Normalt, når vi tænker på energiproduktion til søs, forestiller vi os kæmpe olierigge, eller måske rækker med høje vindmøller. For nylig er der dog tilføjet flydende solcellepaneler til blandingen, herunder en solfarme på størrelse med 160 fodboldbaner, der trådte i drift i Kina sidste år.
Nu ønsker et team af forskere ved Columbia University at gå et skridt længere. De siger, at det er muligt at bruge solcellepaneler på havoverfladen til strømanordninger, der kan producere brintbrændstof fra havvand.
Brint er en ren form for energi, men det er oftest produceret af naturgas i en proces, der også frigiver kuldioxid, en vigtig drivkraft for klimaforandringer. Columbia-forskerne siger, at deres enhed, kaldet en flydende fotovoltaisk elektrolysator, fjerner den konsekvens ved i stedet at bruge elektrolyse til at adskille ilt og brint i vandmolekyler og derefter opbevare sidstnævnte til brug som brændstof.
Teamleder Daniel Esposito, adjunkt i kemiteknik, påpeger, at det er ret dyrt at bruge eksisterende kommercielle elektrolysatorer til at generere brint. "Hvis du tager solpaneler fra hylden og kommercielt tilgængelige elektrolysatorer, og du bruger sollys til at opdele vand i brint og ilt, bliver det tre til seks gange dyrere, end hvis du skulle producere brint fra naturgas, " han siger.
Han bemærker også, at disse elektrolysatorer kræver membraner for at holde ilt- og brintmolekylerne adskilt, når de er delt fra hinanden. Dette medfører ikke kun omkostningerne, men disse dele vil have en tendens til at nedbrydes hurtigt, når de udsættes for forurenende stoffer og mikrober i saltvand.
”At være i stand til sikkert at demonstrere en anordning, der kan udføre elektrolyse uden en membran, bringer os endnu et skridt tættere på at gøre havvandselektrolyse mulig, ” sagde Jack Davis, en forsker og hovedforfatter af proof-of-concept-undersøgelsen, i en erklæring. "Disse solbrændstofgeneratorer er i det væsentlige kunstige fotosyntesesystemer, der gør det samme som planter gør med fotosyntesen, så vores enhed kan muligvis åbne for alle mulige muligheder for at generere ren, vedvarende energi."
To maskeelektroder holdes i en smal adskillelsesafstand (L) og genererer H2- og O2-gasser samtidigt. Den vigtigste nyskabelse er den asymmetriske placering af katalysatoren på de udadvendte overflader af masken, således at genereringen af bobler er begrænset til dette område. Når gasboblerne løsnes, får deres opdrift dem til at flyde opad i separate indsamlingskamre. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Boblende op
Så hvad gør deres elektrolysator karakteristisk?
Enheden er bygget op omkring elektroder af titannet, der er ophængt i vand og adskilt med en lille afstand. Når der tilføres en elektrisk strøm, opdeles ilt- og brintmolekylerne fra hinanden, med de tidligere udviklende gasbobler på elektroden, der er positivt ladet, og sidstnævnte gør det samme på den med en negativ ladning.
Det er kritisk at holde disse forskellige gasbobler adskilt, og Columbia-elektrolysatoren gør dette gennem påføring af en katalysator på kun den ene side af hver maskekomponent - overfladen længst væk fra den anden elektrode. Når boblerne bliver større og løsnes fra masken, flyder de op langs de udvendige kanter af hver elektrode i stedet for at blandes sammen i mellemrummet mellem dem.
Forskerne har ikke kun undgået at bruge dyre membraner, men de behøvede heller ikke at inkorporere de mekaniske pumper, som nogle modeller bruger til at flytte væsker. I stedet er deres enhed afhængig af opdrift for at flyde brintboblerne op i et opbevaringskammer. I laboratoriet var processen i stand til at producere brintgas med en 99 procent renhed.
Alexander Orlov, lektor i materialevidenskab og kemiteknik ved Stony Brook University i New York, er enig i, at eliminering af membraner er en "betydelig" udvikling. "Membranerne er svage punkter i teknologien, " siger han. "Der er nogle mere sofistikerede løsninger, men Espositos tilgang er ekstremt enkel og ganske praktisk. Den er blevet offentliggjort og peer-reviewet i publikationer med meget stor effekt, så trods dens enkelhed er videnskaben og nyheden solid."
Tænker stort
Esposito og Davis erkender let, at det er et stort spring fra den lille model, der blev testet i deres laboratorium, til den enorme form for struktur, der kunne gøre konceptet økonomisk levedygtigt. Det kan være nødvendigt at omfatte hundreder af tusinder af tilsluttede elektrolysenheder til at generere en tilstrækkelig mængde brintbrændstof fra havet.
Faktisk, siger Esposito, kan det være nødvendigt at foretage nogle designændringer, efterhånden som projektet skaleres op og bliver mere modulopbygget, så mange stykker kan passe sammen for at dække et stort område. De står også overfor udfordringen med at finde materialer, der kan overleve i lang tid i saltvand.
Når det er sagt, mener begge, at deres tilgang har potentiale til at påvirke landets energiforsyning på en meningsfuld måde. Brint bruges allerede stærkt i den kemiske industri, f.eks. Til fremstilling af ammoniak og methanol. Og efterspørgslen forventes at fortsætte med at stige, efterhånden som flere bilproducenter forpligter sig til biler, der kører på brintbrændselsceller.
(Venstre) Foto af den fristående PV-elektrolysatorprototype, der flyder i et flydende reservoir af svovlsyre. Fotovoltaiske celler placeret på toppen af "miniriggen" omdanner lys til elektricitet, der bruges til at drive den membranløse elektrolyser nedsænket nedenfor. (Højre) En gengivelse af en hypotetisk storskala "solbrændstofrig", der opererer på det åbne hav. ((Venstre) Jack Davis og (højre) Justin Bui / Columbia Engineering) Deres langsigtede vision er om kæmpe "solbrændstofrigge", der flyder i havet, og Esposito er gået så langt som at estimere, hvor meget kumulativt areal de har brug for at dække for at generere nok brintbrændstof til at erstatte al den olie, der bruges på planeten. . Hans beregning: 63.000 kvadrat miles, eller et område lidt mindre end staten Florida. Det lyder som en masse hav, men han påpeger, at det samlede areal ville dække ca. 0, 045 procent af jordens overflade.
Det er lidt af en pie-in-the-sky-projektion, men Esposito har også tænkt på de virkelige udfordringer, som står over for en flydende energiproduktionsoperation, der ikke er bundet til havbunden. For det første er der store bølger.
”Vi er bestemt nødt til at designe infrastrukturen til denne rig, så den kan modstå stormende hav, ” siger han. "Det er noget, du ville tage med i betragtning, når du tænker, hvor en rig er placeret."
Og måske, tilføjer han, kan disse rigge være i stand til at bevæge sig ud af skade.
”Der er muligheden for, at en rig som denne er mobil. Noget, der måske kunne udvides og derefter trække sig sammen. Det ville sandsynligvis ikke være i stand til at bevæge sig hurtigt, men det kunne bevæge sig væk fra en storm.
”Det ville være virkelig værdifuldt, ” siger han.
