القوة الأسموزية

إحدى طرق استغلال طاقة تدرج الملوحة تُعرف باسم التناضح العكسي المُؤخَّر بالضغط . ^{[ 12 ]} في هذه الطريقة، يُضخ ماء البحر إلى حجرة ضغط يكون ضغطها أقل من الفرق بين ضغط الماء المالح والماء العذب. كما يُضخ الماء العذب إلى حجرة الضغط عبر غشاء، مما يزيد من حجمها وضغطها. وعندما يتعادل فرق الضغط، يدور توربين، مُولِّدًا طاقة حركية. وتدرس شركة ستاتكرافت النرويجية هذه الطريقة تحديدًا، وقد حسبت أن ما يصل إلى 2.85 جيجاواط ستكون متاحة من هذه العملية في النرويج. [13] وقد أنشأت ستاتكرافت أول محطة طاقة نموذجية في العالم تعمل بتقنية التناضح العكسي المُؤخَّر بالضغط على مضيق أوسلو ، ^{والتي افتُتحت في} 24 نوفمبر 2009. وكان الهدف منها إنتاج كهرباء كافية لإضاءة وتدفئة بلدة صغيرة في غضون خمس سنوات باستخدام التناضح. في البداية، أنتجت المحطة طاقة ضئيلة بلغت 4 كيلوواط فقط، تكفي لتسخين غلاية كهربائية كبيرة، ولكن بحلول عام 2015، كان الهدف هو 25 ميغاواط، أي ما يعادل إنتاج مزرعة رياح صغيرة. ^{[ 14 ]} إلا أن شركة ستاتكرافت أعلنت في يناير 2014 عن توقفها عن مواصلة هذا المشروع التجريبي. ^{[ 15 ]} فقد وجدت ستاتكرافت أن التدرج الملحي، باستخدام التقنية الحالية، لم يكن كافيًا لتحقيق جدوى اقتصادية، وهو ما أكدته دراسات أخرى. ^{[ 16 ]} ويمكن إيجاد تدرجات ملحية أعلى في المحاليل الملحية الحرارية الأرضية ومحاليل محطات تحلية المياه، ^{[ 17 ]} وتقوم شركة سولت باور الدنماركية حاليًا ببناء أول محطة تجارية لها باستخدام محلول ملحي عالي الملوحة. ^{[ 18 ]} ولعلّ هناك إمكانات أكبر في دمج تقنية التناضح العكسي المُعاق بالضغط كنمط تشغيلي للتناضح العكسي، بدلًا من اعتمادها كتقنية مستقلة. ^{[ 19 ]}

ثمة طريقة ثانية قيد التطوير والدراسة، وهي التحليل الكهربائي العكسي أو التحليل العكسي، والذي يقوم أساساً على إنشاء بطارية ملحية. وقد وصف وينشتاين وليتز هذه الطريقة بأنها "مجموعة من أغشية التبادل الأيوني السالب والموجب المتناوبة، والتي يمكن استخدامها لتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الحرة لمياه الأنهار والبحار".

لا تزال التكنولوجيا المتعلقة بهذا النوع من الطاقة في مراحلها الأولى، على الرغم من اكتشاف مبدأها في خمسينيات القرن الماضي. وتُعدّ المعايير والفهم الكامل لجميع طرق استغلال تدرجات الملوحة أهدافًا مهمة يجب السعي لتحقيقها لجعل هذا المصدر النظيف للطاقة أكثر جدوى في المستقبل.

الطريقة الثالثة هي طريقة دوريانو بروجيولي [ ^{7 ] السعوية} ، وهي طريقة حديثة نسبيًا، ولم تُجرَّب حتى الآن إلا على نطاق المختبر. تعتمد هذه الطريقة على استخلاص الطاقة من مزيج الماء المالح والماء العذب عن طريق شحن أقطاب كهربائية ملامسة للماء المالح بشكل دوري، ثم تفريغها في الماء العذب. ونظرًا لأن كمية الطاقة الكهربائية اللازمة للشحن أقل من تلك المُستخلصة للتفريغ، فإن كل دورة مكتملة تُنتج طاقة فعليًا. ويُفسَّر هذا التأثير ببساطة بأن العدد الكبير من الأيونات في الماء المالح يُعادل الشحنة على كل قطب كهربائي بكفاءة عالية، وذلك بتكوين طبقة رقيقة من الشحنة المعاكسة قريبة جدًا من سطح القطب، تُعرف بالطبقة المزدوجة الكهربائية . لذا، يبقى الجهد الكهربائي على الأقطاب منخفضًا أثناء الشحن، مما يُسهِّل عملية الشحن نسبيًا. وبين الشحن والتفريغ، تُلامس الأقطاب بالماء العذب. بعد ذلك، يقل عدد الأيونات المتاحة لمعادلة الشحنة على كل قطب، مما يؤدي إلى زيادة الجهد الكهربائي عليها. وبالتالي، تُنتج عملية التفريغ اللاحقة كمية كبيرة نسبيًا من الطاقة. التفسير الفيزيائي هو أنه في المكثف المشحون كهربائيًا، توجد قوة تجاذب كهربائية متبادلة بين الشحنة الكهربائية على القطب والشحنة الأيونية في السائل. ولسحب الأيونات بعيدًا عن القطب المشحون، يجب أن يبذل الضغط الأسموزي شغلًا . هذا الشغل المبذول يزيد من طاقة الوضع الكهربائية في المكثف. أما التفسير الإلكتروني فهو أن السعة الكهربائية دالة لكثافة الأيونات. عند إدخال تدرج في الملوحة والسماح لبعض الأيونات بالانتشار خارج المكثف، تقل السعة الكهربائية، وبالتالي يزداد الجهد، لأن الجهد يساوي نسبة الشحنة إلى السعة الكهربائية.

لا تعتمد هاتان الطريقتان على الأغشية، لذا فإن متطلبات الترشيح ليست بنفس أهميتها في مخططات PRO و RED.

في منجم إيدي للبوتاس في نيو مكسيكو، تُستخدم تقنية تُسمى " بركة الطاقة الشمسية ذات التدرج الملحي" (SGSP) لتوفير الطاقة اللازمة للمنجم. لا تعتمد هذه الطريقة على الخاصية الأسموزية ، بل على الطاقة الشمسية فقط (انظر: بركة الطاقة الشمسية ). يتم امتصاص ضوء الشمس الذي يصل إلى قاع بركة المياه المالحة على شكل حرارة. ويتم حجب تأثير الحمل الحراري الطبيعي ، حيث "ترتفع الحرارة"، باستخدام فروق الكثافة بين الطبقات الثلاث المكونة للبركة، وذلك لحبس الحرارة. منطقة الحمل الحراري العلوية هي المنطقة العليا، تليها منطقة التدرج المستقر، ثم المنطقة الحرارية السفلية. تُعد منطقة التدرج المستقر هي الأهم. لا يمكن للمياه المالحة في هذه الطبقة أن ترتفع إلى المنطقة الأعلى لأن المياه المالحة في الأعلى أقل ملوحة وبالتالي أقل كثافة وأكثر طفوًا؛ ولا يمكنها أن تغوص إلى المستوى الأدنى لأن المياه المالحة في الأسفل أكثر كثافة. تُصبح هذه المنطقة الوسطى، وهي منطقة التدرج المستقر، بمثابة "عازل" للطبقة السفلية (مع أن الغرض الرئيسي منها هو منع الحمل الحراري الطبيعي، لأن الماء عازل ضعيف). يُضخ هذا الماء من الطبقة السفلية، وهي منطقة التخزين، ويُستخدم الحرارة الناتجة لإنتاج الطاقة، عادةً بواسطة توربين في دورة رانكين العضوية . ^{[ 20 ]}

من الناحية النظرية، يمكن استخدام بركة الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الأسموزية إذا تم استخدام التبخر من الحرارة الشمسية لإنشاء تدرج في الملوحة، ويتم تسخير الطاقة الكامنة في تدرج الملوحة هذا بشكل مباشر باستخدام إحدى الطرق الثلاث الأولى المذكورة أعلاه، مثل الطريقة السعوية.

قام فريق بحثي ببناء نظام تجريبي باستخدام نتريد البورون، ينتج طاقة أكبر بكثير من النموذج الأولي لشركة ستاتكرافت. استخدم النظام غشاءً غير منفذ وعازلًا كهربائيًا، مثقوبًا بأنبوب نانوي واحد من نتريد البورون بقطر خارجي يبلغ بضع عشرات من النانومترات. وباستخدام هذا الغشاء لفصل خزان مياه مالحة عن خزان مياه عذبة، قاس الفريق التيار الكهربائي المار عبر الغشاء باستخدام قطبين كهربائيين مغمورين في السائل على جانبي الأنبوب النانوي.

أظهرت النتائج أن الجهاز قادر على توليد تيار كهربائي بمستوى النانو أمبير. ويزعم الباحثون أن هذا يعادل ألف ضعف إنتاجية التقنيات الأخرى المعروفة لحصاد الطاقة الأسموزية، مما يجعل أنابيب نتريد البورون النانوية حلاً فعالاً للغاية لحصاد طاقة تدرجات الملوحة وتحويلها إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام.

وادعى الفريق أن غشاءً مساحته متر مربع واحد (11 قدم مربع ) يمكن أن يولد حوالي 4 كيلوواط، وأن يكون قادراً على توليد ما يصل إلى 30 ميغاواط ساعة سنوياً. ^{[ 21 ]}   

في اجتماع خريف عام 2019 لجمعية أبحاث المواد، أفاد فريق من جامعة روتجرز عن ابتكار غشاء يحتوي على حوالي 10 ملايين من أنابيب النيتريد البوروني النانوية لكل سنتيمتر مكعب. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

في جامعة ولاية بنسلفانيا، يحاول الدكتور لوغان استخدام الحرارة المهدرة ذات القيمة الحرارية المنخفضة بالاعتماد على حقيقة أن بيكربونات الأمونيوم تتحلل إلى أمونيا _{وثاني أكسيد} الكربون في الماء الدافئ، ثم تعود لتكوين بيكربونات الأمونيوم مرة أخرى في الماء البارد. وهكذا، في نظام مغلق لإنتاج الطاقة بتقنية التناضح العكسي الكهربائي، يتم الحفاظ على تدرجين مختلفين في الملوحة. ^{[ 24 ]}