Sjávarvetni

VÍSINDAMENN hafa þróað kerfi sem getur framleitt grænt vetni beint úr sjó án þess að þörf sé á formeðferð eins og afsöltun. Hópurinn á bak við þróunina, sem felur í sér innleiðingu á Lewis-sýrulagi á umbreytingarmálmoxíðhvata, segir að aðferðin sýni mikla möguleika til notkunar í atvinnuskyni.

Yfir 97% af vatni á yfirborði jarðar er saltvatn í sjónum, 2% er geymt sem ferskvatn í íshöftum, jöklum og snævi þaktum fjallgörðum og aðeins 1% er til staðar fyrir daglega vatnsveituþörf okkar.

 
Hægt er að gera saltvatn í drykkjarhæft vatn með ferli sem kallast afsöltun, tækni sem sum svæði um allan heim treysta á til að framleiða ferskt vatn til manneldis og til heimilis- og iðnaðarnota. En afsöltun er orkufrekt ferli og það sem verra er að það er oft knúið áfram af orkugjöfum sem eru ósjálfbærar.

Það er líka vel skilið að kljúfa vatni í hluta þess. Ferlið - þekkt sem rafgreining - notar jafnstraum milli tveggja rafskauta sem sökkt er í raflausn til að kljúfa vatn í vetni og súrefni. Vetni myndast við bakskautið, eða neikvæða rafskautið, og súrefni við jákvæða rafskautið eða rafskautið.

Vegna þess að blanda lofttegundanna getur sprungið aðskilja flestir rafgreiningar rafskautið og bakskautið með þykkri, gljúpri plastplötu og málmhvatar eins og nikkel og járn eru notaðir til að flýta fyrir viðbrögðum.

Að setja báða þessa ferla saman, nefnilega að afsalta sjó, og kljúfa það síðan til að búa til vetni hefur lengi verið lofað sem ein besta lausnin til að útvega hreint og hagkvæmt eldsneyti fyrir orku, sem aftur gæti knúið allt frá rafmagni borgarinnar til að framleiða stál, sem framleiðir áburð og jafnvel sem eldsneyti fyrir flugvélar – listinn yfir hugsanlega notkun er langur.

Hins vegar er ein af ástæðunum fyrir því að við erum ekki þegar að nota vetniseldsneyti til að fljúga um heiminn sú að saltvatn og önnur óhreinindi tæra rafskaut og stytta líf þeirra. Þar sem þessir íhlutir eru venjulega gerðir úr sjaldgæfum málmum eins og platínu, kostar það of mikið að halda áfram að skipta um þá. Klóríðjónir í sjó eru einnig vandamál og klór rafoxunarhvörf (ClOR) keppa við súrefnisþróunarviðbrögð (OER) á rafskautinu við rafgreiningu. Þessi viðbrögð hafa í för með sér losun eitraðra og ætandi klórtegunda eins og hýpóklóríts. Hypóklórít er tiltölulega óstöðugt, það getur losað eitrað klórgas þegar það er blandað við ammoníak eða sýru og það getur líka étið ryðfríu stáli.

Til að komast í kringum þetta væri hægt að afsalta og hreinsa sjóinn áður en hann er unninn, en það er heldur ekki alltaf fjárhagslega hagkvæmt. Annar valkostur er að húða rafskautin með pólýanjónum til að bæla tæringu, en það getur líka verið dýrt.

Fáar loftslagslausnir koma án galla. „Grænt“ vetni, sem er framleitt með því að nota endurnýjanlega orku til að kljúfa vatnssameindir, gæti knúið þung farartæki og kolefnislosað iðnað eins og stálframleiðslu án þess að spúa andliti af koltvísýringi. En vegna þess að vatnskljúfarvélarnar, eða rafgreiningartækin, eru hannaðar til að vinna með hreinu vatni, gæti aukning á grænu vetni aukið ferskvatnsskort á heimsvísu. Nú tilkynna nokkur rannsóknarteymi framfarir í framleiðslu vetni beint úr sjó, sem gæti orðið óþrjótandi uppspretta græns vetnis.

Í dag er næstum allt vetni framleitt með því að brjóta í sundur metan, brenna jarðefnaeldsneyti til að mynda nauðsynlegan hita og þrýsting. Bæði skref losa koltvísýring. Grænt vetni gæti komið í staðinn fyrir þetta óhreina vetni, en í augnablikinu kostar það meira en tvöfalt meira, um það bil 5 dollara á kílóið. Það er að hluta til vegna mikils kostnaðar við rafgreiningartæki, sem reiða sig á hvata úr góðmálmum. Bandaríska orkumálaráðuneytið hóf nýlega áratugarlangt átak til að bæta rafgreiningartæki og ná kostnaði við grænt vetni niður í $1 á hvert kíló.

Takist það og græn vetnisframleiðsla rýkur upp úr öllu valdi gæti þrýstingur byggst á ferskvatnsbirgðir heimsins. Að búa til 1 kíló af vetni með rafgreiningu tekur um 10 kíló af vatni. Að keyra vörubíla og lykilatvinnuvegi á grænu vetni gæti þurft um það bil 25 milljarða rúmmetra af fersku vatni á ári, sem jafngildir vatnsnotkun lands með 62 milljónir manna, að sögn Alþjóða endurnýjanlegrar orkustofnunar.

Sjór er næstum takmarkalaus, en að kljúfa það kemur með eigin vandamálum. Rafskautar eru smíðaðir eins og rafhlöður, með par af rafskautum umkringd vatnskenndri raflausn. Í einni hönnun kljúfa hvatar við bakskautið vatnssameindir í vetni (H+) og hýdroxýl (OH-) jónir. Ofgnótt rafeinda við bakskautið sauma pör af vetnisjónum í vetnisgas (H2), sem loftbólur upp úr vatninu. Á meðan fara OH-jónirnar í gegnum himnu á milli rafskautanna til að komast að rafskautinu, þar sem hvatar hnýta súrefnið í súrefnisgas (O2) sem losnar.

Þegar sjór er notaður breytir sama rafstuð sem myndar O2 við rafskautið einnig klóríðjónum í saltvatni í mjög ætandi klórgas, sem étur rafskaut og hvata. Þetta veldur venjulega því að rafgreiningartæki bila á aðeins nokkrum klukkustundum þegar þeir geta venjulega starfað í mörg ár.

Vetni er fjölhæft efni sem notað er til framleiðslu á mörgum vörum, þar á meðal áburði. Vetni er einnig lykilþáttur í eldsneytisfrumutækni, sem nýtir raforku sem framleidd er með endurnýjanlegum en hléum orkugjöfum eins og sól og vindi. Mest af því vetni sem framleitt er um allan heim kemur frá ferli þar sem metan verður fyrir hita og gufu til að mynda vetni.

Vetni er einnig hægt að framleiða úr rafgreiningu vatns, sem notar rafmagn til að kljúfa vatnssameindir í vetni og súrefni knúið af endurnýjanlegum orkugjöfum eins og sól og vindi. En það er gripur. Rafgreining krefst mjög hreins vatns sem hefur verið afjónað, sem þýðir að fyrst verður að fjarlægja öll óhreinindi, steinefni og rafhlaðnar agnir. Hefðbundin vatnshreinsunarferli krefjast dýrs búnaðar og getur valdið orkutapi.

Vísindamenn við umhverfisheilbrigði og verkfræðideild Johns Hopkins háskólans, í samvinnu við Penn State háskólann, hafa fundið leið til að nota sjó sem beina uppsprettu vetnis, án þess að þörf sé á bráðabirgðaafsöltun. Niðurstöður þeirra birtast í Environmental Science & Technology.

"Við komumst að því að við getum notað þunnfilmu samsettar himnur, sem eru notaðar til að hreinsa saltvatn, í vatnsrafgreiningartæki, skipt vatninu í vetnisgas og súrefni, en forðast að framleiða skaðlegt klórgas, sem gerist með aðrar himnugerðir."
Í rannsókn sinni prófuðu Rossi og félagar þunnt filmu samsettar himnur beint í rafgreiningartækinu - tæki sem notar rafmagn til að kljúfa vatn í vetni og súrefni og framkvæmir í einu skrefi bæði vatnshreinsun og vetnisframleiðslu. Þeir komust að því að gljúp örbygging efnisins leyfði aðeins litlum róteindum og hýdroxíðjónum að flytjast yfir himnuna og hafna óhreinindum og öðrum jónum sem geta framkallað óæskileg viðbrögð. Vísindamennirnir segja að þessi nýja nálgun gæti komið í stað hefðbundinna kerfa, þar sem dýrar jónaskiptahimnur eru notaðar ásamt ofurhreinu vatni.

"Ódýrar afsöltunarhimnur fyrir vatn geta verið valkostur við dýrari himnur sem byggjast á fjölliðum og hægt er að nota þær til vetnisframleiðslu úr lággæða vatnslindum eins og sjó," sagði Rossi. "Niðurstaðan er skilvirkt vetnisframleiðsluferli úr endurnýjanlegum orkugjöfum sem útilokar þörfina fyrir vatnshreinsun."

Hann benti á að það væri erfitt að nota sjó í rafgreiningartæki vegna mikillar seltu. Hins vegar er það mikið og fáanlegt á stöðum eins og strandsvæðum, þar sem hægt er að framleiða endurnýjanlega raforku eins og sól og vind, en þar sem lítið framboð er á fersku vatni. Á slíkum stöðum gæti hugsanlega verið notað önnur lággæða vatnsból eins og frárennsli í stað sjós í þessu ferli.

Bandaríska vísindastofnunin, sem styrkt er, samþætti vatnshreinsitækni í nýja sönnun fyrir hugmyndafræði fyrir rafgreiningartæki fyrir sjó, sem notar rafstraum til að skipta í sundur vetni og súrefni í vatnssameindum.

Þessi nýja aðferð til að „kljúfa sjó“ gæti gert það auðveldara að breyta vind- og sólarorku í geymslulegt og færanlegt eldsneyti, að sögn Bruce Logan, umhverfisverkfræðings.

„Vetni er frábært eldsneyti, en þú verður að búa það til,“ sagði Logan. "Eina sjálfbæra leiðin til þess er að nýta endurnýjanlega orku og framleiða hana úr vatni. Það þarf líka að nota vatn sem fólk vill ekki nota í aðra hluti og það væri sjór. Svo, hinn heilagi gral að framleiða vetni væri að sameina sjóinn og vind- og sólarorkuna sem finnast í strand- og úthafsumhverfi.“

Þrátt fyrir gnægð sjávar er það ekki almennt notað til að kljúfa vatn. Nema vatnið sé afsaltað áður en það fer í rafgreiningartækið, dýrt aukaskref, breytast klóríðjónirnar í sjónum í eitrað klórgas, sem brýtur niður búnaðinn og seytlar út í umhverfið.

Til að koma í veg fyrir þetta settu rannsakendur þunna, hálfgegndræpa himnu, upphaflega þróuð til að hreinsa vatn í öfugu himnuflæðismeðferðarferlinu. Himna með öfugu himnuflæði kom í stað jónaskiptahimnunnar sem almennt er notuð í rafgreiningartækjum.
"Hugmyndin á bak við öfuga himnuflæði er að þú setur mjög mikinn þrýsting á vatnið og ýtir því í gegnum himnuna og heldur klóríðjónunum á bak við," sagði Logan.

Með röð tilrauna sem birtar voru í Energy & Environmental Science prófuðu rannsakendur tvær öfugt himnuflæðishimnur í verslun og tvær katjónaskiptahimnur, tegund jónaskiptahimnu sem gerir kleift að flytja allar jákvætt hlaðnar jónir í kerfinu.

Hrein orka er forgangsverkefni ríkja um allan heim. Þó að hefðbundin orka byggist á jarðefnaeldsneyti eins og kolum, jarðgasi og olíu, kemur hrein orka í ýmsum myndum eins og sól, vindi, jarðvarma, vatnsafli og lífmassa.

Vetni er líka leiðandi orkugeymsla fyrir endurnýjanlega orku og gæti hjálpað til við að draga úr mikilli kolefnislosun.
Núverandi rannsóknir benda til þess að saltvatns rafgreining - ferlið við að kljúfa vatn í súrefni og vetni - sé raunhæf lausn á algengum áskorunum við rafgreiningu ferskvatns. Rafgreining á sjó gæti framleitt sjálfbært vetni án þess að versna ferskvatnsskortinn á heimsvísu.

Samkvæmt gagnamiðstöð orkumálaráðuneytisins í Bandaríkjunum er hreint vetni mikið af frumefni á jörðinni sem sýnir mikla fyrirheit um að styðja við umskipti yfir í hreina, sjálfbæra og endurnýjanlega orku.

Eftir að vetni er framleitt getur það framleitt rafmagn í efnarafala og gefur aðeins frá sér vatnsgufu og heitt loft. Vegna þess að vetni losar engar gróðurhúsalofttegundir, köfnunarefnisoxíð, kolvetni eða önnur svifryk hefur það ekki neikvæð áhrif á umhverfið.
Vetni hefur aðra kosti sem munu hjálpa til við að skapa hreina orkubúskap. Það er ákjósanleg orkulausn á venjulega krefjandi svæðum til að kolefnislosa. Það eykur áreiðanleika og seiglu nútíma raforkukerfis. Það getur einnig bætt lýðheilsu og ástand umhverfisins.

Að auki getur það aukið fjölda atvinnutækifæra og orkuöryggi í alþjóðlegum iðnaði. Það getur hjálpað flutningaiðnaðinum að verða sjálfbærari og stutt við breytingu á rafknúnum ökutækjum (EVs). Og það getur stuðlað að auknum tekjum og styrkt hagkerfi heimsins.

Ein áskorun sem eykur kostnað við að framleiða grænt vetni er að rafgreiningartæki þurfa ofurhreint vatn. Þetta gerir hefðbundna saltvatns rafgreiningu erfiða vegna þess að margir vatnsból eru fullir af mengunarefnum.
Þó að EPA hafi strangar kröfur um vatn vegna nærveru blýs, klórs og baktería, þýðir það ekki endilega að allt vatn sé laust við mengunarefni.

Rafgreining á sjó
Rafgreiningarrannsóknir á sjó komu fram snemma á 19. öld. Þrátt fyrir að vísindamenn hafi náð framförum í vetnisframleiðslu, náði það aldrei gripi eða varð raunhæf orkulausn. Á 20. öld var vetni að mestu unnið úr jarðgasi og notað til að knýja bíla, rútur, loftskeyta og eldflaugar.

Þó það væri framkvæmanlegt að nota þetta vetni var framleiðsla þess orkufrek og stuðlaði að kolefnislosun, ein helsta orsök loftslagsbreytinga. Að auki sía sumar borgir fastan úrgang frá sveitarfélaginu með vetniseldsneytisfrumutækni, sem framleiðir vetni og kemur í veg fyrir mengun úrgangs í staðbundnum vatnsveitum.

Ýmsir vísindamenn og vísindamenn eru að þróa háþróaða tækni sem notar rafgreiningu sjávar til að forðast þessar áskoranir. Ef þessi tækni virkar rétt mun hún framleiða sjálfbært vetni án þess að nýta ferskvatnsauðlindir eða stuðla að kolefnislosun.

Vörur eru seldar á öllum svæðum Kína og fluttar út til landa um allan heim. Þeir hafa verið seldir í meira en 20 löndum og svæðum, þar á meðal Bandaríkjunum, Þýskalandi, Marokkó, Kenýa, Sádi Arabíu, Víetnam, Alsír, Indlandi, Tansaníu og Taívan. Veitt vel þekkt fyrirtæki eins og China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group og önnur vel þekkt fyrirtæki. Það eru margar grænar vetnisvetnisvötnunarstöðvar eins og Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, osfrv. bjóða upp á græn og vetnisframleiðandi verkefni.