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藍能來襲!科學家研發新滲透壓發電機,只需淡水和海水就能發電

在永續能源領域中,太陽能算是比較成熟的發電資源,但太陽總有下山或天空烏雲密布的時候,而另一個熱門的風能發電,又會受到季節變化,風力增減的影響。讓人忍不住想高喊:「利用永續能源怎麼這麼困難啊啊啊!」

其實這世界上還有一種「藍能」,不但一年四季都可發電,且技術成本也相對便宜些,那就是蘊藏在海洋與江河交匯的河口之處,以特殊薄膜,濃度不同的淡水與海水來發電的「滲透壓發電/海水鹽差能(Osmotic power)」

圖片來源:Pixabay
圖片來源:Pixabay

潛力十足的藍色能源

在解析滲透壓發電之前,我們先來了解什麼是「滲透(Osmotic)」:想像你面前有一個燒杯,中間以半透性薄膜(semipermeable membrane)分成兩半,一邊放入淡水(低濃度溶液,水的比例多),一邊放入海水(高濃度溶液,水的比例少)。由於水是一種愛好「平衡」的存在,當膜的兩側因濃度不同而產生壓力梯度,不須外力干涉,淡水側的水就會自主經過半透膜擴散到海水側,一直到兩側達到濃度平衡為止。

當水分子透過半透膜從淡水側擴散到海水側時,海水側的水面高度也會節節上升,上升的水可以推動渦輪,進而驅動發電機,這就是傳統的滲透壓發電。

圖片來源:Wikipedia
滲透示意圖:當容器的左側放入淡水,右側放入海水,左側的水會經由半透膜擴散到右側以達到平衡,進而讓原本右側的水平面逐漸升高。圖片來源:Wikipedia CC 4.0

可惜這樣天然的滲透壓發電雖然不會排放廢氣,但產生的電力非常少,少到幾乎被世人忽略,例如 2009 年挪威國有公用事業 Statkraft 宣布全球第一座滲透壓發電廠落成,能量密度達 1 W/m2,總容量僅為 4,000 瓦,頂多能讓一台咖啡機或熱水壺運作。

滲透壓發電突破的關鍵為何?

不過來自瑞士洛桑理工學院(EPFL)的研究團隊現在宣稱,他們成功研發的新滲透壓發電器原型,發電效率大大地提升。相關研究已發表在《自然》(Nature)期刊

這種滲透壓發電器的核心技術,在於厚度只有三顆原子的單層二硫化鉬(MoS2)半透膜,以及半透膜上一個極其微小的奈米孔,小到一次只容許一顆正離子通過(因為半透膜表面帶負電,會把想通過的負離子推走)。EPFL 奈米生物實驗室的研究員兼研究首席作者馮建東(Jiandong Feng)解釋:

如果奈米孔太大,連負離子也能通過會導致電壓變低;但如果孔再小一點,無法讓足夠的離子通過,那電流就會變得太微弱。

研究團隊成功找出半透膜孔洞最適當的大小,讓產生的能量達到最大化。他們在膜的兩側倒入不同鹽濃度的溶液,透過滲透壓驅使正離子通過奈米孔。每當正離子擠過半透膜,電子就會被電極吸收,轉換成能量。這種新滲透壓發電的功率密度 (power density)達 1 MW/m2,相當於一平方公尺寬的薄膜就足以讓 5 萬個省電燈泡發電!(即使是在陽光充足的沙漠地區,太陽能的功率密度頂多每平方公尺達 200 W

當容器左側的正離子(紅色)通過半透膜時到右側,就會產生電流(對,就是那個臉色奇特的黃點),隨即被兩側的電極吸收。Water generates electricity (with a pinch of salt!) 影片截圖
當容器左側的正離子(紅色)通過半透膜時到右側,就會產生電流(對,就是那個臉色奇特的黃點),隨即被兩側的電極吸收。Water generates electricity (with a pinch of salt!) 影片截圖

研究團隊目前正努力讓奈米半透膜進入量產階段。有媒體評估,如果把這套新滲透壓發電系統放在全世界的河口處運用,就可不分日夜產生約 2 TW(太瓦)的電力,相當於 2000 座核電廠的產能。

如果你想了解更多,可參考 EPFL 提供的影片,包含親切的手繪風格來解釋滲透壓發電的原理與研究成果,以及洗腦的電流配音「滋滋--!」

 

參考資料:

首圖來源:EPFL

關於作者


Valerie

PanX 編輯,興趣多多,書籍雜食者。

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