Vanligvis, når vi tenker energiproduksjon til sjøs, forestiller vi oss gigantiske oljerigger, eller kanskje rader med ruvende vindmøller. Nylig har imidlertid flytende solcellepaneler blitt lagt til blandingen, inkludert en solfarme på størrelse med 160 fotballbaner som startet i Kina i fjor.
Nå ønsker et team av forskere ved Columbia University å gå et skritt lenger. De sier at det er mulig å bruke solcellepaneler på havoverflaten til å drive enheter som kan produsere hydrogendrivstoff fra sjøvann.
Hydrogen er en ren form for energi, men det er ofte produsert av naturgass i en prosess som også frigjør karbondioksid, en viktig driver for klimaendringene. Columbia-forskerne sier at enheten deres, kalt en flytende solcellelektrolysator, eliminerer den konsekvensen ved å i stedet bruke elektrolyse for å skille oksygen og hydrogen i vannmolekyler, og deretter lagre sistnevnte for bruk som drivstoff.
Teamleder Daniel Esposito, adjunkt i kjemiteknikk, påpeker at det er ganske kostbart å bruke eksisterende kommersielle elektrolysatorer for å generere hydrogen. "Hvis du tar solcellepaneler og kommersielt tilgjengelige elektrolysatorer fra hylla, og bruker sollys for å dele vann i hydrogen og oksygen, vil det bli tre til seks ganger dyrere enn hvis du skulle produsere hydrogen fra naturgass, " han sier.
Han bemerker også at disse elektrolysatorene krever membraner for å holde oksygen- og hydrogenmolekylene atskilt når de er delt fra hverandre. Det øker ikke bare kostnadene, men disse delene vil ha en tendens til å forringes raskt når de utsettes for forurensninger og mikrober i saltvann.
"Å være i stand til å demonstrere et apparat som kan utføre elektrolyse uten membran, bringer oss enda et skritt nærmere å muliggjøre elektrolyse av sjøvann, " uttalte Jack Davis, en forsker og hovedforfatter av proof-of-concept-studien. "Disse solenergi-generatorene er i hovedsak kunstige fotosyntesesystemer, og gjør det samme som planter gjør med fotosyntesen, slik at enheten vår kan åpne for alle mulige muligheter for å generere ren, fornybar energi."
To nettingelektroder holdes i en smal separasjonsavstand (L), og genererer H2 og O2-gasser samtidig. Den viktigste nyvinningen er den asymmetriske plasseringen av katalysatoren på de utvendige overflatene av nettet, slik at generering av bobler begrenses til dette området. Når gassboblene løsner, får oppdrift til at de flyter oppover i separate oppsamlingskamre. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Bobler opp
Så, hva gjør elektrolysatoren deres særegne?
Enheten er bygget rundt elektroder av titanmesh suspendert i vann og separert med en liten avstand. Når en elektrisk strøm påføres, splittes oksygen- og hydrogenmolekylene fra hverandre, med de tidligere utviklende gassboblene på elektroden som er positivt ladet, og sistnevnte gjør det samme på den med en negativ ladning.
Det er viktig å holde disse forskjellige gassboblene adskilt, og Columbia-elektrolysatoren gjør dette gjennom påføring av en katalysator på bare den ene siden av hver nettingskomponent - overflaten lengst vekk fra den andre elektroden. Når boblene blir større og løsner fra nettet, flyter de opp langs ytterkantene av hver elektrode i stedet for å blande seg sammen i rommet mellom dem.
Forskerne har ikke bare unngått å bruke dyre membraner, men de trengte heller ikke å innlemme de mekaniske pumpene som noen modeller bruker for å flytte væsker. I stedet er enheten avhengig av oppdrift for å flyte hydrogenboblene opp i et lagringskammer. I laboratoriet var prosessen i stand til å produsere hydrogengass med 99 prosent renhet.
Alexander Orlov, førsteamanuensis i materialvitenskap og kjemiteknikk ved Stony Brook University i New York, er enig i at eliminering av membraner er en "betydelig" utvikling. "Membranene er svake punkter i teknologien, " sier han. "Det finnes noen mer sofistikerte løsninger, men Espositos tilnærming er ekstremt enkel og ganske praktisk. Den har blitt publisert og fagfellevurdert i publikasjoner med veldig stor effekt, så til tross for dens enkelhet er vitenskapen og nyheten solid."
Tenker stort
Esposito og Davis erkjenner lett at det er et stort sprang fra den lille modellen som ble testet i laboratoriet til den enorme typen struktur som kan gjøre konseptet økonomisk levedyktig. Det kan trenge å omfatte hundretusener av tilkoblede elektrolysenheter for å generere en tilstrekkelig mengde hydrogenbrensel fra havet.
Faktisk, sier Esposito, kan det være nødvendig å gjøre noen designendringer når prosjektet skaleres opp og blir mer modulært, slik at mange brikker kan passe sammen for å dekke et stort område. De står også overfor utfordringen med å finne materialer som kan overleve lenge i saltvann.
Når det er sagt, mener begge at tilnærmingen deres har potensiale til å påvirke landets energiforsyning på en meningsfull måte. Hydrogen brukes allerede sterkt i den kjemiske industrien, for eksempel til å lage ammoniakk og metanol. Og etterspørselen forventes å fortsette å øke når flere bilprodusenter forplikter seg til biler som kjører på brenselceller med hydrogen.
(Til venstre) Foto av den frittstående PV-elektrolysatorprototypen som flyter i et flytende reservoar av svovelsyre. Fotovoltaiske celler plassert på toppen av "miniriggen" konverterer lys til elektrisitet som brukes til å drive den membranløse elektrolysatoren nedsenket under. (Til høyre) En gjengivelse av en hypotetisk storstilt "solbrenselrigg" som opererer på det åpne havet. ((Venstre) Jack Davis og (til høyre) Justin Bui / Columbia Engineering) Deres langsiktige visjon er om gigantiske "solbrenslerigger" som flyter i havet, og Esposito har gått så langt som å anslå hvor mye kumulativt område de trenger å dekke for å generere nok brensel til å erstatte all oljen som brukes på planeten. . Hans beregning: 63 000 kvadrat miles, eller et område som er litt mindre enn delstaten Florida. Det høres ut som mye hav, men han påpeker at det totale arealet vil dekke omtrent 0, 045 prosent av jordens vannoverflate.
Det er litt av en kake-i-himmel-projeksjon, men Esposito har også tenkt på de virkelige utfordringene som vil møte en flytende energiproduksjonsoperasjon som ikke er bundet til havbunnen. For det første er det store bølger.
"Det er klart, vi må utforme infrastrukturen for denne riggen slik at den tåler stormende hav, " sier han. "Det er noe du vil ta hensyn til når du tenker hvor en rigg er plassert."
Og kanskje, legger han til, disse riggene kan være i stand til å bevege seg ut fra skader.
“Det er muligheten for at en rigg som denne kan være mobil. Noe som kanskje kan utvide seg, og så trekke seg sammen. Det vil sannsynligvis ikke være i stand til å bevege seg raskt, men det kan bevege seg ut av veien for en storm.
"Det ville være veldig verdifullt, " sier han.
