Sjøvann Hydrogen

FORSKERE har utviklet et system som kan produsere grønt hydrogen direkte fra sjøvann uten behov for noen forbehandlingsprosesser som avsalting. Teamet bak utviklingen, som innebærer introduksjon av et Lewis-syrelag på en overgangsmetalloksidkatalysator, sier at metoden viser et stort potensiale for kommersiell bruk.

Over 97 % av vannet på jordens overflate er saltvann i havene, 2 % er lagret som ferskvann i iskapper, isbreer og snødekte fjellkjeder, og bare 1 % er tilgjengelig for våre daglige vannforsyningsbehov.

 
Saltvann kan gjøres til drikkevann gjennom en prosess som kalles avsalting, en teknikk som enkelte områder rundt om i verden er avhengige av for å produsere ferskvann til konsum og til husholdnings- og industribruk. Men avsalting er en energikrevende prosess, og enda verre er den ofte drevet av energikilder som er uholdbare.

Å dele vann i dets bestanddeler er også godt forstått. Prosessen – kjent som elektrolyse – bruker en likestrøm mellom to elektroder nedsenket i en elektrolytt for å splitte vann til hydrogen og oksygen. Hydrogen dannes ved katoden, eller den negative elektroden, og oksygen ved den positive elektroden, eller anoden.

Fordi en blanding av gassene kan eksplodere, skiller de fleste elektrolysører anoden og katoden med et tykt, porøst plastark, og metallkatalysatorer som nikkel og jern brukes til å fremskynde reaksjonene.

Å sette sammen begge disse prosessene, nemlig avsalting av sjøvann, og deretter splitte det for å lage hydrogen har lenge vært hyllet som en av de beste løsningene for å gi rent og rimelig drivstoff til energi, som igjen kan drive alt fra en bys elektrisitet til å lage stål, produsere gjødsel, og til og med som drivstoff for fly – listen over potensielle bruksområder er lang.

En av grunnene til at vi ikke allerede bruker hydrogendrivstoff til å fly rundt i verden, er at saltvann og andre urenheter korroderer elektrodene, og forkorter deres levetid. Siden disse komponentene vanligvis er laget av sjeldne metaller som platina, koster det for mye å fortsette å erstatte dem. Kloridioner i sjøvann er også et problem, og klorelektrooksidasjonsreaksjoner (ClOR) konkurrerer med oksygenutviklingsreaksjon (OER) på anoden under elektrolyse. Denne reaksjonen resulterer i frigjøring av giftige og etsende klorarter som hypokloritt. Hypokloritt er relativt ustabilt, det kan frigjøre giftig klorgass når det blandes med ammoniakk eller syre, og det kan også spise unna rustfritt stål.

For å komme rundt dette kunne sjøvannet avsaltes og renses før det behandles, men dette er heller ikke alltid økonomisk forsvarlig. Et annet alternativ er å belegge elektrodene med polyanioner for å undertrykke korrosjon, men også dette kan være kostbart.

Få klimaløsninger kommer uten ulemper. "Grønt" hydrogen, laget ved å bruke fornybar energi til å splitte vannmolekyler, kan drive tunge kjøretøy og avkarbonisere industrier som stålproduksjon uten å spy ut en eim av karbondioksid. Men fordi vannspaltemaskinene, eller elektrolysatorene, er designet for å fungere med rent vann, kan oppskalering av grønt hydrogen forverre global ferskvannsmangel. Nå rapporterer flere forskerteam fremskritt i å produsere hydrogen direkte fra sjøvann, som kan bli en uuttømmelig kilde til grønt hydrogen.

I dag lages nesten alt hydrogen ved å bryte fra metan, brenne fossilt brensel for å generere nødvendig varme og trykk. Begge trinn frigjør karbondioksid. Grønt hydrogen kan erstatte dette skitne hydrogenet, men for øyeblikket koster det mer enn dobbelt så mye, omtrent 5 dollar per kilo. Det er delvis på grunn av de høye kostnadene for elektrolysatorer, som er avhengige av katalysatorer laget av edle metaller. Det amerikanske energidepartementet lanserte nylig en tiår lang innsats for å forbedre elektrolysatorer og bringe kostnadene for grønt hydrogen ned til $1 per kilo.

Hvis de lykkes og grønn hydrogenproduksjon skyter i været, kan presset bygge på verdens ferskvannsforsyninger. Å generere 1 kilo hydrogen ved hjelp av elektrolyse tar rundt 10 kilo vann. Å kjøre lastebiler og nøkkelindustrier på grønt hydrogen kan kreve omtrent 25 milliarder kubikkmeter ferskvann i året, tilsvarende vannforbruket til et land med 62 millioner mennesker, ifølge International Renewable Energy Agency.

Sjøvann er nesten ubegrenset, men å dele det kommer med sine egne problemer. Elektrolysatorer er bygget omtrent som batterier, med et par elektroder omgitt av en vannholdig elektrolytt. I ett design deler katalysatorer ved katoden vannmolekyler i hydrogen (H+) og hydroksylioner (OH-). Overskytende elektroner ved katoden syr par av hydrogenioner til hydrogengass (H2), som bobler ut av vannet. OH-ionene beveger seg i mellomtiden gjennom en membran mellom elektrodene for å nå anoden, hvor katalysatorer binder oksygenet til oksygengass (O2) som frigjøres.

Når sjøvann brukes, omdanner imidlertid det samme elektriske støtet som genererer O2 ved anoden også kloridionene i saltvann til sterkt etsende klorgass, som tærer på elektrodene og katalysatorene. Dette fører vanligvis til at elektrolysatorer svikter på bare timer når de normalt kan fungere i årevis.

Hydrogen er et allsidig kjemikalie som brukes til produksjon av mange produkter, inkludert gjødsel. Hydrogen er også en nøkkelkomponent i brenselcelleteknologi, som utnytter elektrisiteten produsert av fornybare, men intermitterende energikilder som sol og vind. Mesteparten av hydrogenet som produseres over hele verden kommer fra en prosess der metan utsettes for varme og damp for å gi hydrogen.

Hydrogen kan også produseres fra elektrolyse av vann, som bruker elektrisitet til å splitte vannmolekyler til hydrogen og oksygen drevet av fornybare kilder som sol og vind. Men det er en hake. Elektrolyse krever veldig rent vann som er avionisert, noe som betyr at alle urenheter, mineraler og elektronisk ladede partikler først må fjernes. Konvensjonelle vannrenseprosesser krever dyrt utstyr og kan føre til energitap.

Forskere ved Johns Hopkins Universitys avdeling for miljøhelse og ingeniørvitenskap, i samarbeid med Penn State University, har funnet en måte å bruke sjøvann som en direkte kilde til hydrogen, uten behov for foreløpig avsalting. Resultatene deres vises i Environmental Science & Technology.

"Vi fant ut at vi kan bruke tynnfilmskomposittmembraner, som brukes til å rense saltvann, i vannelektrolysatorer, spalte vannet i hydrogengass og oksygen, samtidig som vi unngår å produsere skadelig klorgass, som skjer med andre membrantyper."
I studien deres testet Rossi og kolleger tynnfilmskomposittmembraner direkte i elektrolysatoren - en enhet som bruker elektrisitet til å dele vann til hydrogen og oksygen - og oppnår i ett enkelt trinn både vannrensing og hydrogenproduksjon. De fant at materialets porøse mikrostruktur tillot bare små protoner og hydroksidioner å migrere over membranen, og avviste urenheter og andre ioner som kan produsere uønskede reaksjoner. Forskerne sier at denne nye tilnærmingen kan erstatte konvensjonelle systemer, der dyre ionebyttermembraner brukes i kombinasjon med ultrarent vann.

"Billige vannavsaltningsmembraner kan være et alternativ til dyrere polymerbaserte membraner og kan brukes til hydrogenproduksjon fra lavverdige vannkilder som sjøvann," sa Rossi. "Resultatet er en effektiv hydrogenproduksjonsprosess fra fornybare energikilder som eliminerer behovet for vannrensing."

Han bemerket at sjøvann er utfordrende å bruke i elektrolysatorer på grunn av dets høye saltholdighet. Imidlertid er det rikelig og tilgjengelig på steder som kystområder, der fornybar elektrisitet som sol og vind kan genereres, men hvor det er lav tilgang på ferskvann. På slike steder kan andre lavverdige vannkilder som avløpsvann potensielt brukes i stedet for sjøvann i denne prosessen.

Det amerikanske National Science Foundation-finansierte teamet integrerte vannrensingsteknologi i en ny proof-of-concept-design for en sjøvannselektrolysator, som bruker en elektrisk strøm til å splitte fra hverandre hydrogen og oksygen i vannmolekyler.

Denne nye metoden for "sjøvannsdeling" kan gjøre det lettere å gjøre vind- og solenergi om til et lagringsbart og bærbart drivstoff, ifølge Bruce Logan, en miljøingeniør.

"Hydrogen er et flott drivstoff, men du må klare det," sa Logan. "Den eneste bærekraftige måten å gjøre det på er å bruke fornybar energi og produsere den fra vann. Du må også bruke vann som folk ikke vil bruke til andre ting, og det ville være sjøvann. Så, den hellige gral med å produsere hydrogen ville være å kombinere sjøvannet og vind- og solenergien som finnes i kyst- og offshoremiljøer."

Til tross for overflod av sjøvann, er det ikke ofte brukt til vannsplitting. Med mindre vannet avsaltes før det går inn i elektrolysatoren, et kostbart ekstra trinn, blir kloridionene i sjøvannet til giftig klorgass, som bryter ned utstyret og siver ut i miljøet.

For å forhindre dette, satte forskerne inn en tynn, semipermeabel membran, opprinnelig utviklet for å rense vann i behandlingsprosessen for omvendt osmose. Omvendt osmosemembranen erstattet ionebyttermembranen som vanligvis brukes i elektrolysatorer.
"Ideen bak omvendt osmose er at du legger veldig høyt trykk på vannet og skyver det gjennom membranen og holder kloridionene bak," sa Logan.

Gjennom en serie eksperimenter publisert i Energy & Environmental Science testet forskerne to kommersielt tilgjengelige omvendt osmosemembraner og to kationbyttermembraner, en type ionebyttermembran som tillater bevegelse av alle positivt ladede ioner i systemet.

Ren energi er en toppprioritet for land over hele verden. Mens konvensjonell kraft er avhengig av fossilt brensel som kull, naturgass og olje, kommer ren energi i ulike former som sol, vind, geotermisk energi, vannkraft og biomasse.

Hydrogen er også et ledende alternativ for energilagring for fornybar energi og kan bidra til å redusere de høye nivåene av karbonutslipp.
Nåværende forskning tyder på at saltvannselektrolyse - prosessen med å splitte vann til oksygen og hydrogen - er en levedyktig løsning på de vanlige utfordringene med ferskvannselektrolyse. Sjøvannelektrolyse kan produsere bærekraftig hydrogen uten å forverre den globale ferskvannsmangelen.

I følge United States Department of Energy Alternative Fuel Data Center er rent hydrogen et rikelig element på jorden som viser stort løfte for å støtte overgangen til ren, bærekraftig og fornybar energi.

Etter at hydrogen er produsert, kan det generere elektrisitet i en brenselcelle og avgir kun vanndamp og varm luft. Fordi hydrogen ikke frigjør drivhusgasser, nitrogenoksider, hydrokarboner eller andre partikler, påvirker det ikke miljøet negativt.
Hydrogen har andre fordeler som vil bidra til å skape en ren energiøkonomi. Det er en optimal energiløsning i typisk utfordrende områder å avkarbonisere. Det øker påliteligheten og motstandskraften til det moderne strømnettet. Det kan også forbedre folkehelsen og miljøtilstanden.

I tillegg kan det øke antall sysselsettingsmuligheter og energisikkerhet i globale industrier. Det kan hjelpe transportindustrien til å bli mer bærekraftig og støtte overgangen til elektriske kjøretøy (EV). Og det kan bidra til økte inntekter og styrker verdensøkonomien.

En utfordring med å øke kostnadene forbundet med å produsere grønt hydrogen er at elektrolysatorer krever ultrarent vann. Dette gjør tradisjonell saltvannselektrolyse vanskelig fordi mange vannkilder er fylt med forurensninger.
Selv om EPA har strenge krav til vann på grunn av tilstedeværelsen av bly, klor og bakterier, betyr det ikke nødvendigvis at alt vann er fritt for forurensninger.

Sjøvannelektrolyse
Sjøvannelektrolyseforskning dukket opp på begynnelsen av 1800-tallet. Selv om forskere gjorde fremskritt innen hydrogenproduksjon, fikk den aldri trekkraft eller ble en levedyktig energiløsning. På 1900-tallet ble hydrogen for det meste utvunnet fra naturgass og brukt til å drive biler, busser, luftlofter og raketter.

Selv om det var mulig å bruke dette hydrogenet, var produksjonen energikrevende og bidro til karbonutslipp, en av hovedårsakene til klimaendringer. I tillegg filtrerer noen byer kommunalt fast avfall med hydrogenbrenselcelleteknologi, som produserer hydrogen og forhindrer avfallsavledet forurensning i lokale vannforsyninger.

Ulike forskere og vitenskapsmenn utvikler avanserte teknologier ved bruk av sjøvannelektrolyse for å unngå disse utfordringene. Hvis disse teknologiene fungerer som de skal, vil de produsere bærekraftig hydrogen uten å bruke ferskvannsressurser eller bidra til karbonutslipp.

Produktene selges i alle regioner i Kina og eksporteres til land over hele verden. De har blitt solgt i mer enn 20 land og regioner, inkludert USA, Tyskland, Marokko, Kenya, Saudi-Arabia, Vietnam, Algerie, India, Tanzania og Taiwan. Vellykket levert velkjente virksomheter som China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group og andre kjente virksomheter. Det er mange grønne hydrogenhydrogeneringsstasjoner som Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. gir grønne og hydrogenproduserende prosjekter.