Obično, kada razmišljamo o proizvodnji energije na moru, zamišljamo divovske naftne platforme ili možda nizove visoko podignutih vjetroagregata. Nedavno su ovoj mješavini dodani i plutajući solarni paneli, uključujući solarnu farmu veličine 160 nogometnih igrališta koja je u Kini puštena u rad prošle godine.
Tim istraživača sa Sveučilišta Columbia želi otići korak dalje. Kažu da je moguće koristiti solarne panele na oceanskoj površini za napajanje uređaja koji mogu proizvoditi vodikovo gorivo iz morske vode.
Vodik je čisti oblik energije, ali najčešće se proizvodi od prirodnog plina u procesu koji također oslobađa ugljični dioksid, ključni pokretač klimatskih promjena. Columbia znanstvenici kažu da njihov uređaj, nazvan plutajući fotonaponski elektrolizator, eliminira tu posljedicu umjesto što elektrolizom odvaja kisik i vodik u molekuli vode, a zatim pohranjuje potonji kako bi se koristio kao gorivo.
Voditelj tima Daniel Esposito, docent kemijskog inženjerstva, ističe da je korištenje postojećih komercijalnih elektrolizatora za stvaranje vodika prilično skupo. "Ako skinete solarne panele s polica i komercijalno dostupni elektrolitori, a sunčevu svjetlost koristite za dijeljenje vode na vodik i kisik, to će biti tri do šest puta skuplje nego da biste proizvodili vodik iz prirodnog plina." on kaže.
Također napominje da su tim elektrolizatorima potrebne membrane da molekule kisika i vodika budu razdvojene nakon što se razdvoje. To ne samo da povećava troškove, već bi ti dijelovi imali tendenciju brzog propadanja kada bi bili izloženi kontaminante i mikrobe u slanoj vodi.
"Sigurnost da demonstriramo uređaj koji može provesti elektrolizu bez membrane daje nam još jedan korak bliže omogućavanju elektrolize morske vode", rekao je Jack Davis, istraživač i vodeći autor studije o dokazu koncepta. "Ovi generatori solarnog goriva u osnovi su umjetni sustavi fotosinteze, radeći isto što i biljke sa fotosintezom, tako da naš uređaj može otvoriti sve vrste mogućnosti za stvaranje čiste, obnovljive energije."
Dvije mrežaste elektrode drže se na uskom razdvajanju (L) i stvaraju H2 i O2 plinove istovremeno. Ključna inovacija je asimetrično postavljanje katalizatora na vanjske površine mreže, tako da stvaranje mjehurića ograničava na ovo područje. Kad se mjehurići plina odvoje, njihova plovidnost uzrokuje da plutaju prema gore u zasebne sabirne komore. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Žvakanje
Dakle, po čemu je njihov elektrolizator prepoznatljiv?
Uređaj je izgrađen oko elektroda od titanijske mreže suspendiranih u vodi i razdvojen malim razmakom. Kada se primijeni električna struja, molekule kisika i vodika razdvajaju se, pri čemu prvi razvijaju mjehuriće plina na elektrodi koja je pozitivno nabijena, a druga rade na onoj s negativnim nabojem.
Ključno je držati ove odvojene mjehuriće plina razdvojenim, a Columbia elektrolizator to čini primjenom katalizatora na samo jednu stranu svake komponente mrežice - površinu najudaljeniju od druge elektrode. Kad se mjehurići povećaju i odvoje od mreže, oni lebde uz vanjske rubove svake elektrode umjesto da se miješaju u prostoru između njih.
Ne samo da su znanstvenici izbjegavali korištenje skupih membrana, već nisu morali ugraditi i mehaničke pumpe koje neki modeli koriste za pomicanje tekućina. Umjesto toga, njihov se uređaj oslanja na plutajuće pluteje da vodičke mjehuriće uvuku u komoru za skladištenje. U laboratoriju je postupak mogao proizvesti vodikov plin 99-postotne čistoće.
Alexander Orlov, izvanredni profesor znanosti o materijalima i kemijskog inženjerstva na Sveučilištu Stony Brook u New Yorku, slaže se da je uklanjanje membrana "značajan" razvoj. "Membrane su slaba točka tehnologije", kaže on. "Postoje još sofisticiranija rješenja, ali Espositov pristup krajnje je jednostavan i prilično praktičan. Objavljen je i recenziran u vrlo jakim publikacijama, pa unatoč svojoj jednostavnosti, znanost i novosti su solidni."
Razmišljam veliko
Esposito i Davis s lakoćom priznaju da je to veliki skok od malog modela testiranog u njihovom laboratoriju do goleme strukture koja bi koncept mogla učiniti ekonomski održivim. Možda će trebati stotine tisuća povezanih elektrolitskih jedinica za stvaranje dovoljne količine vodikovog goriva iz mora.
Zapravo, kaže Esposito, moglo bi biti potrebno napraviti neke promjene dizajna kako se projekt povećava i postaje modularniji, pa se mnogi komadi mogu uklopiti kako bi pokrili veliko područje. Također, suočavaju se s izazovom pronalaska materijala koji mogu dugo preživjeti u slanoj vodi.
U skladu s tim, obojica vjeruju da njihov pristup može imati značajan utjecaj na opskrbu energijom u zemlji. Vodik se već uveliko koristi u kemijskoj industriji, na primjer, za dobivanje amonijaka i metanola. Očekuje se da će potražnja i dalje rasti jer se sve više proizvođača automobila obvezuje na automobile koji rade na vodikovim gorivnim ćelijama.
(Lijevo) Fotografija samostalnog prototipa PV-elektrolize koji pluta u tekućem rezervoaru sumporne kiseline. Fotonaponske ćelije smještene na vrhu "mini postrojenja" pretvaraju svjetlost u električnu energiju koja se koristi za napajanje membrana bez membrana potopljenom ispod. (Desno) Prikaz hipotetičkih velikih "solarnih postrojenja za gorivo" koji rade na otvorenom moru. ((Lijevo) Jack Davis i (desno) Justin Bui / Columbia Engineering) Njihova dugoročna vizija su divovske „solarne naprave za gorivo“ koje plutaju oceanom, a Esposito je otišao toliko daleko da je procijenio koliko bi kumulativnog područja trebalo pokriti da bi stvorilo dovoljno vodikovog goriva da zamijeni svu naftu koja se koristi na planeti, Njegov izračun: 63.000 četvornih kilometara, ili područje nešto manje od savezne države Florida. To zvuči kao puno oceana, ali on ističe da bi ukupna površina prekrivala oko. 045 posto Zemljine vodene površine.
To je pomalo probita projekcija, ali Esposito je također razmišljao o stvarnim izazovima koji bi se suočili s plutajućom operacijom proizvodnje energije koja nije vezana uz morsko dno. Za početak su veliki valovi.
"Svakako, trebali bismo dizajnirati infrastrukturu za ovu instalaciju kako bi mogla podnijeti olujna mora", kaže on. "To je nešto što biste uzeli u obzir kada razmišljate gdje se nalazi."
A možda bi se, dodaje, te naprave mogle pomaknuti s puta.
"Postoji mogućnost da takva oprema bude mobilna. Nešto što bi se moglo proširiti, a onda ugovoriti. Vjerojatno se neće moći brzo kretati, ali moglo bi se odmaknuti od puta oluje.
"To bi bilo zaista dragocjeno", kaže on.
