Uczeni na całym świecie od lat dążą do opracowania technologii uzyskiwania energii z morza – z fal, pływów, prądów. Najnowsze osiągnięcie na tym polu należy do zespołu z Politechniki w Lozannie. Szwajcarscy badacze opracowali metodę uzyskiwania energii dzięki osmozie wody słonej i słodkiej.

Zjawisko osmozy polega na dyfuzji rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.

50 tysięcy żarówek

Osiągnięcie Szwajcarów polega na uzyskiwaniu energii osmotycznej dzięki wykorzystaniu różnicy zawartości soli w wodzie morskiej i słodkiej – na przykład w ujściach rzek do mórz i oceanów.

Jest to najmniej zaawansowana technologia spośród tych, które pozwalają uzyskiwać odnawialną energię z morza. Powodem tej słabości była mała wydajność błon niezbędnych w energetyce osmozowej.

Naukowcy z L'Ecole polytechnique federale de Lausanne (EPFL) stworzyli błonę grubości zaledwie trzech atomów. Według nich tego rodzaju membrana o powierzchni jednego metra kwadratowego może dostarczyć 1 MW energii – tyle zużywa 50 tys. energooszczędnych żarówek. Dotychczasowe osiągnięcia na tym polu to około 5 W z metra kwadratowego.

Szwajcarzy proponują uzyskiwanie energii elektrycznej w następujący sposób: gdy wodę słoną i słodką oddziela półprzepuszczalna błona, zachodzi zjawisko ciśnienia hydrostatycznego, ponieważ gęstość wody słonej i słodkiej jest inna. Powoduje to, że woda słodka przenika przez błonę. W rezultacie poziom wody słodkiej spada – w warunkach laboratoryjnych w zbiornikach, w warunkach naturalnych w akwenach. Ten spływ wody da się wykorzystać do wytwarzania elektryczności.

W ujściach rzek

Prace nad wykorzystaniem zjawiska osmozy do produkcji energii elektrycznej najbardziej zaawansowane są w Norwegii, Japonii i Stanach Zjednoczonych. Pracujący nad tym zagadnieniem uczeni szacują, że dzięki elektrowniom osmotycznym instalowanym w ujściach rzek do mórz można by zaspokoić dziesiątą część światowego zapotrzebowania na elektryczność.

Tego rodzaju instalacje powinny mieć ogromną przewagę nad instalacjami solarnymi i wiatrowymi, ponieważ nie zależą od pogody, pory dnia, zachmurzenia, siły wiatru. Niestety, dotychczas nie udawało się wytworzyć odpowiednich błon, używane w doświadczeniach przez wiele zespołów membrany są zbyt delikatne i mało wydajne.

Naukowcy z EFPL stworzyli bardzo wydajną błonę z dwusiarczku molibdenu, grubości trzech atomów. Dwusiarczek molibdenu jest powszechnie dostępny, wydobywany z naturalnych złóż molibdenitu. Może być też otrzymany bezpośrednio z molibdenu i siarki w wysokiej temperaturze i przy zmniejszonym ciśnieniu. Stosowany jest jako dodatek do smarów, katalizator, pokrycie pocisków – jako środek zmniejszający tarcie o lufę.

W membranie z tego materiału znajdują się nanopory, które umożliwiają jonom z roztworu bardziej gęstego przenikanie do roztworu rzadszego (z wody słonej do słodkiej). W tym samym czasie elektrony są kierowane do elektrody, aby wytwarzać energię elektryczną.

Szwajcarscy naukowcy poświęcili dużo czasu na optymalizację wielkości tych nanoporów. Jeśli są zbyt duże, mają tendencję do przepuszczania zbyt obfitego strumienia jonów, natomiast zbyt małe nie przepuszczają ich w dostatecznej ilości, aby produkcja prądu była na odpowiednim poziomie. Dlatego na razie eksperymenty z błoną z dwuwymiarowego grafenu, grubości jednego atomu węgla, nie przyniosły zadowalających rezultatów, ale prace w tym kierunku prowadzone są w EPFL bardzo intensywnie.

Metoda przyszłości

Połączenie osmozy i grafenu okazało się bardzo obiecujące w odsalaniu wody morskiej. Wody pitnej w skali świata brakuje. Rozwiązanie tego problemu zaproponowali inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology. Postulują zastosowanie błon z grafenu w procesie odwróconej osmozy.

Grafen, dwuwymiarowa warstwa grubości atomu węgla, ma pory o średnicy poniżej nanometra (jednej miliardowej metra). Symulacja komputerowa wykazała, że odsalanie wody przy użyciu takiej błony byłoby 100 razy tańsze od dotychczas stosowanych metod. Odsalanie nie jest skomplikowane, lecz energochłonne i kosztowne. Litr morskiej wody zawiera 35 g różnych soli. Według norm Światowej Organizacji Zdrowia woda jest przydatna do celów spożywczych, jeżeli zawartość soli w litrze nie przekracza 0,5 g. Współczesna technologia umożliwia osiągnięcie takiego poziomu. Początkowo najbardziej rozpowszechnione było destylowanie z wykorzystaniem gorącej pary – produktu ubocznego w elektrowniach.

Metoda odwróconej osmozy może wyprzeć destylację. Osmoza w naturze polega na przenikaniu wody przez błonę komórkową z roztworu o stężeniu mniejszym do roztworu o stężeniu większym. W technologii oczyszczania wody zachodzi zjawisko odwrotne, roztwór o stężeniu większym, woda słona, przeciskany jest przez błonę technologiczną, w ten sposób oczyszcza się i staje się roztworem o stężeniu mniejszym niż woda morska.