Vodik iz morske vode

ZNANSTVENIKI so razvili sistem, ki lahko proizvaja zeleni vodik neposredno iz morske vode brez potrebe po kakršnih koli postopkih predhodne obdelave, kot je razsoljevanje. Ekipa, ki stoji za razvojem, ki vključuje uvedbo plasti Lewisove kisline na katalizatorju prehodnega kovinskega oksida, pravi, da metoda kaže velik potencial za komercialno uporabo.

Več kot 97 % vode na Zemljinem površju je slana voda v oceanih, 2 % je shranjena kot sladka voda v ledenih pokrovih, ledenikih in zasneženih gorskih verigah, le 1 % pa je na voljo za naše dnevne potrebe po vodi.

 
Slano vodo je mogoče predelati v pitno vodo s postopkom, imenovanim razsoljevanje, tehniko, na katero se nekatera območja po svetu zanašajo pri pridobivanju sladke vode za prehrano ljudi ter za domačo in industrijsko uporabo. Toda razsoljevanje je energetsko zahteven proces, kar je še huje, se pogosto napaja iz virov energije, ki so netrajnostni.

Razdelitev vode na njene sestavne dele je tudi dobro razumljena. Postopek – znan kot elektroliza – uporablja enosmerni tok med dvema elektrodama, potopljenima v elektrolit, da razdeli vodo na vodik in kisik. Na katodi ali negativni elektrodi nastane vodik, na pozitivni elektrodi ali anodi pa kisik.

Ker lahko mešanica plinov eksplodira, večina elektrolizatorjev loči anodo in katodo z debelo, porozno plastično folijo, za pospešitev reakcij pa se uporabljajo kovinski katalizatorji, kot sta nikelj in železo.

Združevanje obeh teh procesov, namreč razsoljevanje morske vode, in nato njena delitev za ustvarjanje vodika, je dolgo veljalo za eno najboljših rešitev za zagotavljanje čistega in cenovno dostopnega goriva za energijo, ki bi lahko poganjalo vse, od mestne elektrike do izdelave jeklo, proizvodnjo gnojil in celo kot gorivo za letala – seznam možnih uporab je dolg.

Vendar pa je eden od razlogov, zakaj še ne uporabljamo vodikovega goriva za letenje okoli sveta, ta, da slana voda in druge nečistoče razjedajo elektrode in jim skrajšujejo življenjsko dobo. Ker so te komponente običajno izdelane iz redkih kovin, kot je platina, je njihovo nenehno menjavanje stalo preveč. Problem so tudi kloridni ioni v morski vodi in reakcije elektrooksidacije klora (ClOR) tekmujejo z reakcijo sproščanja kisika (OER) na anodi med elektrolizo. Ta reakcija povzroči sproščanje strupenih in jedkih vrst klora, kot je hipoklorit. Hipoklorit je razmeroma nestabilen, lahko sprošča strupen plin klor, ko ga pomešamo z amoniakom ali kislino, lahko pa tudi razjeda nerjavno jeklo.

Da bi se temu izognili, bi lahko morsko vodo pred obdelavo razsolili in prečistili, vendar tudi to ni vedno finančno izvedljivo. Druga možnost je, da elektrode prekrijete s polianioni za zatiranje korozije, vendar je tudi to lahko drago.

Le malo podnebnih rešitev je brez slabosti. "Zeleni" vodik, proizveden z uporabo obnovljive energije za cepljenje molekul vode, bi lahko poganjal težka vozila in razogljičil industrije, kot je jeklarstvo, ne da bi pri tem izpustil kanček ogljikovega dioksida. Toda ker so stroji za ločevanje vode ali elektrolizerji zasnovani za delo s čisto vodo, bi povečanje količine zelenega vodika lahko poslabšalo globalno pomanjkanje sladke vode. Zdaj več raziskovalnih skupin poroča o napredku pri pridobivanju vodika neposredno iz morske vode, ki bi lahko postala neizčrpen vir zelenega vodika.

Danes se skoraj ves vodik proizvaja z razgradnjo metana, sežiganjem fosilnih goriv za ustvarjanje potrebne toplote in tlaka. Oba koraka sproščata ogljikov dioksid. Zeleni vodik bi lahko nadomestil ta umazani vodik, vendar trenutno stane več kot dvakrat več, približno 5 dolarjev na kilogram. To je deloma posledica visokih stroškov elektrolizatorjev, ki se opirajo na katalizatorje iz plemenitih kovin. Ameriško ministrstvo za energijo je pred kratkim začelo desetletja dolgo prizadevanje za izboljšanje elektrolizatorjev in znižanje cene zelenega vodika na 1 USD na kilogram.

Če jim bo uspelo in bo proizvodnja zelenega vodika skokovito narasla, se bo lahko povečal pritisk na svetovne zaloge sladke vode. Za proizvodnjo 1 kilograma vodika z elektrolizo je potrebnih približno 10 kilogramov vode. Za pogon tovornjakov in ključnih industrij na zelenem vodiku bi lahko bilo potrebnih približno 25 milijard kubičnih metrov sveže vode na leto, kar je enako porabi vode v državi z 62 milijoni prebivalcev, poroča Mednarodna agencija za obnovljivo energijo.

Morske vode je skoraj neomejeno, a njeno cepljenje prinaša svoje težave. Elektrolizerji so zgrajeni podobno kot baterije, s parom elektrod, obdanih z vodnim elektrolitom. V eni zasnovi katalizatorji na katodi razdelijo molekule vode na vodikove (H+) in hidroksilne (OH-) ione. Odvečni elektroni na katodnem šivu povezujejo pare vodikovih ionov v vodikov plin (H2), ki mehurči iz vode. OH- ioni medtem potujejo skozi membrano med elektrodama, da dosežejo anodo, kjer katalizatorji vežejo kisik v kisik (O2), ki se sprosti.

Pri uporabi morske vode pa isti električni sunek, ki ustvari O2 na anodi, pretvori tudi kloridne ione v slani vodi v zelo korozivni plin klor, ki razjeda elektrode in katalizatorje. To običajno povzroči, da elektrolizerji odpovejo v samo nekaj urah, čeprav lahko normalno delujejo več let.

Vodik je vsestranska kemikalija, ki se uporablja za proizvodnjo številnih izdelkov, vključno z gnojili. Vodik je tudi ključna sestavina tehnologije gorivnih celic, ki izkorišča električno energijo, proizvedeno iz obnovljivih, vendar občasnih virov energije, kot sta sonce in veter. Večina vodika, proizvedenega po vsem svetu, izhaja iz procesa, v katerem je metan izpostavljen toploti in pari, da nastane vodik.

Vodik je mogoče proizvesti tudi z elektrolizo vode, ki uporablja elektriko za cepitev vodnih molekul na vodik in kisik, ki ju poganjajo obnovljivi viri, kot sta sonce in veter. Vendar obstaja ulov. Elektroliza zahteva zelo čisto vodo, ki je bila deionizirana, kar pomeni, da je treba najprej odstraniti vse nečistoče, minerale in elektronsko nabite delce. Običajni postopki čiščenja vode zahtevajo drago opremo in lahko povzročijo izgubo energije.

Raziskovalci na Oddelku za okoljsko zdravje in inženiring Univerze Johns Hopkins so v sodelovanju z Univerzo Penn State našli način za uporabo morske vode kot neposrednega vira vodika, brez potrebe po predhodnem razsoljevanju. Njihovi rezultati so objavljeni v okoljski znanosti in tehnologiji.

"Ugotovili smo, da lahko uporabimo tankoslojne kompozitne membrane, ki se uporabljajo za čiščenje slane vode, v vodnih elektrolizerjih, pri čemer vodo razdelimo na vodikov plin in kisik, hkrati pa se izognemo proizvajanju škodljivega klorovega plina, kar se zgodi pri drugih vrstah membran."
V svoji študiji so Rossi in njegovi sodelavci testirali tankoplastne kompozitne membrane neposredno v elektrolizerju - napravi, ki uporablja elektriko za razdelitev vode na vodik in kisik - v enem samem koraku doseže tako čiščenje vode kot proizvodnjo vodika. Ugotovili so, da porozna mikrostruktura materiala dovoljuje samo majhnim protonom in hidroksidnim ionom, da migrirajo čez membrano, zavračajo nečistoče in druge ione, ki lahko povzročijo neželene reakcije. Raziskovalci pravijo, da bi ta nov pristop lahko nadomestil običajne sisteme, kjer se drage ionsko izmenjevalne membrane uporabljajo v kombinaciji z viri ultra čiste vode.

"Poceni membrane za razsoljevanje vode so lahko alternativa dražjim membranam na osnovi polimerov in se lahko uporabljajo za proizvodnjo vodika iz vodnih virov nizke kakovosti, kot je morska voda," je dejal Rossi. "Rezultat je učinkovit proces proizvodnje vodika iz obnovljivih virov energije, ki odpravlja potrebo po čiščenju vode."

Opozoril je, da je morsko vodo zaradi visoke slanosti težko uporabljati v elektrolizerjih. Vendar pa ga je v izobilju in je na voljo na lokacijah, kot so obalna območja, kjer je mogoče proizvesti obnovljivo električno energijo, kot sta sončna in vetrna energija, kjer pa je sladke vode malo. Na takšnih lokacijah bi lahko v tem procesu namesto morske vode uporabili druge vodne vire nizke kakovosti, kot je odpadna voda.

Ekipa, ki jo financira ameriška nacionalna znanstvena fundacija, je integrirala tehnologijo čiščenja vode v novo zasnovo dokaza o konceptu za elektrolizator morske vode, ki uporablja električni tok za ločevanje vodika in kisika v vodnih molekulah.

Ta nova metoda za "razcepitev morske vode" bi lahko olajšala pretvorbo vetrne in sončne energije v shranjevanje in prenosljivo gorivo, pravi Bruce Logan, okoljski inženir.

"Vodik je odlično gorivo, vendar ga morate narediti," je dejal Logan. "Edini trajnostni način za to je uporaba obnovljive energije in njena proizvodnja iz vode. Uporabiti morate tudi vodo, ki je ljudje ne želijo uporabljati za druge stvari, in to bi bila morska voda. Torej, sveti gral proizvodnje vodika bi združili morsko vodo ter vetrno in sončno energijo, ki jo najdemo v obalnih in morskih okoljih."

Kljub obilici morske vode se pogosto ne uporablja za cepljenje vode. Če voda ni razsoljena pred vstopom v elektrolizer, kar je drag dodaten korak, se kloridni ioni v morski vodi spremenijo v strupen klorov plin, ki poškoduje opremo in pronica v okolje.

Da bi to preprečili, so raziskovalci vstavili tanko, polprepustno membrano, prvotno razvito za čiščenje vode v procesu čiščenja z reverzno osmozo. Membrana za reverzno osmozo je nadomestila ionsko izmenjevalno membrano, ki se običajno uporablja v elektrolizerjih.
"Ideja za reverzno osmozo je, da ustvarite zelo visok pritisk na vodo in jo potisnete skozi membrano ter zadržite kloridne ione," je dejal Logan.

S serijo eksperimentov, objavljenih v Energy & Environmental Science, so raziskovalci testirali dve komercialno dostopni membrani za reverzno osmozo in dve kationski izmenjevalni membrani, vrsti ionske izmenjevalne membrane, ki omogoča gibanje vseh pozitivno nabitih ionov v sistemu.

Čista energija je glavna prednostna naloga držav po vsem svetu. Medtem ko konvencionalna energija temelji na fosilnih gorivih, kot so premog, zemeljski plin in nafta, je čista energija na voljo v različnih oblikah, kot so sončna, vetrna, geotermalna, hidroelektrarna in biomasa.

Tudi vodik je vodilna možnost shranjevanja energije za obnovljive vire energije in bi lahko pomagal zmanjšati visoke ravni emisij ogljika.
Sedanje raziskave kažejo, da je elektroliza slane vode – proces cepitve vode na kisik in vodik – izvedljiva rešitev za običajne izzive elektrolize sladke vode. Z elektrolizo morske vode bi lahko proizvedli trajnostni vodik, ne da bi poslabšali svetovno pomanjkanje sladke vode.

Po podatkovnem centru Ministrstva za energijo Združenih držav Amerike o alternativnih gorivih je čisti vodik bogat element na Zemlji, ki veliko obeta pri podpiranju prehoda na čisto, trajnostno in obnovljivo energijo.

Ko je vodik proizveden, lahko proizvaja elektriko v gorivni celici in oddaja samo vodno paro in topel zrak. Ker vodik ne sprošča nobenih toplogrednih plinov, dušikovih oksidov, ogljikovodikov ali drugih trdnih delcev, ne vpliva negativno na okolje.
Vodik ima druge prednosti, ki bodo pomagale ustvariti gospodarstvo čiste energije. To je optimalna energetska rešitev na območjih, kjer je dekarbonizacija običajno zahtevna. Povečuje zanesljivost in odpornost sodobnega električnega omrežja. Prav tako lahko izboljša javno zdravje in stanje okolja.

Poleg tega lahko poveča število zaposlitvenih priložnosti in energetsko varnost v svetovnih industrijah. Lahko pomaga prometni industriji postati bolj trajnostna in podpira prehod na električna vozila (EV). Poleg tega lahko prispeva k povečanju prihodkov in krepi svetovno gospodarstvo.

Eden od izzivov, ki povečuje stroške, povezane s proizvodnjo zelenega vodika, je, da elektrolizatorji potrebujejo izjemno čisto vodo. To otežuje tradicionalno elektrolizo slane vode, ker je veliko vodnih virov polnih onesnaževal.
Čeprav ima EPA stroge zahteve za vodo zaradi prisotnosti svinca, klora in bakterij, to ne pomeni nujno, da je vsa voda brez onesnaževal.

Elektroliza morske vode
Raziskave elektrolize morske vode so se pojavile v začetku 19. stoletja. Čeprav so znanstveniki dosegli napredek pri proizvodnji vodika, ta nikoli ni pridobila moči ali postala izvedljiva energetska rešitev. V 20. stoletju so vodik večinoma pridobivali iz zemeljskega plina in ga uporabljali za pogon avtomobilov, avtobusov, cepalinov in raket.

Čeprav je bila uporaba tega vodika izvedljiva, je bila njegova proizvodnja energetsko intenzivna in je prispevala k emisijam ogljika, ki so eden glavnih vzrokov za podnebne spremembe. Poleg tega nekatera mesta filtrirajo trdne komunalne odpadke s tehnologijo vodikovih gorivnih celic, ki proizvaja vodik in preprečuje onesnaženje lokalnih vodnih virov z odpadki.

Različni raziskovalci in znanstveniki razvijajo napredne tehnologije z uporabo elektrolize morske vode, da bi se izognili tem izzivom. Če bodo te tehnologije pravilno delovale, bodo proizvajale trajnostni vodik brez uporabe sladkovodnih virov ali prispevanja k emisijam ogljika.

Izdelki se prodajajo v vseh regijah Kitajske in izvažajo v države po vsem svetu. Prodane so bile v več kot 20 državah in regijah, vključno z Združenimi državami, Nemčijo, Marokom, Kenijo, Savdsko Arabijo, Vietnamom, Alžirijo, Indijo, Tanzanijo in Tajvanom. Uspešno je zagotovil dobro znana podjetja, kot so China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group in druga znana podjetja. Obstaja veliko postaj za hidrogeniranje zelenega vodika, kot so Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming itd., ki zagotavljajo zelene projekte in projekte za proizvodnjo vodika.