211service.com
Saltlösning för energiproduktion
Skillnaden i salthalt mellan sötvatten och saltvatten lovar som en stor källa till förnybar energi. Energi krävs för att avsalta vatten, och att köra processen i omvänd riktning kan generera energi. Nu kan ett nytt tillvägagångssätt baserat på en konventionell batteridesign som använder nanomaterial ge ett sätt att skörda den energin ekonomiskt.
Saltlösning: Den här enheten genererar elektricitet med hjälp av skillnader i salthalt mellan söt- och saltvatten. De två folieliknande strukturerna fungerar som positiva och negativa elektroder; glaslampan är en referenselektrod.
Den nya enheten, utvecklad av forskare vid Stanford University, består av en elektrod som attraherar positiva natriumjoner och en som attraherar negativa klorjoner. När elektroderna är nedsänkta i saltvatten drar de natrium- och klorjoner från vattnet, och jonernas rörelse skapar en elektrisk ström. Elektroderna laddas om genom att tömma saltvattnet, ersätta det med sötvatten och applicera en relativt låg spänningsström, som drar jonerna tillbaka ut ur elektroderna. När sötvattnet är dränerat är elektroderna redo att dra till sig fler joner från nästa sats saltvatten.
Det är den motsatta processen av vattenavsaltning, där man lägger in energi och försöker generera sötvatten och mer koncentrerat saltvatten, säger Yi Cui , professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University och studiens huvudförfattare. Här börjar man med sötvatten och koncentrerat saltvatten och sedan genererar man energi.
Cuis grupp omvandlade till elektricitet 74 procent av den potentiella energin som finns mellan saltvatten och sötvatten, utan minskning av prestanda under 100 cykler. Att placera elektroderna närmare varandra, säger Cui, kan tillåta batteriet att uppnå 85 procent effektivitet.
Ett kraftverk som använder denna teknik skulle vara baserat nära ett floddelta där sötvatten möter havet. Genom att dra 50 kubikmeter flodvatten per sekund, säger Cui, kan ett kraftverk producera upp till 100 megawatt kraft. Han beräknar att om allt sötvatten från alla världens kustfloder utnyttjades, skulle hans salthaltsgradientprocess kunna generera 2 terawatt, eller ungefär 13 procent av den energi som för närvarande används runt om i världen.
En sådan storskalig användning skulle dock allvarligt störa känsliga vattenmiljöer. Jag tror att du bara skulle kunna använda en mycket liten del av detta, annars skulle det bli en ekologisk katastrof, säger Menachem Elimelek , chef för Environmental Engineering Program vid Yale University. Elimelech säger att det skulle vara nödvändigt att förbehandla vattnet för att avlägsna suspenderat material inklusive levande organismer. Sådan bearbetning skulle kräva energi, öka kostnader och i sig allvarligt störa ekosystemet om den görs i stor skala.
Tidigare ansträngningar för att utvinna energi från salthaltsskillnaden mellan saltvatten och sötvatten har främst fokuserat på en process som kallas tryckfördröjd osmos. I detta tillvägagångssätt är sötvatten och saltvatten inrymt i separata kammare, som är uppdelade av ett konstgjort membran. Den högre salthalten i saltvattnet drar sötvatten genom membranet, vilket ökar trycket på saltvattensidan. Det trycksatta vattnet används sedan för att driva en turbin och generera elektricitet.
Norska elbolaget Statkraft testar just nu tryckfördröjd osmos vid en pilotanläggning utanför Oslo och arbetar även med att utveckla effektivare och hållbarare membran. Statkrafts tjänstemän säger att deras mål är att omvandla 80 procent av den tillgängliga kemiska energin till el. Cui säger att han tvivlar på att tillvägagångssättet kommer att kunna överstiga en effektivitet på 40 procent. Effektivitetsmässigt är vi säkert mycket bättre, säger han.
För att uppnå hög effektivitet använde Cuis grupp mangandioxid nanorods för batteriets positiva elektrod. Materialet ger natriumjonerna ungefär 100 gånger större yta att interagera med än vad konventionella elektrodmaterial gör. Och nanostrukturen gör att jonerna snabbt kan fästa och lossna från elektroden, vilket gör hela batteriet mer effektivt.
Cuis team använde en silverelektrod för att binda till de negativt laddade klorjonerna. Silver är dock oöverkomligt dyrt för storskaliga installationer, och det är också giftigt och kan orsaka miljöskador om det löses upp i vattnet som cirkulerar genom batteriet. Cui säger att hans grupp letar efter en ersättare, men ett alternativ kan vara svårt att hitta.