浸透圧力

浸透圧発電、塩分濃度勾配発電、またはブルーエネルギーは、海水と河川水の塩分濃度の差から得られるエネルギーです。このための 2 つの実用的な方法は、逆電気透析(RED) と 圧力遅延浸透(PRO) です。どちらのプロセスも、膜による浸透に依存しています。主な廃棄物は汽水です。この副産物は、利用されている自然の力、つまり塩水でできた海への淡水の流れの結果です。

1954年、パトル^[1]は、川が海と混ざるときに失われる浸透圧という形で、未開発のエネルギー源があると示唆しましたが、選択透過性膜を使用してそれを利用する実用的な方法がローブ^[2]によって概説されたのは1970年代半ばになってからでした。

圧力遅延浸透による発電方法は、1973年にイスラエルのベエルシェバにあるベングリオン・ネゲブ大学のシドニー・ローブ教授によって発明されました。 ^[3]このアイデアは、ヨルダン川が死海に流れ込むのを観察していたときにローブ教授に思いつきました。彼は、この自然な混合プロセスで無駄になる2つの水溶液（ヨルダン川と死海）の混合エネルギーを回収したいと考えました。^[4] 1977年、ローブ教授は逆電気透析熱機関による発電方法を発明しました。^[5]

この技術は実験室条件で確認されており、オランダ（RED）とノルウェー（PRO）で商業利用に向けて開発が進められている。膜のコストが障害となっていた。電気的に改質されたポリエチレンプラスチックをベースにした新しい低コストの膜により、商業利用の可能性が高まった。^{[6]他の方法も提案されており、現在開発中である。その中には、}電気二重層コンデンサ 技術をベースにした方法^[7]と蒸気圧差をベースにした方法がある。^[8]

塩分勾配発電は、自然発生的なプロセスを利用して再生可能で持続可能な電力を生み出す、特定の再生可能エネルギー代替手段です。この方法では、二酸化炭素(CO ₂ ) を汚染したり放出したりしません (蒸気圧方式では、低圧で CO _{2 を}含む溶解空気が放出されます。これらの非凝縮性ガスは、もちろん再溶解できますが、エネルギーペナルティが発生します)。また、ジョーンズとフィンリーが「塩分勾配発電の最近の開発」という記事で述べているように、燃料コストは基本的にかかりません。

塩分勾配エネルギーは、「淡水と海水の浸透圧差」という資源を利用することに基づいています。^[9]塩分勾配技術を利用するために提案されているすべてのエネルギーは、水と塩を分離するための蒸発に依存しています。浸透圧は、「塩の濃縮溶液と希薄溶液の化学ポテンシャル」です。^[10]高浸透圧と低浸透圧の関係を見ると、塩の濃度が高い溶液の方が圧力が高くなります。

塩分濃度勾配発電にはさまざまな方法がありますが、最もよく議論されているのは圧力遅延浸透(PRO) です。PRO では、海水が圧力室に送り込まれ、圧力は淡水と塩水の圧力差よりも低くなります。淡水は半透膜内を移動し、室内の容積が増加します。室内の圧力が補正されると、タービンが回転して発電します。ブラウンの記事では、このプロセスはより細分化して理解しやすいと述べています。2 つの溶液、塩水 A と淡水 B は膜で分離されています。ブラウンは、「半透膜を通過できるのは水分子だけです。両方の溶液間の浸透圧差の結果、溶液 B の水は膜を透過して拡散し、溶液 A を希釈します」と述べています。^[10]圧力によってタービンが駆動され、発電機が電力を生成して電気エネルギーを生成します。浸透は、オランダから海に淡水を直接「汲み出す」ために使用できます。これは現在、電動ポンプを使用して行われています。

2012年にイェール大学が実施した効率に関する研究では、海水抽出溶液と河川水供給溶液を用いた定圧PROにおける最高抽出仕事量は0.75 kWh/m ³ (2.7 kJ/L)で、混合の自由エネルギーは0.81 kWh/m ³ (2.9 kJ/L)であり、熱力学的抽出効率は91.0%であると結論付けられました。^[11]

塩分勾配発電の仕組みと概念はまだ研究中ですが、この電源はさまざまな場所で導入されています。そのほとんどは実験段階ですが、これまでのところ、主に成功しています。塩分勾配から電力を利用する概念やプロセスは複数あるため、この電力を活用したさまざまな企業もさまざまな方法で活用しています。

塩分濃度勾配エネルギーを利用する方法の1つは、圧力遅延浸透と呼ばれる。^[12]この方法では、海水は、塩水と淡水の圧力の差よりも低い圧力にある圧力室に送り込まれる。淡水も膜を通して圧力室に送り込まれ、圧力室の容積と圧力の両方が増加する。圧力差が補正されると、タービンが回転し、運動エネルギーを提供する。この方法は、ノルウェーの公益 企業 Statkraftによって具体的に研究されており、ノルウェーではこのプロセスから最大2.85GWが利用可能になると計算されている。^[13] Statkraftは、オスロフィヨルドに世界初のプロトタイプPRO発電所を建設し、2009年11月24日にノルウェーのメッテ・マリット王女によって開所された^[14]。この発電所は、浸透によって5年以内に小さな町の照明と暖房に十分な電力を生産することを目指していた。当初、このプロジェクトはわずか4キロワットの電力しか生み出さなかった。これは大型の電気ポットを温めるのに十分な量だったが、2015年までに目標は25メガワットに設定された。これは小規模な風力発電所と同量だ。 ^{[15]しかし、2014年1月、Statkraftはこのパイロットプロジェクトを継続しないと発表しました。 [16]} Statkraftは、既存の技術では塩分勾配が経済的に十分でないことを突き止めましたが、これは他の研究でも一致しています。^[17]地熱塩水や淡水化プラントの塩水には、より高い塩分勾配が見られます。 ^[18 ]また、デンマークのSaltPower社は現在、高塩分濃度の塩水を使った初の商業プラントを建設中です。^[19]おそらく、圧力遅延浸透を単独の技術としてではなく、逆浸透の動作モードとして統合する方が大きな可能性があります。^[20]

開発され研究されている 2 番目の方法は、逆電気透析または逆透析で、基本的には塩電池の作成です。この方法は、ワインスタインとライツによって「交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を使用して、川や海水の自由エネルギーから電力を生成することができる」と説明されています。

このタイプの電力に関する技術は、原理が 1950 年代に発見されたにもかかわらず、まだ初期段階にあります。このクリーンなエネルギー源を将来的に実現可能にするためには、標準を確立し、塩分濃度勾配を利用できるあらゆる方法を完全に理解することが重要な目標となります。

3 つ目の方法は、比較的新しい Doriano Brogioli の^[7]静電容量法で、これまでは実験室規模でしかテストされていませんでした。この方法では、塩水と淡水の混合からエネルギーを取り出すことができます。これは、塩水に接触している電極を周期的に充電し、続いて淡水中で放電することによって行われます。充電ステップで必要な電気エネルギーの量は、放電ステップで得られる量よりも少ないため、完了した各サイクルで効果的にエネルギーが生成されます。この効果の直感的な説明は、塩水中の多数のイオンが、電気二重層と呼ばれる、電極表面に非常に近い反対の電荷の薄い層を形成することによって、各電極の電荷を効率的に中和するということです。したがって、充電ステップ中の電極の電圧は低いままであり、充電は比較的簡単です。充電ステップと放電ステップの間に、電極は淡水と接触します。その後、各電極の電荷を中和するために利用できるイオンが少なくなり、電極の電圧が上昇します。したがって、その後の放電ステップでは、比較的高い量のエネルギーを供給できます。物理的な説明としては、電荷を帯びたコンデンサでは、電極の電荷と液体内のイオン電荷の間に相互に引き合う電気力があります。イオンを帯電電極から引き離すには、浸透圧が仕事をしなければなりません。この仕事により、コンデンサ内の電位エネルギーが増加します。電子的な説明としては、静電容量はイオン密度の関数です。塩分勾配を導入し、一部のイオンをコンデンサから拡散させることで、静電容量が減少し、電圧は電荷と静電容量の比に等しいため、電圧は増加します。

これら両方の方法は膜に依存しないため、ろ過要件は PRO および RED スキームほど重要ではありません。

海洋温度差発電 (OTEC) のオープンサイクルに似ています。このサイクルの欠点は、塩分濃度の低い水と高い水の間で電力を抽出するために、大口径タービン (75 メートル以上) を大気圧以下で動作させるという面倒な問題です。

空気を除湿するために、水噴霧吸収冷凍システムでは、浸透圧を媒介として水蒸気を潮解性塩水混合物に溶解します。主な動力源は、熱力学的 熱機関サイクルの一部として、熱差から生じます。

ニューメキシコ州のエディ・ポタッシュ鉱山では、鉱山に必要なエネルギーを供給するために「塩分勾配ソーラーポンド」（SGSP）と呼ばれる技術が利用されています。この方法は浸透圧パワーではなく、太陽エネルギーのみを利用します（ソーラーポンドを参照）。塩水池の底に到達した太陽光は熱として吸収されます。「熱が上昇する」自然対流の影響は、池を構成する3つの層間の密度差を使用してブロックされ、熱を閉じ込めます。上部の対流ゾーンが最も上部のゾーンで、次に安定勾配ゾーン、下部の熱ゾーンが続きます。安定勾配ゾーンが最も重要です。この層の塩水は、上部の塩水の塩分濃度が低いため密度が低く浮力が大きいため、上部のゾーンに上昇できません。また、その塩水の密度が高いため、下部に沈むこともできません。この中間層、安定勾配層は、実質的に下層の「絶縁体」となる（ただし、水は絶縁体としては劣るため、主な目的は自然対流を阻止することである）。この下層、貯蔵層からの水は汲み上げられ、その熱は、通常は有機ランキンサイクルのタービンによってエネルギーを生成するために使用される。^[21]

理論的には、太陽熱による蒸発を利用して塩分濃度勾配を作り、この塩分濃度勾配の位置エネルギーを容量方式など上記の最初の 3 つの方法のいずれかを使用して直接利用すれば、ソーラーポンドを使用して浸透圧発電を行うことができます。

研究チームは、Statkraft のプロトタイプよりもはるかに大きな電力を生み出す窒化ホウ素を使用した実験システムを構築しました。このシステムでは、外径が数十ナノメートルの単一の窒化ホウ素ナノチューブが貫通する不浸透性で電気絶縁性の膜が使用されています。この膜で塩水貯留層と淡水貯留層を分離し、ナノチューブの両側の流体に浸した 2 つの電極を使用して、膜を通過する電流を測定しました。

結果は、この装置がナノアンペアのオーダーの電流を生成できることを示しました。研究者らは、これは浸透圧エネルギーを採取する他の既知の技術の 1,000 倍の収量であり、窒化ホウ素ナノチューブは塩分勾配のエネルギーを採取して使用可能な電力を得るための極めて効率的なソリューションであると主張しています。

研究チームは、1平方メートル（11平方フィート）の膜で約4kWの発電が可能で、年間最大30MWhの発電が可能だと主張した。^[22]

2019年秋の材料研究学会で、ラトガース大学の研究チームは、1立方センチメートルあたり約1000万個のBNNTを含む膜を作成したと報告した。^{[23] [24]}

ペンシルベニア州立大学のローガン博士は、重炭酸アンモニウムが温水中で_NH3とCO2_に分解し、冷水中で再び重炭酸アンモニウムを形成するという事実を利用して、低カロリーの廃熱を利用することを試みています。そのため、REDエネルギーを生成する閉鎖系では、2つの異なる塩分濃度勾配が維持されます。^[25]

海洋環境と河川環境では、水質、特に塩分が明らかに異なります。水生植物および動物の各種は、海洋、汽水、淡水環境のいずれかで生存できるように適応しています。両方に耐えられる種もありますが、これらの種は通常、特定の水環境で最もよく繁殖します。塩分勾配技術の主な廃棄物は汽水です。汽水を周囲の水域に大量に定期的に排出すると、塩分の変動を引き起こします。特に淡水（河川）がいずれにしても海洋または海に流れ込む場所では、塩分の多少の変動は正常ですが、汽水廃水が加わると、これらの変動は両方の水域にとってそれほど重要ではなくなります。水生環境での極端な塩分変化は、突然の激しい塩分低下または急上昇に耐えられないため、動物と植物の両方の密度が低いという結果につながる可能性があります。^[26]環境保護主義者の一般的な意見によれば、これらの悪影響の可能性は、将来の大規模なブルーエネルギー施設の運営者が考慮すべきである。

汽水が生態系に与える影響は、それを海に汲み出し、表層や海底の生態系から離れた中層に放出することで最小限に抑えることができます。

PRO 方式と RED 方式の両方で大量の河川水と海水が利用されるため、取水構造物での衝突と混入が懸念されます。取水口建設許可は厳しい環境規制を満たす必要があり、地表水を利用する淡水化プラントや発電所は、許可を得るためにさまざまな地方、州、連邦機関と関わることもあり、許可を得るのに最大 18 か月かかることがあります。

Tethysデータベースは、塩分勾配発電の潜在的な環境影響に関する科学文献と一般情報へのアクセスを提供します。^[27]

• オランダの水道、グリーンエネルギーをブルーエネルギーに転換へ Archived 2009-12-24 at the Wayback Machine
• ClimateTechWiki: 海洋エネルギー: 発電のための塩分勾配
• 海洋再生可能エネルギーに関する情報のポータルおよびリポジトリ。海洋エネルギー情報への幅広いアクセスを提供するデータベース ネットワーク。
• 海洋エネルギーの基礎: 塩分勾配エネルギー 塩分勾配エネルギーに関する基本情報。
• 海洋エネルギー プロジェクト データベース 米国および世界各地の海洋エネルギーの展開に関する最新情報を提供するデータベースです。
• Tethys データベース 海洋エネルギーおよび洋上風力エネルギー開発の潜在的な環境影響に関する情報のデータベース。
• Tethys エンジニアリング データベース 海洋エネルギー装置の技術設計とエンジニアリングに関する情報のデータベース。
• 海洋および水力学的データ リポジトリ 米国エネルギー省が資金提供した海洋エネルギー研究開発プロジェクトによって収集されたすべてのデータのデータベース。