლის 97% მარილიანია, ამიტომ ასეთი სადგურებისთვის საწვავი ყოველთვის იქნება. მეორეც, ოსმოსური ელექტროსადგურების მშენებლობა არ საჭიროებს სპეციალური ჰიდრავლიკური კონსტრუქციების მშენებლობას. ელექტროენერგიის გამომუშავების ამ მეთოდის გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობა. არ არის ნარჩენები, დაჟანგული სატანკო მასალები, მავნე ორთქლი. ოსმოსური ელექტროსადგურების დამონტაჟება შესაძლებელია ქალაქის შიგნითაც კი, მის მცხოვრებთათვის ზიანის მიყენების გარეშე.

ცოტა ხნის წინ იაპონიამ გამოაცხადა, რომ აპირებს ენერგიის წარმოებას ოსმოსის სადგურების გამოყენებით. იაპონია ყველა მხრიდან გარშემორტყმულია ოკეანეით, რომელშიც მრავალი მდინარე მოედინება. იმის გამო, რომ ისინი მუდმივად მიედინება, ელექტროენერგიის გამომუშავების პროცესი უწყვეტი გახდება. ენერგიის მიღების ოსმოსური მეთოდის უპირატესობებს შორის არის რელიეფისგან დამოუკიდებლობა, სადგურს შეეძლება დაბლობზე მუშაობა. მთავარია გეოგრაფიული პირობები, რომლებშიც ხდება მტკნარი და მარილიანი წყლის შერევა. ამრიგად, ოსმოსური ელექტროსადგურების დამონტაჟება შესაძლებელია იაპონიის ნებისმიერ რაიონში, სადაც მდინარეები ოკეანეში ჩაედინება. ტოკიოს ტექნიკური უნივერსიტეტის პროფესორის, აკიჰიკო ტანიოკას თქმით, ოსმოსის ქარხანა 5-6 მილიონი კვტ ენერგიის გამომუშავებას შეძლებს 5-6 ატომური ელექტროსადგურის შედარებით. გარდა ამისა, იაპონია არის ოსმოსური მემბრანების ერთ-ერთი მთავარი მწარმოებელი. ახლა იაპონური კომპანიების წილი გლობალური მემბრანის იმპორტის 70%-ს შეადგენს.