आसमाटिक शक्ति

आसमाटिक शक्ति, लवणता प्रवणता शक्ति या नीली ऊर्जा समुद्री जल और नदी के पानी के बीच नमक की सघनता में अंतर से उपलब्ध ऊर्जा है। इसके लिए दो व्यावहारिक तरीके रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस (RED) और प्रेशर रिटार्डेड ऑस्मोसिस (PRO) हैं। दोनों प्रक्रियाएं कृत्रिम झिल्लियों के साथ परासरण पर निर्भर करती हैं। प्रमुख अपशिष्ट उत्पाद खारा पानी है। यह उप-उत्पाद उन प्राकृतिक शक्तियों का परिणाम है जिनका दोहन किया जा रहा है: समुद्र में ताजे पानी का प्रवाह जो खारे पानी से बना है।

1954 में, पैटल ने सुझाव दिया कि खोए आसमाटिक दबाव के संदर्भ में, जब एक नदी समुद्र के साथ मिश्रित होती है, तो शक्ति का एक अप्रयुक्त स्रोत था, चूंकि यह 70 के दशक के मध्य तक नहीं था, जहां चुनिंदा उपयोग करके इसका दोहन करने का एक व्यावहारिक तरीका था। जिसे लोएब द्वारा पारगम्य झिल्लियों को रेखांकित किया गया था।

प्रो. सिडनी लोएब ने 1973 में नेगेव, बेर्शेबा, इज़राइल के बेन-गुरियन विश्वविद्यालय में प्रेशर रिटार्डेड असमस द्वारा बिजली पैदा करने की विधि का आविष्कार किया था। प्रोफेसर लोएब को यह विचार तब आया जब उन्होंने जॉर्डन नदी को मृत सागर में बहते हुए देखा। वह दो जलीय घोलों (जॉर्डन नदी एक और मृत सागर ) के मिश्रण की ऊर्जा का संचयन करना चाहते थे जो इस प्राकृतिक मिश्रण प्रक्रिया में विनष्ट होने वाली थी। 1977 में प्रो. लोएब ने एक प्रतिलोम वैद्युत अपोहन ताप इंजन द्वारा शक्ति उत्पादन की एक विधि का आविष्कार किया। प्रयोगशाला स्थितियों में प्रौद्योगिकियों की पुष्टि की गई है। उन्हें नीदरलैंड्स (RED) और नॉर्वे (PRO) में व्यावसायिक उपयोग के लिए विकसित किया जा रहा है। झिल्ली की लागत एक बाधा रही है। विद्युत रूप से संशोधित पॉलीथीन प्लास्टिक पर आधारित एक नई, कम लागत वाली झिल्ली ने इसे संभावित व्यावसायिक उपयोग के लिए इसे उपयुक्त बना दिया है। अन्य तरीके प्रस्तावित किए गए हैं और वर्तमान में विकास के अधीन हैं। उनमें से, इलेक्ट्रिक दोहरी परत संधारित्र पर आधारित एक विधि तकनीकी और वाष्प दबाव अंतर पर आधारित एक विधि है।

लवणता ढाल शक्ति की मूल बातें
लवणता ढाल शक्ति एक विशिष्ट नवीकरणीय ऊर्जा विकल्प है जो प्राकृतिक रूप से होने वाली प्रक्रियाओं का उपयोग करके नवीकरणीय और धारणीय शक्ति बनाता है। यह अभ्यास कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ2) उत्सर्जन को दूषित या जारी नहीं करता है (वाष्प दबाव विधियाँ कम दबावों पर CO2 युक्त घुलित हवा को छोड़ देंगी - इन गैर संघनित गैसों को निश्चित रूप से फिर से भंग किया जा सकता है, लेकिन एक ऊर्जा दंड के साथ)। जैसा कि जोन्स और फिनले ने अपने लेख "लवणता प्रवणता शक्ति में हालिया विकास" में कहा है, मूल रूप से कोई ईंधन लागत नहीं है।

लवणता ढाल ऊर्जा "ताजे पानी और समुद्र के पानी के बीच आसमाटिक दबाव अंतर" के संसाधनों के उपयोग पर आधारित है। लवणता ढाल प्रौद्योगिकी का उपयोग करने के लिए प्रस्तावित सभी ऊर्जा नमक से पानी को अलग करने के लिए वाष्पीकरण पर निर्भर करती है। आसमाटिक दबाव नमक के केंद्रित और तनु विलयनों की रासायनिक क्षमता है। उच्च आसमाटिक दबाव और निम्न के बीच संबंधों को देखते हुए, नमक की उच्च सांद्रता वाले समाधानों में उच्च दबाव होता है।

अलग-अलग लवणता ढाल बिजली उत्पादन मौजूद हैं परंतु सबसे अधिक चर्चा में से एक दबाव-मंदित असमस (पीआरओ) है। PRO समुद्री जल के अन्दर एक दबाव कक्ष में पंप किया जाता है जहां दबाव ताजा और खारे पानी के दबाव के अंतर से कम होता है। ताजा पानी एक अर्धपारगम्य झिल्ली में चलता है और कक्ष में इसकी मात्रा बढ़ाता है। जैसा कि कक्ष में दबाव की भरपाई की जाती है, बिजली उत्पन्न करने के लिए टरबाइन घूमता है। ब्रौन के लेख में उन्होंने कहा है कि इस प्रक्रिया को अधिक टूटे हुए तरीके से समझना आसान है। दो विलयन, A का खारा पानी और B का ताजा पानी एक झिल्ली द्वारा अलग किया जाता है। उनका कहना है कि केवल पानी के अणु ही अर्धपारगम्य झिल्ली को पार कर सकते हैं। दोनों समाधानों के बीच आसमाटिक दबाव अंतर के परिणामस्वरूप, समाधान बी से पानी इस प्रकार समाधान ए को पतला करने के लिए झिल्ली के माध्यम से फैल जाएगा। दबाव टर्बाइनों को चलाता है और जनरेटर को बिजली देता है जो विद्युत ऊर्जा पैदा करता है। परासरण का उपयोग सीधे नीदरलैंड से ताजे पानी को समुद्र में पंप करने के लिए किया जा सकता है। यह वर्तमान में बिजली के पंपों का उपयोग करके किया जाता है।

दक्षता
येल विश्वविद्यालय से दक्षता पर 2012 के एक अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि समुद्री जल निकालने के समाधान और नदी जल फ़ीड समाधान के साथ निरंतर दबाव पीआरओ में उच्चतम निकालने योग्य कार्य है 0.75 kWh/m3 जबकि मिश्रण की मुक्त ऊर्जा है 0.81 kWh/m3 - 91.0% की उष्मागतिकी निष्कर्षण दक्षता है।

विधियाँ
जबकि यांत्रिकी और लवणता ढाल शक्ति की अवधारणाओं का अभी भी अध्ययन किया जा रहा है, शक्ति स्रोत को कई अलग-अलग स्थानों में लागू किया गया है। इनमें से अधिकांश प्रायोगिक हैं, परंतु अब तक वे मुख्य रूप से सफल रहे हैं। इस शक्ति का उपयोग करने वाली विभिन्न कंपनियों ने भी कई अलग-अलग तरीकों से ऐसा किया है चूंकि कई अवधारणाएँ और प्रक्रियाएँ हैं जो लवणता प्रवणता से शक्ति का उपयोग करती हैं।

दबाव-मंद परासरण
लवणता ढाल ऊर्जा का उपयोग करने की एक विधि को दबाव-मंदित परासरण कहा जाता है। इस पद्धति में, समुद्री जल को एक दबाव कक्ष में पंप किया जाता है जो खारे पानी और ताजे पानी के दबावों के अंतर से कम दबाव पर होता है। मीठे पानी को भी एक झिल्ली के माध्यम से दबाव कक्ष में पंप किया जाता है, जो कक्ष के आयतन और दबाव दोनों को बढ़ाता है। जैसा कि दबाव के अंतर की भरपाई की जाती है, एक टरबाइन घूमती है, जो गतिज ऊर्जा प्रदान करती है। इस पद्धति का विशेष रूप से नॉर्वेजियन सार्वजनिक उपयोगिता शासन कला द्वारा अध्ययन किया जा रहा है, जिसने गणना की है कि नॉर्वे में इस प्रक्रिया से 2.85 GW तक उपलब्ध होगा। स्टेटक्राफ्ट ने ओस्लो फोजर्ड दुनिया का पहला हुरुम में स्टेटक्राफ्ट ऑस्मोटिक पावर प्रोटोटाइप प्लांट बनाया है, जिसे नॉर्वे की राजकुमारी मेटे-मैरिट ने 24 नवंबर, 2009 को खोला था। सबसे पहले, इसने अवयस्क 4 किलोवाट का उत्पादन किया - एक बड़ी इलेक्ट्रिक केतली को गर्म करने के लिए पर्याप्त, परंतु 2015 तक लक्ष्य 25 मेगावाट था - एक छोटे पवन फार्म के समान। चूंकि जनवरी 2014 में स्टेटक्राफ्ट ने इस पायलट को जारी नहीं रखने की घोषणा की। स्टेटक्राफ्ट ने पाया कि मौजूदा तकनीक के साथ, नमक का ढाल आर्थिक होने के लिए पर्याप्त उच्च नहीं था, जिस पर अन्य अध्ययन सहमत हैं। भूतापीय लवण जल और विलवणन पादप लवण जल में उच्च नमक प्रवणता पाई जा सकती है, और डेनमार्क की एक कंपनी साल्टपॉवर अब उच्च लवणता वाले लवण जल के साथ अपना पहला वाणिज्यिक संयंत्र बना रही है। प्रतिलोम परासरण के एक परिचालन प्रणाली के रूप में दबाव मंद परासरण को एकीकृत करने की शायद एक अकेली तकनीक के बजाय अधिक संभावना है।

विपरीत इलेक्ट्रोडायलिसिस
एक दूसरी विधि का विकास और अध्ययन किया जा रहा है, वह है विपरीत इलेक्ट्रोडायलिसिस या विपरीत अपोहन (डायलिसिस), जो अनिवार्य रूप से एक नमक बैटरी का निर्माण है। इस पद्धति का वर्णन वीनस्टीन और लेइट्ज़ द्वारा किया गया था, "नदी और समुद्र के पानी की मुक्त ऊर्जा से विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए बारी-बारी से आयनों और कटियन विनिमय झिल्लियों की एक सरणी का उपयोग किया जा सकता है।"

इस प्रकार की शक्ति से संबंधित तकनीक अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, भले ही सिद्धांत 1950 के दशक में खोजा गया था। लवणता प्रवणता का उपयोग करने के सभी तरीकों की मानक और पूरी समझ भविष्य में इस स्वच्छ ऊर्जा स्रोत को और अधिक व्यवहार्य बनाने के लिए या प्रयास करने के लिए महत्वपूर्ण लक्ष्य हैं।

कैपेसिटिव विधि
एक तीसरी विधि डोरियानो ब्रोगियोली कैपेसिटिव विधि है, जो अपेक्षाकृत नई है और अभी तक केवल प्रयोगशाला पैमाने पर इसका परीक्षण किया गया है। इस पद्धति से खारे पानी के संपर्क में इलेक्ट्रोड को चक्रीय रूप से चार्ज करके, मीठे पानी में निर्वहन के बाद खारे पानी और मीठे पानी के मिश्रण से ऊर्जा निकाली जा सकती है। चूँकि चार्जिंग चरण के दौरान आवश्यक विद्युत ऊर्जा की मात्रा प्रवाह चरण के दौरान निकलने वाली ऊर्जा से कम होती है, इसलिए प्रत्येक पूर्ण चक्र प्रभावी रूप से ऊर्जा उत्पन्न करता है। इस प्रभाव की एक सहज व्याख्या यह है कि खारे पानी में आयन इलेक्ट्रोड सतह के बहुत करीब विपरीत चार्ज की एक पतली परत बनाकर प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर चार्ज को प्रभावी ढंग से बेअसर कर देती है,जिसे इलेक्ट्रोड परत (इंटरफेसियल) के रूप में जाना जाता है। इसलिए, चार्ज चरण के दौरान इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज कम रहता है और चार्ज करना अपेक्षाकृत आसान होता है। चार्ज और डिस्चार्ज चरण के बीच, इलेक्ट्रोड को मीठे पानी के संपर्क में लाया जाता है। इसके बाद, प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर आवेश को बेअसर करने के लिए कम आयन उपलब्ध होते हैं जैसे कि इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज बढ़ जाता है। इसके बाद जो डिस्चार्ज चरण होता है, वह अपेक्षाकृत उच्च मात्रा में ऊर्जा देने में सक्षम होता है। एक भौतिक व्याख्या यह है कि विद्युत आवेशित संधारित्र पर, इलेक्ट्रोड पर विद्युत आवेश और तरल में आयनिक आवेश के बीच पारस्परिक रूप से आकर्षक विद्युत बल होता है। चार्ज किए गए इलेक्ट्रोड से आयनों को दूर करने के लिए, आसमाटिक दबाव को काम करना चाहिए । किए गए इस कार्य से संधारित्र में विद्युत स्थितिज ऊर्जा बढ़ जाती है। एक इलेक्ट्रॉनिक व्याख्या यह है कि समाई आयन घनत्व का एक कार्य है। एक लवणता प्रवणता शुरू करने और कुछ आयनों को संधारित्र से बाहर फैलाने की अनुमति देकर, यह समाई को कम कर देता है, और इसलिए वोल्टेज बढ़ना चाहिए, क्योंकि वोल्टेज आवेश के अनुपात के समाई के बराबर होता है।

वाष्प दबाव अंतर: खुला चक्र और अवशोषण प्रशीतन चक्र (बंद चक्र)
ये दोनों विधियाँ झिल्लियों पर निर्भर नहीं करती हैं, इसलिए निस्पंदन आवश्यकताएँ उतनी महत्वपूर्ण नहीं हैं जितनी कि वे PRO और RED योजनाओं में हैं।

खुला चक्र
महासागर तापीय ऊर्जा रूपांतरण (OTEC) में खुले चक्र के समान। इस चक्र का नुकसान कम लवणता वाले पानी और अधिक लवणता वाले पानी के बीच बिजली निकालने के लिए कम वायुमंडलीय दबाव पर संचालित एक बड़े व्यास टरबाइन (75 मीटर +) की दुष्कर समस्या है।

अवशोषण प्रशीतन चक्र (बंद चक्र)
जल-स्प्रे अवशोषण प्रशीतन प्रणाली, में हवा को डीह्यूमिडीफाइंग करने के उद्देश्य से, जल वाष्प को मध्यस्थ के रूप में आसमाटिक शक्ति का उपयोग करके एक विलक्षण नमक पानी के मिश्रण में भंग कर दिया जाता है। ऊष्मप्रवैगिकी ताप इंजन चक्र के हिस्से के रूप में प्राथमिक शक्ति स्रोत थर्मल अंतर से उत्पन्न होता है।

सौर तालाब
न्यू मैक्सिको में एड़ी पोटाश खदान में, लवणता ढाल सौर तालाब (SGSP) नामक एक तकनीक का उपयोग खान द्वारा आवश्यक ऊर्जा प्रदान करने के लिए किया जा रहा है। यह विधि आसमाटिक शक्ति का उपयोग नहीं करती है, केवल सौर ऊर्जा खारे पानी के तालाब के तल तक पहुँचने वाली धूप गर्मी के रूप में अवशोषित हो जाती है। प्राकृतिक संवहन का प्रभाव, जिसमें गर्मी बढ़ जाती है, गर्मी को फंसाने के लिए तालाब बनाने वाली तीन परतों के बीच घनत्व के अंतर का उपयोग करके अवरुद्ध कर दिया जाता है। ऊपरी संवहन क्षेत्र ऊपरवाला क्षेत्र है, उसके बाद स्थिर ढाल क्षेत्र, फिर निचला तापीय क्षेत्र। स्थिर ढाल क्षेत्र सबसे महत्वपूर्ण है। इस परत में खारा पानी उच्च क्षेत्र में नहीं चढ़ सकता चूंकि ऊपर के खारे पानी में लवणता कम होती है और इसलिए यह कम घना और अधिक उत्प्लावक होता है; और यह निचले स्तर तक नहीं डूब सकता चूंकि वह खारा पानी सघन होता है। यह मध्य क्षेत्र, स्थिर ढाल क्षेत्र, प्रभावी रूप से निचली परत के लिए एक विसंवाहक बन जाता है (चूंकि मुख्य उद्देश्य प्राकृतिक संवहन को अवरुद्ध करना है, चूंकि पानी एक खराब विसंवाहक है)। निचली परत से यह पानी, भंडारण क्षेत्र, बाहर पंप किया जाता है और उष्मा का उपयोग ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, सामान्यतः एक जैविक कार्बनिक रैंकिन चक्र में टर्बाइन द्वारा। सिद्धांत रूप में एक सौर तालाब का उपयोग आसमाटिक शक्ति उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है यदि सौर ताप से वाष्पीकरण का उपयोग लवणता प्रवणता बनाने के लिए किया जाता है, और इस लवणता प्रवणता में संभावित ऊर्जा को ऊपर दिए गए पहले तीन तरीकों में से एक का उपयोग करके सीधे उपयोग किया जाता है, जैसे कि संधारित्र विधि.

बोरॉन नाइट्राइड नैनोट्यूब
एक शोध दल ने बोरॉन नाइट्राइड का उपयोग करके एक प्रायोगिक प्रणाली का निर्माण किया जिसने स्टेटक्राफ्ट मूलरूप तुलना में बहुत अधिक शक्ति का उत्पादन किया। इसमें एक अभेद्य और विद्युत रूप से इन्सुलेट झिल्ली का उपयोग किया गया था जिसे कुछ दर्जन नैनोमीटर के बाहरी व्यास के साथ एक बोरान नाइट्राइड नैनोट्यूब द्वारा छिद्रित किया गया था। इस झिल्ली के साथ एक खारे पानी के जलाशय को अलग करने के साथ, टीम ने नैनोट्यूब के दोनों ओर द्रव में डूबे हुए दो इलेक्ट्रोड का उपयोग करके झिल्ली से गुजरने वाले विद्युत प्रवाह को मापा जाता है।

नतीजे बताते हैं कि डिवाइस नैनोएम्पीयर के आदेश पर विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने में सक्षम था। शोधकर्ताओं का दावा है कि यह आसमाटिक ऊर्जा के संचयन के लिए अन्य ज्ञात तकनीकों की उपज का 1,000 गुना है और बोरॉन नाइट्राइड नैनोट्यूब को प्रयोग करने योग्य विद्युत शक्ति के लिए लवणता प्रवणता की ऊर्जा के संचयन के लिए एक अत्यंत कुशल समाधान बनाता है।

टीम ने दावा किया कि ए 1 m2 झिल्ली लगभग 4 kWh उत्पन्न कर सकती है और प्रति वर्ष 30 MWh तक उत्पादन करने में सक्षम है। सामग्री अनुसंधान संस्था की 2019 के गिरावट की बैठक में रटगर्स विश्वविद्यालय की एक टीम ने एक झिल्ली बनाने की सूचना दी जिसमें प्रति घन सेंटीमीटर लगभग 10 मिलियन बीएनएनटी सम्मलित थे।

कम लवणता वाले घोल में उच्च घोल अमोनियम बाइकार्बोनेट को पुन: उत्पन्न करके कम कैलोरी अपशिष्ट ऊर्जा का उपयोग करना
पेन्सिलवेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी में, डॉ. लोगान इस तथ्य का उपयोग करके कम कैलोरी वाली अपशिष्ट ऊष्मा का उपयोग करने की कोशिश करते हैं कि अमोनियम बाइकार्बोनेट गर्म पानी में एनएच3 और सीओ2 में विघटित होकर ठंडे पानी में फिर से अमोनियम बाइकार्बोनेट बनाता है। तो एक लाल ऊर्जा उत्पादन बंद प्रणाली में लवणता के दो अलग-अलग अनुपात रखे जाते हैं।

संभावित नकारात्मक पर्यावरणीय प्रभाव
समुद्री और नदी के वातावरण में पानी की गुणवत्ता, अर्थात् लवणता में स्पष्ट अंतर होता है। जलीय पौधों और जानवरों की प्रत्येक प्रजाति को समुद्री, खारे या मीठे पानी के वातावरण में जीवित रहने के लिए अनुकूलित किया जाता है। ऐसी प्रजातियाँ हैं जो दोनों को सहन कर सकती हैं, परंतु ये प्रजातियाँ सामानयतः एक विशिष्ट जल वातावरण में सबसे अच्छी होती हैं। लवणता प्रवणता प्रौद्योगिकी का मुख्य अपशिष्ट उत्पाद खारा पानी है। आसपास के पानी में खारे पानी का निर्वहन, यदि बड़ी मात्रा में और किसी भी नियमितता के साथ किया जाता है, तो लवणता में उतार-चढ़ाव होगा। जबकि लवणता में कुछ भिन्नता सामान्य है, विशेष रूप से जहां ताजा पानी (नदियां) समुद्र या समुद्र में खाली हो जाती हैं, खारे अपशिष्ट जल के अतिरिक्त पानी के दोनों निकायों के लिए ये बदलाव कम महत्वपूर्ण हो जाते हैं। एक जलीय वातावरण में अत्यधिक लवणता परिवर्तन के परिणामस्वरूप अचानक गंभीर लवणता बूंदों या स्पाइक्स के असहिष्णुता के कारण जानवरों और पौधों दोनों के कम घनत्व के निष्कर्ष निकल सकते हैं। प्रचलित पर्यावरणविद् मतों के अनुसार, इन नकारात्मक प्रभावों की संभावना पर भविष्य के बड़े नीले ऊर्जा प्रतिष्ठानों के संचालकों द्वारा विचार किया जाना चाहिए।

पारिस्थितिक तंत्र पर खारे पानी के प्रभाव को समुद्र में पम्प करके और सतह और नीचे के पारिस्थितिक तंत्र से दूर मध्य परत में छोड़ कर कम किया जा सकता है।

पीआरओ और आरईडी दोनों योजनाओं में बड़ी मात्रा में नदी और समुद्र के पानी का उपयोग होने के कारण अंतर्ग्रहण संरचनाओं में टकराव और प्रवेश एक चिंता का विषय है। सेवन निर्माण परमिट को सख्त पर्यावरणीय नियमों और अलवणीकरण संयंत्रों और बिजली संयंत्रों को पूरा करना चाहिए जो सतह के पानी का उपयोग करते हैं, कभी-कभी अनुमति प्राप्त करने के लिए विभिन्न स्थानीय, राज्य और संघीय एजेंसियों के साथ सम्मलित होते हैं जो 18 महीने तक ले सकते हैं।

यह भी देखें
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बाहरी कड़ियाँ

 * Dutch water plan to turn green energy blue
 * ClimateTechWiki: Ocean Energy: Salinity gradient for electricity generation