Jak funguje osmotická energie – a proč by mohla fungovat 24 hodin denně, 7 dní v týdnu

Energie ukrytá tam, kde se řeky vlévají do moře

Každou sekundu každého dne se řeky po celém světě vlévají sladkou vodou do oceánu. Toto mísení uvolňuje obrovské množství energie – zhruba ekvivalent 200metrového vodopádu na každý metr krychlový sladké vody, která se setká se slanou vodou. Osmotická energie, často nazývaná modrá energie, si klade za cíl zachytit tuto energii a přeměnit ji na čistou elektřinu.

Na rozdíl od solárních panelů nebo větrných turbín, osmotická energie nezávisí na počasí nebo denní době. Dokud se řeky vlévají do oceánů – což se děje neustále – zdroj energie se nikdy nezastaví. Vědci odhadují, že globální potenciál energie salinity gradientu by mohl dosáhnout 2,6 terawattů, což by pokrylo významnou část světové poptávky po elektřině.

Jak to vlastně funguje

Osmotická energie využívá základní princip chemie: když jsou dva roztoky s různými koncentracemi soli odděleny membránou, příroda se snaží je vyrovnat. Ionty a molekuly vody se pohybují přes bariéru a tento pohyb lze přeměnit na elektřinu.

O využití tohoto efektu soutěží dvě hlavní technologie:

• Tlakově zpožděná osmóza (PRO) používá polopropustnou membránu, která propouští vodu, ale blokuje sůl. Sladká voda se přirozeně tlačí směrem ke slanější straně, čímž vytváří hydraulický tlak, který pohání turbínu – podobně jako konvenční vodní generátor.
• Reverzní elektrodialýza (RED) zaujímá odlišný přístup. Skládá střídavě membrány – jednu selektivní pro ionty sodíku, druhou pro ionty chloridu – čímž vytváří elektrochemický potenciál. Jak ionty migrují stohováním, generují přímý elektrický proud bez jakýchkoli pohyblivých částí.

Obě metody produkují nulové emise uhlíku během provozu a nevyžadují žádné palivo kromě samotné vody.

Stručná historie modré energie

Koncept sahá až do 50. let 20. století, kdy výzkumník Sidney Loeb poprvé zkoumal výrobu elektřiny prostřednictvím osmózy. Seriózní inženýrské práce začaly v 90. letech, kdy se norští vědci Torleif Holt a Thor Thorsen spojili se společností Statkraft, norskou státní energetickou společností, aby postavili funkční prototyp.

V roce 2009 společnost Statkraft otevřela první osmotickou elektrárnu na světě v Hurumu v Norsku. Pilotní projekt prokázal, že technologie funguje, ale výkon byl příliš nízký – zhruba dostatečný pro napájení kávovaru. Společnost Statkraft projekt v roce 2013 odložila s odvoláním na nedostatečný výkon membrán a vysoké náklady.

Štafetu převzala Francie. Sweetch Energy, startup vzniklý z výzkumu na École Normale Supérieure v Paříži, vyvinul nový přístup nazvaný Ionic Nano Osmotic Diffusion (INOD). Do konce roku 2024 společnost spustila svůj pilotní závod OsmoRhône v ústí řeky Rhôny na pobřeží Středozemního moře. Společnost Sweetch získala 25 milionů eur na rozšíření technologie a tvrdí, že by mohla osmotickou energii poprvé komerčně zefektivnit.

Problém s membránou

Ústřední výzvou byla vždy membrána. Aby membrány generovaly smysluplný výkon, musí umožňovat iontům procházet rychle, selektivně a levně – v průmyslovém měřítku. Tradiční membrány se potýkají se všemi třemi aspekty.

Průlom publikovaný v časopise Nature Energy výzkumníky z EPFL ve Švýcarsku ukázal slibný nový směr. Tým potáhl nanopóry molekulami lipidů – stejnými mastnými sloučeninami, které tvoří buněčné membrány v živých organismech. Tím se vytvořil ultrakluzký povrch, který snížil tření pro procházející ionty, čímž se zvýšil výkon dvakrát až třikrát oproti konvenčním konstrukcím.

Aby se dosáhlo ekonomické parity s pobřežními větrnými elektrárnami, vědci odhadují, že hustota výkonu membrány musí překročit 8,4 wattu na metr čtvereční, nebo náklady na zařízení musí klesnout pod 97 dolarů na metr čtvereční. Současné prototypy se těmto cílům blíží, ale dosud jich trvale nedosáhly.

Proč na tom záleží

Modrá energie vyplňuje mezeru, kterou jiné obnovitelné zdroje nemohou. Solární a větrná energie jsou přerušované – potřebují baterie nebo záložní generování pro noci a klidné dny. Osmotická energie funguje nepřetržitě a poskytuje základní zatížení srovnatelné s fosilními palivy nebo jadernými elektrárnami, ale s nulovými emisemi a bez odpadu.

Zdroj je také obrovský a geograficky rozšířený. Každá říční delta, každé ústí řeky a každý pobřežní odpadní výtok je potenciálním energetickým místem. Země s velkými říčními systémy – Brazílie, Čína, Indie, Spojené státy – by mohly využít obrovské zásoby energie salinity gradientu.

Komerční modrá energie je stále vzdálená. Trvanlivost membrán, bioznečištění mikroorganismy a samotné náklady na rozšíření jsou skutečné překážky. Ale s obnovenými investicemi, pokročilou nanotechnologií a rostoucí naléhavostí ohledně čisté energie základního zatížení se osmotická energie možná konečně blíží svému okamžiku.