De obicei, când ne gândim la producția de energie pe mare, ne imaginăm platforme gigantice de petrol, sau poate rânduri de turbine eoliene. Cu toate acestea, recent, în mix au fost adăugate panouri solare plutitoare, inclusiv o fermă solară de dimensiunea a 160 de terenuri de fotbal care au intrat în funcțiune în China anul trecut.
Acum, o echipă de cercetători de la Universitatea Columbia vrea să facă un pas mai departe. Ei spun că este posibil să folosească panouri solare pe suprafața oceanului pentru a alimenta dispozitive care pot produce hidrogen combustibil din apa de mare.
Hidrogenul este o formă curată de energie, dar este cel mai frecvent produs din gazul natural într-un proces care eliberează și dioxid de carbon, un factor cheie al schimbărilor climatice. Oamenii de știință din Columbia spun că dispozitivul lor, numit electrolizor fotovoltaic plutitor, elimină această consecință prin utilizarea în schimb a electrolizei pentru a separa oxigenul și hidrogenul în moleculele de apă, și apoi depozitarea acestora din urmă pentru utilizare ca combustibil.
Liderul echipei Daniel Esposito, profesor asistent de inginerie chimică, subliniază că utilizarea electrolizilor comerciali existenți pentru a genera hidrogen este destul de costisitoare. „Dacă luați panouri solare de pe raft și electrolizere disponibile comercial și utilizați lumina solară pentru a împărți apa în hidrogen și oxigen, va fi de trei până la șase ori mai scump decât dacă ar produce hidrogen din gaz natural, ” el spune.
El a remarcat, de asemenea, că acești electrolizi necesită membrane pentru a menține moleculele de oxigen și hidrogen separate odată ce sunt despărțite. Acest lucru nu se adaugă numai la costuri, dar acele părți ar tinde să se degradeze rapid atunci când sunt expuse contaminanților și microbilor din apa sărată.
„A fi capabil să demonstreze în siguranță un dispozitiv care poate efectua electroliză fără o membrană ne aduce un alt pas mai aproape de a face posibilă electroliza apei de mare”, a declarat Jack Davis, cercetător și autor principal al studiului de dovadă a conceptului. „Aceste generatoare de combustibil solar sunt în esență sisteme de fotosinteză artificială, ceea ce fac plantele cu fotosinteza, astfel încât dispozitivul nostru poate deschide tot felul de oportunități pentru a genera energie curată, regenerabilă.”
Doi electrozi cu plasă sunt ținuți la o distanță de separare îngustă (L) și generează simultan gazele H2 și O2. Inovația-cheie este plasarea asimetrică a catalizatorului pe suprafețele orientate spre exterior ale plasei, astfel încât generarea de bule să fie restricționată în această regiune. Când bulele de gaz se detașează, flotabilitatea lor îi determină să plutească în sus în camere de colectare separate. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Bâzâind
Deci, ce face ca electrolizorul lor să fie distinctiv?
Dispozitivul este construit în jurul electrozilor din plasă de titan suspendate în apă și separate de o distanță mică. Atunci când se aplică un curent electric, moleculele de oxigen și hidrogen se împart, iar primele bule de gaz în curs de dezvoltare pe electrod care sunt încărcate pozitiv, iar cel de-al doilea face același lucru cu cea cu o sarcină negativă.
Este esențial să mențineți aceste bule de gaz separate, iar electrolizorul Columbia face acest lucru prin aplicarea unui catalizator pe o singură parte a fiecărei componente de plasă - suprafața mai îndepărtată de celălalt electrod. Când bulele se măresc și se desprind de plasă, acestea plutesc în lungul marginilor exterioare ale fiecărui electrod în loc să se amestece în spațiul dintre ele.
Nu numai că oamenii de știință au evitat să folosească membrane scumpe, dar nu au fost nevoiți să încorporeze pompele mecanice pe care unele modele le folosesc pentru a muta lichide. În schimb, dispozitivul lor se bazează pe flotabilitate pentru a pluti bulele de hidrogen într-o cameră de depozitare. În laborator, procesul a fost capabil să producă hidrogen gaz cu o puritate de 99 la sută.
Alexander Orlov, profesor asociat de știința materialelor și inginerie chimică la Universitatea Stony Brook din New York, este de acord că eliminarea membranelor este o dezvoltare „substanțială”. "Membranele sunt puncte slabe ale tehnologiei", spune el. "Există câteva soluții mai sofisticate, dar abordarea lui Esposito este extrem de simplă și destul de practică. A fost publicată și revizuită de către colegi în publicații cu impact foarte mare, așa că, în ciuda simplității sale, știința și noutatea sunt solide."
Gândirea mare
Esposito și Davis recunosc cu ușurință că este un salt mare de la micul model testat în laboratorul lor la tipul masiv de structură care ar putea face conceptul viabil din punct de vedere economic. Este posibil să fie nevoie să cuprindă sute de mii de unități de electrolizi conectate pentru a genera o cantitate suficientă de hidrogen combustibil din mare.
De fapt, spune Esposito, ar putea fi necesar să se facă unele modificări de proiectare pe măsură ce proiectul se extinde și devine mai modular, astfel încât multe piese să se potrivească pentru a acoperi o suprafață mare. De asemenea, ei se confruntă cu provocarea de a găsi materiale care să poată supraviețui mult timp în apă sărată.
Acestea fiind spuse, ambii consideră că abordarea lor are potențialul de a afecta aprovizionarea cu energie a țării într-un mod semnificativ. Hidrogenul este deja puternic utilizat în industria chimică, de exemplu, pentru a produce amoniac și metanol. Și, este de așteptat ca cererea să crească, întrucât mai mulți producători de autovehicule se angajează pentru mașinile care rulează pe celule de combustibil cu hidrogen.
(Stânga) Fotografie a prototipului de electrolizant PV independent, care plutește într-un rezervor lichid de acid sulfuric. Celulele fotovoltaice poziționate deasupra "mini platformei" transformă lumina în electricitate care este utilizată pentru a alimenta electrolizorul fără membrană aflat mai jos. (Dreapta) O redare a unui hipotetic „sistem de combustibili solari” pe scară largă care operează pe marea liberă. (Stânga) Jack Davis și (dreapta) Justin Bui / Columbia Engineering) Viziunea lor pe termen lung este aceea de „platforme solare de combustibil solar” care plutesc în ocean, iar Esposito a ajuns până a estimat cât de mult ar trebui să acopere zona cumulativă pentru a genera suficient hidrogen pentru a înlocui tot petrolul folosit pe planetă. . Calculul său: 63.000 mile pătrate, sau o suprafață puțin mai mică decât statul Florida. Acest lucru sună ca o mulțime de ocean, dar el subliniază că suprafața totală ar acoperi aproximativ 0, 045 la sută din suprafața apei Pământului.
Este o proiecție plăcută în cer, dar Esposito s-a gândit și la provocările din lumea reală care s-ar confrunta cu o operațiune de producere a energiei plutitoare care nu este legată de fundul mării. Pentru început, sunt valuri mari.
„Cu siguranță, va trebui să proiectăm infrastructura pentru această platformă, astfel încât să poată rezista mărilor furtunoase”, spune el. „Este ceva de care ai avea în vedere atunci când te gândești unde se află o platformă.”
Și poate, adaugă el, aceste platforme ar putea fi capabile să iasă din calea răului.
„Există posibilitatea ca o platformă ca aceasta să fie mobilă. Ceva care poate să se extindă, și apoi să se contracte. Probabil nu s-ar putea mișca rapid, dar s-ar putea să iasă din calea unei furtuni.
„Asta ar fi cu adevărat valoros”, spune el.
