Odsalanie wody morskiej i magazynowanie energii? Czy to możliwe?

Eksperckim okiem

Paweł Biegajski, specjalista z zakresu finansowania projektów energetycznych

W dobie narastających zmian klimatycznych, wzrostu populacji i rosnącego zapotrzebowania na zasoby, zapewnienie dostępu do wody pitnej stało się kluczowym wyzwaniem. Pomóc ma w tym odsalanie wody morskiej. W ostatnich latach pojawiło się wiele inicjatyw i teorii opisujących odmienne podejście do tej kwestii. Szczególnie obiecujące wyniki prezentuje technologia oparta na przepływie redoks (RFD). Skupia się ona nie tylko na zapewnieniu dostępu do wody pitnej, ale także na magazynowaniu energii. W artykule przyjrzymy się, czym jest to nowatorskie rozwiązanie, jakie korzyści oferuje i jakie są perspektywy jego stosowania.

Baterie przepływowe rewolucjonizują rynek magazynów energii

Eksperci zajmujący się rynkiem magazynowania energii przewidują, że alternatywne rozwiązania dla akumulatorów litowo-jonowych będą zyskiwać na znaczeniu. W obliczu ograniczonej dostępności litu branża zwraca się ku innym technologiom, takim jak magazyny energii bazujące na cynku czy sodzie. Tylko w 2024 roku oddano do użytkowania największy magazyn sodowo-jonowy o pojemności 100 MW/200 MWh oraz pierwszy duży projekt oparty na technologii grawitacyjnego magazynowania energii. Wśród najbardziej obiecujących opcji wyróżniają się jednak akumulatory przepływowe, które oferują nowoczesne i efektywne podejście do przechowywania energii.

Baterie przepływowe to nowoczesne magazyny energii, które przechowują ją w dwóch ciekłych roztworach chemicznych. Przepływają one przez ogniwo elektrochemiczne rozdzielone półprzepuszczalną membraną. To właśnie ona zapobiega mieszaniu się roztworów, jednocześnie umożliwiając wymianę jonów między nimi. Dzięki temu energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną, którą można wykorzystać do zasilania urządzeń.

Największą zaletą akumulatorów przepływowych jest skalowalność – moc baterii zależy od wielkości ogniwa, a pojemność od rozmiaru zbiorników. Są trwałe (do 30 lat), mają niski poziom samorozładowania i można je szybko „naładować” poprzez wymianę zużytego elektrolitu.

Na rynku dostępnych jest co najmniej kilka rozwiązań tego typu. Najczęściej stosowanym typem baterii przepływowych są baterie redoks (redukcyjne baterie przepływowe RFB). Działają one dzięki reakcjom redukcji i utleniania (redoks), w których atomy jednego z reagentów oddają elektrony, a drugiego je przyjmują. Elektrony te przepływają przez zewnętrzny obwód, generując prąd elektryczny. Po rozładowaniu baterii reakcje redoks można odwrócić, co pozwala na wielokrotne wykorzystanie tych samych reagentów. Co więcej, baterie redoks można szybko „naładować” poprzez wymianę zużytego elektrolitu na świeży. Więcej na temat baterii przepływowych pisaliśmy w tym artykule.

Warto w tym miejscu wspomnieć, że w 2024 roku ukończono projekt o mocy 175 MW i pojemności 700 MWh, wykorzystujący technologię wanadowych akumulatorów przepływowych (VRFB). To największa tego typu jednostka na świecie.

Czym jest technologia odsalania wody przepływem redoks (RFD)?

Technologia baterii przepływowych redoks ma także swoje zastosowanie w aplikacjach umożliwiających odsalanie wody morskiej. Redoksowa technologia odsalania (RFD), bo tak się ona nazywa, to zaawansowana metoda, która łączy przekształcanie wody morskiej w wodę pitną z możliwością magazynowania energii odnawialnej w jednym systemie. Proces opiera się na elektrochemicznych reakcjach redoks, które umożliwiają efektywne oddzielanie soli z wody morskiej. W praktyce technologia ta wykorzystuje układ kanałów i membran wymiany jonowej, które selektywnie transportują jony, przekształcając wodę morską w wodę pitną.

Grupa naukowców z Tandon School of Engineering na New York University dokonała przełomu w technologii odsalania przepływowego redoks. W badaniach opublikowanych w Cell Reports Physical Science w 2024 roku zespół kierowany przez dr. André Taylora, profesora inżynierii chemicznej i biomolekularnej udoskonalił wydajność systemu RFD. Dzięki optymalizacji przepływu płynów zwiększono szybkość usuwania soli o około 20%, jednocześnie obniżając zużycie energii.

Ich system składa się tym razem z czterech kanałów: dwa z nich są dedykowane solankom (strumieniowi solankowemu i strumieniowi odsalonemu), a dwa przeznaczone na elektrolity zawierające związki redoks. Membrany kationowe (CEM) i anionowe (AEM) oddzielają te kanały, umożliwiając selektywny przepływ jonów. Dzięki zastosowaniu reakcji elektrochemicznych, system nie tylko usuwa sól z wody, ale także przechowuje energię w postaci chemicznej, którą można odzyskać w formie energii elektrycznej. Cząsteczki redoks uwalniane w razie potrzeby, działają tym samym jak bateria.

Jak wspomina Stephen Akwei Maclean, główny autor publikacji i doktorant inżynierii chemicznej i biomolekularnej na NYU Tandon: „Możemy nadzorować czas przebywania wody morskiej w systemie w celu wyprodukowania wody pitnej i jednocześnie kontrolować w trybie jednoprzebiegowym lub wsadowym wytwarzanie energii na żądanie”

Schemat procesu pokazano na grafice.

Źródło: Investigation of flow rate in symmetric four-channel redox flow desalination system, Cell Reports Physical Science 5, S. A. Maclean, S. Raza, H. Wang, C. Igbomezie, J. Liu, N. Makowski, Y. Ma, Y. Shen, J. A. Rӧhr, Guo-Ming Weng, A. D. Taylor., str. 2.

Jak technologia RFD działa w praktyce?

Teoria teorią, ale najważniejsze jest to, jak technologia RFD działa w praktyce. Proces odsalania przepływem redoks zasadniczo można podzielić na trzy główne etapy:

• Rozdział wody morskiej – woda morska jest dzielona na dwa strumienie: jeden skierowany do odsalania, a drugi na strumień solankowy.
• Reakcje elektrochemiczne – w kanałach elektrolitu zachodzą reakcje redoks, które umożliwiają transport jonów przez membrany wymiany jonowej. Jony sodu i chlorkowe są oddzielane od wody, a powstała woda pitna jest kierowana do konsumpcji.
• magazynowanie energii – energia chemiczna zgromadzona w cząsteczkach redoks może być przechowywana i przekształcana w energię elektryczną, gdy zajdzie taka potrzeba.

Zalety technologii RFD w porównaniu z tradycyjnymi metodami

Tradycyjne metody odsalania, takie jak odwrócona osmoza (RO), wymagają wysokiego ciśnienia i dużych ilości energii. Wiąże się to oczywiście z wysokimi kosztami operacyjnymi, a tym samym trudnościami w komercjalizacji. W przeciwieństwie do tego, systemy RFD są bardziej energooszczędne i elastyczne. Najważniejsze ich zalety technologii to:

• Oszczędność energii – badania wykazały, że zoptymalizowanie przepływu płynów w systemach RFD pozwala na zmniejszenie zużycia energii przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności usuwania soli.
• Magazynowanie energii odnawialnej – systemy RFD mogą działać jako wielofunkcyjne urządzenia, przechowując nadmiar energii słonecznej lub wiatrowej w formie chemicznej i uwalniając ją na żądanie.
• Zrównoważony rozwój – dzięki integracji z odnawialnymi źródłami energii technologia RFD przyczynia się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla i uzależnienia od paliw kopalnych.
• Skalowalność i uniwersalność – systemy RFD można dostosować do lokalnych warunków, co czyni je szczególnie przydatnymi w regionach nadmorskich, na wyspach oraz w miejscach dotkniętych chronicznym niedoborem wody.

Perspektywy rozwoju technologii RFD

Mimo że technologia RFD jest wciąż na etapie rozwoju, już teraz oferuje obiecujące rozwiązania dla globalnych wyzwań. Wciąż trwają badania, które docelowo mogą jeszcze bardziej poprawić obecne osiągnięcia.

Jako główne kierunki rozwoju przyjmuje się:

• Obniżenie kosztów – naukowcy pracują nad zmniejszeniem kosztów produkcji membran i materiałów redoks, aby uczynić technologię bardziej dostępną.
• Zwiększenie wydajności – analizy nad optymalizacją przepływu i konstrukcją kanałów pozwalają na jeszcze większą efektywność usuwania soli i magazynowania energii.
• Skalowanie – możliwość dostosowania systemów RFD do różnych rozmiarów i warunków geograficznych sprawia, że technologia ta ma potencjał do szerokiego zastosowania.

Globalne znaczenie technologii RFD

Według danych Światowej Organizacji Zdrowia aż 66% światowej populacji zmaga się z niepewnością dostępu do wody pitnej. Kraje najbardziej narażone na deficyty to między innymi: Antiqua i Barbuda, Bahrajn, Barbados, Komory, Cypr, Dominika, Jamajka, Malta, Katar czy Saint Lucia. Technologia odsalania przepływem redoks może być przełomem w rozwiązywaniu tego problemu, zwłaszcza w regionach o ograniczonych zasobach wodnych. Ponadto, integracja tej technologii z odnawialnymi źródłami energii sprawia, że jest ona kluczowym elementem w walce z kryzysem klimatycznym.

Koncepcja technologii RFD ma posłużyć jako punkt wyjścia dla rozwoju instalacji pilotażowych i wielkoskalowych na całym świecie. Jej pełna adaptacja wymaga także wdrożenia odpowiednich regulacji. Warto przypatrywać się temu tematowi, gdyż innowacje w odsalaniu i magazynowaniu energii, nie tylko odpowiadają na rosnące potrzeby ludzkości, ale także otwierają drzwi do bardziej zrównoważonej przyszłości. Woda i energia – dwa podstawowe zasoby – mogą być dzięki nim dostępne dla wszystkich, przy minimalnym wpływie na środowisko.

Odsalanie a energia słoneczna – inspiracja z natury

Technologia RFD nie jest jedynym pomysłem łączącym chęć zwiększenia dostępności wody pitnej z rozwojem energetyki odnawialnej. Zespół naukowców z Uniwersytetu Waterloo opracował system oparty na parowaniu i kondensacji, wzorowany na naturalnych procesach w przyrodzie. Dzięki temu odsalanie wody morskiej wspierane jest przez promieniowanie słoneczne.

Jak to działa? Materiał piankowy, pokryty specjalnymi polimerami, pochłania energię słoneczną, przekształcając ją w ciepło, co pozwala na szybkie parowanie wody morskiej i jej kondensację w formie czystej wody pitnej. Tego rodzaju systemy są wyjątkowo efektywne w małych, odizolowanych społecznościach, produkując do 20 litrów wody pitnej na metr kwadratowy na dobę. Mogą także pełnić funkcję ochronną w sytuacjach awaryjnych, przykładowo na obszarach dotkniętych powodziami lub tsunami. Co więcej, zapobiegają one gromadzeniu się soli na powierzchniach urządzenia, co jest częstym problemem w tradycyjnych systemach odsalania.

Obecnie trwają liczne badania nad udoskonaleniem tej techniki pozyskiwania wody zdatnej do picia. Naukowcy z MIT i Shanghai Jiao Tong University twierdzą, że ich system oparty na produkcji wody i wysokim odrzucaniu soli, jest w stanie produkować wodę taniej, niż wynosi koszt produkcji kranówki w USA. Czy to może być początek kolejnej rewolucji? Czas pokaże.

---

Paweł Biegajski

Absolwent Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Specjalizuje się w zdobywaniu finansowania dla firm i instytucji realizujących projekty z zakresu zrównoważonego rozwoju oraz energetyki.