Wodór z wody morskiej

NAUKOWCY opracowali system, który może wytwarzać zielony wodór bezpośrednio z wody morskiej, bez konieczności stosowania jakichkolwiek procesów wstępnej obróbki, takich jak odsalanie. Zespół odpowiedzialny za opracowanie polegające na wprowadzeniu warstwy kwasu Lewisa na katalizatorze z tlenku metalu przejściowego twierdzi, że metoda ta ma duży potencjał do zastosowania komercyjnego.

Ponad 97% wody na powierzchni Ziemi to woda słona w oceanach, 2% jest magazynowane w postaci słodkiej w czapach lodowych, lodowcach i ośnieżonych pasmach górskich, a zaledwie 1% jest dostępne na potrzeby naszego codziennego zaopatrzenia w wodę.

 
Wodę słoną można przekształcić w wodę pitną w procesie zwanym odsalaniem. Jest to technika stosowana w niektórych obszarach na świecie do produkcji świeżej wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi oraz do użytku domowego i przemysłowego. Jednak odsalanie jest procesem energochłonnym, a co gorsza, często jest zasilane ze źródeł energii, które są niezrównoważone.

Rozdzielanie wody na części składowe jest również dobrze poznane. Proces ten – znany jako elektroliza – wykorzystuje prąd stały pomiędzy dwiema elektrodami zanurzonymi w elektrolicie w celu rozbicia wody na wodór i tlen. Wodór tworzy się na katodzie, czyli elektrodzie ujemnej, a tlen na elektrodzie dodatniej, czyli anodzie.

Ponieważ mieszanina gazów może eksplodować, większość elektrolizerów oddziela anodę i katodę grubą, porowatą płytą z tworzywa sztucznego, a do przyspieszenia reakcji stosuje się katalizatory metalowe, takie jak nikiel i żelazo.

Połączenie obu tych procesów, a mianowicie odsalania wody morskiej, a następnie podziału jej w celu wytworzenia wodoru, od dawna okrzyknięto jednym z najlepszych rozwiązań zapewniających czyste i niedrogie paliwo do wytwarzania energii, które z kolei mogłoby zasilać wszystko, od miejskiej energii elektrycznej po stal, do produkcji nawozów, a nawet jako paliwo do samolotów – lista potencjalnych zastosowań jest długa.

Jednak jednym z powodów, dla których nie używamy jeszcze paliwa wodorowego do latania dookoła świata, jest to, że słona woda i inne zanieczyszczenia powodują korozję elektrod, skracając ich żywotność. Ponieważ elementy te są zwykle wykonane z rzadkich metali, takich jak platyna, ich dalsza wymiana kosztuje zbyt wiele. Problemem są również jony chlorkowe w wodzie morskiej, a reakcje elektroutleniania chloru (ClOR) konkurują z reakcją wydzielania tlenu (OER) na anodzie podczas elektrolizy. W wyniku tej reakcji uwalniane są toksyczne i żrące związki chloru, takie jak podchloryn. Podchloryn jest stosunkowo niestabilny, może uwalniać toksyczny chlor w postaci gazowej po zmieszaniu z amoniakiem lub kwasem, a także może niszczyć stal nierdzewną.

Aby obejść ten problem, można odsalać i oczyszczać wodę morską przed jej przetworzeniem, ale nie zawsze jest to opłacalne finansowo. Inną opcją jest pokrycie elektrod polianionami w celu powstrzymania korozji, ale to również może być kosztowne.

Niewiele rozwiązań klimatycznych nie ma wad. „Ekologiczny” wodór, wytwarzany przy użyciu energii odnawialnej do rozszczepiania cząsteczek wody, mógłby napędzać ciężkie pojazdy i dekarbonizować gałęzie przemysłu, takie jak hutnictwo, bez emisji dwutlenku węgla. Ponieważ jednak maszyny do rozszczepiania wody, czyli elektrolizery, są zaprojektowane do pracy z czystą wodą, zwiększanie ilości zielonego wodoru może pogorszyć globalne niedobory słodkiej wody. Obecnie kilka zespołów badawczych donosi o postępach w produkcji wodoru bezpośrednio z wody morskiej, który może stać się niewyczerpanym źródłem zielonego wodoru.

Obecnie prawie cały wodór powstaje w wyniku rozbicia metanu i spalania paliw kopalnych w celu wytworzenia potrzebnego ciepła i ciśnienia. Obydwa etapy uwalniają dwutlenek węgla. Zielony wodór mógłby zastąpić ten brudny wodór, ale obecnie kosztuje ponad dwukrotnie więcej, około 5 dolarów za kilogram. Częściowo wynika to z wysokiego kosztu elektrolizerów, które opierają się na katalizatorach wykonanych z metali szlachetnych. Departament Energii Stanów Zjednoczonych rozpoczął niedawno trwające dekadę wysiłki mające na celu ulepszenie elektrolizerów i obniżenie kosztu ekologicznego wodoru do 1 dolara za kilogram.

Jeśli im się to uda, a produkcja ekologicznego wodoru gwałtownie wzrośnie, presja na światowe zasoby słodkiej wody może wzrosnąć. Do wytworzenia 1 kilograma wodoru za pomocą elektrolizy potrzeba około 10 kilogramów wody. Według Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej eksploatacja ciężarówek i kluczowych gałęzi przemysłu na zielonym wodorze może wymagać około 25 miliardów metrów sześciennych świeżej wody rocznie, co odpowiada zużyciu wody w kraju liczącym 62 miliony mieszkańców.

Woda morska jest niemal nieograniczona, ale jej podział wiąże się z problemami. Elektrolizery zbudowane są podobnie jak baterie, z parą elektrod otoczonych wodnym elektrolitem. W jednym projekcie katalizatory na katodzie rozkładają cząsteczki wody na jony wodoru (H+) i jony hydroksylowe (OH-). Nadmiar elektronów na katodzie łączy pary jonów wodoru w gazowy wodór (H2), który wypływa z wody. W międzyczasie jony OH- przemieszczają się przez membranę pomiędzy elektrodami, aby dotrzeć do anody, gdzie katalizatory przekształcają tlen w uwalniany gazowy tlen (O2).

Jednakże w przypadku użycia wody morskiej ten sam wstrząs elektryczny, który wytwarza O2 na anodzie, przekształca również jony chlorkowe zawarte w słonej wodzie w wysoce korozyjny chlor gazowy, który niszczy elektrody i katalizatory. Zwykle powoduje to awarię elektrolizerów w ciągu zaledwie kilku godzin, podczas gdy normalnie mogą działać latami.

Wodór jest wszechstronną substancją chemiczną wykorzystywaną do produkcji wielu produktów, w tym nawozów. Wodór jest także kluczowym elementem technologii ogniw paliwowych, która wykorzystuje energię elektryczną wytwarzaną przez odnawialne, ale nieciągłe źródła energii, takie jak energia słoneczna i wiatrowa. Większość wodoru produkowanego na całym świecie pochodzi z procesu, w którym metan jest poddawany działaniu ciepła i pary, w wyniku czego powstaje wodór.

Wodór można również wytwarzać w procesie elektrolizy wody, która wykorzystuje energię elektryczną do rozbicia cząsteczek wody na wodór i tlen, zasilanych ze źródeł odnawialnych, takich jak słońce i wiatr. Ale jest pewien haczyk. Elektroliza wymaga bardzo czystej wody, która została zdejonizowana, co oznacza, że ​​najpierw należy usunąć wszystkie zanieczyszczenia, minerały i cząstki naładowane elektronicznie. Konwencjonalne procesy oczyszczania wody wymagają drogiego sprzętu i mogą powodować straty energii.

Naukowcy z Wydziału Zdrowia i Inżynierii Środowiska Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa we współpracy z Penn State University znaleźli sposób na wykorzystanie wody morskiej jako bezpośredniego źródła wodoru bez konieczności wstępnego odsalania. Wyniki ich badań ukazały się w czasopiśmie Environmental Science & Technology.

„Odkryliśmy, że możemy zastosować cienkowarstwowe membrany kompozytowe stosowane do oczyszczania słonej wody w elektrolizerach wody, rozdzielając wodę na gazowy wodór i tlen, unikając jednocześnie wytwarzania szkodliwego gazowego chloru, co ma miejsce w przypadku innych typów membran”.
W swoim badaniu Rossi i współpracownicy przetestowali cienkowarstwowe membrany kompozytowe bezpośrednio w elektrolizerze – urządzeniu wykorzystującym energię elektryczną do podziału wody na wodór i tlen, co umożliwia jednoczesne oczyszczanie wody i produkcję wodoru. Odkryli, że porowata mikrostruktura materiału umożliwia migrację przez membranę jedynie małym protonom i jonom wodorotlenkowym, odrzucając zanieczyszczenia i inne jony, które mogą powodować niepożądane reakcje. Naukowcy twierdzą, że to nowatorskie podejście mogłoby zastąpić konwencjonalne systemy, w których stosuje się drogie membrany jonowymienne w połączeniu z zasilaniem ultraczystą wodą.

„Tanie membrany do odsalania wody mogą stanowić alternatywę dla droższych membran na bazie polimerów i można je stosować do produkcji wodoru ze źródeł wody o niskiej jakości, takich jak woda morska” – powiedział Rossi. „Rezultatem jest wydajny proces produkcji wodoru z odnawialnych źródeł energii, który eliminuje potrzebę oczyszczania wody”.

Zauważył, że wykorzystanie wody morskiej w elektrolizerach jest trudne ze względu na jej duże zasolenie. Jest jednak dostępna w dużych ilościach i dostępna w lokalizacjach takich jak obszary przybrzeżne, gdzie można wytwarzać energię odnawialną, taką jak energia słoneczna i wiatrowa, ale gdzie dostępność słodkiej wody jest niewielka. W takich lokalizacjach zamiast wody morskiej w tym procesie można potencjalnie wykorzystać inne źródła wody o niskiej jakości, takie jak ścieki.

Zespół finansowany przez amerykańską National Science Foundation zintegrował technologię oczyszczania wody z nowym projektem weryfikującym koncepcję elektrolizera wody morskiej, który wykorzystuje prąd elektryczny do rozdzielenia wodoru i tlenu w cząsteczkach wody.

Zdaniem Bruce'a Logana, inżyniera ochrony środowiska, ta nowa metoda „rozszczepiania wody morskiej” może ułatwić przekształcanie energii wiatrowej i słonecznej w możliwe do przechowywania i przenośne paliwo.

„Wodór to świetne paliwo, ale trzeba je wytwarzać” – powiedział Logan. „Jedynym zrównoważonym sposobem, aby to osiągnąć, jest wykorzystanie energii odnawialnej i produkcja jej z wody. Trzeba także używać wody, której ludzie nie chcą używać do innych celów, a byłaby to woda morska. A zatem święty Graal produkcji wodoru polegałoby na połączeniu wody morskiej oraz energii wiatru i słońca występującej w środowiskach przybrzeżnych i morskich.”

Pomimo obfitości wody morskiej, nie jest powszechnie stosowany do rozszczepiania wody. Jeśli woda nie zostanie odsolona przed wejściem do elektrolizera, co jest kosztownym dodatkowym krokiem, jony chlorkowe w wodzie morskiej zamienią się w toksyczny chlor gazowy, który degraduje sprzęt i przedostaje się do środowiska.

Aby temu zapobiec, naukowcy włożyli cienką, półprzepuszczalną membranę, pierwotnie opracowaną do oczyszczania wody w procesie uzdatniania odwróconej osmozy. Membrana odwróconej osmozy zastąpiła membranę jonowymienną powszechnie stosowaną w elektrolizerach.
„Idea odwróconej osmozy polega na tym, że wywierasz naprawdę wysokie ciśnienie na wodę, przepychasz ją przez membranę i zatrzymujesz jony chlorkowe” – powiedział Logan.

W ramach serii eksperymentów opublikowanych w Energy & Environmental Science naukowcy przetestowali dwie dostępne na rynku membrany odwróconej osmozy i dwie membrany kationowymienne – rodzaj membrany jonowymiennej, która umożliwia ruch wszystkich dodatnio naładowanych jonów w systemie.

Czysta energia jest najwyższym priorytetem dla krajów na całym świecie. Podczas gdy energia konwencjonalna opiera się na paliwach kopalnych, takich jak węgiel, gaz ziemny i ropa naftowa, czysta energia występuje w różnych formach, takich jak energia słoneczna, wiatrowa, geotermalna, hydroelektryczna i biomasa.

Również wodór jest wiodącą opcją magazynowania energii ze źródeł odnawialnych i może pomóc w zmniejszeniu wysokiego poziomu emisji dwutlenku węgla.
Obecne badania sugerują, że elektroliza wody morskiej – proces rozkładu wody na tlen i wodór – jest realnym rozwiązaniem typowych problemów elektrolizy wody słodkiej. Elektroliza wody morskiej mogłaby wytwarzać zrównoważony wodór bez pogarszania światowego niedoboru słodkiej wody.

Według Centrum danych dotyczącego paliw alternatywnych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych czysty wodór jest pierwiastkiem występującym powszechnie na Ziemi i bardzo obiecującym we wspieraniu przejścia na czystą, zrównoważoną i odnawialną energię.

Po wyprodukowaniu wodoru może on wytwarzać energię elektryczną w ogniwie paliwowym, emitując jedynie parę wodną i ciepłe powietrze. Ponieważ wodór nie uwalnia gazów cieplarnianych, tlenków azotu, węglowodorów ani innych cząstek stałych, nie ma negatywnego wpływu na środowisko.
Wodór ma inne zalety, które pomogą stworzyć gospodarkę czystą energią. Jest to optymalne rozwiązanie energetyczne w obszarach, w których dekarbonizacja jest zazwyczaj trudna. Zwiększa niezawodność i odporność nowoczesnej sieci elektroenergetycznej. Może także poprawić zdrowie publiczne i stan środowiska.

Ponadto może zwiększyć liczbę możliwości zatrudnienia i bezpieczeństwo energetyczne w światowych gałęziach przemysłu. Może pomóc branży transportowej stać się bardziej zrównoważoną i wesprzeć przejście na pojazdy elektryczne (EV). Może także przyczynić się do zwiększenia dochodów i wzmocnienia światowej gospodarki.

Jednym z wyzwań zwiększających koszty związane z produkcją zielonego wodoru jest to, że elektrolizery wymagają ultraczystej wody. Utrudnia to tradycyjną elektrolizę słonej wody, ponieważ wiele źródeł wody jest wypełnionych substancjami zanieczyszczającymi.
Chociaż EPA ma rygorystyczne wymagania dotyczące wody ze względu na obecność ołowiu, chloru i bakterii, nie musi to koniecznie oznaczać, że cała woda jest wolna od zanieczyszczeń.

Elektroliza wody morskiej
Badania nad elektrolizą wody morskiej pojawiły się na początku XIX wieku. Chociaż naukowcy poczynili postępy w produkcji wodoru, nigdy nie zyskał on popularności ani nie stał się realnym rozwiązaniem energetycznym. W XX wieku wodór pozyskiwano głównie z gazu ziemnego i wykorzystywano do napędzania samochodów, autobusów, sterowców i rakiet.

Chociaż wykorzystanie tego wodoru było wykonalne, jego produkcja była energochłonna i przyczyniła się do emisji dwutlenku węgla, jednej z głównych przyczyn zmian klimatycznych. Ponadto niektóre miasta filtrują stałe odpady komunalne za pomocą technologii wodorowych ogniw paliwowych, która wytwarza wodór i zapobiega zanieczyszczeniu lokalnych źródeł wody przez odpady.

Różni badacze i naukowcy opracowują zaawansowane technologie wykorzystujące elektrolizę wody morskiej, aby uniknąć tych wyzwań. Jeśli technologie te będą działać prawidłowo, będą wytwarzać wodór w sposób zrównoważony, bez zużywania zasobów słodkiej wody i przyczyniania się do emisji dwutlenku węgla.

Produkty sprzedawane są we wszystkich regionach Chin i eksportowane do krajów na całym świecie. Zostały sprzedane w ponad 20 krajach i regionach, w tym w Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Maroku, Kenii, Arabii Saudyjskiej, Wietnamie, Algierii, Indiach, Tanzanii i Tajwanie. Pomyślnie dostarczono dobrze znane przedsiębiorstwa, takie jak China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i inne znane przedsiębiorstwa. Istnieje wiele stacji uwodornienia zielonego wodoru, takich jak Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming itp., które realizują projekty ekologiczne i wytwarzające wodór.