Forscher von Penn State haben kürzlich ein neues hybrides System für erneuerbare Energien angekündigt, das aus dem Unterschied zwischen Süß- und Salzwasser eine beispiellose Menge Strom erzeugt.
Region, in der sich Süßwasser und Salzwasser in der Straße von Georgia treffen. [Bildquelle : Stephengg über Flickr ]
Das neue System führt zu einem realisierbaren System, das die Energie nutzt, aus der sich Süß- und Salzwasser in Küstenregionen treffen.
Stromerzeugung aus Salzgehaltsunterschieden
Wissenschaftler entwickeln ständig erneuerbare Technologien, die die Zukunft antreiben. Obwohl die häufigsten Arten der Erzeugung erneuerbarer Energie allgemein als Solar-, Wind-, Wasser- oder Gezeitentechnologie anerkannt sind, gibt es auch eine andere, etwas weniger bekannte Methode. In GewässernBei unterschiedlichen Salzkonzentrationen gibt es eine praktisch unerschlossene Energiequelle.
Wenn zwei Gewässer auf zwei unterschiedliche Salzgehalte treffen dh Salzwasser und Süßwasser, versuchen die Naturkräfte, die Salzkonzentration auszugleichen. Die Salzionen fließen aus dem Bereich hoher Konzentration in Bereiche niedrigerer Konzentration alsWasser mischt sich ständig. Schließlich gleicht sich der Gradient aus und die Konzentration bleibt identisch.
Obwohl die Auswirkungen eher banal sind, wenn zwei Gewässer Salzionen frei austauschen können.
Die Einführung einer semipermeablen Membran, die als Barriere zwischen den beiden Gewässern fungiert, kann den Effekt jedoch verstärken. Wenn der Wasserdurchfluss durchgelassen wird und gleichzeitig größere Salzionen daran gehindert werden, sich zu durchdringen, bildet sich eine einzigartige ArtDruck - formal bekannt als osmotischer Druck .
Wenn die Barriere angebracht ist, versucht das Wasser von der Süßwasserseite, die Salzkonzentrationen im anderen Teil auszugleichen. Da das Salz die Barriere jedoch nicht passieren kann, verbleibt es im selben Körper.
Auch wenn das Salz an Ort und Stelle bleibt, fließt das Süßwasser weiter in den Salzwasserkörper, wodurch der Salzwasseranteil steigt.
Beispiel einer Osmose zwischen zwei Gewässern mit unterschiedlichen Zuckerkonzentrationen. Der Flüssigkeitsgehalt steigt einseitig mit der Zugabe von Zucker an, wenn Süßwasser versucht, den Ausgleich zu erreichen ähnlich wie Salz. [Bildquelle : Wikimedia Commons ]
Osmotische Kraft: Eine ungenutzte erneuerbare Energiequelle
Auf der ganzen Welt gibt es viele Küstenregionen, in denen Süßwasser ins Meer fließt. Laut Penn State University ,
"Dieser Unterschied in der Salzkonzentration hat das Potenzial, genug Energie zu erzeugen, um sich zu treffen 40 Prozent des globalen Strombedarfs. "
Osmotische Kraft ist die Energie, die zwischen zwei Gewässern mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen verfügbar ist. Sie ist auch eine der bekanntesten ungenutzten Energiequellen der Welt. Überall dort, wo Süßwasser auf Salzwasser trifft, kann fast die Hälfte des weltweiten Strombedarfs erzeugt werden.
Forscher stehen jedoch vor der Herausforderung, ein effizientes Mittel zu finden, um seine Energie zu ernten.
Derzeit gibt es zwei bekannte Methoden, um Energie aus Salzwasser zu nutzen, einschließlich der Umkehrung. Elektrodialyse ROT und druckverzögerte Osmose PRO.
PRO-Systeme basieren speziell auf dem Fluss von Süßwasser zu Salzwasser durch eine Membran. Bei dieser Methode werden Süßwasser und Salzwasser zu einer großen semipermeablen Membran gepumpt. Vorwärtsosmosemembransystem erlaubt nur den Austausch von Wasser von der frischen Seite zum Salzwasserfluss. Dadurch steigt der Salzwasserdruck. Ein Turbinengenerator kann die Energie aus dem Druckwasser nutzen und in Elektrizität umwandeln.
Stromerzeugung aus druckverzögerter Osmose PRO. [Bildquelle : Wikipedia ]
Reverse Electrodialysis
Die zweite übliche Methode zur Stromentnahme aus Salzgradienten ist die Umkehrelektrodialyse ROT. Im Wesentlichen funktioniert ROT wie eine Salzbatterie.
In der Regel pumpen RED-Systeme Salzwasser in ein System mit zwei getrennten Ionenaustauschern. Einer lässt positives Natrium durch und der andere nur den Durchgang von negativ geladenem Chlor. Da Salz aus Chlor und Natrium besteht, ist es vorhandenist in den Ozeanen reichlich vorhanden.
Diagramm der umgekehrten Elektrodialyse. [Bildquelle : Endy Nugroho über SlideShare ]
Wechsel zwischen den Filtersätzen ist ein Wasserfluss, der den Konzentrationsunterschied erzeugt, der die Anionen und Kationen zwingt, durch die Membran zu fließen. Der Ladungsunterschied erzeugt eine Spannung zwischen den beiden Platten, die durch Ändern des Stroms in Elektrizität umgewandelt werden kannzu einer niedrigeren Salzkonzentration fließen.
Leider weisen beide Methoden schwerwiegende Nachteile auf.
Die Probleme bei der aktuellen osmotischen Stromerzeugung
PRO-Systeme basieren auf einem Netzwerk unglaublich kleiner Löcher, aus denen die Membran besteht. Partikel organische und anorganische setzen sich jedoch leicht in den kleinen Öffnungen ab. Bei allen Partikeln im Ozean ist es schwierig, einen großen Maßstab zu implementierenPRO-System. Darüber hinaus können PRO-Systeme den Kräften von supersalzhaltigem Wasser nicht standhalten.
Die Entwicklung einer kommerziellen Anlage ist mit der aktuellen Technologie sowohl kostspielig als auch weitgehend ineffizient.
„PRO ist bisher die beste Technologie in Bezug auf die Menge an Energie, die Sie herausholen können“ erklärt Gorski . “Das Hauptproblem bei PRO ist jedoch, dass die Membranen, die das Wasser durch Foul transportieren, auf ihnen wachsen oder Partikel auf ihren Oberflächen stecken bleiben und kein Wasser mehr durch sie transportieren.”
Bei RED-Technologien fließt nur das gelöste Salz durch die Ionenaustauschermembran - nicht durch das Wasser. Das System verhindert wirksamer das Verschmutzen der Membran. Dem System fehlt jedoch die Fähigkeit, erhebliche Mengen an Strom zu erzeugen.
Hybridisierungslösungen: Eine Revolution der erneuerbaren Energien
Eine Lösung mit einem Hybrid aus zwei Technologien kann als Antwort auf das verwirrende Problem dienen.
Ein Team von Wissenschaftlern der Penn State University entwickelte die Lösung durch Hybridisierung der RED- und CapMix-Technologien.
Ähnlich wie bei RED basiert CapMix auf Elektroden, die die Energie aus der Spannung erfassen, die bei zwei unterschiedlichen Ionenkonzentrationen entsteht. CapMix verwendet jedoch speziell den Unterschied im Salzgehalt, um anstelle des Chlor- und Natriumflusses eine Ladung zu erzeugen.
Damit das System funktioniert, fließt Salzwasser durch ein Rohr, in dem Membranen geladene Partikel extrahieren. Zwei Ladungen mit entgegengesetzter Kraft sammeln sich an. Anschließend wird eine salzarme Lösung eingeführt, die dazu führt, dass sich die Elektroden ins Wasser entladen und somit Elektrizität erzeugen.
CapMix-Stromversorgungssystem. [Bildquelle : Hatzell et al., Energy Environ. Sci. 7 über Penn State ]
Zwei für Eins
Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern eine Methode entwickelt, um die beiden Ideen zu verbinden. Das System generiert 1 2,6 Watt pro Quadratmeter wesentlich mehr als andere Salzgeneratoren.
„Durch die Kombination der beiden Methoden erhalten Sie viel mehr Energie“ sagt Gorski .
Eine speziell angefertigte Durchflusszelle trennt die Wasserkanäle durch eine Anionenaustauschermembran. Das System verwendet Kupferhexacyanoferrat als Elektrode mit Graphitfolie, um den Strom zu sammeln. Durch abwechselnden Durchfluss von Kochsalzlösung und Frischwasser wird die Energie freigesetzt und ermöglichtnutzbar gemacht werden.
„Es gibt zwei Dinge, die dafür sorgen, dass es funktioniert“, fügte Gorski hinzu. „Das erste ist, dass das Salz zu den Elektroden gelangt. Das zweite ist, dass das Chlorid über die Membran übertragen wird. Da beide Prozesse erzeugt werdenBei einer Spannung entsteht am Ende eine kombinierte Spannung an den Elektroden und an der Membran. “
Da sowohl die Salzkonzentration als auch der Fluss geladener Teilchen zur Energieerzeugung beitragen, hat das System wesentlich mehr als jeder andere Salzgenerator erzeugt. Es weist auch nicht die gleichen Probleme auf, die andere Systeme plagen.
Konzentrationsströmungszelle mit zwei Platten, die sie zusammenhalten. Röhren speisen das Systemsalz oder Süßwasser . [Bildquelle : Jennifer Matthews über Penn State ]
Eine vielversprechende Lösung
Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen, erweist sich jedoch als weitaus effizienter als andere Methoden.
Die Hybridtechnologie erzeugt wesentlich mehr als die anderen eigenständigen Techniken.
"At 12,6 Watt pro Quadratmeter Diese Technologie führt zu Spitzenleistungsdichten, die im Vergleich zu zuvor gemeldeten RED beispiellos hoch sind. 2,9 Watt pro Quadratmeter und auf Augenhöhe mit den maximal berechneten Werten für PRO 9,2 Watt pro Quadratmeter , aber ohne die Verschmutzungsprobleme. "Behauptet eine Penn State-Erklärung.
Derzeit untersuchen die Forscher die Stabilität der Elektroden über längere Zeiträume. Die Ergebnisse sind vielversprechend, die Technologie muss jedoch noch erheblich verfeinert werden, bevor sie für groß angelegte Experimente bereit ist.
Dennoch ist die Hybridtechnologie ein wesentlicher Schritt in die richtige Richtung in Richtung sauberer erneuerbarer Energien. Obwohl sie noch jung ist, erschließt sie eine völlig neue Energiequelle - eine, die eines Tages so viel Strom liefern könnte wie 40 Prozent des Energiebedarfs der Geisteswissenschaften.
Via Penn State
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Geschrieben von Maverick Baker