Als we denken aan energieproductie op zee, stellen we ons meestal gigantische booreilanden voor, of misschien rijen van torenhoge windturbines. Recent zijn echter drijvende zonnepanelen aan de mix toegevoegd, waaronder een zonnepark ter grootte van 160 voetbalvelden dat vorig jaar in China in gebruik werd genomen.
Nu wil een team van onderzoekers van de Columbia University een stap verder gaan. Ze zeggen dat het mogelijk is om zonnepanelen op het oceaanoppervlak te gebruiken om apparaten te voeden die waterstofbrandstof uit zeewater kunnen produceren.
Waterstof is een schone vorm van energie, maar het wordt meestal geproduceerd uit aardgas in een proces dat ook koolstofdioxide vrijgeeft, een belangrijke motor van klimaatverandering. De wetenschappers uit Columbia zeggen dat hun apparaat, een zwevende fotovoltaïsche elektrolyseur genoemd, dat gevolg elimineert door in plaats daarvan elektrolyse te gebruiken om zuurstof en waterstof in watermoleculen te scheiden en deze vervolgens op te slaan voor gebruik als brandstof.
Teamleider Daniel Esposito, universitair docent scheikundige technologie, wijst erop dat het gebruik van bestaande commerciële elektrolyzers om waterstof te genereren vrij duur is. "Als je kant-en-klare zonnepanelen en in de handel verkrijgbare elektrolyse-apparaten neemt en je gebruikt zonlicht om water te splitsen in waterstof en zuurstof, dan is het drie tot zes keer duurder dan als je waterstof zou produceren uit aardgas, " hij zegt.
Hij merkt ook op dat die elektrolyzers membranen nodig hebben om de zuurstof- en waterstofmoleculen gescheiden te houden zodra ze uit elkaar zijn. Dat draagt niet alleen bij aan de kosten, maar die delen zouden de neiging hebben snel af te breken wanneer ze worden blootgesteld aan de verontreinigingen en microben in zout water.
"Het veilig kunnen demonstreren van een apparaat dat elektrolyse kan uitvoeren zonder een membraan brengt ons een nieuwe stap dichter bij het mogelijk maken van zeewaterelektrolyse, " zei Jack Davis, een onderzoeker en hoofdauteur van de proof-of-concept-studie, in een verklaring. "Deze zonnebrandstofgeneratoren zijn in wezen kunstmatige fotosynthesesystemen en doen hetzelfde als planten doen met fotosynthese, dus ons apparaat kan allerlei mogelijkheden bieden om schone, hernieuwbare energie te genereren."
Twee gaaselektroden worden op een nauwe scheidingsafstand (L) gehouden en genereren gelijktijdig H2- en O2-gassen. De belangrijkste innovatie is de asymmetrische plaatsing van de katalysator op de naar buiten gerichte oppervlakken van het gaas, zodat het genereren van bellen tot dit gebied wordt beperkt. Wanneer de gasbellen loskomen, drijft hun drijfvermogen ze naar boven in afzonderlijke verzamelkamers. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Opborrelen
Dus, wat maakt hun elektrolyseur onderscheidend?
Het apparaat is gebouwd rond elektroden van titanium gaas gesuspendeerd in water en gescheiden door een kleine afstand. Wanneer een elektrische stroom wordt aangelegd, splitsen de zuurstof- en waterstofmoleculen uit elkaar, waarbij de eerste zich ontwikkelende gasbellen op de elektrode die positief is geladen, en de laatste hetzelfde doet op degene met een negatieve lading.
Het is van cruciaal belang om deze verschillende gasbellen gescheiden te houden, en de Columbia-elektrolyseur doet dit door het aanbrengen van een katalysator op slechts één zijde van elke maascomponent - het oppervlak het verst verwijderd van de andere elektrode. Wanneer de bellen groter worden en loskomen van het gaas, drijven ze omhoog langs de buitenranden van elke elektrode in plaats van samen te mengen in de ruimte ertussen.
Niet alleen hebben de wetenschappers vermeden om dure membranen te gebruiken, maar ze hoefden ook niet de mechanische pompen op te nemen die sommige modellen gebruiken om vloeistoffen te verplaatsen. In plaats daarvan vertrouwt hun apparaat op drijfvermogen om de waterstofbellen in een opslagkamer te drijven. In het laboratorium kon het proces waterstofgas produceren met een zuiverheid van 99 procent.
Alexander Orlov, universitair hoofddocent materiaalkunde en chemische technologie aan de Stony Brook University in New York, is het ermee eens dat de verwijdering van membranen een 'substantiële' ontwikkeling is. "De membranen zijn zwakke punten in de technologie", zegt hij. "Er zijn enkele meer geavanceerde oplossingen, maar de aanpak van Esposito is uiterst eenvoudig en redelijk praktisch. Het is gepubliceerd en beoordeeld door vakgenoten in zeer impactvolle publicaties, dus ondanks zijn eenvoud zijn de wetenschap en nieuwheid solide."
Groot denken
Esposito en Davis erkennen gemakkelijk dat het een grote sprong is van het kleine model dat in hun laboratorium is getest tot de enorme structuur die het concept economisch levensvatbaar zou kunnen maken. Mogelijk moet het honderdduizenden aangesloten elektrolyse-eenheden omvatten om een voldoende hoeveelheid waterstofbrandstof uit zee te genereren.
Volgens Esposito kan het zelfs nodig zijn om enkele ontwerpwijzigingen aan te brengen naarmate het project groter wordt en modulair wordt, zodat zoveel stukken in elkaar passen dat ze een groot gebied bestrijken. Ze staan ook voor de uitdaging om materialen te vinden die lang kunnen overleven in zout water.
Dat gezegd hebbende, geloven beide dat hun aanpak potentieel heeft om de energievoorziening van het land op een zinvolle manier te beïnvloeden. Waterstof wordt al veel gebruikt in de chemische industrie, bijvoorbeeld om ammoniak en methanol te maken. En de vraag zal naar verwachting blijven stijgen naarmate meer autofabrikanten zich committeren aan auto's die op waterstofbrandstofcellen rijden.
(Links) Foto van het stand-alone PV-elektrolyse-prototype drijvend in een vloeistofreservoir van zwavelzuur. Fotovoltaïsche cellen die bovenop de "mini-installatie" zijn geplaatst, zetten licht om in elektriciteit die wordt gebruikt om de membraneless elektrolyseur onder te drijven. (Rechts) Een weergave van een hypothetische grootschalige "zonnebrandstofinstallatie" die werkt op open zee. ((Links) Jack Davis en (rechts) Justin Bui / Columbia Engineering) Hun langetermijnvisie is van gigantische "zonne-brandstofplatforms" die in de oceaan drijven, en Esposito is zo ver gegaan om te schatten hoeveel cumulatief gebied ze zouden moeten dekken om voldoende waterstofbrandstof te genereren om alle olie op de planeet te vervangen . Zijn berekening: 63.000 vierkante mijl, of een gebied iets minder dan de staat Florida. Dat klinkt als veel oceaan, maar hij wijst erop dat het totale gebied ongeveer 0, 045 procent van het wateroppervlak van de aarde zou beslaan.
Het is een beetje een pie-in-the-sky-projectie, maar Esposito heeft ook nagedacht over de echte uitdagingen waarmee een drijvende energieproductie te maken zou krijgen die niet aan de zeebodem was gebonden. Om te beginnen zijn er grote golven.
"Natuurlijk moeten we de infrastructuur voor deze installatie zo ontwerpen dat deze bestand is tegen stormachtige zeeën", zegt hij. "Het is iets waar je rekening mee zou houden als je denkt waar een rig zich bevindt."
En misschien, voegt hij eraan toe, kunnen deze rigs uit de weg gaan.
“Er is een mogelijkheid dat een installatie als deze mobiel is. Iets dat misschien zou kunnen uitbreiden en dan samentrekken. Het zou waarschijnlijk niet in staat zijn om snel te bewegen, maar het zou uit de weg van een storm kunnen komen.
"Dat zou echt waardevol zijn, " zegt hij.
