Стейнар Брандслет, Норвежский университет науки и технологий

Ким Кристиансен только что получил докторскую степень по технологии, которая может позаботиться об утилизации части отработанного тепла, которое сегодня просто тратится впустую. Автор: Александр Стокке Батнес, NTNU

Норвегия тратит огромное количество энергии впустую. Излишки тепла, производимые промышленностью, практически не используются.

Исследователи из NTNU ищут возможности что-то с этим сделать.

«Излишки тепла от промышленных процессов — это огромный ресурс», — говорит Ким Кристиансен. Он только что закончил докторскую диссертацию по технологии , которая может использовать часть излишков тепла, которые сейчас пропадают впустую.

Почти все тепло, вырабатываемое промышленными процессами, в настоящее время выбрасывается непосредственно в воздух или океан, причем о небольших количествах речь не идет. Только в Норвегии промышленность ежегодно производит около 20 ТВт-ч отработанного тепла.

Возможно, это число не имеет для вас большого значения, но, по данным Норвежского управления водных ресурсов и энергетики (NVE), это количество энергии соответствует половине потребления электроэнергии всеми норвежскими домохозяйствами вместе взятыми. Другими словами, примерно вся потребность в отоплении.

Кристиансен входит в состав исследовательской группы по термодинамике в PoreLab на кафедре химии. Научный руководитель Сигне Кьельструп и менеджер исследовательской группы Эйвинд Вильгельмсен являются соавторами статьи, которая теперь опубликована в журнале Desalination .

Питьевая вода как дополнительный бонус

У этой технологии есть и другой эффект, который, возможно, не столь актуален в Норвегии, но может стать переломным моментом в странах с ограниченным запасом питьевой воды.

«Эта технология не только перерабатывает отработанное тепло, но и может очищать сточные воды, образующиеся в промышленности», — говорит Кристиансен.

Во многих частях мира питьевая вода становится все более дефицитным ресурсом.

«По данным ЮНИСЕФ, 4 миллиарда человек уже испытывают острую нехватку питьевой воды как минимум один месяц в году, и существует большой спрос на технологии, способные решить эти проблемы», — говорит Кристиансен.

Таким образом, нехватка питьевой воды является проблемой примерно для половины из 8 миллиардов человек, проживающих на планете.

Производство чистой воды

Так что же это за новая технология?

« Сточные воды , образующиеся в промышленности, часто загрязнены. Если мы испарим эту загрязненную воду через мелкие поры в водоотталкивающей мембране , то конденсированная вода, которая появится на другой стороне, будет пригодна для питья», — говорит Кристиансен.

Этот метод лучше всего подходит для очистки воды с так называемыми нелетучими примесями, такими как соль. В отличие от спиртов и ряда других органических веществ, которые могут испаряться вместе с водой через мембрану.

«Поэтому наиболее важной областью применения этой технологии является опреснение морской воды. Обработка технологической воды не исключается, но она сопряжена с дополнительными проблемами в зависимости от ее состава», — говорит Кристиансен.

Итак, технология позволяет производить питьевую воду, но как насчет использования отходов энергии?

Использование разницы температур для перекачивания воды

Когда вода нагревается на одной стороне мембраны, она испаряется и выделяет тепло на другой стороне посредством конденсации. Тогда между двумя сторонами мембраны может возникнуть разница давлений .

«Разница температур используется для перекачивания воды, а разница давлений представляет собой механическую энергию , которая может быть использована для питания турбины», — говорит Кристиансен. Это явление называется термическим осмосом.

Казалось бы, просто, но гениально.

«Мы исследовали взаимодействие воды с порами в мембране, а также то, что происходит, когда вода испаряется, транспортируется через поры и конденсируется», — рассказывает Кристиансен о докторском исследовании.

Он разработал теории свойств мембран и их влияния на весь процесс. Он также систематически измерял этот эффект в лабораторных условиях.

«Вывод таков: технология имеет большой потенциал. Модифицируя мембраны, мы можем помочь решить как растущие проблемы, связанные с требованиями энергоэффективности, так и нехваткой чистой питьевой воды», — говорит Кристиансен.

Голландская идея

Кристин Сиверуд из научно-исследовательского института RISE PFI интересуется усовершенствованием мембран, используемых в этой технологии.

«Отправной точкой работы стала идея, за которую в Нидерландах ратуют в TNO», — говорит научный руководитель Кристиансена Сигне Кьельструп.

Она почетный профессор и бывший главный научный сотрудник Центра передового опыта PoreLab. TNO — независимый институт, который занимается преобразованием результатов исследований в реальные приложения.

TNO экспериментировала с концепцией под названием «MemPower» (одновременное производство воды и электроэнергии), и прототип был изготовлен на их мощностях. Исследователи хотели сотрудничать, но не имели финансирования. Решением было продолжить проект как открытое исследование в NTNU.

«Лин ван дер Хам из Делфтского технического университета связался со мной, и я представил эту идею группе, которая тогда работала на химическом факультете, а затем и в PoreLab».

Ван дер Хам получил докторскую степень по химии в NTNU несколько лет назад, что показывает, насколько важно иметь контакты. Они работали с Лууком Кейленом, студентом TU Delft, а исследование продолжили Кристиансен и Михаэль Раутер из PoreLab.

Практические задачи

«Промышленность проявляет интерес к концепции мембранной дистилляции, но пока в мире существует лишь несколько пилотных установок», — говорит Кристиансен.

Основная причина отставания промышленности от научных кругов связана с практическими проблемами, связанными с мембранными технологиями, объясняет он. Например, это касается срока службы мембран в суровых промышленных условиях.

«Много работы проводится на международном уровне как в научных кругах, так и в промышленности, чтобы решить эти проблемы и коммерциализировать технологию», — говорит Кристиансен.

Концепция MemPower предполагает преобразование отходящего тепла в механическую энергию на основе разницы температур.

«У меня сложилось впечатление, что отрасль еще не в полной мере осознает эту концепцию и возможности, которые она предлагает», — говорит Кристиансен.

Один из выводов в последней статье заключается в том, что потенциал производства энергии является конкурентоспособным по отношению к более устоявшимся мембранным энергетическим процессам. Он считает, что это может помочь повысить коммерческий интерес.