چگونه می‌توان از ترکیب آب شور و شیرین، تولید برق کرد؟

راه‌های زیادی برای استحصال انرژی الکتریکی از آب وجود دارد. به همین دلیل است که نیروگاه‌های برق-آبی بخش مهمی از صنعت تولید برق را از آن خود کرده‌اند. مثلا یکی از رایج‌ترین روش‌ها، استحصال انرژی الکتریکی از نیروی مکانیکی آب است. پدیده‌ای که می‌توانیم آن را در محل سدها ببینیم. آب جمع شده پشت سد، انرژی پتانسیل زیادی دارد و وقتی یک دریچه باز می‌شود، تبدیل به انرژی حرکتی می‌گردد و پره‌ی توربین‌ها را می‌چرخاند. بدین شکل برق تولید می‌شود. ولی این بار قصد دارم از انرژی شیمیایی آب و امکان تولید برق با این روش صحبت کنم. زمانی که یک رودخانه به دریا می‌پیوندد، اتفاقات شیمیایی عجیب و غریبی می‌افتد که می‌تواند در نهایت چراغ، یخچال، کولر و کامپیوتر خانه‌ی ما را روشن کند. این روش تولید برق، احتمالا یکی از مهجورترین شاخه‌های تولید انرژی پاک است و تحقیقات کمی بر روی آن صورت گرفته است. جایی که آب شیرین رودخانه به آب شور دریا می‌پیوندد، محلی است که توجه پژوهشگران حوزه‌ی انرژی‌های پاک را به خود جلب کرده است. طبق آخرین پژوهش‌ها، اگر بتوانیم راهی بهینه برای استحصال این انرژی پیدا کنیم، می‌تواند همه‌ی نیاز کنونی ما به الکتریسیته را تامین کند. آیا انرژی آبی، می‌تواند یک انرژی سبز جدید باشد؟

این انرژی را از این پس «انرژی آب‌فام» (Blue Energy) می‌خوانیم. نخستین بار در سال ۱۹۵۴ یک مهندس انگلیسی به نام «آر ای پتل» (R E Pattle) انرژی آب‌فام را پیشنهاد کرد. گاهی از این انرژی با نام «انرژی اسمزی» (Osmotic Power) نیز یاد می‌شود؛ چرا که برای تولید انرژی از پدیده‌ی “اسمز” استفاده می‌شود. برای درک بهتر این پدیده، دو محلول آبی-نمکی را با دو غلظت متفاوت فرض کنید. اگر این دو محلول را با یک غشاء متخلخل از هم جدا کنیم، به صورتی که فقط مولکول‌های آب توانایی گذر از این غشاء را داشته باشند، به طور طبیعی آب از محلول با غلظت کم‌تر به محلول غلیظ‌تر منتقل می‌شود. جریان گذر آب از غشاء باعث می‌شود که فشار در یک طرف زیاد شود و این می‌تواند توربین‌ها را برای تولید برق به کار بیندازد.

تا سال ۱۹۷۰ فناوری تولید انرژی از این طریق به طور کلی وجود نداشت. از آن زمان بود که مواد مصنوعی برای ساختن غشاء متخلخل به صورت اقتصادی ساخته شد. آن زمان پیشنهاد شد که می‌توان از این غشاهای متخلخل در «نیروگاه‌های برق اسمزی» استفاده کرد. حتی گفته شد که می‌توان از مکانی که آب شیرین رود اردن وارد بحرالمیت می‌شود برق تولید کرد.

بهترین عملکرد این نیروگاه‌های الکتریکی در زمانی که جریان آب زیادی از غشاء متخلخل می‌گذرد نیست، بلکه به هنگامیست که سرعت آن اندکی کم شده باشد. کاهش سرعت را می‌توان با تحت فشار گذاشتن محلول غلیظ‌تر برای مقابله با محلول با غلظت کمتر که از غشاء به سوی محلول غلیظ می‌آید انجام داد. این هم برای خود یک فناوری منحصربفرد است و به آن اصطلاحا فناوری«فشار-کند‌شده‌ی اسمزی» (Pressure-retarded osmosis) می‌گویند.

به انرژی الکتریکی تولید شده از اختلاف غلظت آب شور و آب شیرین، انرژی آب‌فام می‌گویند

نخستین نیروگاه انرژی آب‌فام که از فناوری “فشار کند‌شده‌ی اسمزی” نیز استفاده می‌کرد، در روستای «توفته» (Tofte) واقع در نروژ ساخته شد. این نیروگاه را کمپانی «استات‌کرافت» (Statkraft) در سال ۲۰۰۹ ساخت که توانایی تولید ۴ کیلووات انرژی الکتریکی را داشت. این مقداری ناچیز نسبت به یک نیروگاه هسته‌ای کوچک که می‌تواند تا ۵ هزار کیلووات انرژی الکتریکی تولید کند است. هرچند که این نیروگاه از فناوری پیشرفته بهره‌ می‌برد و چرخه‌ی تولید الکتریسیته در آن کامل بود، شرکت سازنده به این نتیجه رسید که نیروگاه صرفه‌ی اقتصادی ندارد. این نیروگاه نمی‌توانست با فروش الکتریسیته، هزینه‌ی ساخت و نگهداری خود را تامین کند. به همین دلیل در سال ۲۰۱۳ تعطیل شد.

خوشبختانه با وجود شکست خوردن کمپانی استات‌کرافت، دیگر شرکت‌ها مرعوب نشدند. در «انستیتوی تحقیقات آبی داچ» (Dutch water Institute) واقع در هلند، یک کمپانی به نام «رداستک» (REDstack) توانست نوع دیگری از انرژی اسمزی به نام «الکترودیالیسیز» (Electrodialysis) را در یک نیروگاه آزمایشی استحصال کند. این روش از تکنیک «فشار کنده شده‌ی اسمزی» مقداری متفاوت است. این تکنیک از غشاهای متخلخلی بهره می‌برد که به جای مولکول‌های آب، به یون‌های نمک اجازه‌ی عبور می‌دهد.

دو نوع غشاء متخلخل وجود دارد. یکی از آن‌ها به یون‌های مثبت سدیم اجازه‌ی عبور می‌دهد و دیگری می‌گذارد که یون‌های منفی کلراید عبور کنند. این غشاها در حقیقت نوعی ساندویچ چند لایه‌ی آبی درست می‌کنند که در آن، لایه‌های آب و لایه‌های نمک به صورت یکی در میان قرار می‌گیرند. در ضمن بین هر لایه دو نوع غشاء انتقال یونی جای‌گیری می‌کند. این ترکیب منجر به تولید ولتاژ الکتریکی می‌شود که می‌تواند بدون نیاز به توربین‌هایی که با فشار کار می‌کنند، جریان الکتریکی درست کند. بنابراین دست کم به صورت نظری، این روش در استحصال انرژی از فرایند مخلوط شدن آب شیرین و آب نمک کاملا بهینه است.

در روش «الکترودیالیسیز» می‌توان بدون نیاز به توربین، انرژی الکتریکی اسمزی تولید کرد

پژوهشگران شرکت هلندی «رداستک» همچنین در حال کار کردن بر روی یک روش سوم به نام «ترکیب خازنی» (Capacitive Mixing) هستند. در این روش، آب دریا و آب شیرین به صورت متناوب به حفره‌ای که دو الکترود در آن قرار دارد وارد می‌شوند. این الکترودها به عنوان ابزارهای ذخیره ساز شارژ الکتریکی یا همان خازن عمل می‌کنند. این روش منجر به افزایش ولتاژ نیز می‌شود.

یک کنسرسیوم اروپایی ۲.۴ میلیون یورویی که شامل انستیتوهای هلندی، ایتالیایی، لهستانی و اسپانیایی می‌شود، از سال ۲۰۱۰ بر روی فناوری ترکیب خازنی کار می‌کند. همچنان مسائل زیادی برای حل شدن باقی مانده است. برای مثال، یک تیم پژوهشی در دانشگاه یوترشت (University of Utrecht) با سرپرستی «رنه ون روجی» (Rene van Roji) به تازگی مدعی شده که: «انرژی الکتریکی خروجی از «انرژی آب‌فام» که در آن از روش «فناوری خازنی» استفاده شده، با گرم کردن ترکیب آب شیرین و آب دریا می‌تواند دو برابر شود.» منظور از گرم کردن ترکیب آب شور و شیرین، رساندن آن به دمای ۵۰ درجه‌ی سانتیگراد یا کمی بیشتر است.

آن‌ها می‌گویند: «لازم نیست برای گرم کردن آب از سوخت فسیلی استفاده شود. ما به سادگی می‌توانیم از آب گرم شده‌ی خروجی از صنایع استفاده کنیم. برای مثال آب گرمی که از نیروگاه‌های فسیلی یا دیتاسنترها (در دیتاسنترها از آب برای خنک کردن کامپیوترها استفاده می‌شود) خارج می‌شود.» در اتفاقی خوشحال کننده، گروهی مستقل در دانشگاه گرانادا (University of Granada) واقع در اسپانیا، در عمل نشان دادند که عمل گرم کردن آب در افزایش تولید الکتریسیته از انرژی آب‌فام موثر است.

پدیده‌ی اسمز، در اختلاف غلظت همه‌ی مواد محلول رخ می‌دهد. مثلا در محلول شکر هم می‌توان پدیده‌ی اسمز را مشاهده کرد. بنابراین «انرژی آب‌فام» محدود به مخلوط شدن آب رودخانه با آب دریا نیست. در سال ۲۰۱۳، پژوهشگران هلندی اعلام کردند که امکان تولید الکتریسیته از گاز محلول کربن دی‌اکسید وجود دارد. این گاز را به راحتی می‌توان از خروجی نیروگاه‌های فسیلی برداشت کرد. کربن دی‌اکسید به راحتی در آب حل می‌شود و کربنیک اسید ساخته می‌شود. بعد از آن می‌توان آن را به بی‌کربنات و یون‌های هیدروژن تقسیم کرد. سپس می‌توان این دو را با روش «ترکیب خازنی» در دو طرف غشاء متخلخل قرار داد و همان عملی را انجام داد که با یون‌های نمک انجام می‌شد. درست همانطور که در روش “ترکیب خازنی” آب شیرین و آب شور به صورت متناوب به سامانه وارد می‌شد، در روش جدید اول باید آب را با کربن دی‌اکسید ترکیب کرد (تا چیزی معادل آب نمک در روش قبلی بدست آید)، سپس همین کار را با هوا انجام داد (تا چیزی معادل آب شیرین در روش قبلی بدست آید).

پژوهشگران می‌گویند که در سراسر دنیا، گازهای خروجی از دودکش نیروگاه‌های سوخت فسیلی به اندازه‌ی کافی کربن دی‌اکسید برای تولید سالانه ۸۵۰ تراوات-ساعت انرژی الکتریکی را تولید می‌کند. تقریبا ۱۰۰ برابر انرژی سالیانه‌ی مصرف شده در انگلستان. این یک ایده‌ی خیلی خوب است. کربن دی‌اکسید که در راه تولید انرژی، خود یک مشکل بزرگ برای اتمسفر زمین شده است، در این روش می‌تواند قسمتی از راه حل تولید انرژی باشد.

منبع: Future