Elektrownie osmotyczne już działają. Jak z wody słonej i słodkiej powstaje prąd?

• Pierwsze na świecie komercyjne elektrownie osmotyczne już działają, w Danii od 2023 roku i w Japonii od sierpnia 2025 roku, zamieniając "odpadową" solankę w prąd.
• Energia osmotyczna nie zależy od pogody, wiatru czy pory dnia. Różnica zasolenia istnieje 24 godziny na dobę, co czyni ją potencjalnym źródłem stabilnej energii bazowej.
• Według szacunków IRENA globalny techniczny potencjał tej technologii wynosi nawet 647 GW, ale droga od pierwszych instalacji o mocy 100 kW do gigawatowej skali jest jeszcze długa.

Często mówiąc o OZE, w głowie automatycznie mamy na myśli panele fotowoltaiczne, geotermię i turbiny wiatrowe. Tymczasem w ujściach rzek, w solankach przemysłowych i w miejscach, gdzie woda słodka spotyka się z morską, drzemie zupełnie inny rodzaj energii, taki, który nie zależy od pogody, pory dnia czy siły wiatru. To energia osmotyczna, nazywana też energią z gradientu zasolenia. Jeszcze kilka lat temu była niemal czystą teorią opisywaną w pracach naukowych. Dziś działają już pierwsze komercyjne elektrownie tego typu, w Danii i w Japonii. Warto więc przyjrzeć się, jak to właściwie działa i czy faktycznie może stać się czwartym wielkim filarem energetyki odnawialnej, obok wody, wiatru i słońca.

Fizyka, która stoi za zjawiskiem: czym jest osmoza

Żeby zrozumieć tę technologię, trzeba wrócić do szkolnej biologii i chemii. Osmoza to samoistny ruch wody przez membranę półprzepuszczalną, czyli taką, która przepuszcza molekuły wody, ale blokuje większe jony, na przykład sodu i chloru rozpuszczone w soli. Woda zawsze dąży do tego, aby wyrównać stężenie roztworów po obu stronach membrany. Jeśli z jednej strony membrany mamy wodę słodką, a z drugiej wodę morską lub solankę, woda słodka samoistnie przenika przez membranę w stronę słonej.

To, co czyni ten proces interesującym energetycznie, to fakt, że przepływ ten generuje rzeczywiste, możliwe do zmierzenia ciśnienie. Gdy woda słodka napływa do komory z wodą słoną, a komora ta jest zamknięta lub częściowo ograniczona, ciśnienie wewnątrz niej rośnie. Mówimy wtedy o ciśnieniu osmotycznym. Jest to siła, jaką trzeba by przyłożyć z zewnątrz, by zatrzymać ten naturalny przepływ. W przypadku różnicy między wodą rzeczną a morską ciśnienie to bywa rzędu kilkudziesięciu barów, czyli można je porównać do ciśnienia panującego kilkaset metrów pod wodą. To narastające ciśnienie można wykorzystać do napędzania turbiny połączonej z generatorem, podobnie jak w klasycznej elektrowni wodnej, tylko że "spadek wody" zastąpiony jest tutaj różnicą chemicznego potencjału, a nie wysokości.

Dwie główne technologie: PRO i RED

W praktyce inżynierowie opracowali dwie odrębne metody przekształcania tego zjawiska w prąd.

Pressure Retarded Osmosis (PRO), czyli osmoza wstrzymywana ciśnieniem, jest koncepcyjnie bliższa klasycznej hydroenergetyce. Woda słodka przepływa przez membranę półprzepuszczalną do komory z wodą słoną, która jest częściowo zamknięta, dzięki czemu narastające ciśnienie napędza bezpośrednio turbinę.

Reverse Electrodialysis (RED), czyli odwrócona elektrodializa, działa na innej zasadzie. Wykorzystuje ona stos membran jonowymiennych, ułożonych na przemian. Jedne przepuszczają tylko kationy (np. sód), inne tylko aniony (np. chlor). Gdy między membranami umieści się alternujące komory z wodą słodką i słoną, ruch jonów przez membrany generuje różnicę potencjału elektrycznego, którą można odebrać za pomocą elektrod, podobnie jak w baterii. RED nie wytwarza więc ciśnienia mechanicznego napędzającego turbinę, lecz bezpośrednio prąd elektryczny w formie elektrochemicznej.

Obie technologie mają swoje nisze. Z badań porównawczych wynika, że PRO osiąga zwykle wyższą efektywność energetyczną, w granicach 54-56%, oraz wyższą gęstość mocy (od 2,4 do nawet 38 W na metr kwadratowy membrany), podczas gdy RED notuje efektywność w przedziale 18-38% i gęstość mocy 0,77-1,2 W na metr kwadratowy. Wyższa efektywność PRO wynika z tego, że membrany w tej technologii skuteczniej wykorzystują różnicę zasolenia do napędzania przepływu wody. 

Z kolei badania prowadzone na Uniwersytecie Wageningen wskazują, że osmoza wstrzymywana ciśnieniem wydaje się bardziej atrakcyjna do produkcji energii z silnie skoncentrowanych solanek, ze względu na połączenie wysokiej gęstości mocy z wysoką efektywnością odzysku energii, natomiast odwrócona elektrodializa lepiej sprawdza się w klasycznym układzie woda morska - woda rzeczna. Mówiąc prościej: tam, gdzie różnica zasolenia jest ekstremalna (np. solanki przemysłowe), warto stawiać na PRO, a tam, gdzie mamy do czynienia z umiarkowaną różnicą typową dla ujścia rzeki, lepiej radzi sobie RED.

• Zobacz również: Najbardziej przewidywalne OZE świata. Energia pływów bije inne pod tym względem na głowę

Skąd bierze się "paliwo": naturalne i sztuczne gradienty zasolenia

Najbardziej oczywistym miejscem do budowy elektrowni osmotycznej jest ujście rzeki do morza, czyli tam, gdzie woda słodka i słona stykają się naturalnie i w nieograniczonych ilościach. To właśnie ten scenariusz brano pod uwagę w pierwszych projektach badawczych, na przykład norweskim prototypie firmy Statkraft w miejscowości Tofte, uruchomionym w 2009 roku z mocą zaledwie 10 kW. Projekt ten szacował, że technologia PRO mogłaby teoretycznie wygenerować w Norwegii do 12 TWh energii rocznie, co odpowiadałoby około 10% krajowego zapotrzebowania na elektryczność. Niestety, w 2014 roku Statkraft zamknął projekt z powodu zbyt niskiej rentowności ekonomicznej, membrany tamtej generacji nie były wystarczająco wydajne.

Przełom przyniosło dopiero wykorzystanie sztucznie wytworzonych, znacznie silniejszych gradientów zasolenia. Najlepszym przykładem są solanki przemysłowe, czyli odpadowe, silnie zasolone roztwory powstające na przykład w procesach wydobycia soli. Różnica zasolenia między czystą wodą a taką solanką jest dużo większa niż między rzeką a morzem, co znacznie zwiększa moc, jaką da się odzyskać z tego samego metra kwadratowego membrany.

To podejście przyczyniło się do powstania pierwszej w historii w pełni komercyjnej elektrowni osmotycznej, uruchomionej w 2023 roku przez duńską firmę SaltPower w miejscowości Mariager. Obiekt o mocy około 100 kW wykorzystuje silnie zasoloną solankę z lokalnego zakładu produkcji soli i generuje energię, która jest zwrotnie wykorzystywana w samym procesie wydobycia soli.

Drugim, znacznie głośniejszym przykładem jest elektrownia uruchomiona 5 sierpnia 2025 roku w japońskiej Fukuoce. Jako wodę słodką wykorzystuje się tam oczyszczone ścieki miejskie, a jako wodę słoną, solankę pozostałą po procesie odsalania wody morskiej w lokalnym zakładzie. Taki układ ma dwie zalety: zwiększa różnicę zasolenia, a jednocześnie zamienia dwa "odpady" w wartościowy surowiec energetyczny. Elektrownia ta ma produkować około 880 000 kWh energii rocznie, co odpowiada zapotrzebowaniu około 220 japońskich gospodarstw domowych, a wytworzony prąd zasila z powrotem pobliski zakład odsalania wody, tworząc zamknięty cykl.

Jaki jest potencjał tej technologii?

Szacunki potencjału energii różnicy zasolenia różnią się w zależności od różnych czynników. Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej (IRENA) oszacowała globalny techniczny potencjał zasobów energii z gradientu zasolenia na 647 GW zainstalowanej mocy. Inne badania, biorące pod uwagę całkowity przepływ wszystkich rzek świata do oceanów, szacują teoretyczny potencjał mocy nawet na 2,4-2,6 TW. To wartość porównywalna z całkowitą obecną zainstalowaną mocą elektrowni jądrowych na świecie pomnożoną kilkukrotnie. Niektóre szacunki idą jeszcze dalej, mówiąc o energii zawartej w naturalnym gradiencie zasolenia rzek i oceanów na poziomie rzędu 2 bilionów watów, co bywa porównywane do łącznej mocy około 2000 reaktorów jądrowych, choć są to liczby teoretyczne, dalekie od tego, co da się realnie odzyskać.

Przeliczając potencjał techniczny na realną produkcję energii, niektóre analizy wskazują na wartość rzędu 1650 TWh rocznie. Mówi się również, że technologia ta mogłaby w teorii zaspokoić nawet do 20% globalnego zapotrzebowania na energię elektryczną, choć warto traktować tę liczbę jako górny, optymistyczny pułap teoretyczny, a nie prognozę na najbliższe dekady.

Energia osmozy jako uzupełnienie miksu energetycznego

Największą siłą energii osmotycznej jest jej stabilność. W odróżnieniu od fotowoltaiki, czy wiatru, różnica zasolenia między rzeką a morzem (albo między solanką przemysłową a wodą czystą) istnieje praktycznie bez przerwy. To czyni tę technologię źródłem energii o stabilnej i przewidywalnej produkcji, na którą operatorzy sieci energetycznej mogą liczyć przez cały czas.

Drugą istotną zaletą jest niski wpływ środowiskowy. W przeciwieństwie do klasycznych hydroelektrowni nie wymaga budowy wielkich zapór wodnych, które zaburzają ekosystemy rzeczne i migracje ryb. Sam proces nie emituje gazów cieplarnianych, a jedynym "produktem ubocznym" jest woda o pośrednim zasoleniu, więc substancja, która i tak naturalnie powstaje w strefach mieszania się wód rzecznych z morskimi. Warto jednak zaznaczyć, że przy instalacjach na dużą skalę wpływ na lokalne ekosystemy wodne, w tym na organizmy żyjące w strefie estuarium, wciąż wymaga dalszych badań.

• Zobacz również: Owce na farmie fotowoltaicznej? To nie żart, tylko biznes z marżą do 40%

Ograniczenia: dlaczego to wciąż nisza, a nie rewolucja

Mimo obiecujących perspektyw technologia ma dziś poważne ograniczenia, które tłumaczą, czemu po kilkudziesięciu latach badań wciąż mówimy o dwóch komercyjnych instalacjach na świecie, a nie o setkach. Pierwszym i być może najważniejszym ograniczeniem jest koszt i trwałość membran. Wysokowydajne membrany półprzepuszczalne czy membrany jonowymienne są drogie w produkcji, a w kontakcie z solanką czy wodą morską z czasem ulegają zjawisku zwanemu fouling, zanieczyszczeniu osadami mineralnymi i organicznymi, które blokuje pory i zmniejsza wydajność. Wymaga to regularnego czyszczenia lub wymiany membran, co generuje dodatkowe koszty operacyjne.

Drugim problemem jest niska gęstość mocy w porównaniu z innymi technologiami energetycznymi. Nawet najlepsze membrany osiągają jedynie kilkadziesiąt watów z metra kwadratowego, co oznacza, że do uzyskania znaczącej moc całkowitej potrzebne są bardzo duże powierzchnie membran, a więc i duża, kosztowna infrastruktura.

Trzecie ograniczenie to geografia. Technologia ta wymaga konkretnego połączenia dwóch strumieni wody o różnym zasoleniu w jednym miejscu, w odpowiednio dużych ilościach. To naturalnie ogranicza liczbę potencjalnych lokalizacji do ujść rzek oraz miejsc z przemysłową produkcją solanki.

Czwartym czynnikiem jest wciąż wysoki koszt produkcji energii w przeliczeniu na kilowatogodzinę, znacząco wyższy niż w przypadku ugruntowanych technologii, które przez dekady masowej produkcji zdążyły obniżyć swoje koszty. Energia osmotyczna znajduje się dziś na etapie, na którym energetyka wiatrowa i słoneczna były w latach 80. i 90. ubiegłego wieku. Naukowo dowiedziona i działająca w pilotażowej skali, ale wymagająca jeszcze lat rozwoju technologicznego i ekonomii skali, by stała się konkurencyjna cenowo.

Na koniec, sama natura procesu sprawia, że tworzenie sztucznych, bardzo silnych gradientów zasolenia (na przykład poprzez wstępne zatężanie wody) pochłania energię, co w niektórych konfiguracjach może znacząco obniżać ostateczną efektywność całego systemu. Stąd właśnie tak duży nacisk na wykorzystywanie gradientów, które i tak już istnieją jako odpad innych procesów przemysłowych.

Co dalej? Kierunki rozwoju

Naukowcy na całym świecie, w tym zespoły z Monash University w Australii, pracują obecnie nad nowymi generacjami membran inspirowanych strukturami biologicznymi, które mogłyby znacznie zwiększyć przepustowość wody przy zachowaniu wysokiej selektywności wobec soli. Równolegle rozwijane są technologie membranowe oparte na nanomateriałach, takich jak nanorurki węglowe, które badacze testują pod kątem zwiększenia gęstości mocy w procesach RED.

Postępuje też automatyzacja i standaryzacja instalacji. Firma SaltPower nawiązała współpracę z firmą Rockwell Automation, by zoptymalizować systemy kontroli procesu i przygotować grunt pod modułowe jednostki produkcyjne, które mogłyby być wdrażane na całym świecie szybciej i taniej niż dotychczasowe instalacje pilotażowe. Pilotażowe projekty i prototypy są dziś rozwijane także w Norwegii, Francji, Korei Południowej, Australii, Hiszpanii i Katarze, a samo Światowe Forum Ekonomiczne uznało niedawno energię osmotyczną za jedną z dziesięciu najbardziej obiecujących technologii przyszłości.

Źródła: irena.org, tethys-engineering.pnnl.gov, nobian.com, ekologia.pl, oilprice.com

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Amelia Przystał