Wenn wir an die Energieerzeugung auf See denken, stellen wir uns normalerweise riesige Ölplattformen oder vielleicht Reihen hoch aufragender Windturbinen vor. Kürzlich wurden jedoch schwimmende Solarmodule in den Mix aufgenommen, darunter ein Solarpark in der Größe von 160 Fußballfeldern, der im vergangenen Jahr in China in Betrieb genommen wurde.
Jetzt will ein Forscherteam der Columbia University noch einen Schritt weiter gehen. Sie sagen, dass es möglich ist, Sonnenkollektoren auf der Meeresoberfläche zu verwenden, um Geräte anzutreiben, die Wasserstoff aus Meerwasser erzeugen können.
Wasserstoff ist eine saubere Energieform, wird jedoch am häufigsten aus Erdgas in einem Prozess hergestellt, bei dem auch Kohlendioxid freigesetzt wird, ein wichtiger Treiber des Klimawandels. Die Columbia-Wissenschaftler sagen, dass ihr Gerät, das als schwimmender Photovoltaik-Elektrolyseur bezeichnet wird, diese Konsequenz beseitigt, indem stattdessen durch Elektrolyse Sauerstoff und Wasserstoff in Wassermolekülen getrennt und letztere zur Verwendung als Brennstoff gespeichert werden.
Teamleiter Daniel Esposito, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen, weist darauf hin, dass die Verwendung vorhandener kommerzieller Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff ziemlich kostspielig ist. „Wenn Sie handelsübliche Sonnenkollektoren und handelsübliche Elektrolyseure abnehmen und mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten, ist dies drei- bis sechsmal teurer als bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas.“ er sagt.
Er merkt auch an, dass diese Elektrolyseure Membranen benötigen, um die Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle getrennt zu halten, sobald sie getrennt sind. Dies erhöht nicht nur die Kosten, sondern diese Teile neigen dazu, sich schnell abzubauen, wenn sie den Verunreinigungen und Mikroben in Salzwasser ausgesetzt werden.
"Die sichere Demonstration eines Geräts, das eine Elektrolyse ohne Membran durchführen kann, bringt uns der Möglichkeit der Meerwasserelektrolyse einen weiteren Schritt näher", so Jack Davis, Forscher und Hauptautor der Proof-of-Concept-Studie. "Diese Solarkraftstoffgeneratoren sind im Wesentlichen künstliche Photosynthesesysteme, die genau so funktionieren wie Pflanzen bei der Photosynthese, sodass unser Gerät alle Möglichkeiten zur Erzeugung sauberer, erneuerbarer Energie eröffnet."
Zwei Maschenelektroden werden in einem engen Abstand (L) gehalten und erzeugen gleichzeitig H2- und O2-Gase. Die Schlüsselinnovation ist die asymmetrische Anordnung des Katalysators auf den nach außen gerichteten Oberflächen des Netzes, so dass die Erzeugung von Blasen auf diesen Bereich beschränkt ist. Wenn sich die Gasblasen lösen, schwimmen sie durch ihren Auftrieb nach oben in getrennte Sammelkammern. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Sprudeln
Was zeichnet den Elektrolyseur aus?
Das Gerät ist um Elektroden aus Titannetz gebaut, die in Wasser suspendiert und durch einen kleinen Abstand voneinander getrennt sind. Beim Anlegen eines elektrischen Stroms spalten sich die Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle auf, wobei sich erstere auf der positiv geladenen Elektrode und letztere auf der negativ geladenen Gasblase entwickeln.
Es ist wichtig, diese verschiedenen Gasblasen getrennt zu halten, und der Columbia-Elektrolyseur trägt dazu einen Katalysator auf nur eine Seite jeder Netzkomponente auf - die Oberfläche, die am weitesten von der anderen Elektrode entfernt ist. Wenn die Blasen größer werden und sich vom Netz lösen, schweben sie an den Außenkanten jeder Elektrode nach oben, anstatt sich im Zwischenraum zu vermischen.
Die Wissenschaftler haben nicht nur auf teure Membranen verzichtet, sondern mussten auch nicht die mechanischen Pumpen einbauen, mit denen einige Modelle Flüssigkeiten bewegen. Stattdessen ist ihr Gerät auf Auftrieb angewiesen, um die Wasserstoffblasen in eine Speicherkammer zu befördern. Im Labor konnte mit dem Verfahren Wasserstoffgas mit einer Reinheit von 99 Prozent erzeugt werden.
Alexander Orlov, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Chemieingenieurwesen an der Stony Brook University in New York, stimmt zu, dass die Entfernung von Membranen eine "wesentliche" Entwicklung darstellt. "Die Membranen sind Schwachstellen in der Technologie", sagt er. "Es gibt einige ausgefeiltere Lösungen, aber der Ansatz von Esposito ist äußerst einfach und recht praktisch. Er wurde in sehr aussagekräftigen Publikationen veröffentlicht und von Fachleuten begutachtet. Trotz seiner Einfachheit sind Wissenschaft und Neuheit solide."
Groß denken
Esposito und Davis erkennen sofort, dass es ein großer Schritt vom kleinen Modell, das in ihrem Labor getestet wurde, zu einer massiven Struktur ist, die das Konzept wirtschaftlich machen könnte. Es kann erforderlich sein, Hunderttausende angeschlossener Elektrolyseure zu umfassen, um eine ausreichende Menge an Wasserstoffbrennstoff aus dem Meer zu erzeugen.
Laut Esposito könnte es sogar notwendig sein, einige Designänderungen vorzunehmen, wenn das Projekt skaliert und modularer wird, sodass viele Teile zusammenpassen können, um einen großen Bereich abzudecken. Außerdem stehen sie vor der Herausforderung, Materialien zu finden, die im Salzwasser lange überleben können.
Beide sind jedoch der Ansicht, dass ihr Ansatz die Energieversorgung des Landes in bedeutender Weise beeinflussen kann. Wasserstoff wird beispielsweise in der chemischen Industrie bereits häufig zur Herstellung von Ammoniak und Methanol verwendet. Die Nachfrage wird voraussichtlich weiter steigen, da sich immer mehr Autohersteller für Autos mit Wasserstoff-Brennstoffzellen engagieren.
(Links) Foto des Prototyps eines eigenständigen PV-Elektrolyseurs, der in einem flüssigen Schwefelsäurereservoir schwimmt. Auf dem "Mini Rig" platzierte Photovoltaikzellen wandeln Licht in Strom um, mit dem der untergetauchte membranlose Elektrolyseur betrieben wird. (Rechts) Eine Darstellung einer hypothetischen Großanlage für Solartreibstoffe, die auf offener See betrieben wird. ((Links) Jack Davis und (rechts) Justin Bui / Columbia Engineering) Ihre langfristige Vision ist es, riesige „Solarkraftstoffbohrinseln“ im Meer zu schwimmen, und Esposito hat sogar geschätzt, wie viel kumulierte Fläche sie benötigen würden, um genug Wasserstoffkraftstoff zu erzeugen, um das gesamte auf dem Planeten verwendete Öl zu ersetzen . Seine Berechnung: 63.000 Quadratmeilen oder eine Fläche, die etwas kleiner ist als der Bundesstaat Florida. Das klingt nach viel Ozean, aber er weist darauf hin, dass die Gesamtfläche etwa 0, 045 Prozent der Wasseroberfläche der Erde bedecken würde.
Es ist eine Art „Pie-in-the-Sky“ -Projektion, aber Esposito hat auch über die realen Herausforderungen nachgedacht, denen sich ein schwimmender Energieerzeugungsbetrieb gegenübersieht, der nicht an den Meeresboden gebunden ist. Für den Anfang gibt es große Wellen.
"Natürlich müssen wir die Infrastruktur für dieses Rig so auslegen, dass es stürmischen Meeren standhält", sagt er. „Das würdest du berücksichtigen, wenn du darüber nachdenkst, wo sich ein Rig befindet.“
Und vielleicht könnten sich diese Bohrinseln aus dem Weg räumen, fügt er hinzu.
„Es besteht die Möglichkeit, dass ein solches Rig mobil ist. Etwas, das sich vielleicht ausdehnen und dann zusammenziehen könnte. Es würde sich wahrscheinlich nicht schnell bewegen können, aber es könnte einem Sturm aus dem Weg gehen.
"Das wäre wirklich wertvoll", sagt er.
