Loading article…
浸透圧エネルギー、塩分濃度勾配エネルギー、またはブルーエネルギーとは、海水と河川水の塩分濃度の差から得られるエネルギーのことです。このエネルギーを利用する実用的な方法として、逆電気透析（RED）と 圧力遅延浸透（PRO）の2つがあります。どちらの方法も膜を用いた浸透を利用しています。主な副産物は汽水です。この副産物は、塩水で構成された海に淡水が流れ込むという自然の力によって生じるものです。
1954年、パトル[ 1 ]は、川が海と混ざり合う際に失われる浸透圧という点で、未開発のエネルギー源が存在すると示唆したが、選択透過性膜を用い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あった。
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大学でシドニー・ローブ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様子を観察したことがきっかけの一つでした。彼は、この自然な混合プロセスで無駄になっている 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 年に、ローブは逆電気透析熱機関による発電方法を発明しました。[ 5 ]
これらの技術は実験室条件下で確認されています。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ます。膜のコストが障害となっていました。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と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りました。[ 6 ]他の方法も提案されており、現在開発中です。その中には、電気二重層コンデンサ 技術に基づく方法[ 7 ]や蒸気圧差に基づく方法[ 8 ]などがあります。
塩分濃度勾配発電は、自然現象を利用して再生可能で持続可能な電力を生成する、特定の再生可能エネルギー代替手段です。この方式では、汚染や二酸化炭素（CO₂ ）排出は発生しません（蒸気圧方式では、低圧下でCO₂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再溶解できますが、エネルギー損失が発生します）。また、ジョーンズとフィンリーが論文「塩分濃度勾配発電の最近の発展」で述べているように、燃料費は基本的にかかりません。
塩分勾配エネルギーは、「淡水と海水の間の浸透圧の差」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、蒸発によって水から塩を分離することに依存しています。浸透圧は、「濃縮および希釈された塩溶液の化学ポテンシャル」です。[ 10 ]高い浸透圧と低い浸透圧の関係を見ると、塩の濃度が高い溶液ほど圧力が高くなります。
さまざまな塩分濃度勾配発電方式が存在しますが、最もよく議論される方式の1つが圧力遅延浸透（PRO）です。PROでは、海水が圧力チャンバーに送り込まれ、その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、チャンバー内の体積が増加します。チャンバー内の圧力が補償されると、タービンが回転して発電します。Braun氏の記事では、このプロセスはより細かく分解して理解しやすいと述べています。塩水Aと淡水Bの2つの溶液が膜で隔てられています。彼は「水分子のみが半透膜を通過できます。両溶液間の浸透圧差の結果として、溶液Bの水が膜を拡散して溶液Aを希釈します」と述べています。[ 10 ]この圧力がタービンを駆動し、発電機を動かして電気エネルギーを生成します。浸透は、オランダから海へ淡水を「汲み上げる」ために直接使用できる可能性があります。これは現在、電動ポンプを使用して行われています。
イェール大学による2012年の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における最大抽出可能仕事は0.75 kWh/m 3 (2.7 kJ/L)であり、混合の自由エネルギーは0.81 kWh/m 3 (2.9 kJ/L)である、つま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 ]
塩分濃度勾配を利用した発電の仕組みや概念はまだ研究段階にあるものの、この発電方法はすでに様々な場所で実用化されている。そのほとんどは実験段階だが、これまでのところ概ね成功を収めている。この発電方法を採用している企業は多種多様であり、塩分濃度勾配からエネルギーを引き出すための概念やプロセスも多岐にわたる。
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ています。[ 12 ]この方法では、海水が、塩水と淡水の圧力の差よりも低い圧力の圧力室に送り込まれます。淡水も膜を通して圧力室に送り込まれ、これにより室の容積と圧力の両方が増加します。圧力差が補償されると、タービンが回転し、運動エネルギーが得られます。この方法は、ノルウェーの電力会社Statkraftによって特に研究されており、ノルウェーではこのプロセスから最大 2.85 GW の電力が得られると計算されています。[ 13 ] Statkraft は、2009 年 11 月 24 日に開所した、世界初のPRO 発電所のプロトタイプをオスロ フィヨルドに建設しました。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ます。当初はわずか4キロワットの発電量で、大型電気ケトルを温めるのに十分な量でしたが、2015年までに目標は25メガワット、つまり小型風力発電所と同じ発電量になりました。[ 14 ]しかし、2014年1月にStatkraft社はこのパイロットプロジェクトを継続しないことを発表しました。[ 15 ] Statkraft社は、既存の技術では塩分濃度勾配が経済的に採算が取れるほど高くないことを発見し、他の研究でもそれが確認されています。[ 16 ]より高い塩分濃度勾配は地熱かん水や海水淡水化プラントのかん水に見られ、[ 17 ]デンマークのSaltPower社は現在、高塩分濃度かん水を用いた初の商業プラントを建設中です。[ 18 ]圧力遅延浸透を単独の技術としてではなく、逆浸透の運転モードとして統合する方が、より大きな可能性を秘めているかもしれません。[ 19 ]
開発・研究されている2つ目の方法は、逆電気透析または逆透析と呼ばれるもので、これは基本的に塩電池の作製に相当します。この方法は、ワインスタインとライツによって「陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を交互に配置したアレイを用いて、河川水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。
この種の発電に関する技術は、原理自体は1950年代に発見されたものの、いまだ発展途上の段階にある。塩分濃度勾配をあらゆる方法で活用するための基準の策定と、その包括的な理解は、このクリーンエネルギー源を将来的にさらに実現可能なものにするために、目指すべき重要な目標である。
3つ目の方法は、ドリアーノ・ブロジオリ[ 7 ]の容量法で、これは比較的新しく、今のところ実験室規模でしかテストされていません。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、塩水に接触した電極を周期的に充電し、その後淡水中で放電することによって行われます。充電段階で必要な電気エネルギーの量は、放電段階で得られる量よりも少ないため、各サイクルが完了するごとに効果的にエネルギーが生成されます。この効果を直感的に説明すると、塩水中の多数のイオンが、電極表面のすぐ近くに反対の電荷の薄い層（電気二重層として知られる）を形成することによって、各電極の電荷を効率的に中和します。したがって、充電段階では電極間の電圧は低く保たれ、充電は比較的容易です。充電段階と放電段階の間に、電極は淡水に接触します。その後、各電極の電荷を中和できるイオンが少なくなるため、電極間の電圧が上昇します。したがって、それに続く放電段階では、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、帯電したコンデンサでは、電極上の電荷と液体中のイオン電荷との間に相互に引き合う電気力が働きます。帯電した電極からイオンを引き離すには、浸透圧が仕事をする必要があります。この仕事によってコンデンサ内の電気ポテンシャル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。塩分濃度勾配を導入し、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、電圧は増加する必要があります。
これらの方法はいずれも膜に依存しないため、ろ過に関する要件はPROおよびRED方式ほど重要ではない。
海洋温度差発電（OTEC）における開放サイクルに似ている。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動力を抽出するために、大気圧以下の圧力で大型タービン（直径75メートル以上）を運転するという煩雑な問題である。
水噴霧吸収式冷凍システムでは、空気の除湿を目的として、浸透圧を利用して水蒸気を潮解性の塩水混合物に溶解させる。主要な動力源は、熱力学的熱機関サイクルの一部として、温度差から生じる。
ニューメキシコ州のエディ・ポタッシュ鉱山では、「塩分濃度勾配ソーラーポンド」（SGSP）と呼ばれる技術が、鉱山に必要なエネルギーを供給するために利用されています。この方法は浸透圧エネルギーではなく、太陽光エネルギーのみを利用します（ソーラーポンドを参照）。塩水池の底に届く太陽光は熱として吸収されます。 「熱は上昇する」という自然対流の影響は、池を構成する3つの層間の密度差を利用して遮断され、熱を閉じ込めます。最上層は対流層、次に安定勾配層、そして最下層は熱層です。安定勾配層が最も重要です。この層の塩水は、上層の塩水の方が塩分濃度が低く密度が低いため浮力が大きく、上層に上昇することはできません。また、下層の塩水の方が密度が高いため、下層に沈むこともできません。この中間層である安定勾配層は、下層の「断熱材」として機能します（ただし、水は断熱材としての性質が低いため、主な目的は自然対流を遮断することです）。下層部の貯水層から汲み上げられた水は、熱を利用してエネルギーを生成する。通常は有機ランキンサイクルでタービンを使用する。[ 20 ]
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出し、この塩分濃度勾配に蓄積された位置エネルギーを、上記の最初の3つの方法のいずれか（例えば、容量性方式）を用いて直接利用すれば、ソーラーポンドを使って浸透圧発電を行うことができる。
研究チームは、窒化ホウ素を用いた実験システムを構築し、Statkraft社の試作機よりもはるかに大きな発電能力を実現した。このシステムは、外径が数十ナノメートルの窒化ホウ素ナノチューブを貫通させた、不透過性で電気絶縁性の膜を使用している。この膜で塩水貯水槽と淡水貯水槽を隔て、ナノチューブの両側の液体に浸した2つの電極を用いて、膜を通過する電流を測定した。
実験結果によると、この装置はナノアンペアオーダーの電流を生成できることが示された。研究者らは、これは浸透圧エネルギーを収穫する他の既知の手法の1000倍の効率であり、窒化ホウ素ナノチューブは塩分濃度勾配のエネルギーを電力として利用するための非常に効率的なソリューションであると主張している。
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の電力を生成でき、年間最大30MWhの発電が可能だと主張した。[ 21 ]
2019年の秋の材料研究学会の会議で、ラトガース大学のチームが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。[ 22 ] [ 23 ]
ペンシルベニア州立大学のローガン博士は、炭酸水素アンモニウムが温水中でNH₃とCO₂に分解し、冷水中で再び炭酸水素アンモニウムを生成するという事実を利用して、低カロリーの廃熱を利用しようとしています。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。[ 24 ]
海洋環境と河川環境では、水質、特に塩分濃度に明らかな違いがあります。水生植物や動物の各種は、海洋、汽水、淡水のいずれかの環境で生存するように適応しています。両方の環境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生育します。塩分濃度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、かつ定期的に排出すると、塩分濃度の変動を引き起こします。淡水（河川）が海や海洋に流れ込む場所では、塩分濃度の変動は一般的ですが、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重要性が低くなります。水生環境における極端な塩分濃度の変化は、急激な塩分濃度の低下や上昇に対する耐性の欠如により、動物と植物の両方の密度の低下につながる可能性があります。[ 25 ]環境保護主義者の一般的な意見によれば、将来の大規模なブルーエネルギー施設の運営者は、これらの負の影響の可能性を考慮すべきである。
汽水が生態系に与える影響は、汽水を海に汲み出し、表層や底層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る。
PRO計画とRED計画の両方で大量の河川水と海水が利用されるため、取水構造物における衝突や巻き込みが懸念されます。取水施設の建設許可は厳格な環境規制を満たす必要があり、地表水を利用する海水淡水化プラントや発電所は、許可を得るために地方、州、連邦の様々な機関と連携する必要があり、その期間は18ヶ月以上に及ぶ場合があります。
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。[ 26 ]