Vodik iz morske vode

ZNANSTVENICI su razvili sustav koji može proizvesti zeleni vodik izravno iz morske vode bez potrebe za bilo kakvim procesima prethodne obrade poput desalinizacije. Tim koji stoji iza razvoja, koji uključuje uvođenje sloja Lewisove kiseline na katalizator oksid prijelaznog metala, kaže da metoda pokazuje veliki potencijal za komercijalnu primjenu.

Više od 97% vode na Zemljinoj površini je slana voda u oceanima, 2% je pohranjeno kao slatka voda u ledenim kapama, ledenjacima i snijegom prekrivenim planinskim lancima, a samo 1% je dostupno za naše dnevne potrebe za opskrbom vodom.

 
Slana voda može se pretvoriti u pitku vodu procesom koji se naziva desalinizacija, tehnikom na koju se oslanjaju neka područja diljem svijeta za proizvodnju svježe vode za ljudsku potrošnju te za kućnu i industrijsku upotrebu. Ali desalinizacija je proces koji zahtijeva energiju, a što je još gore, često se pokreće iz izvora energije koji su neodrživi.

Rastavljanje vode na sastavne dijelove također je dobro poznato. Proces – poznat kao elektroliza – koristi istosmjernu struju između dvije elektrode uronjene u elektrolit za razdvajanje vode na vodik i kisik. Na katodi, odnosno negativnoj elektrodi, nastaje vodik, a na pozitivnoj elektrodi, odnosno anodi, kisik.

Budući da mješavina plinova može eksplodirati, većina elektrolizera odvaja anodu i katodu debelom, poroznom plastičnom folijom, a metalni katalizatori poput nikla i željeza koriste se za ubrzavanje reakcija.

Spajanje oba ova procesa zajedno, naime desalinizacija morske vode, a zatim njezino razdvajanje za stvaranje vodika, dugo je hvaljeno kao jedno od najboljih rješenja za dobivanje čistog i pristupačnog goriva za energiju, koje bi zauzvrat moglo pokretati sve, od gradske električne energije do proizvodnje čelika, proizvodnju gnojiva, pa čak i kao gorivo za zrakoplove – popis potencijalnih upotreba je dugačak.

Međutim, jedan od razloga zašto već ne koristimo vodikovo gorivo za let oko svijeta je taj što slana voda i druge nečistoće nagrizaju elektrode, skraćujući im vijek trajanja. Budući da su te komponente obično izrađene od rijetkih metala kao što je platina, njihova je zamjena previše koštala. Kloridni ioni u morskoj vodi također predstavljaju problem, a reakcije elektrooksidacije klora (ClOR) natječu se s reakcijom oslobađanja kisika (OER) na anodi tijekom elektrolize. Ova reakcija rezultira oslobađanjem toksičnih i korozivnih vrsta klora kao što je hipoklorit. Hipoklorit je relativno nestabilan, može otpustiti otrovni plin klora kada se pomiješa s amonijakom ili kiselinom, a također može izjesti nehrđajući čelik.

Kako bi se to zaobišlo, morska bi se voda mogla desalinizirati i pročistiti prije obrade, ali ni to nije uvijek financijski isplativo. Druga je mogućnost premazati elektrode polianionima kako bi se spriječila korozija, ali i to može biti skupo.

Malo klimatskih rješenja dolazi bez nedostataka. "Zeleni" vodik, proizveden korištenjem obnovljive energije za cijepanje molekula vode, mogao bi pokretati teška vozila i dekarbonizirati industrije kao što je proizvodnja čelika bez izbacivanja daška ugljičnog dioksida. No budući da su strojevi za razdvajanje vode ili elektrolizeri dizajnirani za rad s čistom vodom, povećanje količine zelenog vodika moglo bi pogoršati globalnu nestašicu slatke vode. Sada nekoliko istraživačkih timova izvještava o napretku u proizvodnji vodika izravno iz morske vode, koja bi mogla postati neiscrpan izvor zelenog vodika.

Danas se gotovo sav vodik proizvodi razgradnjom metana, izgaranjem fosilnih goriva za stvaranje potrebne topline i pritiska. Oba koraka oslobađaju ugljični dioksid. Zeleni bi vodik mogao zamijeniti ovaj prljavi vodik, ali trenutačno košta više nego dvostruko više, otprilike 5 dolara po kilogramu. To je djelomično zbog visoke cijene elektrolizatora koji se oslanjaju na katalizatore izrađene od plemenitih metala. Ministarstvo energetike SAD-a nedavno je pokrenulo desetogodišnji napor da poboljša elektrolizere i smanji cijenu zelenog vodika na 1 USD po kilogramu.

Ako uspiju i proizvodnja zelenog vodika naglo poraste, pritisak bi mogao porasti na svjetske zalihe slatke vode. Za proizvodnju 1 kilograma vodika elektrolizom potrebno je oko 10 kilograma vode. Za rad kamiona i ključnih industrija na zelenom vodiku moglo bi biti potrebno otprilike 25 milijardi kubičnih metara svježe vode godišnje, što je ekvivalentno potrošnji vode u zemlji sa 62 milijuna ljudi, prema Međunarodnoj agenciji za obnovljivu energiju.

Morska voda je gotovo neograničena, ali njezino razdvajanje dolazi sa svojim problemima. Elektrolizatori su građeni poput baterija, s parom elektroda okruženih vodenastim elektrolitom. U jednom dizajnu, katalizatori na katodi cijepaju molekule vode na vodikove (H+) i hidroksilne (OH-) ione. Višak elektrona na katodi spaja parove vodikovih iona u vodikov plin (H2), koji mjehuri iz vode. OH- ioni, u međuvremenu, putuju kroz membranu između elektroda kako bi došli do anode, gdje katalizatori spajaju kisik u plinoviti kisik (O2) koji se oslobađa.

Međutim, kada se koristi morska voda, isti električni udar koji generira O2 na anodi također pretvara kloridne ione u slanoj vodi u visoko korozivni plin klor, koji nagriza elektrode i katalizatore. To obično uzrokuje kvar elektrolizatora za samo nekoliko sati, iako mogu normalno raditi godinama.

Vodik je svestrana kemikalija koja se koristi za proizvodnju mnogih proizvoda, uključujući gnojiva. Vodik je također ključna komponenta tehnologije gorivih ćelija, koja koristi električnu energiju proizvedenu iz obnovljivih, ali povremenih izvora energije poput sunca i vjetra. Većina vodika proizvedenog diljem svijeta potječe iz procesa u kojem se metan izlaže toplini i pari da bi se dobio vodik.

Vodik se također može proizvesti elektrolizom vode, koja koristi električnu energiju za razdvajanje molekula vode na vodik i kisik koji se napajaju iz obnovljivih izvora kao što su sunce i vjetar. Ali postoji caka. Za elektrolizu je potrebna vrlo čista voda koja je deionizirana, što znači da se prvo moraju ukloniti sve nečistoće, minerali i elektronički nabijene čestice. Konvencionalni procesi pročišćavanja vode zahtijevaju skupu opremu i mogu dovesti do gubitka energije.

Istraživači na Odsjeku za zdravlje okoliša i inženjerstvo Sveučilišta Johns Hopkins, u suradnji sa Sveučilištem Penn State, pronašli su način korištenja morske vode kao izravnog izvora vodika, bez potrebe za prethodnom desalinizacijom. Njihovi se rezultati pojavljuju u časopisu Environmental Science & Technology.

"Otkrili smo da možemo koristiti kompozitne membrane s tankim filmom, koje se koriste za pročišćavanje slane vode, u elektrolizerima vode, razdvajajući vodu na vodik i kisik, dok izbjegavamo proizvodnju štetnog plina klora, što se događa s drugim vrstama membrana."
U svojoj studiji, Rossi i kolege testirali su kompozitne membrane tankog filma izravno u elektrolizeru - uređaju koji koristi električnu energiju za razdvajanje vode na vodik i kisik - postižući u jednom koraku i pročišćavanje vode i proizvodnju vodika. Otkrili su da porozna mikrostruktura materijala dopušta samo malim protonima i hidroksidnim ionima da migriraju kroz membranu, odbijajući nečistoće i druge ione koji mogu proizvesti neželjene reakcije. Istraživači kažu da bi ovaj novi pristup mogao zamijeniti konvencionalne sustave, gdje se skupe membrane za ionsku izmjenu koriste u kombinaciji s izvorima ultračiste vode.

"Jeftine membrane za desalinizaciju vode mogu biti alternativa skupljim membranama na bazi polimera i mogu se koristiti za proizvodnju vodika iz izvora vode niske kvalitete poput morske vode", rekao je Rossi. "Rezultat je učinkovit proces proizvodnje vodika iz obnovljivih izvora energije koji eliminira potrebu za pročišćavanjem vode."

Napomenuo je da je morsku vodu teško koristiti u elektrolizerima zbog njezine visoke slanosti. Međutim, ima ga u izobilju i dostupan je na lokacijama kao što su obalna područja, gdje se može proizvesti obnovljiva električna energija poput sunca i vjetra, ali gdje postoji slaba dostupnost slatke vode. Na takvim lokacijama bi se umjesto morske vode u ovom procesu potencijalno mogli koristiti drugi izvori vode niskog stupnja kakvoće, poput otpadnih voda.

Tim koji financira Nacionalna znanstvena zaklada SAD-a integrirao je tehnologiju pročišćavanja vode u novi dokaz koncepta dizajna za elektrolizator morske vode, koji koristi električnu struju za razdvajanje vodika i kisika u molekulama vode.

Ova nova metoda za "cijepanje morske vode" mogla bi olakšati pretvaranje energije vjetra i sunca u gorivo koje se može pohraniti i prenositi, prema Bruceu Loganu, inženjeru zaštite okoliša.

"Vodik je odlično gorivo, ali morate ga proizvesti", rekao je Logan. "Jedini održivi način za to je koristiti obnovljivu energiju i proizvoditi je iz vode. Također morate koristiti vodu koju ljudi ne žele koristiti za druge stvari, a to bi bila morska voda. Dakle, sveti gral proizvodnje vodika bilo bi kombinirati morsku vodu, vjetar i sunčevu energiju koja se nalazi u priobalnom i pučinskom okruženju."

Unatoč obilju morske vode, ne koristi se često za cijepanje vode. Osim ako se voda desalinizira prije ulaska u elektrolizer, što je skupi dodatni korak, kloridni ioni u morskoj vodi pretvaraju se u otrovni plin klor, koji degradira opremu i curi u okoliš.

Kako bi to spriječili, istraživači su umetnuli tanku, polupropusnu membranu, izvorno razvijenu za pročišćavanje vode u procesu obrade reverznom osmozom. Membrana za reverznu osmozu zamijenila je membranu za ionsku izmjenu koja se obično koristi u elektrolizerima.
"Ideja koja stoji iza obrnute osmoze je da stavite jako visok pritisak na vodu i gurnete je kroz membranu i zadržite kloridne ione", rekao je Logan.

Kroz niz eksperimenata objavljenih u časopisu Energy & Environmental Science, istraživači su testirali dvije komercijalno dostupne membrane za reverznu osmozu i dvije kationske izmjenjivačke membrane, vrstu membrane za ionsku izmjenu koja omogućuje kretanje svih pozitivno nabijenih iona u sustavu.

Čista energija je glavni prioritet za zemlje širom svijeta. Dok se konvencionalna energija oslanja na fosilna goriva poput ugljena, prirodnog plina i nafte, čista energija dolazi u različitim oblicima kao što su solarna energija, energija vjetra, geotermalna energija, hidroelektrana i biomasa.

Vodik je također vodeća opcija za skladištenje energije za obnovljive izvore energije i mogao bi pomoći u smanjenju visokih razina emisije ugljika.
Trenutna istraživanja sugeriraju da je elektroliza slane vode – proces razdvajanja vode na kisik i vodik – održivo rješenje za uobičajene izazove elektrolize slatke vode. Elektrolizom morske vode mogao bi se proizvesti održivi vodik bez pogoršanja globalne nestašice slatke vode.

Prema Centru za podatke o alternativnim gorivima Ministarstva energetike Sjedinjenih Američkih Država, čisti vodik je element u izobilju na Zemlji koji pokazuje veliko obećanje u podržavanju prijelaza na čistu, održivu i obnovljivu energiju.

Nakon što je vodik proizveden, on može generirati električnu energiju u gorivnoj ćeliji i ispušta samo vodenu paru i topli zrak. Budući da vodik ne ispušta stakleničke plinove, dušikove okside, ugljikovodike ili druge čestice, ne utječe negativno na okoliš.
Vodik ima i druge prednosti koje će pomoći u stvaranju gospodarstva čiste energije. To je optimalno energetsko rješenje u područjima koja su obično zahtjevna za dekarbonizaciju. Povećava pouzdanost i otpornost moderne električne mreže. Također može poboljšati javno zdravlje i stanje okoliša.

Osim toga, može povećati broj prilika za zapošljavanje i energetsku sigurnost u globalnim industrijama. Može pomoći prometnoj industriji da postane održivija i podržati prijelaz na električna vozila (EV). I može pridonijeti povećanju prihoda i jačanju svjetske ekonomije.

Jedan od izazova koji povećava troškove povezane s proizvodnjom zelenog vodika je to što elektrolizatori zahtijevaju ultračistu vodu. To otežava tradicionalnu elektrolizu slane vode jer su mnogi izvori vode puni zagađivača.
Iako EPA ima stroge zahtjeve za vodu zbog prisutnosti olova, klora i bakterija, to ne mora značiti da je sva voda bez kontaminanata.

Elektroliza morske vode
Istraživanja elektrolize morske vode pojavila su se početkom 19. stoljeća. Iako su znanstvenici napredovali u proizvodnji vodika, on nikada nije zaživio niti postao održivo energetsko rješenje. U 20. stoljeću vodik se uglavnom dobivao iz prirodnog plina i koristio za pogon automobila, autobusa, balona i raketa.

Iako je korištenje tog vodika bilo izvedivo, njegova je proizvodnja bila energetski intenzivna i pridonijela je emisiji ugljika, jednom od glavnih uzroka klimatskih promjena. Osim toga, neki gradovi filtriraju kruti komunalni otpad tehnologijom vodikovih gorivih ćelija, koja proizvodi vodik i sprječava kontaminaciju lokalnih vodoopskrba nastalu otpadom.

Razni istraživači i znanstvenici razvijaju napredne tehnologije pomoću elektrolize morske vode kako bi izbjegli te izazove. Ako ove tehnologije budu radile ispravno, proizvodit će održivi vodik bez korištenja resursa slatke vode ili doprinosa emisiji ugljika.

Proizvodi se prodaju u svim regijama Kine i izvoze u zemlje diljem svijeta. Prodani su u više od 20 zemalja i regija uključujući Sjedinjene Države, Njemačku, Maroko, Keniju, Saudijsku Arabiju, Vijetnam, Alžir, Indiju, Tanzaniju i Tajvan. Uspješno pruža dobro poznata poduzeća kao što su China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i druga poznata poduzeća. Postoje mnoge stanice za hidrogenaciju zelenog vodika kao što su Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, itd. pružaju projekte za proizvodnju ekološki prihvatljivog vodika.