Običajno si pri razmišljanju o proizvodnji energije na morju predstavljamo orjaške naftne ploščadi ali morda vrste stolpov vetrnih turbin. V zadnjem času so mešanici dodali plavajoče sončne panele, vključno s sončno farmo velikosti 160 nogometnih igrišč, ki je začela delovati na Kitajskem lani.
Zdaj želi skupina raziskovalcev z univerze Columbia narediti korak dlje. Pravijo, da je možno sončne panele na oceanski površini uporabljati za napajanje naprav, ki lahko proizvajajo vodikovo gorivo iz morske vode.
Vodik je čista oblika energije, vendar se najpogosteje proizvaja iz zemeljskega plina v procesu, ki sprošča tudi ogljikov dioksid, ključni dejavnik podnebnih sprememb. Znanstveniki iz Columbia pravijo, da njihova naprava, imenovana plavajoči fotovoltaični elektrolit, to posledico odpravi tako, da namesto tega uporablja elektrolizo za ločevanje kisika in vodika v vodnih molekulah, nato pa slednjega shrani za uporabo kot gorivo.
Vodja ekipe Daniel Esposito, docent za kemijsko tehniko, poudarja, da je uporaba obstoječih komercialnih elektrolitov za pridobivanje vodika precej draga. "Če odpeljete sončne panele in komercialno na voljo elektrolizatorje in sončno svetlobo razdelite na vodo in kisik, bo to tri do šestkrat dražje, kot če bi proizvajali vodik iz zemeljskega plina, " on reče.
Opozarja tudi, da ti elektroliti potrebujejo membrane, da molekule kisika in vodika ločijo, ko se ločijo. To ne le poveča stroške, ampak bi se ti deli, ko bi bili izpostavljeni onesnaževalcem in mikrobi v slani vodi, hitro razpadli.
"Zmožnost varne demonstracije naprave, ki lahko izvaja elektrolizo brez membrane, nam prinaša še en korak k omogočanju elektrolize morske vode, " je v izjavi povedal Jack Davis, raziskovalec in vodilni avtor študije o dokazu koncepta. "Ti generatorji sončnega goriva so v bistvu umetni fotosintezni sistemi, ki počnejo enako kot rastline s fotosintezo, zato lahko naša naprava odpira vse vrste možnosti za ustvarjanje čiste, obnovljive energije."
Dve očesni elektrodi se držita na ozki razdaljski razdalji (L) in hkrati ustvarjata pline H2 in O2. Ključna novost je asimetrična namestitev katalizatorja na zunanje obrnjene površine očesa, tako da nastajanje mehurčkov omejuje na to območje. Ko se mehurčki plina odcepijo, zaradi njihovega plovnosti plavajo navzgor v ločene zbirne komore. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Žvrgolenje
Torej, kaj njihov elektrolizator razlikuje?
Naprava je zgrajena okoli elektrod iz titanove mreže, obešene v vodi in ločene z majhno razdaljo. Ko se uporablja električni tok, se molekule kisika in vodika razcepijo, pri čemer prvi razvijejo plinske mehurčke na elektrodi, ki so pozitivno nabiti, drugi pa na isti z negativnim nabojem.
Ključnega pomena je, da te različne mehurčke plina ločite, in Collybia elektrolit to stori z uporabo katalizatorja samo na eni strani vsake mrežaste komponente - površino najbolj oddaljeno od druge elektrode. Ko se mehurčki povečajo in se odstranijo z mrežice, lebdijo po zunanjih robovih vsake elektrode, namesto da se med seboj mešajo v prostoru.
Znanstveniki se ne le izogibajo uporabi dragih membran, ampak tudi niso morali vključiti mehanskih črpalk, ki jih nekateri modeli uporabljajo za premikanje tekočin. Namesto tega se njihova naprava zanaša na plovnost, da splava vodikove mehurčke v skladiščno komoro. V laboratoriju je postopek lahko proizvedel vodikov plin z 99-odstotno čistostjo.
Aleksander Orlov, izredni profesor znanosti o materialih in kemijskega inženiringa na univerzi Stony Brook v New Yorku, se strinja, da je odstranjevanje membran "pomemben" razvoj. "Membrane so šibke točke tehnologije, " pravi. "Obstaja nekaj bolj sofisticiranih rešitev, vendar je pristop Esposita izredno preprost in precej praktičen. Objavljen in strokovno pregledan v zelo odmevnih publikacijah, tako da sta znanost in novost kljub svoji preprostosti trdni."
Razmišljam veliko
Esposito in Davis hitro priznavata, da je velik preskok od majhnega modela, ki so ga preizkusili v laboratoriju, do ogromne strukture, ki bi lahko koncept naredila ekonomsko izvedljivo. Za ustvarjanje zadostne količine vodikovega goriva iz morja bo morda treba sestaviti več sto tisoč povezanih elektrolitskih enot.
Dejansko je, pravi Esposito, morda treba narediti nekaj oblikovnih sprememb, ko projekt narašča in postane bolj modularen, da se lahko veliko kosov skupaj prilega velikemu območju. Prav tako se soočajo z izzivom, da najdejo materiale, ki lahko dolgo preživijo v slani vodi.
Kljub temu oba menita, da lahko njihov pristop na pomemben način vpliva na oskrbo z energijo v državi. Vodik se že močno uporablja v kemični industriji, na primer za proizvodnjo amoniaka in metanola. Pričakuje se, da bo povpraševanje še naprej naraščalo, saj se več proizvajalcev avtomobilov zavezuje k avtomobilom, ki vozijo na vodikove gorivne celice.
(Levo) Fotografija samostojnega prototipa PV-elektrolizatorja, ki plava v tekočem rezervoarju žveplove kisline. Fotovoltaične celice, nameščene na vrhu "mini ploščadi", pretvarjajo svetlobo v električno energijo, ki se uporablja za napajanje brez membranskega elektrolita, potopljenega spodaj. (Desno) Prikazovanje hipotetične velike naprave za sončna goriva, ki deluje na odprtem morju. (Levo) Jack Davis in (desno) Justin Bui / Columbia Engineering) Njihova dolgoročna vizija je velikanskih ploščadi za sončno gorivo, ki plavajo v oceanu, Esposito pa je šel tako daleč, da je ocenil, koliko kumulativnega območja bi potrebovali za pokritje, da bi ustvarili dovolj vodikovega goriva, da bi nadomestili vse olje, ki se uporablja na planetu . Njegov izračun: 63.000 kvadratnih milj ali območje, ki je nekoliko manjše od zvezne države Florida. To se sliši kot veliko oceana, vendar poudarja, da bi skupna površina pokrivala približno 0, 05 odstotka vodne površine Zemlje.
To je sicer malo projekcije, ki se ponaša z nebom, vendar je Esposito razmišljal tudi o izzivih v resničnem svetu, ki bi se soočili s plavajočo operacijo proizvodnje energije, ki ni privezana na morsko dno. Za začetek so veliki valovi.
"Zagotovo bi morali načrtovati infrastrukturo za to ploščad, da bi lahko zdržala nevihtna morja, " pravi. "To je nekaj, kar bi upoštevali, ko razmišljate, kje se nahaja ploščad."
In morda bi, dodaja, te naprave lahko premaknile škodo.
"Obstaja možnost, da je takšna ploščad mobilna. Nekaj, kar bi se morda razširilo, nato pa pogodba. Najbrž se ne bi mogli premakniti hitro, vendar bi se lahko odpravil z nevihte.
"To bi bilo res dragoceno, " pravi.
