Обикновено, когато мислим за производството на енергия в морето, си представяме гигантски петролни платформи или може би редове от извисяващи се вятърни турбини. Напоследък обаче към сместа бяха добавени плаващи слънчеви панели, включително соларна ферма с големина от 160 футболни игрища, които влязоха в експлоатация в Китай миналата година.
Сега екип от изследователи от Колумбийския университет иска да стигне крачка по-далеч. Казват, че е възможно да се използват слънчеви панели на повърхността на океана за захранване на устройства, които могат да произвеждат водородно гориво от морска вода.
Водородът е чиста форма на енергия, но най-често се произвежда от природен газ в процес, който също отделя въглероден диоксид, ключов двигател на климатичните промени. Учените от Колумбия казват, че тяхното устройство, наречено плаващ фотоволтаичен електролизатор, елиминира това последствие, като вместо това използва електролиза за отделяне на кислород и водород във водни молекули и след това съхранява последния за използване като гориво.
Ръководителят на екипа Даниел Еспозито, доцент по химическо инженерство, изтъква, че използването на съществуващи търговски електролизатори за генериране на водород е доста скъпо. "Ако свалите слънчевите панели от рафта и наличните в търговската мрежа електролизери и използвате слънчева светлина за разделяне на вода на водород и кислород, това ще бъде три до шест пъти по-скъпо, отколкото ако произвеждате водород от природен газ." той казва.
Той също така отбелязва, че тези електролизатори се нуждаят от мембрани, за да поддържат отделените молекули кислород и водород, след като са разделени. Това не само увеличава разходите, но и тези части биха имали тенденция към бързо разграждане при излагане на замърсители и микроби в солена вода.
„Способността да демонстрираме безопасно устройство, което може да извърши електролиза без мембрана, ни довежда още една стъпка към възможността да се направи електролиза на морската вода“, казва в изявление Джак Дейвис, изследовател и водещ автор на проучването за доказателство. „Тези генератори на слънчево гориво са по същество изкуствени системи за фотосинтеза, правят същото, както растенията правят с фотосинтезата, така че нашето устройство може да отвори всички видове възможности за генериране на чиста, възобновяема енергия.“
Две мрежести електроди се държат на тясно разстояние за разделяне (L) и генерират H2 и O2 газове едновременно. Ключовото нововъведение е асиметричното поставяне на катализатора върху външната повърхност на мрежата, така че образуването на мехурчета е ограничено до този участък. Когато газовите мехурчета се отделят, плавателността им кара да плават нагоре в отделни камери за събиране. (Даниел Еспозито / Columbia Engineering) Бълбукане
И така, какво прави техния електролизатор отличителен?
Устройството е изградено около електроди от титанова мрежа, окачени във вода и разделени на малко разстояние. Когато се прилага електрически ток, молекулите на кислорода и водорода се разделят, като първият развива газови мехурчета на електрода, който е положително зареден, а вторият прави същото на този с отрицателен заряд.
От изключителна важност е тези различни газови мехурчета да бъдат разделени, а електролизерът Columbia прави това чрез прилагане на катализатор само от едната страна на всеки мрежест компонент - повърхността, най-отдалечена от другия електрод. Когато мехурчетата се увеличат и се отделят от мрежата, те плават нагоре по външните ръбове на всеки електрод, вместо да се смесват заедно в пространството между тях.
Учените не само избягват използването на скъпи мембрани, но и не им се налага да включват механичните помпи, които някои модели използват за преместване на течности. Вместо това, тяхното устройство разчита на плаваемост, за да плава водородните мехурчета нагоре в камера за съхранение. В лабораторията процесът успя да произведе водороден газ с 99-процентова чистота.
Александър Орлов, доцент по математика и химическо инженерство в университета „Стони Брук“ в Ню Йорк, е съгласен, че елиминирането на мембраните е „съществено“ развитие. "Мембраните са слаби страни в технологията", казва той. "Има някои по-сложни решения, но подходът на Esposito е изключително прост и доста практичен. Той е публикуван и проверен в рецензии в много силно въздействащи публикации, така че въпреки своята простота, науката и новостта са солидни."
Мислене голямо
Еспозито и Дейвис с лекота признават, че това е голям скок от малкия модел, тестван в лабораторията им, до масивната структура, която може да направи концепцията икономически жизнеспособна. Може да се наложи да съдържа стотици хиляди свързани електролизерни устройства, за да генерира достатъчно количество водородно гориво от морето.
Всъщност, казва Esposito, може да се наложи да направите някои промени в дизайна, тъй като проектът се разширява и става по-модулен, така че много парчета могат да се поберат заедно, за да покрият голяма площ. Освен това те са изправени пред предизвикателството да намерят материали, които могат да оцелеят дълго време в солена вода.
Въпреки това и двамата смятат, че техният подход има потенциал да повлияе на енергийните доставки на страната по смислен начин. Водородът вече е широко използван в химическата промишленост, например за производството на амоняк и метанол. И се очаква търсенето да нараства, тъй като все повече производители на автомобили се ангажират с автомобили, които работят на водородни горивни клетки.
(Вляво) Снимка на самостоятелния прототип на PV-електролизатор, плаващ в течен резервоар със сярна киселина. Фотоволтаичните клетки, разположени отгоре на „мини платформата“, преобразуват светлината в електричество, което се използва за захранване на безводния електролизер, потопен отдолу. (Вдясно) Предаване на хипотетична мащабна "соларна горивна инсталация", работеща в открито море. ((Вляво) Джак Дейвис и (вдясно) Джъстин Буй / Columbia Engineering) Тяхната дългосрочна визия е на гигантски „соларни горивни инсталации“, плаващи в океана, а Еспозито стигна дотам, че да прецени колко кумулативна площ ще им е необходимо да покрият, за да генерират достатъчно количество водородно гориво, което да замени цялото масло, използвано на планетата, Неговото изчисление: 63 000 квадратни мили или площ, малко по-малка от щата Флорида. Това звучи като много океан, но той изтъква, че общата площ би покрила около. 045 процента от водната повърхност на Земята.
Това е малко проектиране на пай в небето, но Еспозито е помислил и за предизвикателствата в реалния свят, които биха се изправили пред плаваща операция за производство на енергия, която не е привързана към морското дъно. Като за начало има големи вълни.
„Със сигурност трябва да проектираме инфраструктурата за тази платформа, така че тя да издържа на бурни морета“, казва той. „Това е нещо, което бихте взели под внимание, когато мислите къде се намира платформа.“
И може би, добавя той, тези платформи биха могли да бъдат в състояние да се преместят извънредно.
„Има възможност подобна платформа да бъде мобилна. Нещо, което може би може да се разшири и след това да се сключи договор. Вероятно няма да може да се движи бързо, но може да се отдалечи от пътя на бурята.
„Това би било наистина ценно“, казва той.
