Když přemýšlíme o produkci energie na moři, představujeme si obří ropné plošiny nebo možná řady tyčících se větrných turbín. V poslední době však do směsi byly přidány plovoucí solární panely, včetně solární farmy o velikosti 160 fotbalových hřišť, která byla v Číně uvedena do provozu v loňském roce.
Tým vědců z Columbia University chce nyní jít o krok dál. Říká se, že je možné použít solární panely na hladině oceánu k napájení zařízení, která mohou vyrábět vodíkové palivo z mořské vody.
Vodík je čistá forma energie, ale nejčastěji se vyrábí ze zemního plynu v procesu, který také uvolňuje oxid uhličitý, klíčový faktor změny klimatu. Vědci z Columbie říkají, že jejich zařízení, nazývané plovoucí fotovoltaický elektrolyzér, eliminuje tento důsledek tím, že místo toho využívá elektrolýzu k oddělení kyslíku a vodíku v molekulách vody a poté je uchovává pro použití jako palivo.
Vedoucí týmu Daniel Esposito, pomocný profesor chemického inženýrství, zdůrazňuje, že využití stávajících komerčních elektrolyzérů k výrobě vodíku je docela nákladné. "Pokud odejmete solární panely a komerčně dostupné elektrolyzéry a použijete sluneční světlo k rozdělení vody na vodík a kyslík, bude to třikrát až šestkrát dražší, než kdybyste vyráběli vodík ze zemního plynu, " on říká.
Také poznamenává, že tyto elektrolyzéry vyžadují membrány, aby udržely molekuly kyslíku a vodíku oddělené, jakmile se rozdělí. To nejen zvyšuje náklady, ale tyto části by měly tendenci rychle se degradovat, když jsou vystaveny kontaminaci a mikrobům ve slané vodě.
"Být schopen bezpečně předvést zařízení, které dokáže provádět elektrolýzu bez membrány, nás přivedlo k dalšímu kroku, který umožňuje elektrolýzu mořské vody, " uvedl Jack Davis, výzkumný pracovník a hlavní autor studie o konceptu konceptu. "Tito generátoři solárních paliv jsou v podstatě umělé systémy fotosyntézy, které dělají to samé, co rostliny používají s fotosyntézou, takže naše zařízení může otevřít všechny druhy příležitostí k výrobě čisté obnovitelné energie."
Dvě síťové elektrody jsou drženy v úzké separační vzdálenosti (L) a vytvářejí současně H2 a O2 plyny. Klíčovou novinkou je asymetrické umístění katalyzátoru na vnějších plochách sítě, takže vytváření bublin je omezeno na tuto oblast. Když se bubliny plynu uvolní, jejich vztlak způsobí, že se vznáší vzhůru do oddělených sběrných komor. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Bublání nahoru
Co dělá jejich elektrolyzér výrazným?
Zařízení je postaveno na elektrodách z titanové sítě zavěšené ve vodě a oddělených malou vzdáleností. Když je aplikován elektrický proud, molekuly kyslíku a vodíku se od sebe oddělí, přičemž se první vyvíjející se bubliny plynu na elektrodě, která je kladně nabitá, a druhá dělají totéž na jedné se záporným nábojem.
Je důležité udržovat tyto různé plynové bubliny odděleny a elektrolyzér Columbia to provádí aplikací katalyzátoru pouze na jednu stranu každé složky oka - povrch nejdále od druhé elektrody. Když se bubliny zvětšují a oddělují se od sítě, vznášejí se podél vnějších okrajů každé elektrody místo toho, aby se společně mísily v prostoru mezi nimi.
Vědci se nejen vyhýbali používání drahých membrán, ale také nemuseli zabudovat mechanická čerpadla, která některé modely používají k pohybu kapalin. Místo toho se jejich zařízení spoléhá na vztlak, aby vznášely vodíkové bubliny do skladovací komory. V laboratoři byl tento proces schopen produkovat plynný vodík s čistotou 99 procent.
Alexander Orlov, docent materiálů a chemického inženýrství na Stony Brook University v New Yorku, souhlasí s tím, že odstranění membrán je „podstatným“ vývojem. „Membrány jsou v technice slabé stránky, “ říká. "Existuje několik sofistikovanějších řešení, ale přístup společnosti Esposito je velmi jednoduchý a docela praktický. Byl publikován a recenzován ve velmi působivých publikacích, takže i přes svou jednoduchost jsou věda a novinka solidní."
Velké myšlení
Esposito a Davis snadno uznávají, že je to velký skok od malého modelu testovaného v jejich laboratoři k masivnímu druhu struktury, která by mohla učinit tento koncept ekonomicky životaschopným. Možná bude muset zahrnovat stovky tisíc připojených elektrolyzérových jednotek, aby se z moře vytvořilo dostatečné množství vodíkového paliva.
Ve skutečnosti, říká Esposito, může být nutné provést některé změny designu, jak se projekt rozšiřuje a stává se modulárnějším, takže mnoho kusů se vejde dohromady tak, aby pokrylo velkou plochu. Také čelí výzvě najít materiály, které mohou přežít po dlouhou dobu ve slané vodě.
Obě strany se však domnívají, že jejich přístup má potenciál významným způsobem ovlivnit dodávky energie v zemi. Vodík se již v chemickém průmyslu hojně používá, například k výrobě amoniaku a methanolu. Očekává se, že poptávka bude stále stoupat, protože více výrobců automobilů se zavazuje k automobilům, které využívají vodíkové palivové články.
(Vlevo) Fotografie prototypu samostatného PV-elektrolyzéru plovoucího v kapalné nádrži s kyselinou sírovou. Fotovoltaické články umístěné na horní části „mini plošiny“ přeměňují světlo na elektřinu, která se používá k napájení elektrolyzéru bez membrány ponořeného níže. (Vpravo) Vykreslování hypotetického velkého měřítka „solární palivové soupravy“ pracující na otevřeném moři. ((Vlevo) Jack Davis a (vpravo) Justin Bui / Columbia Engineering) Jejich dlouhodobou vizí jsou obří „solární palivové soupravy“ vznášející se v oceánu a Esposito zašlo tak daleko, že odhadlo, kolik kumulativní oblasti, kterou by musely pokrýt, aby vytvořilo dostatek vodíkového paliva, které nahradí veškerý olej používaný na planetě . Jeho výpočet: 63 000 čtverečních mil, nebo oblast o něco méně než na Floridě. Zní to jako hodně oceánu, ale poukazuje na to, že celková plocha by pokryla asi 0, 45 procent vodní hladiny Země.
Je to trochu projekce na obloze, ale Esposito také přemýšlel o skutečných výzvách, které by čelily plovoucí výrobě energie, která není připoutána k mořskému dnu. Pro začátek jsou velké vlny.
"Určitě bychom museli navrhnout infrastrukturu pro tuto soupravu, aby vydržela bouřlivé moře, " říká. "Je to něco, co byste vzali v úvahu, když přemýšlíte, kde se nachází souprava."
A možná, dodává, tyto soupravy by mohly být schopny vystoupit z cesty škod.
"Je možné, že takováto souprava bude mobilní." Něco, co by se snad mohlo rozšířit, a pak smlouva. Pravděpodobně by se nemohl pohybovat rychle, ale mohl by se dostat z cesty bouře.
"To by bylo opravdu cenné, " říká.
