Cуществующие способы получения энергии из градиента солености воды, возникающего в результате смешивания пресной и соленой воды, — осмос и обратный электродиализ — основаны на контакте воды со специальными мембранами. Однако высокая стоимость мембран и короткий срок их эксплуатации из-за их быстрого загрязнения не позволяют пока что внедрить данную технологию повсеместно. Итальянский физик Дориано Броджоли предложил и экспериментально продемонстрировал совершенно новый, относительно дешевый метод, использующий ионистор — конденсатор очень большой емкости. При правильно подобранном ионисторе устройство Броджоли способно вырабатывать столько же энергии, сколько устройства, основанные на принципах осмоса и обратного электродиализа.
Впадение рек в море или океан можно использовать для извлечения значительной энергии, которая диссипируется (рассеивается) вследствие смешивания пресной и соленой воды. Возникающий градиент солености производит приблизительно 2,2 кДж (килоджоуля) энергии на литр пресной воды, попадающей затем в соленую воду. В 70-е годы прошлого века была предложена идея использовать эту энергию, создавая специальные электростанции. Принцип их работы должен был базироваться на явлении осмоса с применением полупроницаемой мембраны или же обратного электродиализа (reverse electrodialysis), использующего ионоселективные мембраны.
Осмос — это процесс диффундирования растворителя из менее концентрированного в более концентрированный раствор. Предположим, что в нашем распоряжении имеется сосуд, разделенный мембраной. В одной половине емкости находится соленая вода, то есть вода с растворенным в ней хлоридом натрия NaCl, и вода, в которой концентрация соли близка к нулю. Свойство мембраны таково, что она свободно пропускает молекулы воды, но препятствует проникновению молекул соли из соленой воды в пресную. Собственно, поэтому мембрана и называется «полупроницаемая». Осмос как бы стремится выровнять концентрации соли в обеих половинах сосуда. Но из-за полупроницаемой мембраны под действием возникающего осмотического давления происходит лишь направленное перетекание молекул воды из правой части в левую, что приводит к возникновению неравных уровней воды в половинах емкости. Перераспределение будет происходить до тех пор, пока гидростатическое давление, то есть давление разности уровней воды в левой и правой части сосуда, не уравновесит давление осмотическое. Теоретически осмотическое давление между соленой и пресной водой равно 26 атмосферам, что соответствует разности уровней их уровней приблизительно 270 метров. В Норвегии компания Statkraft собирается запустить электростанцию, которая будет получать энергию за счет описанного выше процесса.
Второй метод получения энергии также использует мембранную технологию и основывается на явлении обратного электродиализа. В этом процессе необходимо наличие двух типов селективных (избирательных) мембран: мембраны, которые прозрачны только для положительных ионов соли (ионы натрия), и мембраны, беспрепятственно пропускающие исключительно отрицательные ионы — ионы хлора. Секции с соленой водой создают направленное движение ионов соли из секции в секцию. Зарядовое разделение создает на мембранах разность потенциалов, которая затем суммируется и превращается на катоде и аноде посредством окислительно-восстановительных реакций из ионного тока в обычный электрический ток. Снимаемое напряжение зависит от числа мембран, температуры, отношения концентраций соли в пресной и соленой воде, а также от внутреннего сопротивления катода и анода. Заметим, что кинетика ионов соли здесь возникает из-за разности концентраций соли в соседних секциях, поэтому наличие пресной воды в процессе обратного электродиализа необходимо.
Существует еще третий метод, использующий разность давлений насыщенных паров пресной и соленой воды. Впервые он был предложен в 1979 году американскими учеными. Дело в том, что давление насыщенных паров соленой воды ниже, чем у чистой воды при той же температуре (этот факт отражается в более высокой температуре кипения соленой воды). Если резервуары с пресной и соленой водой соединить, откачав предварительно из них воздух и создав вакуум, то пресная вода будет испаряться и конденсироваться в соленой воде. Таким образом, возникает движение насыщенного пара из одного резервуара в другой, которое может быть использовано, если установить на пути движения турбину. В настоящее время такой метод получения энергии развит и исследован в меньшей степени, нежели способы, основанные на мембранных технологиях, — осмос и обратный электродиализ.
Согласно расчетам, такие энерговырабатывающие устройства способны производить порядка 1 кВт при скорости потока пресной воды 1 л/с.
Итальянский физик Дориано Броджоли (Doriano Brogioli) в статье Extracting Renewable Energy from a Salinity Difference Using a Capacitor, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предложил новый способ извлечения энергии из градиента солености воды. В основе его технологии производства энергии лежит ионистор — конденсатор очень большой емкости.
Физический принцип работы этого устройства можно понять из аналогии с плоским конденсатором, между обкладками которого расположен диэлектрик, а сам конденсатор заряжен, но при этом не подключен к источнику питания. Попытка вытащить диэлектрик из конденсатора приведет к увеличению напряжения, так как емкость конденсатора вследствие этого уменьшилась, а заряд остался прежним. Рост разности потенциалов на обкладках конденсатора также увеличивает его энергию. Происходит трансформация механической работы (извлечение диэлектрика) в электрическую энергию, отражающаяся как рост напряжения в конденсаторе.
Фактически всё то же самое происходит и в устройстве Броджоли, где роль диэлектрика играет соленая вода, а процесс его извлечения эквивалентен вытеснению соленой воды пресной водой.
Два резервуара, наполненных водой с разными концентрациями соли хлорида натрия, представляют собой пресную и соленую воду. Они по очереди заполняют камеру, вымывая друг друга из нее. Помимо этого в камере находятся два электрода из активированного угля, которые образуют конденсатор огромной емкости — ионистор.
Почему Броджоли в своем проекте использует ионистор и почему в качестве материала для него применяется активированный уголь? Очевидно, что в данном случае конденсатор в ходе вымывания диэлектрика должен как можно больше изменить свою энергию в сторону возрастания, чтобы затем ее отдать. Поскольку энергия конденсатора пропорциональна емкости, то это случится лишь в том случае, когда емкость конденсатора будет наибольшей. Но емкость определяется геометрией конденсатора: она пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Поэтому, чтобы не делать обкладки конденсатора очень большими, а расстояние между ними максимально уменьшить, используют компактный конденсатор — ионистор.
Ионистор состоит из двух погруженных в электролит сильно пористых электродов, что позволяет максимально увеличить эффективную площадь конденсатора (это первое преимущество ионистора). Для этой цели, как выяснили ученые, лучше всего подходит активированный уголь. Под действием приложенного напряжения ионы электролита движутся к соответствующему электроду и накапливаются на его поверхности, образуя с зарядом электрода так называемый двойной электрический слой (поэтому в англоязычной литературе ионистор еще называют конденсатором с двойным электрическим слоем). Толщина этого слоя очень маленькая величина — всего несколько десятков нанометров (это второе преимущество), поэтому его можно интерпретировать как обкладки обычного конденсатора: одна обкладка — электрод, а вторая состоит из ионов. За счет таких геометрических хитростей с материалом и получаются конденсаторы с гигантской емкостью порядка 1 Ф (одной фарады) и более, которые обладают при этом размерами, не отличающимися от размеров традиционных маленьких конденсаторов.
Что касается схемы работы устройства, то извлечение энергии из градиента солености воды с его помощью условно можно разбить на четыре фазы.
