Сегодня мы поговорим об ещё одном интересном способе генерации электроэнергии — концентрационном, где электроэнергию можно извлекать за счёт разницы в концентрации ионов в жидкой среде.
Способ интересный, так как на земле достаточно большое количество самого известного жидкого растворителя и основы жизни — воды, которая, может быть использована ещё одним полезным для человека образом…
Для начала, надо сказать, что с момента открытия электричества, человечество разработало достаточно большое количество способов его добычи, где, например, целый ряд источников функционирует за счёт разницы в электрических потенциалах разных металлов, которые, будучи погружёнными в электролит, вызывают возникновение электрического тока и, чем больше разница потенциалов, тем больше ток можно добыть, при этом, отрицательный электрод остаётся целым, положительный — разрушается (растворяется).
Если кто не в курсе, то совсем недавно мы рассматривали любопытный вариант системы для предотвращения коррозии на основе этого принципа.
Тем не менее, практическая реализация такого принципа добычи электроэнергии подразумевает физическое разрушение одного из электродов, что сразу вводит ограничения, так как стоимость, относительно малая распространённость и трудность добычи металлов, поневоле заставляет задуматься о более дешёвых и более распространённых источниках (если мы говорим о разного рода гальванических элементах) — а что может быть проще и дешевле, чем растворы с разным содержанием солей?!
Тут сразу надо отметить, что здесь и далее мы будем рассматривать принцип создания специфических генераторов/ячеек тока, как одного из потенциально перспективных источников электропитания, который ещё не задействован в полной мере в мировой практике.
Считается, что в основе всех идей, получивших дальнейшее развитие по практическому использованию растворов разных концентраций, лежат работы британского физика и химика Ричарда Эдварда Паттла (R.E.Pattle), который в своих работах 1950-х* годов обосновал практическую возможность полезного использования растворов разных концентраций.
Самая известная его работа, которая, как считается, и «дала старт всему», — была опубликована в 1954 году в журнале Nature, под названием «Production Of Electric Power By Mixing Fresh And Salt Water In The Hydroelectric Pile» («Производство электроэнергии путем смешивания пресной и соленой воды в гидроэлектростанции»).
Но, чтобы понять суть его изобретения, нам нужно чуть-чуть углубиться в химию… Для этого, предположим, что мы в дистиллированной воде захотели растворить обычную поваренную соль — NaCl, и, соответственно, насыпали её в воду.
В ходе такого действия происходит развал кристаллической решётки (диссоциация) соли, и она распадается на положительно и отрицательно заряженные «ионы»: Na+ и Cl-.
Таким образом, в результате простого растворения поваренной соли в воде, мы имеем потрясающую и даже можно сказать замечательную вещь — натурально смесь зарядов разного знака! (не совсем, но утрированно, для простоты нашего дальнейшего понимания можно сказать так).
Почему изначально соль состояла из этих заряженных частиц: выше мы уже сказали, что компоненты формулы соли представляют собой «ионы» Na+ и Cl- и под этим подразумевается, что в ходе химической реакции, когда изначально была образована эта соль натрия, хлором был отобран один электрон у натрия, таким образом, изначально нейтральный атом натрия получил положительный заряд (так как наблюдается недостаток отрицательно заряженных электронов, что автоматически означает переход к положительному заряду), в то время как хлор, приобретя дополнительный электрон (то есть, приобретя дополнительный отрицательный заряд), становится заряжен отрицательно.
А как мы знаем, противоположности притягиваются, поэтому, эти атомы приобретают друг с другом связь — то есть образуется кристаллическая решётка, состоящая из изначально не нейтральных атомов, которые и называются ионами.
Попадание в условия растворителя, то есть воды, разрушает связь между этими «недоатомами», и кристаллическая решётка разваливается, в результате чего, мы имеем натуральный «суп» из положительных и отрицательных зарядов и растворителя.
Кстати, любопытный момент — существуют такие специально сконструированные учёными составы, называемые «ионными жидкостями» (например BMIM-PF6, EMIM-TFSI и т.д.), где растворитель отсутствует, а сама жидкость представлена только исключительно зарядами (т.е. ионами).
Забавно, что учёные, конструируя подобные жидкости, ориентируются на то, чтобы были подобраны настолько не сочетающиеся друг с другом положительные и отрицательные ионы, которые просто не могут при комнатной температуре сложиться в кристаллическую решётку и, по сути, представляют собой «расплав, сохраняющий жидкую форму при комнатной температуре».
Интересными свойствами подобных жидкостей является неспособность испаряться, а также отличное проведение электрического тока — в чём нет ничего странного, так как они по сути представляют собой «концентрированные заряды», если можно так сказать…
Кстати, несколько продолжая эту тему в познавательных целях, можно отметить, что если растворитель испарится, то соль вынужденно соберётся снова в кристаллическую решётку. Причём, что интересно, при желании, можно окончательно разорвать эту связь!
А как нам её разорвать? :-) А очень просто: нужно у одного отобрать лишний электрон, и отдать его другому (восстановить, так сказать, справедливость) — и поможет в этом электрический ток, пропускаемый сквозь раствор!
Теперь, думается, у вас всё сошлось, почему на одном электроде, при пропускании электрического тока через водный раствор поваренной соли, будет образовываться металлический натрий (правда ничего хорошего из этого не выйдет, и металлический натрий моментально разложится в водной среде), а на другом — газообразный хлор…;-)
Но это было так, небольшое отступление, для лучшего понимания, из которого нам нужно вынести всего лишь одну единственную вещь: мы имеем дело с раствором зарядов, который нейтрален, но может быть поляризован — то есть, можно при желании эти заряды просеять через своеобразное «сито» и развести их в стороны, после чего, соединить их «перемычкой» — то есть, с помощью некоего проводника организовать путь протекания электрического тока, на котором можно поставить нашу полезную нагрузку!
До начала рассмотрения нужно отметить тот факт, что два первых способа имеют нечто общее — в них нечто стремится перейти само собой из одного резервуара в другой:
В первом случае это вода (из менее солёного резервуара стремится перетечь в более солёный, чтобы разбавить);
Во втором случае это ионы — стремятся перейти из более солёной зоны — в менее солёную).
Осмотический метод является самым простым: по сути, это простое механическое создание давления.
Схема подобной установки выглядит примерно так:
Как можно видеть, морская вода подаётся в одну часть резервуара, разделённого пополам мембраной, где другая часть резервуара заполняется чистой водой.
Как уже было выше сказано, чистая вода стремится пересечь в резервуар с солёной водой, в результате чего, в половине с солёной водой увеличивается давление, где эта вода под давлением подаётся на турбину, которая уже механически и крутит электрогенератор.
Подобный способ генерации электроэнергии не является теоретической концепцией — в 2009 году в Норвегии была запущена экспериментальная установка подобного типа, которая впоследствии вышла на мощность в 25 МВт/ч (правда в 2014 году проект был свёрнут из-за высоких затрат; но теоретическую возможность он доказал на практике):
Установка развивала давление воды в районе 3 бар, хотя потенциал технологии позволял достичь гораздо большего (вплоть до 15 бар).
Предположительно, причиной завершения проекта явились не совсем технически совершенные мембраны, использованные для него, так как разработка подобного рода мембран ещё идёт и, даже в данный момент, нельзя сказать, что вопрос завершён в полной мере.
Обратный электродиализ представляет собой гораздо более интересную технологию, с той точки зрения, что здесь уже нет создания механических давлений и габаритных установок — вместо этого используется в чистом виде разделение зарядов.
В рамках реализации подобного принципа применяется сборка из чередующихся электродов, мембран и ёмкостей с высокосолёной и пресной водой.
Насколько мне удалось найти вот здесь (кстати, сама статья тоже довольно интересная, так что можете почитать), весьма упрощённо, выглядит установка следующим образом:
Суть в следующем: из резервуаров с солёной водой, ионы с положительными и отрицательными зарядами стремятся перейти в резервуар с пресной водой.
Но, на их пути стоят мембраны: одна мембрана пропускает только положительные заряды (катионообменная мембрана), а другая — только отрицательные (анионообменная мембрана).
Таким образом, получается, что резервуары с солёной водой постоянно теряют заряды одного знака, то есть, каждый из подобных резервуаров поляризуется.
Далее, подключив электроды к пластине в резервуаре, можно его использовать в качестве полюса источника питания!
А чтобы ионы постоянно стремились перетечь в пресную воду, ёмкости с пресной водой постоянно промываются потоком, чтобы не засаливались…
Генератор подобного типа тоже не является концепцией, так как в Нидерландах, в 2014 году была запущена тестовая установка подобного типа, на 50 кВт/ч, информацию о которой можно найти здесь.
Самым последним (по срокам разработки; лабораторно протестирован в 2009 году) среди мембранных методов является ёмкостной метод, заключающийся в том, что электроды подключаются к относительно слабому источнику тока, после чего, погружаются в солёный электролит, в результате их поверхность оказывается покрытой ионами противоположного знака, которые нейтрализуют заряд электрода.
Далее, источник питания отключается, электроды извлекаются из солёной воды и погружаются в пресную воду, где между ними возникает напряжение — так как они покрыты зарядами, извлечёнными из солёной воды — теперь, к электродам можно подключить полезную нагрузку…
Было выявлено, что на сбор зарядов (подавая напряжение питания в солёной воде) нужно затратить гораздо меньше энергии, чем при её извлечении в пресной воде (никакого «вечного двигателя» тут нет:-) и более подробное описание можно найти тут).
Подытоживая, можно сказать, что иногда даже совершенно неожиданные пути могут служить полезным образом, будучи не до конца использованными человечеством, и, использование солёной и пресной воды — один из них, который, кстати, называют одним из экологически наиболее чистых, и это естественно: всего лишь используются природные ресурсы, которые так или иначе вошли бы в смешение, а здесь человек пытается извлечь из этого пользу. Например, установив мембранную электростанцию в месте, где пресноводная река — втекает в море…
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
