Zwykle, gdy myślimy o produkcji energii na morzu, wyobrażamy sobie gigantyczne platformy wiertnicze, a może rzędy strzelistych turbin wiatrowych. Ostatnio jednak do mieszanki dodano pływające panele słoneczne, w tym farmę słoneczną wielkości 160 boisk piłkarskich, która rozpoczęła działalność w Chinach w zeszłym roku.
Teraz zespół naukowców z Columbia University chce pójść o krok dalej. Mówią, że możliwe jest użycie paneli słonecznych na powierzchni oceanu do zasilania urządzeń, które mogą wytwarzać paliwo wodorowe z wody morskiej.
Wodór jest czystą formą energii, ale najczęściej jest wytwarzany z gazu ziemnego w procesie, który uwalnia również dwutlenek węgla, kluczowy czynnik zmiany klimatu. Naukowcy z Kolumbii twierdzą, że ich urządzenie, zwane pływającym elektrolizerem fotowoltaicznym, eliminuje tę konsekwencję, zamiast tego wykorzystując elektrolizę do oddzielenia tlenu i wodoru w cząsteczkach wody, a następnie przechowując je do wykorzystania jako paliwo.
Lider zespołu Daniel Esposito, adiunkt inżynierii chemicznej, zauważa, że wykorzystanie istniejących komercyjnych elektrolizerów do generowania wodoru jest dość kosztowne. „Jeśli weźmiesz gotowe półki słoneczne i dostępne w handlu elektrolizery i użyjesz światła słonecznego do rozdzielenia wody na wodór i tlen, będzie to trzy do sześciu razy droższe niż w przypadku produkcji wodoru z gazu ziemnego”, on mówi.
Zauważa również, że te elektrolizery wymagają membran, które utrzymują oddzielenie cząsteczek tlenu i wodoru po ich rozdzieleniu. To nie tylko zwiększa koszty, ale te części ulegają szybkiemu rozkładowi, gdy są narażone na zanieczyszczenia i mikroby w słonej wodzie.
„Zdolność do bezpiecznego zademonstrowania urządzenia, które może przeprowadzać elektrolizę bez membrany, pozwala nam uczynić kolejny krok w kierunku umożliwienia elektrolizy wody morskiej” - powiedział w oświadczeniu Jack Davis, badacz i główny autor badania potwierdzającego koncepcję. „Te generatory paliwa słonecznego to w zasadzie sztuczne systemy fotosyntezy, które robią to samo, co rośliny robią z fotosyntezą, dzięki czemu nasze urządzenie może stworzyć wszelkie możliwości generowania czystej, odnawialnej energii”.
Dwie elektrody siatkowe są trzymane w wąskiej odległości separacji (L) i jednocześnie wytwarzają gazy H2 i O2. Kluczową innowacją jest asymetryczne umieszczenie katalizatora na skierowanych na zewnątrz powierzchniach siatki, tak że wytwarzanie pęcherzyków jest ograniczone do tego regionu. Gdy pęcherzyki gazu odrywają się, ich wypór powoduje, że pływają one w górę do oddzielnych komór zbierających. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Bulgotanie
Co zatem wyróżnia ich elektrolizer?
Urządzenie zbudowane jest wokół elektrod z tytanowej siatki zawieszonej w wodzie i oddzielonej niewielką odległością. Po przyłożeniu prądu elektrycznego cząsteczki tlenu i wodoru rozdzielają się, przy czym pierwsze rozwijają się pęcherzyki gazu na elektrodzie, która jest naładowana dodatnio, a druga robi to samo na tej z ładunkiem ujemnym.
Bardzo ważne jest, aby te różne pęcherzyki gazu były oddzielone, a elektrolizer Columbia robi to poprzez zastosowanie katalizatora tylko na jednej stronie każdego elementu siatki - na powierzchni znajdującej się najdalej od drugiej elektrody. Gdy bąbelki stają się większe i odrywają się od siatki, unoszą się wzdłuż zewnętrznych krawędzi każdej elektrody zamiast mieszać się ze sobą w przestrzeni między nimi.
Naukowcy nie tylko uniknęli stosowania drogich membran, ale także nie musieli stosować pomp mechanicznych, których niektóre modele używają do przenoszenia cieczy. Zamiast tego ich urządzenie opiera się na pływalności, aby unosić pęcherzyki wodoru do komory magazynowej. W laboratorium proces był w stanie wytworzyć gazowy wodór o 99-procentowej czystości.
Alexander Orlov, profesor nadzwyczajny inżynierii materiałowej i inżynierii chemicznej na Stony Brook University w Nowym Jorku, zgadza się, że eliminacja membran jest „znaczącym” postępem. „Membrany są słabymi punktami technologii” - mówi. „Istnieje kilka bardziej wyrafinowanych rozwiązań, ale podejście Esposito jest niezwykle proste i całkiem praktyczne. Zostało ono opublikowane i recenzowane w bardzo wpływowych publikacjach, więc pomimo swojej prostoty nauka i nowość są solidne”.
Myślenie duże
Esposito i Davis chętnie przyznają, że to duży skok od małego modelu przetestowanego w ich laboratorium do masywnej struktury, która może uczynić tę koncepcję ekonomicznie opłacalną. Może być konieczne utworzenie setek tysięcy podłączonych jednostek elektrolizera, aby wytworzyć wystarczającą ilość paliwa wodorowego z morza.
W rzeczywistości, mówi Esposito, może być konieczne wprowadzenie pewnych zmian w projekcie, gdy projekt skaluje się i staje się bardziej modułowy, więc wiele elementów może się ze sobą zmieścić, aby pokryć duży obszar. Stają także przed wyzwaniem znalezienia materiałów, które mogą przetrwać długo w słonej wodzie.
To powiedziawszy, oboje uważają, że ich podejście może w znaczący sposób wpłynąć na dostawy energii w kraju. Wodór jest już intensywnie wykorzystywany w przemyśle chemicznym, na przykład do produkcji amoniaku i metanolu. Oczekuje się, że popyt będzie nadal rósł, ponieważ coraz więcej producentów samochodów decyduje się na samochody napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi.
(Z lewej) Zdjęcie samodzielnego prototypu elektrolizera PV unoszącego się w ciekłym zbiorniku kwasu siarkowego. Ogniwa fotowoltaiczne umieszczone na „mini platformie” przekształcają światło w energię elektryczną, która służy do zasilania zanurzonego poniżej elektrolizera bez membrany. (Z prawej) Renderowanie hipotetycznego wielkoskalowego „zestawu paliw słonecznych” działającego na otwartym morzu. ((Po lewej) Jack Davis i (po prawej) Justin Bui / Columbia Engineering) Ich długoterminowa wizja dotyczy gigantycznych „pokładów paliw słonecznych” unoszących się w oceanie, a Esposito posunął się tak daleko, aby oszacować, ile skumulowanego obszaru musieliby pokryć, aby wygenerować wystarczającą ilość paliwa wodorowego, aby zastąpić cały olej używany na naszej planecie . Jego obliczenia: 63 000 mil kwadratowych, czyli obszar nieco mniejszy niż stan Floryda. To brzmi jak dużo oceanów, ale zauważa, że całkowity obszar pokryłby około 0, 045 procent powierzchni wody na Ziemi.
To trochę projekcja pie-in-the-sky, ale Esposito zastanawiał się również nad rzeczywistymi wyzwaniami, które staną przed operacją płynnej produkcji energii niezwiązanej z dnem morskim. Na początek są duże fale.
„Z pewnością musielibyśmy zaprojektować infrastrukturę dla tego zestawu, aby był w stanie wytrzymać wzburzone morze” - mówi. „To coś, co weźmiesz pod uwagę, gdy zastanawiasz się, gdzie znajduje się platforma”.
I może, dodaje, te platformy mogą być w stanie zejść z drogi.
„Istnieje możliwość, że taki sprzęt będzie mobilny. Coś, co może rozwinąć się, a następnie skurczyć. Prawdopodobnie nie byłby w stanie poruszać się szybko, ale mógłby zejść z drogi burzy.
„To byłoby naprawdę cenne” - mówi.
