Yleensä kun ajatellaan energiantuotantoa merellä, kuvittelemme jättiläisiä öljynporauslauttoja tai ehkä rivoja kohoavia tuuliturbiineja. Viime aikoina on kuitenkin lisätty kelluvia aurinkopaneeleja, mukaan lukien 160 jalkapallokentän kokoinen aurinkotila, jotka otettiin käyttöön Kiinassa viime vuonna.
Nyt Columbian yliopiston tutkijaryhmä haluaa mennä askeleen pidemmälle. He sanovat, että on mahdollista käyttää aurinkopaneeleja valtameren pinnalla voimanlähteisiin, jotka voivat tuottaa vetypolttoainetta merivedestä.
Vety on puhdas energian muoto, mutta sitä tuotetaan yleisimmin luonnonkaasusta prosessissa, joka vapauttaa myös hiilidioksidia, joka on ilmastonmuutoksen avaintekijä. Columbian tutkijoiden mukaan niiden laite, jota kutsutaan kelluvaksi aurinkosähköiseksi elektrolysaattoriksi, eliminoi tämän seurauksen hyödyntämällä sen sijaan elektrolyysiä hapen ja vedyn erottamiseksi vesimolekyyleistä ja varastoimalla sitten jälkimmäiset käytettäväksi polttoaineena.
Ryhmän johtaja, kemian tekniikan apulaisprofessori Daniel Esposito huomauttaa, että olemassa olevien kaupallisten elektrolyyttien käyttäminen vedyn tuottamiseen on melko kallista. "Jos otat hyllyltä aurinkopaneeleita ja kaupallisesti saatavia elektrolyysereitä ja käytät auringonvaloa veden jakamiseen vedyksi ja happea, se tulee olemaan kolme-kuusi kertaa kalliimpaa kuin jos tuottaisit vetyä maakaasusta", hän sanoo.
Hän huomauttaa myös, että nuo elektrolysaattorit vaativat kalvoja pitämään happi- ja vetymolekyylit erillään, kun ne ovat eronneet. Tämä ei vain lisää kustannuksia, mutta myös näillä osilla on taipumus hajoa nopeasti, kun ne altistuvat suolavedessä oleville epäpuhtauksille ja mikrobille.
"Kyky kyetä osoittamaan turvallisesti laite, joka pystyy suorittamaan elektrolyysin ilman kalvoa, tuo meille uuden askeleen lähemmäksi meriveden elektrolyysin mahdollistamista", sanoo Jack Davis, tutkija ja konseptitutkimuksen pääkirjailija, lausunnossa. "Nämä aurinkoenergiageneraattorit ovat pääosin keinotekoisia fotosynteesijärjestelmiä, jotka tekevät samoin kuin kasvitkin fotosynteesillä, joten laitteemme voi avata kaikenlaisia mahdollisuuksia tuottaa puhdasta, uusiutuvaa energiaa."
Kaksi verkkoelektrodia pidetään kapealla erotusetäisyydellä (L) ja ne tuottavat samanaikaisesti H2- ja O2-kaasuja. Tärkein innovaatio on katalyytin epäsymmetrinen sijoittaminen verkon ulkopuolelle päin, siten että kuplien muodostuminen on rajoitettu tälle alueelle. Kun kaasukuplat irtoavat, niiden kelluvuus saa ne kellumaan ylöspäin erillisiin keräyskammioihin. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Kuplaaminen ylös
Joten mikä tekee heidän elektrolysaattoristaan erottuvan?
Laite on rakennettu veteen suspendoitujen titaaniverkkoelektrodien ympärille ja erotettu pienellä etäisyydellä. Kun sähkövirta johdetaan, happi- ja vetymolekyylit jakautuvat toisistaan, jolloin entiset kehittävät kaasukuplat positiivisesti varautuneessa elektrodissa, ja jälkimmäiset tekevät saman negatiivisella varauksella.
On kriittistä pitää nämä erilaiset kaasukuplat erillään, ja Columbia-elektrolysaattori tekee tämän levittämällä katalyyttiä vain kunkin verkkokomponentin yhdelle puolelle - pinta, joka on kauimpana toisesta elektrodista. Kun kuplat suurenevat ja irtoavat verkosta, ne kelluvat kunkin elektrodin ulkoreunoja pitkin sen sijaan, että sekoittuvat yhteen niiden väliseen tilaan.
Paitsi, että tutkijat ovat välttäneet kalliiden kalvojen käyttöä, heidän ei myöskään tarvinnut sisällyttää mekaanisia pumpuja, joita jotkut mallit käyttävät nesteiden siirtämiseen. Sen sijaan heidän laite luottaa kelluvuuteen kelluakseen vetykuplat varastotilaan. Laboratoriossa prosessi kykeni tuottamaan vetykaasua puhtaudella 99 prosenttia.
New Yorkin Stony Brook -yliopiston materiaalitieteen ja kemian tekniikan apulaisprofessori Alexander Orlov on samaa mieltä siitä, että kalvojen poistaminen on "merkittävä" kehitys. "Kalvot ovat heikkoja kohtia tekniikassa", hän sanoo. "On joitain hienostuneempia ratkaisuja, mutta Espositon lähestymistapa on erittäin yksinkertainen ja melko käytännöllinen. Se on julkaistu ja vertaisarvioitu erittäin vaikuttavissa julkaisuissa, joten yksinkertaisuudestaan huolimatta tiede ja uutuus ovat vankat."
Ajattelu iso
Esposito ja Davis myöntävät helposti, että se on iso harppaus laboratoriossaan testatusta pienestä mallista massiiviseen rakenteeseen, joka voisi tehdä konsepista taloudellisesti kannattavaa. Se voi olla tarpeen käsittää satoja tuhansia kytkettyjä elektrolyysiyksiköitä riittävän määrän vetypolttoaineen tuottamiseksi merestä.
Itse asiassa, Esposito sanoo, saattaa olla tarpeen tehdä joitain suunnittelumuutoksia, kun projekti pienenee ja muuttuu modulaarisemmaksi, joten monet kappaleet mahtuvat yhteen kattamaan suuren alueen. Heillä on myös haaste löytää materiaaleja, jotka kestävät pitkään suolavedessä.
Molemmat uskovat kuitenkin, että heidän lähestymistapansa voi vaikuttaa maan energiahuoltoon tarkoituksenmukaisella tavalla. Vetyä käytetään jo voimakkaasti kemianteollisuudessa esimerkiksi ammoniakin ja metanolin valmistukseen. Ja kysynnän odotetaan jatkuvan kasvavan, kun useammat autovalmistajat sitoutuvat autoihin, jotka käyttävät vetypolttokennoja.
(Vasen) Kuva itsenäisestä PV-elektrolysaattorin prototyypistä, joka kelluu rikkihapon nestemäisessä säiliössä. "Minilaitteen" päälle sijoitetut aurinkosähkökennot muuntavat valon sähköksi, jota käytetään alla upotetun membraanittoman elektrolysaattorin virran tuottamiseen. (Oikealla) Hypoteettisen laajamittaisen "aurinkopolttoainelaitteiston" tekeminen avomerellä. ((Vasemmalla) Jack Davis ja (oikealla) Justin Bui / Columbia Engineering) Heidän pitkän aikavälin näkemyksensä on valtameressä kelluvista jättiläisistä ”aurinkopolttoainelaitteista”, ja Esposito on mennyt niin pitkälle, että on arvioinut, kuinka paljon kumulatiivista aluetta heidän olisi katettava tuottaakseen tarpeeksi vetypolttoainetta kaiken planeetalla käytetyn öljyn korvaamiseksi. . Hänen laskelmansa: 63 000 neliökilometriä, tai alue, joka on hieman pienempi kuin Floridan osavaltio. Se kuulostaa suurelta osin valtameriä, mutta hän huomauttaa, että kokonaispinta-ala kattaisi noin 0, 45 prosenttia maan pinnasta.
Se on vähän taivaalla oleva pie-projektio, mutta Esposito on myös ajatellut reaalimaailman haasteita, jotka kohtaavat kelluvan energiantuotantotoimenpiteen, jota ei ole kytketty merenpohjaan. Ensinnäkin, siellä on suuria aaltoja.
"Varmasti meidän on suunniteltava tämän takilan infrastruktuuri niin, että se kestää myrskyiset meri", hän sanoo. "Se on jotain, jonka voisit ottaa huomioon, kun mietit missä takila sijaitsee."
Ja ehkä, hän lisää, nämä lavat voisivat pystyä siirtymään vahingon tieltä.
”Tällainen takila on mahdollista liikkua. Jotain, joka voi laajentua, ja sitten supistua. Se ei todennäköisesti pysty liikkumaan nopeasti, mutta se voi siirtyä myrskyn tieltä.
"Se olisi todella arvokasta", hän sanoo.
