Med nedgangen i prisen på fornybar energi er det en økende interesse for å finne måter å spare den på økonomisk. Batterier kan håndtere kortsiktige støt i produksjonen, men kan kanskje ikke håndtere langsiktige knappheter eller sesongmessige endringer i elektrisitetsproduksjonen. Hydrogen er ett av flere alternativer under vurdering som har potensial til å fungere som en langsiktig bro mellom perioder med høy fornybar energiproduktivitet.
Men hydrogen har sine egne problemer. Å skaffe det ved å splitte vann er ganske lite effektivt fra et energisynspunkt, og det kan være vanskelig å lagre det i lange perioder. De fleste hydrogenproduserende katalysatorer fungerer også best med rent vann – ikke nødvendigvis den typen som er lett tilgjengelig, ettersom klimaendringer øker intensiteten av tørke.
En gruppe forskere i Kina har utviklet en enhet som kan produsere hydrogen fra sjøvann – faktisk må den være i sjøvann for at enheten skal fungere. Nøkkelkonseptet bak arbeidet hans vil være kjent for alle som forstår hvordan de fleste vanntette klær fungerer.
Vanntette, pustende klær er avhengig av en membran med nøye strukturerte porer. Membranen er laget av materiale som avviser vann. Den har porer, men de er for små til å slippe flytende vann gjennom. Men de er store nok til at individuelle vannmolekyler kan passere gjennom dem. Som et resultat blir alt vann på utsiden av plagget der, men all svette på innsiden som fordamper vil fortsatt strømme gjennom stoffet og ta seg til omverdenen. Som et resultat puster stoffet.
En slik membran er sentral for funksjonen til den nye enheten. Det passerer ikke flytende vann gjennom membranen, men det passerer vanndamp. Den store forskjellen er at det flytende vannet er på begge sider av membranen.
Utenfor - sjøvann med et standard sett med salter. Inni er en konsentrert løsning av et enkelt salt - i dette tilfellet kaliumhydroksid (KOH) - som er forenlig med elektrolyseprosessen som produserer hydrogen. Nedsenket i KOH-løsningen er et sett med elektroder som produserer hydrogen og oksygen på begge sider av separatoren, og holder gasstrømmene rene.
Hva skjer etter at utstyret begynner å fungere? Når vannet inne i enheten deler seg for å produsere hydrogen og oksygen, øker det reduserte vannnivået konsentrasjonen av den kaustiske saltløsningen (som opprinnelig var mye mer konsentrert enn sjøvann). Dette gjør det energieffektivt å flytte vann gjennom sjøvannsmembranen for å fortynne KOH. Og takket være porene er dette mulig, men bare hvis vannet beveger seg i form av damp.
Som et resultat, mens det er inne i membranen, forblir vannet i en damptilstand i kort tid, og blir deretter raskt til en væske så snart det kommer inn i enheten. All den komplekse blandingen av salter som finnes i sjøvann forblir utenfor membranen, og en konstant strøm av ferskvann tilføres elektrodene som deler den. Viktigere er at alt dette skjer uten å bruke energien som vanligvis brukes i avsalting, noe som gjør den totale prosessen mer energieffektiv enn å behandle vann for bruk i en standard elektrolysør.
I prinsippet høres alt dette bra ut, men fungerer det egentlig? For å finne ut av det, satte teamet sammen enheten og testet den i sjøvannet i Shenzhen Bay (en bukt nord for Hong Kong og Macau). Og med nesten alle rimelige mål, presterte det bra.
Den opprettholdt ytelsen selv etter 3200 timers bruk, og elektronmikroskopi av membranen etter bruk viste at porene forble ublokkerte på dette stadiet. KOH-en som ble brukt til systemet var ikke helt ren, så den inneholdt lave nivåer av ioner funnet i sjøvann. Men disse nivåene økte ikke over tid, noe som bekrefter at systemet ikke tillot sjøvann å komme inn i elektrolysekammeret. Når det gjelder energiforbruk, brukte systemet omtrent det samme som en standard elektrolysør, noe som bekrefter at vannbehandlingen ikke krevde noe energiforbruk.
KOH-løsningen var også selvbalanserende, med vanndiffusjon inn i enheten som bremset ned hvis dens indre løsning ble for fortynnet. Hvis det blir for konsentrert, synker elektrolysens effektivitet, slik at fjerningen av vann bremses.
Forfatterne anslår at enheten deres kan fungere under sjøvannstrykk på dybder på opptil 75 m. Temperaturen på disse dybdene kan imidlertid være begrensende, siden vanndiffusjonshastigheten gjennom membranen er seks ganger høyere ved 30°C enn ved 0 °C.
Selv med alle disse gode nyhetene, er det muligheter for å forbedre ytelsen. Ulike andre salter enn KOH er fine, og noen kan fungere bedre. Forskerne fant også at inkorporering av KOH i hydrogelen rundt elektrodene økte hydrogenproduksjonen. Til slutt er det mulig at endring av materialet eller strukturen til elektrodene som brukes i vannsplitting kan fremskynde prosessen ytterligere.
Til slutt foreslo teamet at det kan være nyttig for mer enn bare hydrogenproduksjon. I stedet for sjøvann senket de en av enhetene i en fortynnet løsning av litium og fant ut at etter 200 timers drift økte konsentrasjonen av litium mer enn 40 ganger på grunn av at vannet kom inn i enheten. Det er mange andre sammenhenger, som behandling av forurenset vann, hvor denne konsentrasjonsevnen kan være nyttig.
Dette løser ikke alle problemene knyttet til bruk av hydrogen som energilager. Men det har absolutt potensialet til å tillate oss å krysse "behovet for rent vann" av listen over disse problemene.
Du kan hjelpe Ukraina med å kjempe mot de russiske inntrengerne, den beste måten å gjøre dette på er å donere midler til Ukrainas væpnede styrker gjennom Redd livet eller via den offisielle siden NBU.
Også interessant: