Morská voda Vodík

VEDCI vyvinuli systém, ktorý dokáže produkovať zelený vodík priamo z morskej vody bez potreby akýchkoľvek procesov predbežnej úpravy, ako je odsoľovanie. Tím, ktorý stojí za vývojom, ktorý zahŕňa zavedenie vrstvy Lewisovej kyseliny na katalyzátor na báze oxidu prechodného kovu, tvrdí, že metóda vykazuje vysoký potenciál pre komerčné využitie.

Viac ako 97 % vody na zemskom povrchu tvorí slaná voda v oceánoch, 2 % sú skladované ako sladká voda v ľadových čiapkach, ľadovcoch a zasnežených horských masívoch a len 1 % je k dispozícii pre naše každodenné potreby zásobovania vodou.

 
Soľnú vodu možno premeniť na pitnú vodu procesom nazývaným odsoľovanie, čo je technika, na ktorú sa niektoré oblasti po celom svete spoliehajú pri výrobe sladkej vody na ľudskú spotrebu a na domáce a priemyselné použitie. Odsoľovanie je však energeticky náročný proces a čo je ešte horšie, je často poháňané zdrojmi energie, ktoré sú neudržateľné.

Rozdelenie vody na jednotlivé časti je tiež dobre známe. Proces – známy ako elektrolýza – využíva jednosmerný prúd medzi dvoma elektródami ponorenými do elektrolytu na rozdelenie vody na vodík a kyslík. Vodík sa tvorí na katóde alebo zápornej elektróde a kyslík na kladnej elektróde alebo anóde.

Pretože zmes plynov môže explodovať, väčšina elektrolyzérov oddeľuje anódu a katódu hrubou, poréznou plastovou fóliou a na urýchlenie reakcií sa používajú kovové katalyzátory, ako je nikel a železo.

Spojenie oboch týchto procesov, konkrétne odsoľovanie morskej vody a jej následné rozdelenie na vodík, sa dlho považovalo za jedno z najlepších riešení na zabezpečenie čistého a dostupného paliva na výrobu energie, ktoré by zase mohlo poháňať všetko od elektrickej energie v meste až po výrobu ocele, na výrobu hnojív a dokonca aj ako palivo pre lietadlá – zoznam možných použití je dlhý.

Jedným z dôvodov, prečo ešte nepoužívame vodíkové palivo na lietanie okolo sveta, je to, že slaná voda a iné nečistoty korodujú elektródy a skracujú ich životnosť. Keďže tieto komponenty sú zvyčajne vyrobené zo vzácnych kovov, ako je platina, ich výmena stojí príliš veľa. Problémom sú aj chloridové ióny v morskej vode a elektrooxidačné reakcie chlóru (ClOR) súťažia s reakciou vývoja kyslíka (OER) na anóde počas elektrolýzy. Výsledkom tejto reakcie je uvoľňovanie toxických a korozívnych látok chlóru, ako je chlórnan. Chlórnan je relatívne nestabilný, pri zmiešaní s amoniakom alebo kyselinou môže uvoľňovať toxický plynný chlór a môže tiež rozožierať nehrdzavejúcu oceľ.

Aby sa to obišlo, morská voda by sa mohla pred spracovaním odsoliť a vyčistiť, ale ani to nie je vždy finančne únosné. Ďalšou možnosťou je potiahnuť elektródy polyaniónmi na potlačenie korózie, ale aj to môže byť nákladné.

Len málo klimatických riešení nemá nevýhody. „Zelený“ vodík vyrobený pomocou obnoviteľnej energie na štiepenie molekúl vody by mohol poháňať ťažké vozidlá a dekarbonizovať priemyselné odvetvia, ako je výroba ocele, bez toho, aby chrlil závan oxidu uhličitého. Ale pretože stroje na štiepenie vody alebo elektrolyzéry sú navrhnuté tak, aby pracovali s čistou vodou, zvýšenie množstva zeleného vodíka by mohlo zhoršiť globálny nedostatok sladkej vody. Teraz niekoľko výskumných tímov hlási pokroky vo výrobe vodíka priamo z morskej vody, ktorá by sa mohla stať nevyčerpateľným zdrojom zeleného vodíka.

Dnes sa takmer všetok vodík vyrába rozkladom metánu, spaľovaním fosílnych palív, aby sa vytvorilo potrebné teplo a tlak. Oba kroky uvoľňujú oxid uhličitý. Zelený vodík by mohol nahradiť tento špinavý vodík, ale v súčasnosti stojí viac ako dvakrát toľko, zhruba 5 dolárov za kilogram. Je to čiastočne kvôli vysokým nákladom na elektrolyzéry, ktoré sa spoliehajú na katalyzátory vyrobené z drahých kovov. Americké ministerstvo energetiky nedávno spustilo desaťročné úsilie o zlepšenie elektrolyzérov a zníženie nákladov na zelený vodík na 1 dolár za kilogram.

Ak sa im to podarí a produkcia zeleného vodíka prudko vzrastie, tlak na svetové zásoby sladkej vody sa môže zvýšiť. Výroba 1 kilogramu vodíka pomocou elektrolýzy si vyžaduje približne 10 kilogramov vody. Prevádzka nákladných vozidiel a kľúčových priemyselných odvetví na zelený vodík by si podľa Medzinárodnej agentúry pre obnoviteľnú energiu mohla vyžiadať zhruba 25 miliárd kubických metrov sladkej vody ročne, čo zodpovedá spotrebe vody v krajine so 62 miliónmi ľudí.

Morská voda je takmer neobmedzená, ale jej štiepenie má svoje vlastné problémy. Elektrolyzéry sú postavené podobne ako batérie, pričom pár elektród je obklopený vodnatým elektrolytom. V jednom dizajne katalyzátory na katóde štiepia molekuly vody na vodíkové (H+) a hydroxylové (OH-) ióny. Prebytočné elektróny na katóde spájajú páry vodíkových iónov na plynný vodík (H2), ktorý prebubláva z vody. OH- ióny medzitým prechádzajú cez membránu medzi elektródami, aby dosiahli anódu, kde katalyzátory splietajú kyslík na plynný kyslík (O2), ktorý sa uvoľňuje.

Keď sa však použije morská voda, ten istý elektrický náraz, ktorý generuje O2 na anóde, tiež premení chloridové ióny v slanej vode na vysoko korozívny plynný chlór, ktorý rozožiera elektródy a katalyzátory. To zvyčajne spôsobuje, že elektrolyzéry zlyhajú v priebehu niekoľkých hodín, keď môžu normálne fungovať roky.

Vodík je všestranná chemikália používaná na výrobu mnohých produktov vrátane hnojív. Vodík je tiež kľúčovou zložkou technológie palivových článkov, ktorá využíva elektrickú energiu vyrobenú z obnoviteľných, ale prerušovaných zdrojov energie, ako je slnko a vietor. Väčšina celosvetovo vyprodukovaného vodíka pochádza z procesu, v ktorom je metán vystavený teplu a pare, čím vzniká vodík.

Vodík sa môže vyrábať aj elektrolýzou vody, ktorá využíva elektrickú energiu na štiepenie molekúl vody na vodík a kyslík poháňaný obnoviteľnými zdrojmi, ako je slnko a vietor. Má to však háčik. Elektrolýza vyžaduje veľmi čistú vodu, ktorá bola deionizovaná, čo znamená, že najprv musia byť odstránené všetky nečistoty, minerály a elektronicky nabité častice. Bežné procesy čistenia vody vyžadujú drahé vybavenie a môžu viesť k energetickým stratám.

Vedci z Katedry environmentálneho zdravia a inžinierstva Univerzity Johnsa Hopkinsa v spolupráci s Penn State University našli spôsob, ako využiť morskú vodu ako priamy zdroj vodíka bez potreby predbežného odsoľovania. Ich výsledky sa objavujú v Environmental Science & Technology.

"Zistili sme, že môžeme použiť tenkovrstvové kompozitné membrány, ktoré sa používajú na čistenie slanej vody, vo vodných elektrolyzéroch, rozdeľujúc vodu na plynný vodík a kyslík, pričom sa vyhýbame produkcii škodlivého plynného chlóru, čo sa stáva pri iných typoch membrán."
Vo svojej štúdii Rossi a kolegovia testovali tenkovrstvové kompozitné membrány priamo v elektrolyzéri - zariadení, ktoré využíva elektrickú energiu na rozdelenie vody na vodík a kyslík v jedinom kroku na čistenie vody aj výrobu vodíka. Zistili, že porézna mikroštruktúra materiálu umožnila migrovať cez membránu iba malým protónom a hydroxidovým iónom, čím sa odpudzovali nečistoty a iné ióny, ktoré môžu spôsobiť nežiaduce reakcie. Výskumníci tvrdia, že tento nový prístup by mohol nahradiť konvenčné systémy, kde sa používajú drahé iónomeničové membrány v kombinácii s ultračistou vodou.

"Lacné membrány na odsoľovanie vody môžu byť alternatívou k drahším membránam na báze polymérov a môžu sa použiť na výrobu vodíka z nízkokvalitných zdrojov vody, ako je morská voda," povedal Rossi. "Výsledkom je efektívny proces výroby vodíka z obnoviteľných zdrojov energie, ktorý eliminuje potrebu čistenia vody."

Poznamenal, že použitie morskej vody v elektrolyzéroch je náročné kvôli jej vysokej slanosti. Je však hojný a dostupný na miestach, ako sú pobrežné oblasti, kde sa môže vyrábať obnoviteľná elektrina, ako je slnečná a veterná energia, ale kde je nízka dostupnosť sladkej vody. V takýchto lokalitách by sa v tomto procese namiesto morskej vody mohli potenciálne použiť iné zdroje vody nízkej kvality, ako napríklad odpadová voda.

Tím financovaný americkou národnou vedeckou nadáciou integroval technológiu čistenia vody do nového overeného dizajnu elektrolyzéra morskej vody, ktorý využíva elektrický prúd na rozdelenie vodíka a kyslíka v molekulách vody.

Táto nová metóda "rozdeľovania morskej vody" by mohla uľahčiť premenu veternej a slnečnej energie na skladovateľné a prenosné palivo, tvrdí Bruce Logan, environmentálny inžinier.

"Vodík je skvelé palivo, ale musíte si ho vyrobiť," povedal Logan. "Jediný udržateľný spôsob, ako to urobiť, je využívať obnoviteľnú energiu a vyrábať ju z vody. Musíte tiež používať vodu, ktorú ľudia nechcú používať na iné veci, a to by bola morská voda. Takže svätý grál výroby vodíka by bolo spojiť morskú vodu a veternú a slnečnú energiu nachádzajúcu sa v pobrežných a pobrežných prostrediach."

Napriek množstvu morskej vody sa bežne nepoužíva na štiepenie vody. Pokiaľ nie je voda pred vstupom do elektrolyzéra odsolená, čo je nákladný krok navyše, chloridové ióny v morskej vode sa menia na toxický plynný chlór, ktorý znehodnocuje zariadenie a presakuje do životného prostredia.

Aby tomu zabránili, vedci vložili tenkú, polopriepustnú membránu, pôvodne vyvinutú na čistenie vody v procese úpravy reverznou osmózou. Membrána reverznej osmózy nahradila iónomeničovú membránu bežne používanú v elektrolyzéroch.
"Myšlienka reverznej osmózy spočíva v tom, že vyviniete skutočne vysoký tlak na vodu a pretlačíte ju cez membránu a zachováte chloridové ióny," povedal Logan.

Prostredníctvom série experimentov publikovaných v Energy & Environmental Science výskumníci testovali dve komerčne dostupné membrány na reverznú osmózu a dve katexové membrány, čo je typ iónomeničovej membrány, ktorá umožňuje pohyb všetkých kladne nabitých iónov v systéme.

Čistá energia je najvyššou prioritou krajín na celom svete. Zatiaľ čo konvenčná energia sa spolieha na fosílne palivá, ako je uhlie, zemný plyn a ropa, čistá energia prichádza v rôznych formách, ako je slnečná, veterná, geotermálna, vodná energia a biomasa.

Vodík je tiež vedúcou možnosťou skladovania energie pre obnoviteľné zdroje a mohol by pomôcť znížiť vysoké úrovne emisií uhlíka.
Súčasný výskum naznačuje, že elektrolýza slanej vody – proces štiepenia vody na kyslík a vodík – je životaschopným riešením bežných problémov elektrolýzy sladkej vody. Elektrolýza morskej vody by mohla produkovať udržateľný vodík bez zhoršenia globálneho nedostatku sladkej vody.

Podľa údajov Centra údajov o alternatívnych palivách Ministerstva energetiky Spojených štátov amerických je čistý vodík hojne zastúpeným prvkom na Zemi, ktorý je veľkým prísľubom pri podpore prechodu na čistú, udržateľnú a obnoviteľnú energiu.

Po vyrobení vodíka dokáže generovať elektrinu v palivovom článku a vypúšťa len vodnú paru a teplý vzduch. Pretože vodík neuvoľňuje žiadne skleníkové plyny, oxidy dusíka, uhľovodíky ani iné častice, neovplyvňuje negatívne životné prostredie.
Vodík má aj ďalšie výhody, ktoré pomôžu vytvoriť čisté energetické hospodárstvo. Ide o optimálne energetické riešenie v typicky náročných oblastiach na dekarbonizáciu. Zvyšuje spoľahlivosť a odolnosť modernej elektrickej siete. Môže tiež zlepšiť verejné zdravie a stav životného prostredia.

Okrem toho môže zvýšiť počet pracovných príležitostí a energetickú bezpečnosť v globálnych priemyselných odvetviach. Môže pomôcť dopravnému priemyslu stať sa udržateľnejším a podporiť prechod na elektrické vozidlá (EV). A môže prispieť k zvýšeniu príjmov a posilniť svetovú ekonomiku.

Jednou výzvou, ktorá zvyšuje náklady spojené s výrobou zeleného vodíka, je to, že elektrolyzéry vyžadujú ultračistú vodu. To sťažuje tradičnú elektrolýzu slanej vody, pretože mnohé vodné zdroje sú naplnené kontaminantmi.
Hoci má EPA prísne požiadavky na vodu kvôli prítomnosti olova, chlóru a baktérií, nemusí to nevyhnutne znamenať, že všetka voda je bez kontaminantov.

Elektrolýza morskej vody
Výskum elektrolýzy morskej vody sa objavil na začiatku 19. storočia. Hoci vedci urobili pokroky vo výrobe vodíka, nikdy nezískal trakciu ani sa nestal životaschopným energetickým riešením. V 20. storočí sa vodík získaval väčšinou zo zemného plynu a používal sa na pohon áut, autobusov, vzducholodí a rakiet.

Využitie tohto vodíka bolo uskutočniteľné, ale jeho výroba bola energeticky náročná a prispievala k emisiám uhlíka, čo je jedna z hlavných príčin klimatických zmien. Okrem toho niektoré mestá filtrujú tuhý komunálny odpad technológiou vodíkových palivových článkov, ktorá produkuje vodík a zabraňuje kontaminácii miestnych zdrojov vody z odpadu.

Rôzni výskumníci a vedci vyvíjajú pokročilé technológie využívajúce elektrolýzu morskej vody, aby sa vyhli týmto výzvam. Ak tieto technológie fungujú správne, budú produkovať udržateľný vodík bez využívania sladkovodných zdrojov alebo prispievania k emisiám uhlíka.

Produkty sa predávajú vo všetkých regiónoch Číny a vyvážajú sa do krajín po celom svete. Predávali sa vo viac ako 20 krajinách a regiónoch vrátane Spojených štátov, Nemecka, Maroka, Kene, Saudskej Arábie, Vietnamu, Alžírska, Indie, Tanzánie a Taiwanu. Úspešne poskytli známe podniky, ako sú China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a ďalšie známe podniky. Existuje mnoho staníc na hydrogenáciu zeleného vodíka, ako sú Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming atď., ktoré poskytujú zelené projekty a projekty na výrobu vodíka.