Energija osmoze
    Subota, 01 Lipanj 2019 12:15

    Energija osmoze

    Međunarodni tim znanstvenika, u čijem su radu sudjelovali i hrvatski fizičari dr. sc. Aleksandra Rađenović i dr. sc. Andraš Kiš s École Polytechnique Fédéralede Lausanne (EPFL) u Švicarskoj, u Natureu najprestižnijem znanstvenom časopisu svijeta, objavio je izuzetno zanimljiv rad koji predstavlja važan proboj u razvoju relativno nepoznate, ali vrlo obećavajuće vrste obnovljive energije utemeljene na osmozi. Ova bi se energija mogla proizvoditi na utocima rijeka u mora gdje postoji razlika u koncentracijama soli u vodi. Procjenjuje se da bi se u svijetu tom tehnologijom moglo ostvarivati oko dva teravata izvora čiste energije koliko se proizvodi u oko 2000 prosječnih nuklearnih reaktora. Za ilustraciju o kakvim je energijama riječ, spomenimo da prema podacima organizacije World Nuclear Association, u svijetu trenutno radi 437 civilnih reaktora, a još 66 ih je u izgradnji. Jedini 'otpad' koji stvara taj izvor je boćata voda.

    Kako proces osmoze stvara energiju?
    Osmoza je načelno proces prolaska otapala kroz polupropusnu membranu iz područja njegove više koncentracije u područje niže koncentracije. Budući da je membrana propusna na otapalo, ali ne i na otopljenu tvar, molekule otapala teže difuziji iz otopine s nižom koncentracijom otopljene tvari (hipotonična otopina) u otopinu s višom koncentracijom (hipertonična otopina), kako bi se koncentracije s obje strane membrane izjednačile. Prijelaz otapala na drugu stranu membrane stvara razliku tlakova, a ona je potencijalni izvor energije. No postoje i polupropusne membrane koje propuštaju otopljene tvari (poput iona nekih soli) iz područja njihove veće koncentracije u područje niže koncentracije. Ovakav proces osmoze može biti izvor električne energije. Trenutno postoje dvije praktično primjenjive metode za dobivanje energije osmozom koje se temelje na ova dva različita procesa.

    U prvoj, prema već spomenutom principu, voda niskog saliniteta prolazi kroz polupropusnu membranu u spremnik vode visokog saliniteta čime se u drugom spremniku podiže tlak i pokreće turbina. Ovu metodu 70-ih je razvio profesor Sidney Loeb u SAD-u. U to vrijeme još nije bio planiran njezin ozbiljan razvoj zbog niske cijene električne energije i niske učinkovitosti metode. Prvu elektranu na osmozu koja stvara tlak pokrenula je Norveška 2009. godine. Primarna svrha te elektrane - prototipa bila je tek istraživanje i razvoj tehnologije jer je njezina instalirana snaga iznosila samo 10 kW. Zbog procjene da se daljnja ulaganja neće isplatiti, Norveška je svoja istraživanja u Toftu obustavila 2013. Glavna prepreka za stvaranje komercijalne elektrane na principu stvaranja osmotskog tlaka jest činjenica da je učinkovitost polupropusne membrane u toj tehnologiji trenutno oko 1 W po četvornom metru. Stručnjaci se nadaju da bi do 2020. možda mogli dosegnuti učinkovitost od 5 W.

    Druga metoda, poznata kao reverzna elektrodijaliza (RED), temelji se na drugom spomenutom procesu – na razmjeni iona kroz polupropusnu, električno nabijenu membranu na kojoj se nalaze nanopore. Ovom metodom, čiji sustav funkcionira kao baterija, postignuta je značajno veća učinkovitost. Godine 2013. francuski su znanstvenici uspjeli stvoriti 1000 W po četvornom metru. No naši znanstvenici, zajedno sa svojim kolegama iz Švicarske i SAD-a, u Natureu su predstavili tehnologiju koja bi mogla imati još mnogo veću učinkovitost – čak 1 MW po četvornom metru!

    Kako funkcionira RED?
    U metodi RED, koju je unaprijedio naš tim, koriste se dva spremnika vode odvojena membranom na kojoj su raspoređene nanopore. U prvom spremniku koncentracija otopljenih soli, a time i nabijenih iona je velika, a u drugom mala. Kada ioni prođu kroz nanopore, na drugoj strani raste količina određenog naboja, pa, kao u bateriji, između dva spremnika raste električni napon. Ako se u sustavu koristi slana morska voda i neslana riječna (čiji su izvori kontinuirani), ioni soli prelazit će kroz membranu iz morske vode u riječnu. Na taj način stvara se električna energija. U eksperimentu tima iz EPFL-a korištena je membrana od molibden disulfida (MoS2) debljine tek tri atoma, odnosno 0,65 nm. Ovako malom debljinom postiže se velika učinkovitost jer se smanjuje unutarnji otpor 'baterije', odnosno njezina unutrašnja potrošnja energije. Što je ta potrošnja manja, to je učinkovitost veća. Kako je put iona kroz membranu jako kratak, tako je i njihov rad mali (rad = sila puta put), a rezultat je mali utrošak energije unutar 'baterije'. Budući da je membrana od MoS2 negativno nabijena, kroz nju na drugu stranu prolazi mnogo više pozitivno nabijenih iona nego negativnih koje odbija. Nanopore moraju biti točno odgovarajućih, optimalnih dimenzija – dovoljno velike kako bi propuštale dovoljno jaku struju iona, ali i dovoljno male kako bi što efikasnije spriječile prolazak negativno nabijenih iona. Rađenović je za Bug.hr objasnila da membrana od molibden disulfida ima prirodan površinski negativan naboj pri alkalitetu pH 5. 'U našem radu izmjerili smo kako se površinski naboj u pori mijenja u ovisnosti o pH te u ovisnosti o veličini nanopore. Takva svojstva imaju i membrane nekih drugih sastava, primjerice grafena', rekla je naša fizičarka. Tim iz EPFL-a u svojem je eksperimentu koristio membranu s jednom nanoporom, a njegovo funkcioniranje demonstrirao je tako što je strujom napajao jedan nanotranzistor. No stručnjaci procjenjuju da bi jedan četvorni metar membrane, kada bi 30 posto njezine površine bilo prekriveno nanoporama, mogao teoretski stvarati 1 MW struje. S tolikom snagom moglo bi se napajati 50.000 standardnih štednih žarulja.

    Problemi koje treba riješiti
    Treba ipak istaknuti da će na praktičnu primjenu predstavljenog rada trebati pričekati neko vrijeme jer će prvo trebati riješiti neke tehnološke probleme. Naime, da bi ova tehnologija postala komercijalno iskoristiva, trebat će stvoriti membrane velikih površina s velikim brojem nanopora. Membrane će istovremeno morati biti dovoljno robusne za industrijsku primjenu, a trebat će imati i ravnomjerno raspoređene nanopore. Također će trebati razviti tehnologiju koja će spriječiti da se membrane začepljuju nečistoćama iz riječnih i morskih voda. Rađenović ističe da su rješenja za neke od navedenih problema prilično izgledna. '2D materijali su do 300 puta čvršći od čelika, no na debljinama manjim od nanometra svaka industrijska primjena zahtijevala bi mehanički robusnije membrane. Ideja je da se deblji materijali poput poroznog aluminijeva oksida ili nafiona upotrijebe kao nosači membrana u obliku sača', tumači Rađenović. Ističe da je ipak teško procijeniti koliko će vremena trebati da njihova tehnologija zaživi u komercijalnim elektranama. 'Takve procjene su jako teške i ovise o interesima industrije, ali i o političkoj volji. Njemačka na primjer ulaže puno u solarnu energiju – već sada oko 7% svojih potreba dobiva iz nje. Europska komisija donijela je deklaraciju nazvanu Energy Roadmap 2050 koja sadrži preporuke kako povećati udio energije iz obnovljivih izvora', pojasnila je naša znanstvenica koja radi kao izvanredna profesorica bioinženjerstva na EPFL-u. Kaže da zajedno sa suprugom Kišom svakako planira nastaviti rad na novoj tehnologiji: 'Suprugov laboratorij radi na razvoju procesa rasta velikih površina raznih 2D materija koje ondje koriste u nanoelektronici i valleytronici, a moj je laboratorij fokusiran na metode koje će omogućiti stvaranje uniformnih nanopora.' Nedugo nakon objavljivanja rada u Natureu javilo im se nekoliko 'angel' i 'venture' investitora no smatra da bi bilo neozbiljno da već u ovoj fazi uđu u ozbiljne aranžmane.

    Radi i s mokraćom
    Rađenović je za Bug izdvojila i jednu posebnu zanimljivost iz njihova rada. Kaže da je EPFL-ov tim isprobao može li njihov prototip generirati struju iz urina. Naime, koncentracija NaCl-a u urinu je 70 mM, a u moru 600 mM. 'Nažalost, vjerojatno zbog velike količine uree i ostalih organskih tvari, naš je prototip radio slabije od predviđanja za danu koncentraciju iona', ispričala je Rađenović. Naša mlada fizičarka postala je 2010. godine prva hrvatska znanstvenica koja je dobila prestižni grant što ga Europski istraživački savjet (ERC) dodjeljuje najboljim europskim znanstvenicima na početku samostalne karijere. Jedna je od 15 posto mladih znanstvenika koje je ERC izbrao među 2873 prijavljena kandidata i dodijelio joj dva milijuna eura za petogodišnji projekt iz nanotehnologije. Nenad Jarić Dauenhauer po vokaciji je fizičar, a od 2000. godine do danas bavi se novinarstvom na Internetu pokrivajući u prvom redu znanstvene i školsko-obrazovne teme.
    www.bug.hr
    Pročitano 74 puta

    O nama

    Hrastović Inženjering d.o.o. od 2004. se razvija u specijaliziranu tvrtku za projektiranje i primjenu obnovljivih izvora energije. Osnova projektnog managementa održivog razvitka društva je povećanje energijske djelotvornosti klasičnih instalacija i zgrada te projektiranje novih hibridnih energijskih sustava sunčane arhitekture. Cijeli živi svijet pokreće i održava u postojanju stalni dotok Sunčeve energije, a primjenom transformacijskih tehnologija Sunce bi moglo zadovoljiti ukupne energetske potrebe društva.

    Kontakt info

    HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o.
    Kralja Tomislava 82.
    31417 Piškorevci
    Hrvatska

    E-mail: info@hrastovic-inzenjering.hr
    Fax: 031-815-006
    Mobitel: 099-221-6503
    © HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o. - design & hosting by Medialive