Výzkumný prototyp osmotické mini-elektrárny v Norsku

Norové začali zkoumat nový obnovitelný zdroj energie. Má šanci přinést lidstvu něco pozitivního nebo se jedná pouze o laboratorní hračku, plácnutí do mořské potažmo říční vody?

Zprávy ve světových médiích a futuristické vize byly velkolepé (příklad z ČR). Globální potenciál elektráren pracujících na principu osmózy, konkrétně v tomto případě míšení mořské a říční vody, činí 1600-1700 TWh ročně, což odpovídá spotřebě Číny v roce 2002. Evropa by prý mohla produkovat až 180 TWh ročně (5% spotřeby). Samotné Norsko 12 TWh (10% spotřeby). Kardinální otázka zní: Je to opravdu reálné?

Trocha suché teorie – jak ta voda vlastně funguje? 

Poněkud literárně můžeme konstatovat, že druhá věta termodynamická určuje „přirozený průběh“ přírodních procesů. Fyzikální systém vždy zvyšuje míru svojí neuspořádanosti (entropie), čímž dociluje stavu s nejnižší vnitřní energií. Nebo-li v důsledku platnosti tohoto všeobecného principu je přirozenou vlastností chemických látek jejich rozptyl do okolního prostoru a postupné vyrovnávání koncentrace, což můžeme samozřejmě aplikovat i na proces míšení mořské a říční vody.

Z encyklopedie Wikipedia jsem převzal názorný obrázek s výkladem:

Princip vzniku osmotického tlaku
Převzato z encyklopedie Wikipedia (CZ)

V levé části nádoby se nachází koncentrovaný roztok látky (mořská voda) a v jeho pravé části rozpouštědlo popř. slabý roztok (říční voda). Polopropustná (tj. „jednosměrně prostupná“) membrána představuje bariéru, přes kterou nemohou projít rozpuštěné látky, avšak z pravé strany přes ní může projít rozpouštědlo. Aby se látky obsažené v levé části nádoby mohly naředit, musí "nasávat" rozpouštědlo z pravé do levé části nádoby. K průchodu rozpouštědla dochází přesto, že hladina roztoku stoupá a působí tímto proti gravitační síle. Takto vykonaná práce je vykonávána osmotickou silou (vzniká osmotický tlak). Průchod rozpouštědla se zastaví, až rozdíl koncentrací poklesne natolik, že se osmotická síla sníží na velikost opačně působící gravitační síly. Kouzlo spočívá v tom, že tato „přírodní touha po rovnováze“ dle druhé věty termodynamické je opravdu velmi silná. Osmotická síla je schopna vytvořit tlak až 12 barů, což odpovídá velikosti vodního sloupce 120 metrů. Technický princip hydroelektrárny Při znalosti základního fyzikálně-chemického principu je pochopitelné, že elektrárna principirlně sestává ze dvou nádrží oddělených polopropustnou membránou. Do jedné nádrže přitéká slaná mořská voda a do druhé sladká voda z řeky. Sladká voda proniká polopropustnou membránou k mořské vodě, přičemž membrána zabraňuje zpětnému toku vody. Voda je v podstatě nasávána z nádrže sladké vody do nádrže slané vody. Nebo-li sloupec vody na „slanější straně“ se postupně zvyšuje, voda následně přeteče do přepadu a je vedena na turbínu, což je v zásadě princip hydroelektrárny.

Princip osmotické elektrárny
Převzato ze zpravy.idnes.cz

V reálu zařízení vypadá přibližně dle níže uvedeného obrázku. Vidíme, že se skutečně jedná spíše o laboratorní prototyp:

Konstrukční řešení prototypu osmotické elektrárny
Zdroj: www.statkraft.com

Legenda
Fresh water – sladká voda
Salt water – slaná voda
Brackish water – brakická (poloslaná) voda
Pretreatment fresh water – předčištění sladké vody
Pretreatment salt water – předčištění slané vody
Pressure exchanger – tlakový výměník
Turbine – turbína
Booster pumps – pomocná čerpadla
Membrane rack – membránová jednotka

Sny versus realita Skutečnost je taková, že státní norská energetická společnost Statkraft si pronajala objekt bývalého papírenského závodu v Tofte, v lokalitě Hurum jihozápadně od Osla a vybudovala zde testovací osmotickou jednotku o výkonu 2-4 kW, přičemž celková plocha membrán v 66 sekcích činí 2000 m2 a vynaložené náklady údajně dosáhly 7 milionů dolarů.

Princezna Mette-Marit si uvařila čaj, údajně z el. energie vyrobené v osmotické elektrárně v Tofte
Foto: www.statkraft.com

Hlavním záměrem investora je testovat technologii v reálném provozu a postupně zvyšovat energetickou výtěžnost patentově chráněných polopropustných membrán ze stávající hodnoty 1W/m2 na 2-3W/m2 a cílově až na 5W/m2.

Výhledově se počítá po 2-3 letech provozu s výstavbou pilotního zařízení o výkonu 1-2 MW. V roce 2015 by měla být postavena elektrárna o výkonu 25 MW a roční výrobou 166 GWh.

Pokud se přesuneme od vaření čaje k výrobě elektřiny a výkonu 25 MW, znamená to samozřejmě technické problémy, které bude muset technologie osmotických elektráren vyřešit. Namátkou mě napadají například:

- vývoj membrány alespoň s pětinásobnou energetickou výtěžností, tj. 5W/m2. I přesto bude celková plocha membrán odpovídat 5 milionům m2. Podle předpokladů bude možné toto množství membrán natěsnat do výrobny o rozloze fotbalového stadionu.
- zajištění průtoku sladké vody ve výši 25 m3/s a slané vody 50 m3/s při tlaku 12 bar. Pokud bude nutné v technologii nasadit čerpadla, znamená to vysoké nároky na elektrický příkon vlastní spotřeby elektrárny a je diskutabilní, kolik elektřiny bude elektrárna vlastně reálně vyrábět.
- průběžné čištění vstupních filtrů a membrán. Lze předpokládat, že požadavky na čistotu médií budou velmi vysoké.

Jaká je budoucnost osmotických elektráren?

Ačkoliv vývoj technologie probíhá ve společnosti Statkraft již od roku 1996, energetická výtěžnost polopropustných membrán zdaleka nedosahuje hodnot potřebných pro úvahy o instalaci zařízení komerční velikosti. 

Budoucí vývoj technologie bude do značné míry záviset na množství dostupných finančních prostředků, což ostatně bylo hlavním důvodem spuštění mediální kampaně. Ovšem ve frontě na (evropské) fondy pro podporu výroby energie z obnovitelných zdrojů už drahnou dobu stojí výrobci větrných a fotovoltaických elektráren, kteří rozhodně nebudou mít zájem na rozvoji technologie, s kterou by se měli v budoucnu o fondy dělit. 

Jakákoliv energetická technologie se stává energetickým zdrojem až v okamžiku, kdy je schopna spolehlivě vyrábět podstatně větší množství energie, než je potřebné pro výrobu odpovídajícího množství oceli, betonu, plastů a dalších materiálů potřebných pro výstavbu a provoz vlastního zdroje. Toto samozřejmě platí i v případě vyčerpání zdrojů klasických fosilních paliv.

Osmotické elektrárny musí ujít k tomuto cíli ještě velmi a velmi dlouhou cestu a je otázkou, zda i budoucí supertechnologie budou vůbec někdy schopny technicky a ekonomicky konkurovat „tradičním“ obnovitelným zdrojům.

Petr Nejedlý