Исследователи оценили новый метод производства энергии, называемый осмосом с замедленным давлением (PRO), при котором два потока разной солености смешиваются для получения энергии. В принципе, система PRO может впитывать речную и морскую воду по обе стороны от полупроницаемой мембраны. Посредством осмоса вода из менее соленого потока будет проходить через мембрану на более соленую сторону с предварительным давлением, создавая поток, который можно направить через турбину для восстановления энергии.
Команда MIT разработала модель для оценки производительности и оптимальных размеров больших PRO-систем. В целом исследователи обнаружили, что чем больше мембрана системы, тем больше энергии может быть произведено — но только до определенного предела. Интересно, что 95 процентов максимальной выходной мощности системы можно вырабатывать, используя только половину или меньше максимальной площади мембраны.
Леонардо Банчик, аспирант факультета машиностроения Массачусетского технологического института, говорит, что уменьшение размера мембраны, необходимой для выработки энергии, в свою очередь, снизит значительную часть первоначальных затрат на строительство завода PRO.«Люди пытались выяснить, будут ли эти системы жизнеспособными на пересечении реки и моря», — говорит Банчик. «Вы можете сэкономить деньги, если определите область мембраны, за пределами которой доходность быстро уменьшается».
Банчик и его коллеги также смогли оценить максимальное количество вырабатываемой энергии, учитывая концентрацию солей в двух ручьях: чем выше соотношение солености, тем больше энергии может быть произведено. Например, они обнаружили, что смесь рассола, побочного продукта опреснения, и очищенных сточных вод может производить вдвое больше энергии, чем сочетание морской и речной воды.
Основываясь на своих расчетах, Банчик говорит, что система PRO потенциально может привести в действие прибрежную станцию очистки сточных вод, принимая морскую воду и объединяя ее с очищенными сточными водами для производства возобновляемой энергии.
«Здесь, в Бостонской гавани, на станции очистки сточных вод острова Дир, где сточные воды встречаются с морем… PRO теоретически может обеспечить всю мощность, необходимую для очистки», — говорит Банчик.Он и Джон Линхард, профессор воды и продуктов питания в Массачусетском технологическом институте Абдул Латифа Джамиля, а также Мостафа Шаркави из Университета нефти и минералов имени короля Фахда в Саудовской Аравии сообщают о своих результатах в Journal of Membrane Science.Обретение равновесия в природе
Команда основала свою модель на упрощенной системе PRO, в которой большая полупроницаемая мембрана разделяет длинный прямоугольный резервуар. Одна сторона резервуара забирает соленую морскую воду под давлением, а другая сторона — речную воду или сточные воды.
Благодаря осмосу мембрана пропускает воду, но не соль. В результате через мембрану проходит пресная вода, чтобы уравновесить более соленую сторону.
«Природа хочет найти равновесие между этими двумя потоками», — объясняет Банчик.Когда пресная вода поступает на более соленую сторону, она становится под давлением, увеличивая скорость потока на соленой стороне мембраны.
Эта смесь под давлением выходит из резервуара, и турбина извлекает энергию из этого потока.Банчик говорит, что в то время как другие моделировали энергетический потенциал систем PRO, эти модели в основном применимы для лабораторных систем, которые включают мембраны «размером с купон». Такие модели предполагают, что соленость и поток входящих потоков постоянны вдоль мембраны.
При таких стабильных условиях эти модели предсказывают линейную зависимость: чем больше мембрана, тем больше генерируется энергии.Но при прохождении через систему размером с электростанцию, говорит Банчик, соленость и поток потоков естественным образом изменятся. Чтобы учесть эту изменчивость, он и его коллеги разработали модель, основанную на аналогии с теплообменниками.
«Подобно тому, как радиатор в вашем автомобиле обменивается теплом между воздухом и охлаждающей жидкостью, эта система передает массу или воду через мембрану», — говорит Банчик. «В литературе есть метод определения размеров теплообменников, и мы позаимствовали эту идею».Исследователи разработали модель, с помощью которой они могли анализировать широкий диапазон значений размера мембраны, проницаемости и скорости потока. С помощью этой модели они наблюдали нелинейную зависимость между мощностью и размером мембраны для больших систем.
Вместо этого, когда площадь мембраны увеличивается, генерируемая мощность увеличивается до определенной точки, после чего она постепенно выравнивается. В то время как система может быть способна производить максимальное количество энергии при определенном размере мембраны, она также может производить 95 процентов мощности с мембраной вдвое меньшего размера.Тем не менее, если бы системы PRO обеспечивали электроэнергией очистную установку Дир-Айленда в Бостоне, размер мембраны установки был бы значительным — не менее 2,5 миллионов квадратных метров, что, как отмечает Банчик, является площадью мембраны крупнейшей действующей установки обратного осмоса в мире. Мир.
«Несмотря на то, что это кажется большим, умные люди придумывают, как упаковать много мембраны в небольшой объем», — говорит Банчик. «Например, некоторые конфигурации имеют спиральную намотку с плоскими листами, свернутыми, как бумажные полотенца, вокруг центральной трубки. Это все еще активная область исследований, чтобы выяснить, как будут выглядеть модули».
«Допустим, мы находимся в месте, где действительно можно использовать опресненную воду, например, в Калифорнии, которая переживает ужасную засуху», — добавляет Банчик. «Они строят опреснительную установку, которая будет располагаться прямо у моря, которая будет принимать морскую воду и давать калифорнийцам воду для питья. Она также будет производить более соленый рассол, который можно смешивать со сточными водами для производства энергии. Требуются дополнительные исследования. нужно сделать, чтобы увидеть, может ли это быть экономически жизнеспособным, но наука надежна ".
Эта работа финансировалась Университетом нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда через Центр чистой воды и чистой энергии и Национальным научным фондом.