Sinine energia

Sinine energia ehk soolsusgradiendi energia ehk osmootne energia on üks taastuvatest mereenergiaallikatest, mis pärineb merevee ja jõevee soolasisalduse (kontsentratsiooni) erinevustest. Sinise energia tootmine ei saasta keskkonda ega vabasta süsihappegaasi, samuti on kütusekulu minimaalne, kuna energia tootmiseks kasutatakse looduslikult esinevaid protsesse.

Põhilised tehnoloogiad soolsusgradiendist tuleneva energia tootmiseks on pöördelektrodialüüs (RED) ja rõhu alandamisest tulenev osmoos (PRO). Mõlemad protsessid põhinevad osmoosil läbi membraanide. Kõrvalsaaduseks ning põhiliseks jäätmeks on riimvesi, mis tekib magevee ja merevee segunemisel (näiteks jõe suubumisel merre).

Mõlemat tehnoloogiat on edukalt katsetatud laboritingimustes. Seni arendatakse neid laialdase kasutamise eesmärgil Hollandis (RED) ja Norras (PRO). Varem on laiale turule viimist takistanud membraani hind, kuid uus ning odavam membraan, mis põhineb elektriliselt modifitseeritud polüeteenplastikul, on teinud tehnoloogiad kulutõhusaks. Leidub ka teisi tehnoloogiaid, näiteks kahekihilisel elektrilisel kondensaatoril ja aururõhu erinevustel põhinevad meetodid, kuid nendega ei tegeleta nii intensiivselt.^[1]

Ajalugu

1954. aastal uuris R. E. Pattle^[2] elektrienergia tootmist mageda ja soolase vee segunemise teel hüdroelektrijaamas ning viitas, et leidub üks siiani märkamatuks jäänud energiaallikas. Nimelt pakkus ta välja, et kui jõevesi seguneb mereveega madaldatud rõhu tingimustes, siis on võimalik sealt osmoosi abil energiat koguda. Kuid alles 1970. aastate keskpaigas pakkus Sidney Loeb välja praktilise meetodi Pattle’i teoreetilise kirjutise realiseerimiseks selektiivselt läbilaskvate membraanide abil.

PRO meetodi energia tootmiseks leiutas professor Sidney Loeb aastal 1973 Iisraelis Ben-Guriyyoni ülikoolis. Idee tuli professorile ajal, kui ta vaatles Jordani jõge Surnumerre suubumas. Ta mõte oli koguda energiat, mis muidu läheks raisku looduslikes protsessides, segades kokku kaks lahust (üheks Jordani jõgi, teiseks Surnumeri). Aastal 1977 leidiski professor Loeb meetodi energia tootmiseks pöördelektrodialüüsi (reverse electrodialysis – RED) abil.^[3]

Meetodid

Alandatud rõhu osmoos (PRO)

Alandatud rõhu osmoos (Pressure-retarded Osmosis – PRO) on tehnoloogia eraldamaks solventi ehk lahustit (magevesi) lahusest (soolane vesi), mis on rohkem kontsentreeritud ja suurema rõhu all. Poolläbilaskev membraan lubab lahustil üle minna kontsentreeritud lahusesse osmoosi teel. Soolane vesi pumbatakse kambrisse, kus on madalam rõhk, kui seda on rõhk soola ja magevee rõhkude vahel. Samasse kohta pumbatakse ka magevesi, kuid läbi poolläbilaskvate membraanide. See tõstab kambris mahtu ja rõhku. Vajadus tekkinud rõhu erinevusi kompenseerida/tasakaalustada paneb turbiini keerlema, tekitades kineetilist energiat.

PRO mehhanism W1 : magevesi W2 : merevesi M: membraan O : osmoos P : saavutatud rõhk

Meetodit on uurinud Norra ettevõte Starkraft, kes on välja arvutanud, et sellise protsessi tulemuseks võiks olla kuni 2,85 GW energiahulk. Starkraft on ehitanud maailma esimese PRO energiajaama prototüübi Oslo fjordidesse, mille avas Norra printsess Mette-Marit^[4] 24. november 2009. Jaama eesmärgiks oli toota piisavalt elektrit, et valgustada ja soojustamaks väikest linna 5 aasta jooksul osmoosi teel. Alguses määrati, et jaam toodab kõigest 4 kilovatti – piisavalt, et soojustada suurt elektriboilerit, aga 2015. aastaks oli eesmärgiks 25 megavatti – sama palju kui väike tuulepark. 2014. aasta jaanuaris aga Starkraft teatas, et nad ei jätka selle eesmärgi saavutamist, kuna projekt ei osutunud kulutõhusaks.

Pöördelektrodialüüs (RED)

Teine meetod, mida arendatakse ja uuritakse on pöördelektrodialüüs või pöörddialüüs (Reversed Electrodialysis – RED), mis kujutab endast põhimõtteliselt soolapatarei loomist. Meetod põhineb mageda ja soolase vee ioonide liikumisel läbi membraanide, mille tulemusena tekib vajalik elektrilaeng. Olulised on ühelt poolt elektrijaama voolav magevesi ja teiselt poolt soolane vesi, mis suunatakse kokku ühte mebmbraaniga eraldatud kambrisse, kus toimub ioonide vahetus. Tuleb märkida, et protsessis on kasutusel kahte tüüpi membraanid: üks laseb läbi positiivselt laetud naatriumi (Na) ioone ning teine negatiivselt laetud kloori (Cl) ioone. Nii tekivad vahelduvad soolase ja mageda vee kihid, mille vahel paiknevad omakorda membraanid. Selline asetus genereerib elektrilise pinge, mida saab kasutada elektrivoolu tekitamisel, ilma et oleks vaja turbiine.

See, seni veel lapsekingades olev ja kulukas tehnoloogia, on praegu kasutusel ja edasiarendamisel Hollandis, kus ollakse optimistlikud, et kui jätkata edasisi uuringuid ning teha selgeks soolsusgradiendi kasutamisega seotud põhimõtted, siis on võimalik teha kättesaadavaks selline energiatoomisviis kõikjal, kus on ligipääs soolasele ja mageveele.^[5]

Mahutavuslik meetod (Capacitive method)

Kolmas meetod on Doriano Brogioli^[6] mahutavuslik meetod, mis on võrdlemisi uus ja mida on seni testitud ainult laboris. Selle meetodiga saab energiat eraldada soolase ja mageda vee segust nii, et ringluses olevad elektroodid esmalt laetakse soolase vee poolt ning seejärel vabastatakse laengust magevee poolt. Kuna elektrienergia kogus, mida vajatakse elektroodide laadimise käigus on väiksem kui laengust vabastamisel tekkiv energia, toodab iga selline tsükkel efektiivselt energiat.

Negatiivne mõju keskkonnale

Kuigi soolsusgradiendil põhinev energia on spetsiifiline taastuva energia alternatiiv, mis kasutab energia tootmiseks looduslikult esinevaid protsesse ning ei saasta ega vabasta CO₂ ja ka kütusekulu on minimaalne, võib see siiski ohtlikuks osutuda veeorganismidele.

Peamiselt tekib soolsusgradiendil põhinevas energiatootmises riimvett, mis tuleb heita merre. Riimvee suured ja ebaregulaarsed hoovused ümbritsevatesse vetesse põhjustavad ulatuslikke soolsuse kõikumisi. Kuigi mõningane varieeruvus soolsuses on loomulik, eriti piirkondades, kus magevesi suubub ookeani või merre, kaotavad need tavapärased variatsioonid oma tähtsuse, kui lisandub riimvesi. Soolsuse muutus ongi aspekt, mis võib osutuda ohtlikuks vee-elustikule. Mere ja jõe veekvaliteet on väga erinev ning nendes keskkondades on erinev elustik. Iga veeorganism on kohanenud ellu jääma merelises, riimveelises või magevee keskkonnas. On olemas liike, kes tolereerivad kõiki, kuid siiski on ka neil omad eelistused tingimustele, kus toimetulek on märksa hõlpsam. Ekstreemsed soolsuse erinevused veekeskkonnas võivad tuua kaasa veeorganismide tiheduse languse.^[7] Näiteks halofiilid hukkuvad mageda vee tingimustes, kuna magevesi tungib nende organismi, muutes nende tihedust.

Riimvee mõju ökosüsteemidele saab minimeerida, pumbates seda mere keskkihti, eemale pindmistest ja sügavatest ökosüsteemidest.

Arengusuunad

Osmoos töötab iga lahustunud aine kontsentratsiooni erinevuste puhul, nii ka näiteks suhkru puhul. Seega "sinine energia" ei ole piiritletud ainult magevee ja soolase vee segunemisega. 2013. aastal Hollandi veeinstituut Wetsus märkis, et võib-olla on võimalik genereerida elektrit dissotsieerumata süsihappegaasist, mida oleks võimalik koguda jaamadest, mis põletavad fossiilkütuseid. Süsihappegaas dissotsieerub kergelt vees, et moodustada karbonaathape, mis seejärel laguneb bikarbonaat- ja vesinikioonideks. Need saab juhtida elektroodideni nagu tavalisi soolaioone, mis teeb võimalikuks mahutavusmeetodi. Kuid erinevalt soolaveest on vees CO₂, mis laeb ioone, ja magevee asenduseks on puhas õhk, mis vabastab ioonid laengust.^[1]

Viited

1. Philip Ball (10.06.2015). "Blue energy: How mixing water can create electricity". BBC Future. Vaadatud 17.11.2017.
2. R. E. Pattle (02.10.1954). "Production of electric power by mixing fresh and salt water in the hydroelectric pile". NATURE. Vaadatud 11.11.2017.
3. "Sindey Loeb: Co-Inventor of Practical Reverse Osmosis". Vaadatud 11.11.2017.
4. Paul Ridden (27.11.2009). "The world's first osmotic power plant from Statkraft". New Atlas. Vaadatud 17.11.2017.
5. Ann-Marii Nergi (20.05.2014). "Hollandlased toodavad elektrit ka mageda ja merevee segamisest". Eesti Päevaleht. Vaadatud 17.11.2017.
6. Doriano Brogioli (31.07.2009). "Extracting Renewable Energy from a Salinity Difference Using a Capacitor" (PDF). Physical Review Letters. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 15.12.2017. Vaadatud 17.11.2017.
7. Montague, C., Ley, J. A (1993). Possible Effect of Salinity Fluctuation on Abundance of Benthic Vegetation and Associated Fauna in Northeastern Florida Bay. Estuaries and Coasts. New York: Springer. Lk 703–717.