Морска вода Водород

УЧЕНИТЕ разработиха система, която може да произвежда зелен водород директно от морска вода без необходимост от каквито и да било процеси на предварителна обработка като обезсоляване. Екипът зад разработката, която включва въвеждането на киселинен слой на Луис върху катализатор от оксид на преходен метал, казва, че методът показва висок потенциал за търговско приложение.

Над 97% от водата на повърхността на Земята е солена вода в океаните, 2% се съхраняват като прясна вода в ледени шапки, ледници и заснежени планински вериги, а само 1% е наличен за ежедневните ни нужди от вода.

 
Солената вода може да се превърне в питейна вода чрез процес, наречен обезсоляване, техника, на която някои райони по света разчитат, за да произвеждат прясна вода за човешка консумация и за домашна и промишлена употреба. Но обезсоляването е процес, изискващ енергия и още по-лошо, често се захранва от енергийни източници, които са неустойчиви.

Разделянето на водата на нейните съставни части също е добре разбрано. Процесът – известен като електролиза – използва постоянен ток между два електрода, потопени в електролит, за да раздели водата на водород и кислород. Водородът се образува на катода или отрицателния електрод, а кислородът се образува на положителния електрод или анода.

Тъй като сместа от газове може да експлодира, повечето електролизатори разделят анода и катода с дебел, порест пластмасов лист и метални катализатори като никел и желязо се използват за ускоряване на реакциите.

Обединяването на двата процеса, а именно обезсоляването на морската вода и след това разделянето й за създаване на водород, отдавна е приветствано като едно от най-добрите решения за осигуряване на чисто и достъпно гориво за енергия, което от своя страна може да захранва всичко - от електричеството на града до производството на стомана, производство на тор и дори като гориво за самолети – списъкът с потенциални приложения е дълъг.

Въпреки това, една от причините да не използваме водородно гориво, за да летим по света, е, че солената вода и други примеси разяждат електродите, съкращавайки живота им. Тъй като тези компоненти обикновено са направени от редки метали като платина, струва твърде много, за да продължите да ги подменяте. Хлоридните йони в морската вода също са проблем и реакциите на електроокисление на хлор (ClOR) се конкурират с реакцията на отделяне на кислород (OER) на анода по време на електролиза. Тази реакция води до освобождаване на токсични и корозивни видове хлор като хипохлорит. Хипохлоритът е сравнително нестабилен, той може да отдели токсичен хлорен газ, когато се смеси с амоняк или киселина, а също така може да разяде неръждаема стомана.

За да се избегне това, морската вода може да бъде обезсолена и пречистена, преди да се преработи, но това също не винаги е финансово изгодно. Друг вариант е електродите да се покрият с полианиони за потискане на корозията, но това също може да бъде скъпо.

Малко климатични решения идват без недостатъци. „Зеленият“ водород, произведен чрез използване на възобновяема енергия за разделяне на водни молекули, може да захранва тежкотоварни превозни средства и да декарбонизира индустрии като производството на стомана, без да отделя полъх на въглероден диоксид. Но тъй като машините за разделяне на вода или електролизери са проектирани да работят с чиста вода, увеличаването на зеления водород може да влоши глобалния недостиг на прясна вода. Сега няколко изследователски екипа съобщават за напредък в производството на водород директно от морска вода, която може да се превърне в неизчерпаем източник на зелен водород.

Днес почти целият водород се произвежда чрез разграждане на метан, изгаряне на изкопаеми горива за генериране на необходимата топлина и налягане. И двете стъпки освобождават въглероден диоксид. Зеленият водород може да замени този мръсен водород, но в момента струва повече от два пъти повече, приблизително 5 долара за килограм. Това отчасти се дължи на високата цена на електролизаторите, които разчитат на катализатори, направени от благородни метали. Министерството на енергетиката на САЩ наскоро започна продължило десетилетие усилие за подобряване на електролизаторите и намаляване на цената на зеления водород до $1 за килограм.

Ако успеят и производството на екологичен водород рязко нарасне, натискът върху световните запаси от прясна вода може да се увеличи. Генерирането на 1 килограм водород чрез електролиза отнема около 10 килограма вода. Задвижването на камиони и ключови индустрии със зелен водород може да изисква приблизително 25 милиарда кубически метра прясна вода годишно, което се равнява на потреблението на вода в страна с 62 милиона души, според Международната агенция за възобновяема енергия.

Морската вода е почти неограничена, но разделянето й идва със своите проблеми. Електролизерите са изградени много като батерии, с чифт електроди, заобиколени от воднист електролит. В един дизайн катализаторите на катода разделят водните молекули на водородни (Н+) и хидроксилни (ОН-) йони. Излишните електрони в катода свързват двойки водородни йони във водороден газ (H2), който излиза от водата. Междувременно OH- йоните преминават през мембрана между електродите, за да достигнат до анода, където катализаторите свързват кислорода в кислороден газ (O2), който се освобождава.

Когато се използва морска вода обаче, същият електрически удар, който генерира O2 на анода, също превръща хлоридните йони в солената вода в силно корозивен хлорен газ, който разяжда електродите и катализаторите. Това обикновено води до повреда на електролизерите само за часове, когато те могат да работят нормално с години.

Водородът е универсален химикал, използван за производството на много продукти, включително торове. Водородът също е ключов компонент на технологията за горивни клетки, която използва електричеството, произведено от възобновяеми, но непостоянни енергийни източници като слънце и вятър. По-голямата част от водорода, произведен в световен мащаб, се получава от процес, при който метанът се излага на топлина и пара, за да се получи водород.

Водородът може да бъде произведен и от електролиза на вода, която използва електричество, за да раздели водните молекули на водород и кислород, захранвани от възобновяеми източници като слънце и вятър. Но има една уловка. Електролизата изисква много чиста вода, която е дейонизирана, което означава, че всички примеси, минерали и електронно заредени частици трябва първо да бъдат отстранени. Конвенционалните процеси за пречистване на водата изискват скъпо оборудване и могат да доведат до загуба на енергия.

Изследователи от катедрата по екологично здраве и инженерство на университета Джон Хопкинс, в сътрудничество с Penn State University, откриха начин да използват морската вода като директен източник на водород, без необходимост от предварително обезсоляване. Техните резултати се появяват в Environmental Science & Technology.

„Открихме, че можем да използваме тънкослойни композитни мембрани, които се използват за пречистване на солена вода, във водни електролизатори, разделяйки водата на водороден газ и кислород, като същевременно избягваме производството на вреден хлорен газ, което се случва с други типове мембрани.“
В своето проучване Роси и колеги тестваха тънкослойни композитни мембрани директно в електролизера - устройство, което използва електричество, за да раздели водата на водород и кислород - постигайки в една стъпка както пречистване на вода, така и производство на водород. Те откриха, че порестата микроструктура на материала позволява само малки протони и хидроксидни йони да мигрират през мембраната, отхвърляйки примеси и други йони, които могат да предизвикат нежелани реакции. Изследователите казват, че този нов подход може да замени конвенционалните системи, където скъпите йонообменни мембрани се използват в комбинация с ултрачиста вода.

„Евтините мембрани за обезсоляване на вода могат да бъдат алтернатива на по-скъпите мембрани на полимерна основа и могат да се използват за производство на водород от нискокачествени водни източници като морска вода“, каза Роси. „Резултатът е ефективен процес на производство на водород от възобновяеми енергийни източници, който елиминира необходимостта от пречистване на водата.“

Той отбеляза, че морската вода е трудна за използване в електролизери поради високата си соленост. Въпреки това, той е в изобилие и се предлага на места като крайбрежните райони, където може да се генерира възобновяема електроенергия като слънчева и вятърна енергия, но където има малко наличие на прясна вода. На такива места други нискокачествени водни източници, като например отпадъчни води, биха могли потенциално да се използват вместо морска вода в този процес.

Екипът, финансиран от Националната научна фондация на САЩ, интегрира технологията за пречистване на водата в нов доказателствен дизайн за електролизатор на морска вода, който използва електрически ток за разделяне на водорода и кислорода във водните молекули.

Този нов метод за "разделяне на морска вода" може да улесни превръщането на вятърната и слънчевата енергия в съхранявано и преносимо гориво, според Брус Логан, инженер по околна среда.

„Водородът е страхотно гориво, но трябва да го направите“, каза Логан. „Единственият устойчив начин да направите това е да използвате възобновяема енергия и да я произвеждате от вода. Вие също трябва да използвате вода, която хората не искат да използват за други неща, и това ще бъде морска вода. И така, светият граал на производството на водород ще бъде комбинирането на морската вода и вятърната и слънчевата енергия, открити в крайбрежни и офшорни среди."

Въпреки изобилието от морска вода, тя не се използва често за разделяне на вода. Освен ако водата не е обезсолена преди да влезе в електролизера, скъпа допълнителна стъпка, хлоридните йони в морската вода се превръщат в токсичен хлорен газ, който разгражда оборудването и се просмуква в околната среда.

За да предотвратят това, изследователите вмъкнаха тънка, полупропусклива мембрана, първоначално разработена за пречистване на водата в процеса на обработка с обратна осмоза. Мембраната за обратна осмоза замени йонообменната мембрана, която обикновено се използва в електролизарите.
„Идеята зад обратната осмоза е, че оказвате наистина високо налягане върху водата и я избутвате през мембраната и задържате хлоридните йони отзад“, каза Логан.

Чрез поредица от експерименти, публикувани в Energy & Environmental Science, изследователите тестваха две налични в търговската мрежа мембрани за обратна осмоза и две катионобменни мембрани, вид йонообменна мембрана, която позволява движението на всички положително заредени йони в системата.

Чистата енергия е основен приоритет за страните по света. Докато конвенционалната енергия разчита на изкопаеми горива като въглища, природен газ и нефт, чистата енергия се предлага в различни форми като слънчева, вятърна, геотермална, водноелектрическа и биомаса.

Водородът също е водещ вариант за съхранение на енергия за възобновяеми източници и може да помогне за намаляване на високите нива на въглеродни емисии.
Настоящите изследвания показват, че електролизата на солена вода – процесът на разделяне на водата на кислород и водород – е жизнеспособно решение на общите предизвикателства на електролизата на сладка вода. Електролизата на морска вода може да произведе устойчив водород, без да влошава глобалния недостиг на прясна вода.

Според Центъра за данни за алтернативни горива на Министерството на енергетиката на Съединените щати, чистият водород е изобилен елемент на Земята, който показва голямо обещание в подкрепа на прехода към чиста, устойчива и възобновяема енергия.

След като водородът се произведе, той може да генерира електричество в горивна клетка и отделя само водна пара и топъл въздух. Тъй като водородът не отделя никакви парникови газове, азотни оксиди, въглеводороди или други прахови частици, той не влияе отрицателно на околната среда.
Водородът има и други предимства, които ще помогнат за създаването на чиста енергийна икономика. Това е оптимално енергийно решение в типично трудни за декарбонизация области. Повишава надеждността и устойчивостта на съвременната електрическа мрежа. То може също така да подобри общественото здраве и състоянието на околната среда.

Освен това може да увеличи броя на възможностите за заетост и енергийната сигурност в глобалните индустрии. Това може да помогне на транспортната индустрия да стане по-устойчива и да подпомогне преминаването към електрически превозни средства (EV). И може да допринесе за увеличаване на приходите и укрепване на световната икономика.

Едно предизвикателство, повишаващо разходите, свързани с производството на зелен водород, е, че електролизаторите изискват свръхчиста вода. Това затруднява традиционната електролиза на солена вода, тъй като много източници на вода са пълни със замърсители.
Въпреки че EPA има строги изисквания към водата поради наличието на олово, хлор и бактерии, това не означава непременно, че цялата вода е без замърсители.

Електролиза на морска вода
Изследванията за електролиза на морска вода се появяват в началото на 19 век. Въпреки че учените постигнаха напредък в производството на водород, то така и не се превърна в жизнеспособно енергийно решение. През 20-ти век водородът се извлича предимно от природен газ и се използва за захранване на автомобили, автобуси, дирижабли и ракети.

Докато използването на този водород беше осъществимо, производството му беше енергоемко и допринасяше за въглеродни емисии, една от основните причини за изменението на климата. Освен това някои градове филтрират твърдите битови отпадъци с технология за водородни горивни клетки, която произвежда водород и предотвратява замърсяването на местните водоснабдителни системи, получено от отпадъци.

Различни изследователи и учени разработват модерни технологии, използващи електролиза на морска вода, за да избегнат тези предизвикателства. Ако тези технологии работят правилно, те ще произвеждат устойчив водород, без да използват сладководни ресурси или да допринасят за въглеродни емисии.

Продуктите се продават във всички региони на Китай и се изнасят в страни по света. Те са продадени в повече от 20 страни и региони, включително Съединените щати, Германия, Мароко, Кения, Саудитска Арабия, Виетнам, Алжир, Индия, Танзания и Тайван. Успешно предоставени добре известни предприятия като China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group и други добре известни предприятия. Има много станции за хидрогениране на зелен водород и водород като Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming и т.н. осигуряват екологични проекти и проекти за производство на водород.