211service.com
Zoute oplossing voor energieopwekking
Het verschil in zoutgehalte tussen zoet en zout water is veelbelovend als grote bron van hernieuwbare energie. Om water te ontzilten is energie nodig, en door het proces omgekeerd uit te voeren, kan energie worden opgewekt. Nu zou een nieuwe benadering, gebaseerd op een conventioneel batterijontwerp dat nanomaterialen gebruikt, een manier kunnen bieden om die energie economisch te oogsten.
Zoutoplossing: Dit apparaat wekt elektriciteit op met behulp van verschillen in zoutgehalte tussen zoet en zout water. De twee folie-achtige structuren dienen als positieve en negatieve elektroden; de glazen bol is een referentie-elektrode.
Het nieuwe apparaat, ontwikkeld door onderzoekers van Stanford University, bestaat uit een elektrode die positieve natriumionen aantrekt en een die negatieve chloorionen aantrekt. Wanneer de elektroden in zout water worden ondergedompeld, trekken ze natrium- en chloorionen uit het water en door de beweging van de ionen ontstaat er een elektrische stroom. De elektroden worden opgeladen door het zoute water af te tappen, te vervangen door zoet water en een elektrische stroom met een relatief laag voltage aan te brengen, die de ionen terug uit de elektroden trekt. Wanneer het zoete water is afgetapt, zijn de elektroden klaar om meer ionen aan te trekken uit de volgende batch zout water.
Het is het tegenovergestelde proces van waterontzilting, waarbij je energie steekt en probeert zoet water en meer geconcentreerd zout water te genereren, zegt Yi Cui , een professor materiaalwetenschap en techniek aan de Stanford University en de hoofdauteur van de studie. Hier begin je met zoet en geconcentreerd zout water, en dan wek je energie op.
Cui's groep heeft 74 procent van de potentiële energie tussen zout en zoet water omgezet in elektriciteit, zonder prestatieverlies gedurende 100 cycli. Door de elektroden dichter bij elkaar te plaatsen, zegt Cui, zou de batterij een efficiëntie van 85 procent kunnen behalen.
Een elektriciteitscentrale die deze technologie gebruikt, zou worden gevestigd in de buurt van een rivierdelta waar zoet water de zee ontmoet. Door 50 kubieke meter rivierwater per seconde te trekken, zegt Cui, kan een elektriciteitscentrale tot 100 megawatt aan stroom produceren. Hij berekent dat als al het zoete water van alle kustrivieren van de wereld zou worden benut, zijn zoutgradiëntproces 2 terawatt zou kunnen genereren, of ongeveer 13 procent van de energie die momenteel over de hele wereld wordt gebruikt.
Een dergelijk grootschalig gebruik zou gevoelige aquatische milieus echter ernstig verstoren. Ik denk dat je maar een heel klein deel hiervan kunt gebruiken, anders zou het een ecologische ramp zijn, zegt Menachem Elimelech , directeur van het Environmental Engineering Program aan de Yale University. Elimelech zegt dat het nodig is om het water voor te behandelen om gesuspendeerd materiaal, inclusief levende organismen, te verwijderen. Een dergelijke verwerking zou energie vergen, kosten verhogen en zelf het ecosysteem ernstig verstoren als het op grote schaal wordt gedaan.
Eerdere pogingen om energie te winnen uit het verschil in zoutgehalte tussen zout en zoet water, waren voornamelijk gericht op een proces dat bekend staat als drukvertragende osmose. Bij deze benadering worden zoet en zout water in aparte kamers ondergebracht, die van elkaar worden gescheiden door een kunstmatig membraan. Het hogere zoutgehalte van het zoute water trekt zoet water door het membraan, waardoor de druk aan de zoutwaterzijde toeneemt. Het water onder druk wordt vervolgens gebruikt om een turbine aan te drijven en elektriciteit op te wekken.
Het Noorse elektriciteitsbedrijf Statkraft test momenteel drukvertragende osmose in een proeffabriek buiten Oslo en werkt ook aan de ontwikkeling van efficiëntere en duurzamere membranen. Statkraft-functionarissen zeggen dat het hun doel is om 80 procent van de beschikbare chemische energie om te zetten in elektriciteit. Cui zegt te betwijfelen of de aanpak een efficiëntie van 40 procent zal kunnen overschrijden. Op het gebied van efficiëntie zijn we zeker veel beter, zegt hij.
Om een hoge efficiëntie te bereiken, gebruikte de groep van Cui mangaandioxide-nanostaafjes voor de positieve elektrode van de batterij. Het materiaal geeft de natriumionen ongeveer 100 keer meer oppervlakte om mee te interageren dan conventionele elektrodematerialen. En dankzij de nanostructuur kunnen de ionen zich snel hechten en losmaken van de elektrode, waardoor de hele batterij efficiënter wordt.
Cui's team gebruikte een zilverelektrode om zich te binden met de negatief geladen chloorionen. Zilver is echter onbetaalbaar voor grootschalige implementaties en het is ook giftig en kan milieuschade veroorzaken als het oplost in het water dat door de batterij wordt gefietst. Cui zegt dat zijn groep op zoek is naar een vervanger, maar dat een alternatief moeilijk te vinden is.