راه حل نمکي
نويسنده: کيت راويليوس
ترجمه: احمد آرين خو
ترجمه: احمد آرين خو
گروهي از محققان و مهندسان درتلاشند تا انرژي نهفته در آب شور درياي شمال در اروپا را به انرژي برق تبديل کنند.
اگر بر کرانه رود راين، در جايي که به درياي شمال مي رسد (نزديک بندر روتردام هلند) بايستيد، شاهد منبع عظيمي از انرژي خواهيد بود که بلا استفاده مانده و در مدخل ورودي رود به سوي دريا در جريان است. بنابر نظر "ژوست ويرمن"، مهندس هلندي، امکان بهره گيري از اين منبع انرژي بدون صدمه زدن به محيط و يا ايجاد اختلال در عبور و مرور کشتي ها در اين مسير وجود دارد. ويرمن و همکارانش از مرکز تحقيقات فناوري منابع پايدار آب (وتسو) واقع در هلند بر اين عقيده اند که مي توان به جاي بستن سد بر روي اين رودخانه و يا ايجاد حفره در بستر رود به وسيله توربين ها، انرژي نهفته در آب شور درياي شمال را با کاناليزه کردن آن به همراه آب شيرين رود راين و در نوع جديدي از باتري ها مورد بهره برداري قرار داد. وي مي گويد در صورتي که تعداد مکفي از اين باتري ها به کار بسته شود، دهانه اين رود خواهد توانست در قالب فرايندي با نام انرژي آبي، بيش از يک گيگاوات برق توليد کند؛ ميزاني که مي تواند تامين کننده برق حدود 650 هزار خانه باشد.
گروه ويرمن درتلاش براي بيرون آوردن اين لوله ها و سيستم ها از عالم رويا به جهان واقعيت، آزمون هاي آزمايشگاهي را بر روي ژنراتورهاي توليد کننده انرژي نمکي انجام داده اند و اکنون قصد اجراي آن را در ابعاد بزرگ تر دارند. البته لازم به ذکر است که در حال حاضر گروهي از مهندسان نروژي يک گام پيش تر نهاده و انرژي نمکي را به کار گرفته اند.
در چند ماه آينده اين گروه نروژي نخستين نيروگاه نمکي را به راه خواهند انداخت. اگر چه اين نمونه اوليه هنوز کوچک است، اما مي تواند اثرات بزرگي را در پي داشته باشد. اکنون پرسش اينجاست که اين فناوريي هاي رقيب چه هستند و چگونه مي توان آنها را با يکديگر مقايسه کرد، و اين که چه موانعي بر سر راه توليد برق در نقاط تلاقي رودها با درياها وجود دارد؟
تاريخچه شکل گيري و ظهور انرژي نمکي به استفاده متفاوت از آب دريا باز مي گردد. در اواخر دهه 1950، "سيدني لوب" و "سرينيو اساسوريراجان" که در آن زمان در دانشگاه کاليفرنيا در لوس آنجلس (UCLA) مشغول به کار بودند، راه جديدي را براي استخراج آب آشاميدني از آب دريا ارائه نمودند.ايده آنها بر مبناي فرايند اسمز بنا شده بود، فرايندي که طي آن آب به طور خود به خود و با عبور از يک غشاي نيم تراوا از يک محيط رقيق وارد يک محلول غليظ مي شود. اين دو محقق دريافتند که در صورت بهره گيري از غشاي مصنوعي به همراه پمپ هاي فشار قوي، خواهند توانست فرايند اسمز را در خلاف جهت اعمال کرده، آب شيرين را از آب دريا جدا کنند. امروزه اين رهيافت در بسياري از مجموعه هاي نمک زدايي در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار مي گيرد.
حدود 15 سال بعد، جرقه اي ديگر در ذهن لوب روشن شد. او دريافت که طرح آنها مي تواند در مسير توليد انرژي به کار رود. لذا مخزني را در نظر گرفت که داراي دو محفظه است و غشايي نيم تراوا آن دو را از يکديگر جدا کرده است. با قرار دادن آب شور در يک طرف و آب شيرين در طرف ديگر غشا، نيروي اسمزي، آب شيرين را به سوي بخش نمکي خواهد کشاند که همين امر موجب بالا رفتن فشار آن مي شود. آن گاه مي توان اين آب نمک پر فشار را براي توليد برق به سوي توربين روانه کرد. لوب نام اين فرايند را "اسمز پيش فشار" (PRO) ناميد و در سال 1973 نيز آن را ثبت کرد.
برنامه وي برداشت انرژي در نقاطي بود که رودخانه ها به اقيانوس مي پيوندند و اين يعني همان جايي است که آب شور و شيرين به هم مي رسند. آب شيرين از جريان بالادست به درون نيروگاه وارد مي شود و آب شور از جريان پايين دست. در درون نيروگاه، آب شور و شيرين به دو سوي يک غشا هدايت مي شوند در اين شرايط نيروي اسمزي، فشار آب کافي را در سوي نمکي غشا ايجاد مي کند (فشاري تا 12 اتمسفر) که توليد برق از آن طريق را سودمند مي سازد.
نکته اساسي، يافتن يک غشاي مناسب بود. اين غشا مي بايست نسبت به آب، تراوا، ولي نسبت به نمک عايق باشد. نکته ديگر اينکه اين غشا مي بايست بسيار مهم و نازک و در عين حال از دوام بالايي برخوردار باشد، نيل به اين مقصود آن قدر زمان برد تا اين که در سال 1986 لوب بازنشسته شد در حالي که رويايش به حقيقت نپيوسته بود.
اين مفهوم در سال 1997 دوباره زنده شد در اين سال "تورتورسن" و "تورليف هالت" که در سازمان تحقيقات نروژ واقع در تروندهايم فعاليت مي کردند، متقاعد شدند که فناوري توليد غشا آن قدر پيشرفت کرده که بتواند ايده لوب را توجيهي اقتصادي ببخشد. اشتياق فراوان اين دو نفر به همراه محاسبات بسيار دقيق، موجبات اقناع "استات کرافت" را در رابطه با امکان پذير بودن استحصال انرژي نمکي در نروژ و توجيه سرمايه گذاري در آن را فراهم آورد. آنها معتقدند که با بهره گيري از يک طراحي شبيه به آن چه لوب ارائه کرده بود، راه چنداني تا رسيدن به هدف خود ندارند. "اريک اسکيلهاگن" که مدير پروژه PRO در استات کرافت است، معقتد است که مبحث غشا هنوز اساسي ترين معضل فراوري پروژه است. وي اشاره مي کند که غشاهاي مورد استفاده در تاسيسات نمک زدايي، معمولاً بسيار ضخيم اند و لذا آب کافي را به سوي خود هدايت نمي کنند.در نتيجه، مهندسان استات کرافت در صدد بهبود طراحي هاي موجود براي غشاهاي مورد نياز هستند. در حالي که نمونه هاي اوليه اين غشاها تنها 100 ميلي وات در متر مربع برق توليد مي کردند، غشاهاي جديد مي توانند بيش از 3 وات در متر مربع برق توليد کنند که اين ميزان به مقدار هدف که همانا 5 وات در متر مربع است، نزديک شده است.
اسکيلهاگن معتقد است که در حال حاضر اين غشاها کارآمدي لازم را دارند که بتوان از آنها در سطحي وراي آزمايشگاه بهره جست و به همين علت اين شرکت قصد دارد تا طي چند ماه آينده نخستين مدل نيروگاهPRO را در کارخانه کاغذ و تفاله "سودرا" راه اندازي کند. اين کارخانه در تافت و در کنار يک آبدره در فاصله اي حدوداً 60 کيلومتري از اسلو قرار دارد.
اين نمونه اوليه، تجربيات گرانقدري را در مسير شکل دهي به نمونه هاي با مقياس بزرگ تر در اختيار ما قرار خواهد داد. اين نيروگاه جديد در فضايي برابر با يک زمين تنيس قرار خواهد گرفت. هالت مي گويد: "در آزمايشگاه مقدار غشاي به کار رفته به اندازه يک فنجان قهوه بود، اما در اين مورد ما دو هزار متر مربع از اين غشاها را به کار خواهيم گرفت." وي مي افزايد که براي نمونه نهايي به چندين ميليون متر مربع غشا نياز داريم، لذا بيشينه ساختن مساحت مبادله از اهميت بسزايي برخوردار است. در حال حاضر گروه دست اندرکار اين پروژه مشغول بررسي دو طراحي مختلف است. در مدل نخست، يک لوله طويل غشا از درازا لوله مي شود تا شکلي شبيه به رولت پيدا کند. در اين نمونه، آب شيرين به درون لوله پمپاژ مي شود و در همان حال آب شور در بيرون لوله جريان مي يابد.
ابعاد هر رول مارپيچي کمتر از يک ميلي متر است و صدها عدد از آنها به صورت موازي و در يک لوله 20 متري قرار مي گيرند. در نمونه دوم، غشاها به صورت لوله هاي مستقيم الخطي درمي آيند که از درون يک محفظه حاوي آب شور مي گذرند. در اين حالت آب شيرين به درون لوله هاي مذکور پمپاژ مي شود.
ياري گرفتن از نيروي جاذبه همان طور که لازم است تا روش بهينه براي استقرار غشاها به اجرا درآيد. محققان بايد روش هاي جلوگيري از انباشته شدن خلل و فرج هاي ظريف غشاها توسط گل و لاي و جلبک موجود در آب را مورد بررسي قرار دهند. هالت مي گويد که گروه درگير در اين پروژه در صدد هستند تا از يک پوشش ضد رسوب در غشاها استفاده کنند و ضمناً با تغيير متناوب جهت سيلان آب، موجبات پاک شدن خلل و فرج ها را فراهم آورند.
چالش ديگري که در اين مسير فراروي محققان قرار دارد، به حداقل رساندن انرژي مصرفي براي رساندن آب به محل تاسيسات است. بررسي هاي آزمايشگاهي حکايت از آن دارد که يک پنجم برق توليد شده بايد براي پمپاژ آب به درون سيستم مصرف شود.اما در نروژ، بسياري از رودخانه ها با شيب زيادي از کوه ها فرو مي ريزند پس مي توان تنها با بهره گيري از نيروي جاذبه، آب مورد نياز را به درون نيروگاه هدايت کرد. اسکيلهاگن مي گويد که در صورت ساخته شدن نيروگاه در زير سطح زمين و يا در بستر رودخانه، نيروي جاذبه آب شور را به درون سيستم هدايت خواهد کرد.
نيروگاه تافت، 4 کيلو وات برق توليد مي کند که البته يک پنجم اين مقدار بايد صرف پمپاژ آب به درون سيستم شود. مقدار باقي مانده تنها اندکي بيش از 3 کيلووات خواهد بود که اين مقدار تنها مي تواند نيروي مورد نياز چند کتري را تامين کند؛ اما استات کرفت اميدوار است که بتواند يک نيروگاه نمکي بزرگ را تا حوالي سال 2015 راه اندازي کند. بنابر اظهارات مطرح شده، آن نيروگاه ابعادي در حدود يک زمين فوتبال خواهد داشت و با در برداشتن بيش از 5 ميليون متر مربع غشا مي تواند تا 25 مگاوات برق توليد کند و اين امر نتيجه بالا بردن بازده (راندمان) و همچنين بهره گيري از انواع جديدي از غشاها خواهد بود. چنين نيروگاهي خواهد توانست برق بيش از 15 هزار خانه را تامين کند.
بر اساس برآوردهاي استات کرافت، انرژي نمکي مي تواند تا 12 تراوات ساعت برق در سال توليد کند که اين مقدار معادل 10 درصد مصرف برق کشور است. اسکيلهاگن مي گويد: "برآورد ما اين است که مي توان در سراسر جهان بين 16 تا 17 هزار تراوات ساعت در سال، برق نمکي توليد کرد"؛ و اين يعني يک درصد مصرف برق جهان. تحقق اين برآورد مستلزم بهره برداري از نيمي از آب هاي جاري در دهانه رودخانه هاست.
البته برخي نسبت به امکان استفاده از اين فناوري در سرتاسر جهان ابراز ترديد مي کنند. ويرمن مي گويد که رودخانه هاي نروژ چندان گل آلود و لجنين نيستند، اما رودخانه هاي انگلستان و هلند (به طور مثال) مملو از لجن و باکتري اندکه پاک سازي اين رودخانه ها، هيچ توجيهي براي پياده کردن فناوري PRO باقي نمي گذارند.
به همين دليل ويرمن و همکارانش در وتسوس اقدام به طراحي يک سيستم بديل کرده اند که همانا باتري با پايه نمک است.اين سيستم که لقب "انرژي آبي" را بر خود دارد، به جاي جابه جا کردن ذرات آب از ميان غشاها، يون ها را در اين مسير هدايت مي کند. غشاهاي به کار رفته در اين سيستم در رده غشاهاي به کار رفته در دياليز کليه قرار مي گيرند. در حقيقت در اين سيستم نياز به دو نوع غشا وجود دارد که يکي نسبت به يون هاي منفي تراوا باشد و ديگري نسبت به يون هاي مثبت، و در عين حال هر دو براي آب ناتراوا.
آب دريا به طور معمول در حدود 35 گرم نمک در خود دارد و لذا در مقايسه با آب شيرين، از ميزان بسيار بالايي يون مثبت سديم و يون منفي کلر برخوردار است. گروه هدايت کننده ي اين پروژه، لايه هاي متناوب دو غشا را در يک سيستم قرار داده اند تا بتوانند محفظه هاي مجزايي را ايجاد کنند. هنگامي که آب شيرين و شور به طور هم زمان به سوي اين اتاقک ها سرازير مي شوند، يون هاي کلر به طور خود به خود از طريق يکي از غشاها مسير خود را از مبدأ آب شور به سوي مقصد شيرين آغاز مي کنند و در همين حال يون هاي سديم به سوي مخالف روانه مي شوند (تصوير.... را ببينيد). اين تحرکات موجب ايجاد اختلاف پتانسيل ميان الکترودهايي که در دو سوي پيل قرار دارند مي شود.
ويرمن و همکارانش در آزمايشگاه خود يک نمونه ساده از مولد انرژي آبي را به کار انداخته اند.اگر چه اين سيستم تنها 20 وات انرژي توليد مي کند اما همين مقدار نيز براي اقناع "پيتر هک"، مدير شرکت مگنتو، کافي بوده است تا وي براي حضور اين فناوري در عرصه ي تجارت، شرکتي تازه با نام "ردستک" تاسيس کند.
در حال حاضر دو شرکت "ردستک" و "وتسوس" به طور مشترک بر روي يک پروژه پايلوت در معدن نمک هارلينگن واقع در شمال هلند مشغول به کار هستند. آب شوري که به صورت ضايعات از معدن بيرون مي آيد، به همراه آب شيرين رودخانه محلي به درون اين نيروگاه آزمايشي پمپاژ مي شود و هر کدام يکي از مسيرهاي مربوط به آب شور يا شيرين باتري هاي نمکي را تغذيه مي کنند.اين سيستم که به اندازه سه ماشين ظرف شويي است، به زودي به کار خواهد افتاد و چندين کيلوات برق توليد خواهد کرد اگر چه اين سيستم برخلاف نيروگاه تافت شرکت استات کرافت به شبکه ي برق متصل نيست، اما به محققان در مسير ارزيابي چگونگي توسعه انرژي آبي کمک شاياني خواهد کرد.
البته کماکان طراحي غشاها از مهم ترين مسائل پيش روي پژوهشگران است. آهنگ سيلان آب نيز بايد بهينه سازي شود. ويرمن معتقد است که از آنجا که در اين سيستم به جاي مولکول هاي آب، يون ها از درون غشاها عبور مي کنند. بنابراين ميزان جابه جايي جرم در اين سيستم نسبت به نوع بديل خود که پيش تر به آن اشاره شد پايين تر و لذا خطر انسداد خلل و فرج ها از طريق گل و لاي و رسوبات کمتر است.
برآوردها و محاسبات صورت گرفته توسط ويرمن و همکارانش بيانگر اين مسئله است که در صورت بهره برداري از تمامي رودخانه هاي حائز شرايط در هلند، امکان تامين 75 درصد برق مورد نياز کشور از طريق اين فناوري وجود خواهد داشت. آنها همچنين معتقدند که در صورت بهره برداري از 50 در صد آب رودخانه هاي بزرگ جهان، مي توان تا 17 درصد برق مورد نياز جهان را از طريق اين فناوري تامين کرد.
اسکيلهاگن معتقد است که اين برآوردها خوشبينانه است و مي گويد: "کساني که اين برآوردها را انجام داده اند، تغييرات فصلي در جريان رودخانه ها و همچنين ملاحظات محيطي را در نظر نگرفته اند." وي مي افزايد که به طور مثال رود راين به طور بالقوه مي تواند منبع توليد 5 گيگاوات برق باشد؛ اما در عمل نميتوان به اين ميزان دست پيدا کرد چرا که سد کردن يا منحرف ساختن کل جريان اين رودخانه، خسارات اقتصادي و زيست محيطي فراواني را به بار خواهد آورد. اما ويرمن کماکان بر موجه بودن اين روش پاي مي فشرد و معتقد است که تنها با استفاده از يک پنجم جريان اين رودخانه مي توان 7 هزار گيگاوات ساعت برق در سال توليد کرد.
دهانه رودخانه ها تنها محل هايي نيستند که مي توان در آنها از انرژي نمکي بهره برداري کرد. اين سيستم را مي توان در تاسيسات نمک زدايي، معادن نمک و برخي تاسيسات صنعتي نيز به کار برد و از پسماندهاي آنها که همانا آب شور است، به عنوان ماده اوليه در اين نيروگاه ها بهره برد.
ايسيليمر بزرگ ترين رودخانه هلند است که مساحتي در حدود 110 کيلومتر مربع را پوشش ميدهد. سطح اين رودخانه روزانه 4 سانتي متر بالا مي آيد و به درياي شمال سرازير مي شود. اين مقدار براي بهره گيري از سيستم برق ـ آبي کفايت نمي کند. ويرمن معتقد است که دريچه هاي تخليه سد روي اين رودخانه براي غشاهاي يوني مورد بحث، منابع بسيار مناسبي هستند. اين ترکيب مي تواند در زمان هاي اوج تقاضا و در برهه هاي زماني کوتاه، چند صد مگاوات برق توليد کند. ويرمن مي گويد که ما مي توانيم با استفاده از نيروي باد، از درياچه سد به عنوان يک بافر (منبع ذخيره) انرژي بهره ببريم. ويرمن و گروه همکارانش در حال حاضر در صدد اخذ مجوزهاي لازم براي انجام اين پروژه هستند.
مجموع هزينه هاي لازم براي راه اندازي يک نيروگاه نمکي، در مقايسه با نيروگاه هاي معمول بالاست؛ اما اين طور که به نظر مي رسد که با پيشرفت فناوري به کار رفته در آن، هزينه ها تا حد زيادي کاهش يابد. برآورد هک آن است که براي راه اندازي يک نيروگاه نمکي 200 مگاواتي که مساحتي در حدود دو زمين فوتبال را اشغال مي کند، نياز به صرف هزينه اي معادل 600 ميليون دلار است. هزينه توليد برق اين نيروگاه (که اصطلاحاً هزينه خرده فروشي ناميده مي شود) نيز 90 دلار به ازاي هر مگاوات ـ ساعت خواهد بود. استات کرافت جزئيات بيشتري از مسئله را در اختيار عموم قرار نداده است، اما برنامه آنها اين است که قيمت برق توليدي خود را تا سال 2015 به 65 تا 125 دلار برساند. در مقام مقايسه، نيروگاه هاي نوين با سوخت فسيلي، برق را با قيمتي در حدود 50 دلار به ازاي هر مگاوات ساعت توليد مي کنند.
"رولوفس شويلينگ" که يک مهندس زمين شناس در دانشگاه اوترخت هلند است، معتقد است که هر دو فناوري مورد بحث مقرون به صرفه اند و مي توانند نقش مهمي در جهان ايفا کنند وي مي گويد: "اگر اين نوع از توليد انرژي محقق شود، مي تواند از انرژي باد بسيار قابل اتکاتر باشد و اثر شگرفي نيز بر منابع انرژي ما داشته باشد." به طور مثال يک توربين بادي تقريباً 3500 ساعت در سال کار مي کند، در حالي که يک نيروگاه نمکي مي تواند تقريباً با حداکثر ظرفيت و در حدود 7 هزار ساعت در سال کار کند.
حال پرسش اينجاست که آيا انرژي حاصل از نيروگاه هاي نمکي هرگز به خطوط انتقال برق وارد خواهند شد؟ پاسخ اين سوال مي تواند مثبت باشد، چرا که به احتمال زياد نيروگاه آزمايشي استات کرافت در سال جاري شروع به کار خواهد کرد و توانايي بالقوه اين فناوري را به عرصه ظهور خواهد آورد. اسکيلهاگن مي گويد: "ما اين ادعا را نداريم که انرژي نمکي راه حل معضل انرژي در جهان است، اما مي تواند نقش موثري ايفا کند و جهان بهتري را براي فرزندان ما به ارمغان آورد."
متاسفانه لوب نمي تواند راه اندازي نخستين نيروگاه نمکي را ببيند، چرا که وي در دسامبر سال 2008 و در سن 92 سالگي ديده از جهان فرو بست. اسکيلهاگن مي گويد: "وي تا آخرين روزهاي عمر خود علاقه بسيار زيادي به کار ما نشان مي داد و در حال حاضر نيز همسر وي فعاليت هاي ما را به دقت پيگيري مي کند."
منبع :دانشمند شماره 552
اگر بر کرانه رود راين، در جايي که به درياي شمال مي رسد (نزديک بندر روتردام هلند) بايستيد، شاهد منبع عظيمي از انرژي خواهيد بود که بلا استفاده مانده و در مدخل ورودي رود به سوي دريا در جريان است. بنابر نظر "ژوست ويرمن"، مهندس هلندي، امکان بهره گيري از اين منبع انرژي بدون صدمه زدن به محيط و يا ايجاد اختلال در عبور و مرور کشتي ها در اين مسير وجود دارد. ويرمن و همکارانش از مرکز تحقيقات فناوري منابع پايدار آب (وتسو) واقع در هلند بر اين عقيده اند که مي توان به جاي بستن سد بر روي اين رودخانه و يا ايجاد حفره در بستر رود به وسيله توربين ها، انرژي نهفته در آب شور درياي شمال را با کاناليزه کردن آن به همراه آب شيرين رود راين و در نوع جديدي از باتري ها مورد بهره برداري قرار داد. وي مي گويد در صورتي که تعداد مکفي از اين باتري ها به کار بسته شود، دهانه اين رود خواهد توانست در قالب فرايندي با نام انرژي آبي، بيش از يک گيگاوات برق توليد کند؛ ميزاني که مي تواند تامين کننده برق حدود 650 هزار خانه باشد.
گروه ويرمن درتلاش براي بيرون آوردن اين لوله ها و سيستم ها از عالم رويا به جهان واقعيت، آزمون هاي آزمايشگاهي را بر روي ژنراتورهاي توليد کننده انرژي نمکي انجام داده اند و اکنون قصد اجراي آن را در ابعاد بزرگ تر دارند. البته لازم به ذکر است که در حال حاضر گروهي از مهندسان نروژي يک گام پيش تر نهاده و انرژي نمکي را به کار گرفته اند.
در چند ماه آينده اين گروه نروژي نخستين نيروگاه نمکي را به راه خواهند انداخت. اگر چه اين نمونه اوليه هنوز کوچک است، اما مي تواند اثرات بزرگي را در پي داشته باشد. اکنون پرسش اينجاست که اين فناوريي هاي رقيب چه هستند و چگونه مي توان آنها را با يکديگر مقايسه کرد، و اين که چه موانعي بر سر راه توليد برق در نقاط تلاقي رودها با درياها وجود دارد؟
تاريخچه شکل گيري و ظهور انرژي نمکي به استفاده متفاوت از آب دريا باز مي گردد. در اواخر دهه 1950، "سيدني لوب" و "سرينيو اساسوريراجان" که در آن زمان در دانشگاه کاليفرنيا در لوس آنجلس (UCLA) مشغول به کار بودند، راه جديدي را براي استخراج آب آشاميدني از آب دريا ارائه نمودند.ايده آنها بر مبناي فرايند اسمز بنا شده بود، فرايندي که طي آن آب به طور خود به خود و با عبور از يک غشاي نيم تراوا از يک محيط رقيق وارد يک محلول غليظ مي شود. اين دو محقق دريافتند که در صورت بهره گيري از غشاي مصنوعي به همراه پمپ هاي فشار قوي، خواهند توانست فرايند اسمز را در خلاف جهت اعمال کرده، آب شيرين را از آب دريا جدا کنند. امروزه اين رهيافت در بسياري از مجموعه هاي نمک زدايي در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار مي گيرد.
حدود 15 سال بعد، جرقه اي ديگر در ذهن لوب روشن شد. او دريافت که طرح آنها مي تواند در مسير توليد انرژي به کار رود. لذا مخزني را در نظر گرفت که داراي دو محفظه است و غشايي نيم تراوا آن دو را از يکديگر جدا کرده است. با قرار دادن آب شور در يک طرف و آب شيرين در طرف ديگر غشا، نيروي اسمزي، آب شيرين را به سوي بخش نمکي خواهد کشاند که همين امر موجب بالا رفتن فشار آن مي شود. آن گاه مي توان اين آب نمک پر فشار را براي توليد برق به سوي توربين روانه کرد. لوب نام اين فرايند را "اسمز پيش فشار" (PRO) ناميد و در سال 1973 نيز آن را ثبت کرد.
برنامه وي برداشت انرژي در نقاطي بود که رودخانه ها به اقيانوس مي پيوندند و اين يعني همان جايي است که آب شور و شيرين به هم مي رسند. آب شيرين از جريان بالادست به درون نيروگاه وارد مي شود و آب شور از جريان پايين دست. در درون نيروگاه، آب شور و شيرين به دو سوي يک غشا هدايت مي شوند در اين شرايط نيروي اسمزي، فشار آب کافي را در سوي نمکي غشا ايجاد مي کند (فشاري تا 12 اتمسفر) که توليد برق از آن طريق را سودمند مي سازد.
نکته اساسي، يافتن يک غشاي مناسب بود. اين غشا مي بايست نسبت به آب، تراوا، ولي نسبت به نمک عايق باشد. نکته ديگر اينکه اين غشا مي بايست بسيار مهم و نازک و در عين حال از دوام بالايي برخوردار باشد، نيل به اين مقصود آن قدر زمان برد تا اين که در سال 1986 لوب بازنشسته شد در حالي که رويايش به حقيقت نپيوسته بود.
اين مفهوم در سال 1997 دوباره زنده شد در اين سال "تورتورسن" و "تورليف هالت" که در سازمان تحقيقات نروژ واقع در تروندهايم فعاليت مي کردند، متقاعد شدند که فناوري توليد غشا آن قدر پيشرفت کرده که بتواند ايده لوب را توجيهي اقتصادي ببخشد. اشتياق فراوان اين دو نفر به همراه محاسبات بسيار دقيق، موجبات اقناع "استات کرافت" را در رابطه با امکان پذير بودن استحصال انرژي نمکي در نروژ و توجيه سرمايه گذاري در آن را فراهم آورد. آنها معتقدند که با بهره گيري از يک طراحي شبيه به آن چه لوب ارائه کرده بود، راه چنداني تا رسيدن به هدف خود ندارند. "اريک اسکيلهاگن" که مدير پروژه PRO در استات کرافت است، معقتد است که مبحث غشا هنوز اساسي ترين معضل فراوري پروژه است. وي اشاره مي کند که غشاهاي مورد استفاده در تاسيسات نمک زدايي، معمولاً بسيار ضخيم اند و لذا آب کافي را به سوي خود هدايت نمي کنند.در نتيجه، مهندسان استات کرافت در صدد بهبود طراحي هاي موجود براي غشاهاي مورد نياز هستند. در حالي که نمونه هاي اوليه اين غشاها تنها 100 ميلي وات در متر مربع برق توليد مي کردند، غشاهاي جديد مي توانند بيش از 3 وات در متر مربع برق توليد کنند که اين ميزان به مقدار هدف که همانا 5 وات در متر مربع است، نزديک شده است.
اسکيلهاگن معتقد است که در حال حاضر اين غشاها کارآمدي لازم را دارند که بتوان از آنها در سطحي وراي آزمايشگاه بهره جست و به همين علت اين شرکت قصد دارد تا طي چند ماه آينده نخستين مدل نيروگاهPRO را در کارخانه کاغذ و تفاله "سودرا" راه اندازي کند. اين کارخانه در تافت و در کنار يک آبدره در فاصله اي حدوداً 60 کيلومتري از اسلو قرار دارد.
اين نمونه اوليه، تجربيات گرانقدري را در مسير شکل دهي به نمونه هاي با مقياس بزرگ تر در اختيار ما قرار خواهد داد. اين نيروگاه جديد در فضايي برابر با يک زمين تنيس قرار خواهد گرفت. هالت مي گويد: "در آزمايشگاه مقدار غشاي به کار رفته به اندازه يک فنجان قهوه بود، اما در اين مورد ما دو هزار متر مربع از اين غشاها را به کار خواهيم گرفت." وي مي افزايد که براي نمونه نهايي به چندين ميليون متر مربع غشا نياز داريم، لذا بيشينه ساختن مساحت مبادله از اهميت بسزايي برخوردار است. در حال حاضر گروه دست اندرکار اين پروژه مشغول بررسي دو طراحي مختلف است. در مدل نخست، يک لوله طويل غشا از درازا لوله مي شود تا شکلي شبيه به رولت پيدا کند. در اين نمونه، آب شيرين به درون لوله پمپاژ مي شود و در همان حال آب شور در بيرون لوله جريان مي يابد.
ابعاد هر رول مارپيچي کمتر از يک ميلي متر است و صدها عدد از آنها به صورت موازي و در يک لوله 20 متري قرار مي گيرند. در نمونه دوم، غشاها به صورت لوله هاي مستقيم الخطي درمي آيند که از درون يک محفظه حاوي آب شور مي گذرند. در اين حالت آب شيرين به درون لوله هاي مذکور پمپاژ مي شود.
ياري گرفتن از نيروي جاذبه همان طور که لازم است تا روش بهينه براي استقرار غشاها به اجرا درآيد. محققان بايد روش هاي جلوگيري از انباشته شدن خلل و فرج هاي ظريف غشاها توسط گل و لاي و جلبک موجود در آب را مورد بررسي قرار دهند. هالت مي گويد که گروه درگير در اين پروژه در صدد هستند تا از يک پوشش ضد رسوب در غشاها استفاده کنند و ضمناً با تغيير متناوب جهت سيلان آب، موجبات پاک شدن خلل و فرج ها را فراهم آورند.
چالش ديگري که در اين مسير فراروي محققان قرار دارد، به حداقل رساندن انرژي مصرفي براي رساندن آب به محل تاسيسات است. بررسي هاي آزمايشگاهي حکايت از آن دارد که يک پنجم برق توليد شده بايد براي پمپاژ آب به درون سيستم مصرف شود.اما در نروژ، بسياري از رودخانه ها با شيب زيادي از کوه ها فرو مي ريزند پس مي توان تنها با بهره گيري از نيروي جاذبه، آب مورد نياز را به درون نيروگاه هدايت کرد. اسکيلهاگن مي گويد که در صورت ساخته شدن نيروگاه در زير سطح زمين و يا در بستر رودخانه، نيروي جاذبه آب شور را به درون سيستم هدايت خواهد کرد.
نيروگاه تافت، 4 کيلو وات برق توليد مي کند که البته يک پنجم اين مقدار بايد صرف پمپاژ آب به درون سيستم شود. مقدار باقي مانده تنها اندکي بيش از 3 کيلووات خواهد بود که اين مقدار تنها مي تواند نيروي مورد نياز چند کتري را تامين کند؛ اما استات کرفت اميدوار است که بتواند يک نيروگاه نمکي بزرگ را تا حوالي سال 2015 راه اندازي کند. بنابر اظهارات مطرح شده، آن نيروگاه ابعادي در حدود يک زمين فوتبال خواهد داشت و با در برداشتن بيش از 5 ميليون متر مربع غشا مي تواند تا 25 مگاوات برق توليد کند و اين امر نتيجه بالا بردن بازده (راندمان) و همچنين بهره گيري از انواع جديدي از غشاها خواهد بود. چنين نيروگاهي خواهد توانست برق بيش از 15 هزار خانه را تامين کند.
بر اساس برآوردهاي استات کرافت، انرژي نمکي مي تواند تا 12 تراوات ساعت برق در سال توليد کند که اين مقدار معادل 10 درصد مصرف برق کشور است. اسکيلهاگن مي گويد: "برآورد ما اين است که مي توان در سراسر جهان بين 16 تا 17 هزار تراوات ساعت در سال، برق نمکي توليد کرد"؛ و اين يعني يک درصد مصرف برق جهان. تحقق اين برآورد مستلزم بهره برداري از نيمي از آب هاي جاري در دهانه رودخانه هاست.
البته برخي نسبت به امکان استفاده از اين فناوري در سرتاسر جهان ابراز ترديد مي کنند. ويرمن مي گويد که رودخانه هاي نروژ چندان گل آلود و لجنين نيستند، اما رودخانه هاي انگلستان و هلند (به طور مثال) مملو از لجن و باکتري اندکه پاک سازي اين رودخانه ها، هيچ توجيهي براي پياده کردن فناوري PRO باقي نمي گذارند.
به همين دليل ويرمن و همکارانش در وتسوس اقدام به طراحي يک سيستم بديل کرده اند که همانا باتري با پايه نمک است.اين سيستم که لقب "انرژي آبي" را بر خود دارد، به جاي جابه جا کردن ذرات آب از ميان غشاها، يون ها را در اين مسير هدايت مي کند. غشاهاي به کار رفته در اين سيستم در رده غشاهاي به کار رفته در دياليز کليه قرار مي گيرند. در حقيقت در اين سيستم نياز به دو نوع غشا وجود دارد که يکي نسبت به يون هاي منفي تراوا باشد و ديگري نسبت به يون هاي مثبت، و در عين حال هر دو براي آب ناتراوا.
آب دريا به طور معمول در حدود 35 گرم نمک در خود دارد و لذا در مقايسه با آب شيرين، از ميزان بسيار بالايي يون مثبت سديم و يون منفي کلر برخوردار است. گروه هدايت کننده ي اين پروژه، لايه هاي متناوب دو غشا را در يک سيستم قرار داده اند تا بتوانند محفظه هاي مجزايي را ايجاد کنند. هنگامي که آب شيرين و شور به طور هم زمان به سوي اين اتاقک ها سرازير مي شوند، يون هاي کلر به طور خود به خود از طريق يکي از غشاها مسير خود را از مبدأ آب شور به سوي مقصد شيرين آغاز مي کنند و در همين حال يون هاي سديم به سوي مخالف روانه مي شوند (تصوير.... را ببينيد). اين تحرکات موجب ايجاد اختلاف پتانسيل ميان الکترودهايي که در دو سوي پيل قرار دارند مي شود.
ويرمن و همکارانش در آزمايشگاه خود يک نمونه ساده از مولد انرژي آبي را به کار انداخته اند.اگر چه اين سيستم تنها 20 وات انرژي توليد مي کند اما همين مقدار نيز براي اقناع "پيتر هک"، مدير شرکت مگنتو، کافي بوده است تا وي براي حضور اين فناوري در عرصه ي تجارت، شرکتي تازه با نام "ردستک" تاسيس کند.
در حال حاضر دو شرکت "ردستک" و "وتسوس" به طور مشترک بر روي يک پروژه پايلوت در معدن نمک هارلينگن واقع در شمال هلند مشغول به کار هستند. آب شوري که به صورت ضايعات از معدن بيرون مي آيد، به همراه آب شيرين رودخانه محلي به درون اين نيروگاه آزمايشي پمپاژ مي شود و هر کدام يکي از مسيرهاي مربوط به آب شور يا شيرين باتري هاي نمکي را تغذيه مي کنند.اين سيستم که به اندازه سه ماشين ظرف شويي است، به زودي به کار خواهد افتاد و چندين کيلوات برق توليد خواهد کرد اگر چه اين سيستم برخلاف نيروگاه تافت شرکت استات کرافت به شبکه ي برق متصل نيست، اما به محققان در مسير ارزيابي چگونگي توسعه انرژي آبي کمک شاياني خواهد کرد.
البته کماکان طراحي غشاها از مهم ترين مسائل پيش روي پژوهشگران است. آهنگ سيلان آب نيز بايد بهينه سازي شود. ويرمن معتقد است که از آنجا که در اين سيستم به جاي مولکول هاي آب، يون ها از درون غشاها عبور مي کنند. بنابراين ميزان جابه جايي جرم در اين سيستم نسبت به نوع بديل خود که پيش تر به آن اشاره شد پايين تر و لذا خطر انسداد خلل و فرج ها از طريق گل و لاي و رسوبات کمتر است.
برآوردها و محاسبات صورت گرفته توسط ويرمن و همکارانش بيانگر اين مسئله است که در صورت بهره برداري از تمامي رودخانه هاي حائز شرايط در هلند، امکان تامين 75 درصد برق مورد نياز کشور از طريق اين فناوري وجود خواهد داشت. آنها همچنين معتقدند که در صورت بهره برداري از 50 در صد آب رودخانه هاي بزرگ جهان، مي توان تا 17 درصد برق مورد نياز جهان را از طريق اين فناوري تامين کرد.
اسکيلهاگن معتقد است که اين برآوردها خوشبينانه است و مي گويد: "کساني که اين برآوردها را انجام داده اند، تغييرات فصلي در جريان رودخانه ها و همچنين ملاحظات محيطي را در نظر نگرفته اند." وي مي افزايد که به طور مثال رود راين به طور بالقوه مي تواند منبع توليد 5 گيگاوات برق باشد؛ اما در عمل نميتوان به اين ميزان دست پيدا کرد چرا که سد کردن يا منحرف ساختن کل جريان اين رودخانه، خسارات اقتصادي و زيست محيطي فراواني را به بار خواهد آورد. اما ويرمن کماکان بر موجه بودن اين روش پاي مي فشرد و معتقد است که تنها با استفاده از يک پنجم جريان اين رودخانه مي توان 7 هزار گيگاوات ساعت برق در سال توليد کرد.
ملاحظات بهداشت محيطي
دهانه رودخانه ها تنها محل هايي نيستند که مي توان در آنها از انرژي نمکي بهره برداري کرد. اين سيستم را مي توان در تاسيسات نمک زدايي، معادن نمک و برخي تاسيسات صنعتي نيز به کار برد و از پسماندهاي آنها که همانا آب شور است، به عنوان ماده اوليه در اين نيروگاه ها بهره برد.
ايسيليمر بزرگ ترين رودخانه هلند است که مساحتي در حدود 110 کيلومتر مربع را پوشش ميدهد. سطح اين رودخانه روزانه 4 سانتي متر بالا مي آيد و به درياي شمال سرازير مي شود. اين مقدار براي بهره گيري از سيستم برق ـ آبي کفايت نمي کند. ويرمن معتقد است که دريچه هاي تخليه سد روي اين رودخانه براي غشاهاي يوني مورد بحث، منابع بسيار مناسبي هستند. اين ترکيب مي تواند در زمان هاي اوج تقاضا و در برهه هاي زماني کوتاه، چند صد مگاوات برق توليد کند. ويرمن مي گويد که ما مي توانيم با استفاده از نيروي باد، از درياچه سد به عنوان يک بافر (منبع ذخيره) انرژي بهره ببريم. ويرمن و گروه همکارانش در حال حاضر در صدد اخذ مجوزهاي لازم براي انجام اين پروژه هستند.
مجموع هزينه هاي لازم براي راه اندازي يک نيروگاه نمکي، در مقايسه با نيروگاه هاي معمول بالاست؛ اما اين طور که به نظر مي رسد که با پيشرفت فناوري به کار رفته در آن، هزينه ها تا حد زيادي کاهش يابد. برآورد هک آن است که براي راه اندازي يک نيروگاه نمکي 200 مگاواتي که مساحتي در حدود دو زمين فوتبال را اشغال مي کند، نياز به صرف هزينه اي معادل 600 ميليون دلار است. هزينه توليد برق اين نيروگاه (که اصطلاحاً هزينه خرده فروشي ناميده مي شود) نيز 90 دلار به ازاي هر مگاوات ـ ساعت خواهد بود. استات کرافت جزئيات بيشتري از مسئله را در اختيار عموم قرار نداده است، اما برنامه آنها اين است که قيمت برق توليدي خود را تا سال 2015 به 65 تا 125 دلار برساند. در مقام مقايسه، نيروگاه هاي نوين با سوخت فسيلي، برق را با قيمتي در حدود 50 دلار به ازاي هر مگاوات ساعت توليد مي کنند.
"رولوفس شويلينگ" که يک مهندس زمين شناس در دانشگاه اوترخت هلند است، معتقد است که هر دو فناوري مورد بحث مقرون به صرفه اند و مي توانند نقش مهمي در جهان ايفا کنند وي مي گويد: "اگر اين نوع از توليد انرژي محقق شود، مي تواند از انرژي باد بسيار قابل اتکاتر باشد و اثر شگرفي نيز بر منابع انرژي ما داشته باشد." به طور مثال يک توربين بادي تقريباً 3500 ساعت در سال کار مي کند، در حالي که يک نيروگاه نمکي مي تواند تقريباً با حداکثر ظرفيت و در حدود 7 هزار ساعت در سال کار کند.
حال پرسش اينجاست که آيا انرژي حاصل از نيروگاه هاي نمکي هرگز به خطوط انتقال برق وارد خواهند شد؟ پاسخ اين سوال مي تواند مثبت باشد، چرا که به احتمال زياد نيروگاه آزمايشي استات کرافت در سال جاري شروع به کار خواهد کرد و توانايي بالقوه اين فناوري را به عرصه ظهور خواهد آورد. اسکيلهاگن مي گويد: "ما اين ادعا را نداريم که انرژي نمکي راه حل معضل انرژي در جهان است، اما مي تواند نقش موثري ايفا کند و جهان بهتري را براي فرزندان ما به ارمغان آورد."
متاسفانه لوب نمي تواند راه اندازي نخستين نيروگاه نمکي را ببيند، چرا که وي در دسامبر سال 2008 و در سن 92 سالگي ديده از جهان فرو بست. اسکيلهاگن مي گويد: "وي تا آخرين روزهاي عمر خود علاقه بسيار زيادي به کار ما نشان مي داد و در حال حاضر نيز همسر وي فعاليت هاي ما را به دقت پيگيري مي کند."
منبع :دانشمند شماره 552
