Když smícháme sladkou a slanou vodu, nahradíme tisíce elektráren

Představte si, že bychom mohli dva tisíce jaderných elektráren odstavit a nahradit vodními elektrárnami. A ne ledajakými. Prostě se jen nechá vtéct řeka do moře...

Problémem takzvané modré energie je, že se nedá získávat všude. Vodní elektrárny totiž potřebují dostatek vody a dostatečný spád, aby mohly fungovat. A to nejde zařídit všude. Navíc by takové vodní dílo mohlo narušit biologické vazby v přírodě – ovlivnit migraci ryb, změnit biologické podmínky pro růst endemických druhů, jezy mohou znesplavnit tok řeky apod.

Druhou možností, jak získat energii z vody, je využití přílivových elektráren – tedy využití pohybu vody při přílivu a odlivu moře. Je to jednoduchá a čistá energie. Ovšem její využití má opět řadu problémů. Je tu velmi malá možnost regulace a míst, kde se taková elektrárna dá za rozumné náklady postavit, je velmi málo. A tak vědci hledají jiné způsoby, jak energii z vody získat.

Smícháním k elektřině

Možná si vzpomenete, že ve škole na hodinách biologie a chemie jste se učili o takzvané osmóze či osmotické energii. Funguje to zhruba takto – pokud máme dvě kapaliny s rozdílnou koncentrací iontů a tyto dvě kapaliny od sebe oddělíme speciální membránou, tak kvůli přirozenému principu vyrovnávání koncentrací roztoků se řidší kapaliny snaží přesouvat do prostoru s hustší kapalinou. Rozpuštěné látky by se sice rády přesouvaly opačným směrem, ale v tom jim brání membrána.

Zdroj: Statkraft Energy

Při tomto přesouvání se do dosažení stavu energetické rovnováhy uvolňují ionty zachytitelné a využitelné jako energie. Jako zdroje můžeme použít sladkou vodu z řek a slanou z moří a oceánů. Čím větší bude rozdíl salinity (to je odborný termín pro slanost), tím více můžeme získat energie.

Je to stará vesta

Osmotická elektrárna ale není nijak nový vynález. V Norsku, v třítisícovém městečku Tofte, už jedna taková stojí. Vznikla jako výzkumný projekt k otestování účinnosti a odhalení možných problémů. A jeden, velmi vážný, vědci objevili. Elektrárna měla malou energetickou účinnost. Proto ji uzavřeli. „Naším hlavním úkolem bylo učinit technologii dostatečně účinnou, aby dosáhla nákladů na výrobu energie na úrovni konkurenčních technologií. Za současných podmínek na trhu vidíme, že toho v dohledné době nemůžeme dosáhnout. Existují další technologie, které jsou pro nás do budoucna konkurenceschopnější a relevantnější investice,“ řekl při uzavření továrny Stein Erik Skilhagen, vedoucí oddělení společnosti Statkraft, která továrnu postavila a provozovala.

Zdroj: Statkraft Energy

Abychom totiž postavili elektrárnu s výkonem 25 MW, která by dokázala zásobit město s 30 tisíci obyvateli, potřebovala by firma Statkraft podle vlastních propočtů postavit elektrárnu o velikosti fotbalového stadionu a svinutou membránu o ploše 5 milionů m2. Z jednoho čtverečního metru totiž lze získat jen asi 5 W výkonu. A jsou tu další provozní problémy jako potřeba velkého množství vody, nečistoty apod.

Vědecké týmy se s tím ale nehodlají smířit a jejich úsilí přineslo několik nadějných průlomů.

Z elektrody do elektrody

V roce 2019 dokázali vědci ze Stanfordské univerzity zvýšit výtěžnost osmotické elektrárny pomocí dvojice elektrod v nádržích, které střídavě plnili sladkou a slanou vodou. 

Zdroj: autor

Při těchto výměnách migrují kladně nabité ionty sodíku a záporně nabité ionty chloru do elektrod a z elektrod, probíhají zde oxidačně-redukční změny a přenášejí elektrony vnějším obvodem z jedné elektrody na druhou. Laicky řečeno – vědci změřili výrazně vyšší energetickou účinnost. Navíc tento systém by mohl skvěle fungovat v čistírnách odpadních vod na pobřeží, které čistou vodu následně vrací do moře.

To je skvělý objev. Přečišťování odpadní vody je totiž jednou z nejnákladnějších energetických lidských činností vůbec. Podle výpočtů vědců se Stanfordské univerzity jde o 3 % veškeré energetické zátěže Země. Mícháním sladké vody z čistíren se slanou vodou z moří by se dle jejich výzkumu dalo získat 18 GW energie, která by dokázala všechny tyto čistírny pohánět.

Nanotrubičky

Další výrazný posun v získávání čisté energie přinesly nanotechnologie. Výzkumníci ze Stanfordské univerzity zapojili do systému s membránou nanotrubičky a dokázali vyprodukovat čtyřnásobné množství elektrické energie než membrána bez nanotrubiček.

Využití všech řek na světě, které ústí do moře, by tak podle jejich výpočtů mohlo přinést tolik energie, jako dva tisíce průměrných jaderných elektráren. „Jistě ještě je tu třeba otestovat aplikaci ve velkém měřítku, ale náš výzkum může být výchozím bodem k urychlení pokroku,“ řekl Kristian Dubrawski, spoluautor studie.

Zdroj: Unsplash

Energetický koloběh

Na Purdueově univerzitě ve West Lafayette v americkém státě Indiana řeší další problematický díl celé energetické skládačky. Řekli si – když tu máme odsolování reverzní osmózou, což je energeticky náročná věc, a pak dopřednou osmózu, která nám energii dává, nebylo by možné tenhle proces výhodně namodelovat tak, abychom z toho udělali oběhový proces? Nemohl by celý systém být velkou baterií? Ukládání energie je totiž pro nás dnes největší překážkou v účelném využití neobnovitelných energetických zdrojů a rozšíření těch obnovitelných.

Když v roce 2021 publikovali své výsledky, ukázalo se, že taková možnost existuje, pokud by byl přístup k levné sladké vodě s nízkou salinitou, jaké jsou třeba právě v čistírnách odpadních vod.

Budoucnost je ve vodě

Ačkoli se mezi lety 2013 až 2021 zavřela nad osmotickými elektrárnami voda, dnes se obrací pozornost zase k nim. Například kanadská společnost Hydro Québec už vytipovává lokality, kde by bylo možné tyto elektrárny postavit.

Ale proč by to měla být jen Kanada? Proč nepostavit takovou elektrárnu třeba v nevyužívaných docích v Hamburku, u Le Havru, Baton Rouge, Macapá, Kalkatě…? S nejnovějšími technologiemi se zdá, že bychom i jen s několika osmotickými elektrárnami mohli nahradit tisíce uhelných nebo stovky jaderných elektráren. Postavit by je zadarmo nebylo, ale výroba už ano. A navíc čistá a efektivní. Škoda jen, že v české kotlině míchat vodu říční se slanou mořskou nemůžeme.