Aktualności

Faktem jest, że w ciągu ostatnich stu lat ludzkość rozwinęła się naukowo i technicznie w zastraszającym tempie. Faktem jest również, że wraz z dynamicznym rozwojem gospodarczym i technologicznym nieubłaganie rośnie także nasza zależność od energii elektrycznej i zapotrzebowanie na nią. Jednocześnie świat stopniowo stara się odejść od paliw kopalnych – z roku na rok ich udział w światowej produkcji prądu spada na rzecz odnawialnych i bardziej ekologicznie przyjaznych źródeł energii.

W tym świetle, warto spojrzeć krytycznym okiem na alternatywne, jeszcze raczkujące metody produkcji energii elektrycznej, nad którymi obecnie pracują naukowcy, a które mają szansę na rychłe wejście na rynek. W tym materiale chciałbym się skupić na pozyskiwaniu energii z wody. A właściwie na bardzo konkretnej metodzie pozyskiwania z wody słonej tzw. błękitnej energii (lub inaczej: energii osmotycznej) oraz w jaki sposób nanotechnologia może nam w tym pomóc.

Czym jest błękitna energia? Trochę teorii

Wszędzie tam, gdzie czysta, słodka woda (np. rzeka) miesza się z wodą słoną (np. z morzem) możemy mówić o specyficznej, “darmowej” energii. Otóż z fizycznego (termodynamicznego) punktu widzenia, proces mieszania się – w tym konkretnym przypadku – soli w wodzie generuje tzw. swobodną energię mieszania Gibbsa. Ta energia równa się teoretycznie aż 3 kJ przy mieszaniu się jednego litra wody morskiej i słodkiej (rzeki) co przekłada się na 8 kWh [1] na litr mieszanej wody. To bardzo dużo, jeśli uświadomimy sobie ile naturalnych miejsc mieszania się rzek i mórz czy oceanów jest na świecie. Globalne szacunki, nawet te bardzo radykalne i ostrożne, mówią nawet o kilku tysiącach TWh rocznie [2-5], które są, teoretycznie na wyciągnięcie ręki.  Dla zobrazowania tej wartości: Polska zużyła w 2019 roku zaledwie 152 TWh energii, USA aż 4000 TWh). Światową dystrybucję energii elektrycznej na podstawie źródeł jej pozyskiwania, w wariantach bez udziału i z udziałem źródeł błękitnej energii prezentuje Rys. 1.

Rys. 1. Światowa dystrybucja produkcji energii elektrycznej w zależności od źródła bez i z udziałem źródeł błękitnej energii [6].

W jaki sposób więc możemy zamienić te teoretyczne wyliczenia na prawdziwą, namacalną energię elektryczną? Procesów odzyskiwania (tzw. konwersji) błękitnej energii na energię elektryczną jest wiele, jednakże w tym tekście chciałbym przybliżyć jedną konkretną metodę polegającą na kontrolowanym mieszaniu się cieczy przez specjalne, porowate membrany – odwróconą elektrodializę (RED – z ang. reverse electrodialysis).

Technika ta polega na wykorzystaniu półprzepuszczalnej membrany dzielącej zbiorniki z wodą słoną i wodą czystą. Sól, a dokładniej konkretne jony soli, przemieszczają się ze zbiornika o dużym zasoleniu do zbiornika wody czystej. Membrana jest przepuszczalna tylko dla jednego typu jonów (np. dla dodatnich jonów Na+ w przypadku soli NaCl), które są przy okazji nośnikami ładunków elektrycznych. Efektem jest spontaniczny przepływ ładunków elektrycznych z jednego zbiornika do drugiego przez membranę RED. Generowany w ten sposób ładunek można odzyskać elektrochemicznie dzięki elektrodom po obu stronach membrany, co działa podobnie jak konwencjonalna bateria elektryczna. W swojej książkowej definicji technologia RED zakłada również łączenie ze sobą selektywnych membran naprzemiennie w tzw. stacki w układzie: zbiornik wody słodkiej – membrana selektywna dla jonów dodatnich – woda słona – membrana selektywna dla jonów ujemnych – woda słodka – membrana jonów dodatnich itd. Im więcej takich stacków, tym więcej mocy możemy pozyskać z kaskad przepływu ładunków elektrycznych jednocześnie w obie strony [7,8] (patrz Rys. 2a).

Prototypowe elektrownie błękitnej energii bazujące na wykorzystaniu półprzepuszczalnych membran (Rys. 2b i c) powstają i są rozwijane w wielu miejscach na świecie (głównie w Norwegii, Japonii czy też Holandii) i, przynajmniej na stan z 2021 roku, ich opłacalność jest niewielka [9-13]. Koszty przetwarzania wody (pompowanie zbiorników, wstępna filtracja wody oraz inne, niezbędne do prawidłowego działania membran procesy) oraz niska efektywność samych membran są dużą przeszkodą dla szerokiego zastosowania tej technologii do produkcji prądu [14]. Może się to jednak rychło zmienić dzięki nanotechnologii.

Rys. 2. a) Schemat funkcjonowania modułu RED, b) uproszczony schemat prototypowej elektrowni błękitnej energii położonej w sąsiedztwie ujścia rzeki do morza oraz c) schemat typowego obiegu wody w takiej elektrowni. Moduł RED musi produkować energię elektryczną przewyższającą koszty pompowania i filtracji wody aby mógł być określony jako komercyjnie atrakcyjny. [15].

Nanotechnologia i nanomateriały 

Istota konwersji energii elektrycznej przy użyciu RED (w uproszczeniu) opiera się na jak najefektywniejszej selektywności dla jednego typu jonów (dodatnich lub ujemnych). I tak się składa, że im cieńsza membrana, tym selektywność jest większa. W przypadku membran o grubości jednego lub kilku atomów, ta selektywność pozwala w skali laboratoryjnej osiągnąć efektywność od kilku kW do 1 MW (!) energii pozyskanej z metra kwadratowego membrany [16]. Dla wyjaśnienia skali; energia ta wystarczy na pełne zaspokojenie potrzeb energetycznych statystycznego domostwa [17]. A to całkiem sporo jak na zaledwie metr kwadratowy cienkiej folii i wiaderko soli w wodzie.

Zestawiając eksperymentalne, nanomembranowe generatory prądu z konwencjonalnymi, grubymi membranami widoczny jest znaczny wzrost mocy [18]. Same nanomembrany RED rozwijane są obecnie głównie na bazie warstw grafenu (0,3 nm grubości) oraz dwusiarczku molibdenu (MoS2, 0,6 nm grubości). Żeby uzyskać selektywność dla jonów, membrany muszą być porowate, zwykle z nanoporami o średnicy od 4 do 10 nm.Poniżej tego zakresu transport jonów przez membranę jest ograniczony, powyżej – następuje utrata selektywności i tym samym nie jest generowany prąd). Gęstość nanoporów ściśle wpływa na efektywność wytwarzania energii elektrycznej i musi być ściśle kontrolowana przy produkcji membran. Niestety, obecnie wytwarzanie tak precyzyjnych membran, zwłaszcza na większą skalę, stanowi technologiczne wyzwanie z uwagi na konieczność dostępu do nowoczesnej aparatury naukowo-badawczej.

W celu wytworzenia nanomembran, zwykle nanomateriał umieszczany jest na podkładzie wykonanym z krzemu oraz warstwy azotku krzemu (SiNx) a następnie poddawany jest procesowi wytwarzania nanoporów. Typowymi procesami wytwarzania nanomembran (patrz Rys. 3) są: reaktywne trawienie jonowe w procesie nanolitografii (a), drążenie nanoporów przy pomocy wiązki elektronów (b) lub jonów (c), poszerzanie i trawienie obecnych w materiale defektów przy pomocy elektrochemicznego trawienia w roztworze soli (d) lub trawienia plazmowego (e) a także kontrolowane bombardowanie i dziurawienie membrany ciężkimi jonami (f). Kandydatami na nanomembrany są materiały takie jak monowarstwy grafenu (g), funkcjonalizowane płatki grafenu (h) lub nanomateriały z grupy chalkogenków metali przejściowych, jak np. dwusiarczek molibdenu (f).

Rys 3. Przykładowe nanomembrany RED i ich metody wytwarzania [18].

Wspomniana technologia jest na bardzo wczesnym etapie rozwoju. Mimo, iż wytwarzanie cienkich warstw nanomateriałów nie jest ekonomicznie i technologicznie tak wielką przeszkodą jaką była parę lat temu, to same membrany są aktywnie rozwijane i badane pod kątem towarzyszących im zjawisk fizycznych oraz maksymalizacji osiągów. Nadal pozostaje sporo problematycznych kwestii wymagających rozwiązań zanim będzie można mówić o komercyjnym zastosowaniu RED. Mechaniczna wytrzymałość tak cienkich i w dodatku mocno porowatych membran sprawia, że urządzenie jest niezwykle delikatne. Zatykanie (np. osadzanie się minerałów na membranie) porów w wodzie morskiej jest fundamentalnym problemem funkcjonowania porowatych membran [19,20] i zwykle wymaga sporych nakładów energetycznych przy wstępnej filtracji wody przed membraną,. To znacznie obniża opłacalność generowanego prądu. Wreszcie same procesy technologiczne i wytwarzanie nanoporowatych membran wymagają optymalizacji pod kątem wielkoskalowej fabrykacji i przemysłowych, komercyjnych rozwiązań [18].

Mimo to, pomysł pozyskiwania energii elektrycznej ze słonej wody jest bardzo atrakcyjnym konceptem. Generowanie prądu z mieszania się wody słodkiej i słonej nie generuje zanieczyszczeń. rządzenia RED są bezpieczne, nie ma zagrożenia nanotoksykologicznego czy chemicznego. Mówi się o ich potencjalnych zastosowaniach nie tylko jako konwencjonalnych elektrowni tam, gdzie rzeki wpadają do morza, ale również w lokacjach tzw. hipersłonych jezior (np. Morze Martwe), które są świetnym źródłem błękitnej energii. Ich zasolenie przewyższa koncentrację soli w morzu o rzędy wielkości, tym samym mnożąc potencjał energii, którą można z takiego roztworu odzyskać [18].

Sam fakt, że nanogeneratory RED nie mają ruchomych części powoduje, iż mogą być kompaktowe i stosowane w zwyczajnych, miejskich środowiskach.  Błękitną energię można pozyskiwać również tam, gdzie produkuje się, np. jako ściek, wodę słoną (przemysł tekstylny, przetwórczy czy żywnościowy). Kolejnym pomysłem jest wykorzystanie silnie skoncentrowanego źródła jonów soli i wykorzystanie nanogeneratorów jako niewielkich baterii, zdolnych do zasilania nano- i mikrourządzeń, MEMSów, czy też urządzeń tak egzotycznych jak eksperymentalne, autonomiczne mikroroboty.

Jak zostało wcześniej wspomniane, technologie generowania prądu elektrycznego oparte o nanotechnologię RED są na wczesnym stadium rozwoju i mają na tym etapie swoje ograniczenia. Wydają się jednak bardzo interesującym kierunkiem rozwoju branży alternatywnych źródeł energii a także technologii wykorzystujących nanomateriały i nanoinżynierię. Zwłaszcza, że jest to kierunek rozwoju, który być może w przyszłości stanie się realną odpowiedzią na problemy paliw kopalnych i nieodnawialnych źródeł energii.

Dla zainteresowanych tematem zapraszamy do zapoznania się ze źródłami, w szczególności z przeglądami naukowymi [19] i [20] dla szerszego kontekstu naukowego oraz gospodarczego obecnie rozwijanych technologii błękitnej energii oraz przeglądem [18], który skupia się na szczegółowej dyskusji na temat nanomateriałów w technologii RED.

Literatura

1. Yip, N. Y. & Elimelech, M. Thermodynamic and energy efficiency analysis of power generation from natural salinity gradients by pressure retarded osmosis. Environ. Sci. Technol. 46, 5230–5239 (2012).

2. Isaacs, J. D. & Seymour, R. J. The ocean as a power resource. Int. J. Environ. Stud. 4, 201–205 (1973).

3. Schaetzle, O. & Buisman, C. J. N. Salinity gradient energy: current state and new trends. Engineering 1, 164–166 (2015).

4. Alvarez-Silva, O. A., Osorio, A. F. & Winter, C. Practical global salinity gradient energy potential. Renew. Sustain. Energy Rev. 60, 1387–1395 (2016).

5. Tomabechi, K. Energy resources in the future. Energies 3, 686–695 (2010).   Ali, A., Tufa, R. A., Macedonio, F., Curcio, E. & Drioli, E. Membrane technology in renewable-energy-driven desalination. Renew. Sustain. Energy Rev. 81, 1–21 (2018).

6. Ali et al, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018.

7. Hong, J. G. et al. Potential ion exchange membranes and system performance in reverse electrodialysis for power generation: a review. J. Membr. Sci. 486, 71–88 (2015).

8. Mei, Y. & Tang, C. Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: a review. Desalination 425, 156–174 (2017)

9. Klaysom, C., Cath, T. Y., Depuydt, T. & Vankelecom, I. F. J. Forward and pressure retarded osmosis: potential solutions for global challenges in energy and water supply. Chem. Soc. Rev. 42, 6959–6989 (2013).

10. Kurihara, M. & Hanakawa, M. Mega-ton Water System: Japanese national research and development project on seawater desalination and wastewater reclamation. Desalination 308, 131–137 (2013).

11. Drioli, E., Ali, A., Quist-Jensen, C. A. & Macedonio, F. Water, energy and minerals from the sea. Presented at the 2016 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research (ACEM16) (2016).

12. Tedesco, M. et al. Performance of the first reverse electrodialysis pilot plant for power production from saline waters and concentrated brines. J. Membr. Sci. 500, 33–45 (2016).

13. Tedesco, M., Cipollina, A., Tamburini, A. & Micale, G. Towards 1 kW power production in a reverse electrodialysis pilot plant with saline waters and concentrated brines. J. Membr. Sci. 522, 226–236 (2017).

14. Straub, A. P., Deshmukh, A. & Elimelech, M. Pressure-retarded osmosis for power generation from salinity gradients: is it viable? Energy Environ. Sci. 9, 31–48 (2016).

15. Logan B.E., Elimelech M. Membrane-based processes for sustainable power generation using water Nature, 488 (2012).

16. Feng, J. et al. Single-layer MoS2 nanopores as nanopower generators. Nature 536, 197–200 (2016).

17. https://www.eia.gov/

18. Macha, M., Marion, S., Nandigana, V.V.R. et al. 2D materials as an emerging platform for nanopore-based power generation. Nat Rev Mater 4, 588–605 (2019).

19. Cipollina, A. & Micale, G. Sustainable Energy from Salinity Gradients (Woodhead Publishing, 2016).

20. Yip, N. Y., Brogioli, D., Hamelers, H. V. M. & Nijmeijer, K. Salinity gradients for sustainable energy: primer, progress, and prospects. Environ. Sci. Technol. 50, 12072–12094 (2016).