Jak zachytit energii proudící v korytech světových veletoků, které se valí příliš pomalu na to, aby mohly pohánět vodní elektrárnu? Zdá se, že norští a nizozemští vědci našli řešení. Ve „sklízení“ energie z řek jim pomůže mořská voda.
Norští odborníci využívají fyzikálního jevu zvaného osmóza. Pokud se slaná voda a sladká voda ocitnou na opačných stranách propustné přepážky, kapalina spontánně proudí do míst s vyšší koncentrací soli, aby se rozdíl vyrovnal.
Za pomoci speciálních polymerních membrán a působení tlaku pak dochází k opačnému jevu: tzv. reverzní osmóze. Při ní membránou projde čistá voda, zatímco soli a další nežádoucí látky se zachytí. Tento mechanismus objevili v 50. letech minulého století Sidney Loeb a Srinivasa Sourirajan z Kalifornské univerzity v Los Angeles. Dnes se ho běžně využívá k čištění odpadních vod v dolech nebo k získávání pitné vody z moře.
Počátkem 70. let měl Loeb další nápad – využít rozdíl koncentrací soli v říční a mořské vodě k získávání energie. Navrhl nádrž, rozdělenou na dvě části pomocí polopropustné membrány. Do jedné komory se napustí sladká voda, do druhé slaná. Díky osmóze začne proudit voda do slané části nádrže. Tím se zvýší její tlak a natlakovaná voda se může hnát do turbíny, kde se mechanická energie proudící vody přemění na elektřinu.
V roce 1973 si Loeb nechal tento vynález patentovat. Doufal, že se uplatní u ústí velkých řek, kde je dostatek říční i mořské vody. Proč se tak dosud nestalo? Chyběly vhodné membrány, které dostatečně rychle propouštějí vodu, ale zároveň budou odolné a trvanlivé. Membrány používané v odsolovacích zařízeních se pro tyto účely nehodí, voda skrz ně prosakuje příliš pomalu.
Hledá se vhodná membrána Situace se začala měnit až koncem 90. let. Thor Thorsen a Torleif Holt z norského výzkumného centra SINTEF v Trondheimu v té době došli k závěru, že vývoj membrán už pokročil natolik, aby Loebův patent mohli oprášit. Ve spolupráci s energetickou společností Statkraft, zaměřenou na obnovitelné zdroje energie, začali pracovat na prototypu zařízení založeného na osmóze. O jejich projektu nedávno informoval časopis New Scientist.
Při prvních pokusech se norským výzkumníkům podařilo dosáhnout pomocí membrány o rozměrech čtverečního metru výkonu pouhých sto miliwattů. Dnešní verze zvládne tři watty, cílem projektu je pět wattů.
Pětina získaného výkonu se ale spotřebuje na pumpování sladké a slané vody do nádrží. V budoucnu chtějí odborníci tuto spotřebu minimalizovat. „Většina norských řek přitéká přímo z hor, takže se do nádrží dostanou jen díky gravitaci. A pokud elektrárnu postavíme v podzemí nebo na dně řeky, poteče do ní samovolně i mořská voda,“ říká manažer projektu Stein Erik Skilhagen ze společnosti Statkraft. Podle jeho slov by takto vyráběná elektřina mohla pokrýt deset procent norské spotřeby elektřiny.
K tomu ale ještě povede dlouhá cesta. Nyní se vědci poprvé přesouvají z laboratoře do reálných podmínek. V papírně Södra Cell v Tofte, poblíž fjordu asi 60 kilometrů od Osla, připravují demonstrační elektrárnu, která začne pracovat v květnu. Jde o nádrž velikosti tenisového kurtu s membránou o ploše dvou tisíc čtverečních metrů. Předpokládaný výkon jsou čtyři kilowatty, což stačí sotva na ohřátí několika konvic vody.
Do roku 2015 chce Statkraft postavit skutečnou elektrárnu o velikosti fotbalového hřiště. Měla by dosahovat výkonu 25 megawattů, přičemž výrobní cena elektřiny se bude pohybovat odhadem mezi 65 a 125 dolary za megawatthodinu.
Pro srovnání – cena energie z tepelných elektráren se pohybuje kolem 50 dolarů.
Sami zástupci Statkraftu ale uznávají, že taková elektrárna potřebuje membrány o rozloze pěti milionů čtverečních metrů. V tom spočívá nejslabší místo jinak slibného projektu.
„Zatím je problém získat dostatečně propustné a zároveň dlouhodobě stabilní membrány,“ komentuje projekt Jan Žitka z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, který se také zabývá vývojem membrán. Vědci proto zkoumají různé možnosti, jak vedle sebe uspořádat více miniaturních kanálků či trubiček tvořených membránami, aby dosáhli co největší plochy na co nejmenším prostoru.
Další překážkou může být zanášení membrán řasami a dalšími nečistotami. Částečně by se mu snad dalo předejít pravidelným otáčením toku vody, která přes membrány proudí. Zároveň experti pracují na vývoji speciálních povrchů membrán s využitím nanočástic, které zabrání usazování nečistot. Tím se ovšem celá výroba prodražila.
Solná baterie V Nizozemsku ovšem existuje konkurenční projekt, který by se s touto překážkou mohl vypořádat o něco lépe. Místo přeměny osmotického tlaku využívá procesu reverzní elektrodialýzy. Při ní neputují skrz membránu molekuly vody, ale jen ionty rozpuštěné soli. Odborníci z holandského centra Wetsus pro udržitelné vodní technologie totiž sestrojili tzv. „solnou baterii“. Tvoří ji komora se slanou vodou, z obou stran od sladké vody oddělená membránami. Jedna membrána propouští kladné ionty, druhá záporné. Na membránách jsou připojeny elektrody, takže na jednu stranu putují kladně nabité ionty sodíku a na opačnou stranu záporné ionty chloru. Tím vzniká na elektrodách elektrické napětí.
„V Norsku jsou poměrně čisté řeky, bez bláta a bakterií. Ale v místech, jako je Nizozemsko nebo Velká Británie, by se membrány při použití osmózy rychle zanášely,“ konstatuje Joost Veerman z centra Wetsus. „V naší baterii teče voda podél membrán, nikoliv přes ně. Naskrz jimi procházejí jen ionty, takže by se systém neměl tolik zanášet,“ tvrdí Veerman.
V laboratorních podmínkách se podařilo dosáhnout výkonu 20 wattů. Nyní Wetsus ve spolupráci se společností Redstack připravuje pilotní projekt v solném dole v Harlingenu na severu Nizozemska. Vědci doufají, že pomocí baterií o velikosti tří praček získají několik kilowattů elektřiny.
Jejich cílem je postavit soustavu baterií na hrázi, která odděluje největší západoevropské jezero Ijsselmeer od Severního moře. Taková elektrárna by mohla mít výkon 200 MW a cena jedné megawatthodiny by se pohybovala kolem 90 dolarů. Pokud by se takto využily všechny vhodné řeky v Nizozemsku, pokryly by 75 procent energetické spotřeby této země. A kdyby podobné elektrárny vyrostly při ústí všech světových toků a využily polovinu jejich průtoku, mohly by pokrýt až sedm procent celosvětové spotřeby. Konzervované slunce „Musíme ale brát v úvahu dnešní využití ústí řek pro dopravu, rybolov a podobně. Za realističtější proto považuji využití pětiny průtoku, což by znamenalo necelá tři procenta světové spotřeby energie,“ říká Jan Žitka.
Podle svých slov si dovede představit, že vzniknou elektrárny založené na obou popsaných principech. Jejich potenciál je obrovský a bylo by škoda ho nevyužít,“ komentuje projekty Jan Žitka. „Největším příslibem je určitě ekologičnost a nevyčerpatelnost tohoto zdroje energie. Jedná se o obnovitelný zdroj, v podstatě o „konzervovanou“ sluneční energii. Slunce odpaří vodu z moří, ta spadne na kontinent a tvoří řeky. Slunce tak vytváří koncentrační rozdíl mezi řekami a mořem, který lze pak využít pro výrobu elektřiny,“ konstatuje český odborník.
„Zatím se tak nestalo, protože membránové technologie jsou mladým oborem, takže zatím nejsou plně vyvinuté materiály, které jsou k tomu zapotřebí,“ dodává Jan Žitka. Sám spolu s kolegy pracuje kromě jiného na vývoji iontovýměnných membrán, které se používají při elektrodialýze a teoreticky by se mohly uplatnit i v popsaných bateriích využívajících reverzní elektrodialýzu. Nizozemský projekt využívající právě tuto technologii považuje Jan Žitka za perspektivnější. „Odpadá tu mechanický mezičlánek a přeměna koncentračního rozdílu je přímá. Druhý projekt je konstrukčně složitější, získaný tlakový rozdíl se musí převést na mechanickou energii a ta na elektrickou. Při tom vznikají ztráty,“ upozorňuje český expert. „Kromě toho je tam zbytečně mechanický element navíc, který zvyšuje investiční náročnost i náchylnost k poruchám,“ uzavírá Jan Žitka.
***
Dvě cesty k energii Odborníci z Norska a Nizozemska vyvíjejí elektrárny poháněné jen sladkou a slanou vodou. Dva výzkumné týmy zvolily rozdílné postupy, ale cíl je stejný: získat nevyčerpatelný zdroj energie při ústí velkých řek, který nebude mít negativní dopady na životní prostředí.
Zatím je problém získat dostatečně propustné a zároveň stabilní membrány
