Vodík z mořské vody

VĚDCI vyvinuli systém, který dokáže produkovat zelený vodík přímo z mořské vody bez nutnosti jakýchkoliv předúpravných procesů, jako je odsolování. Tým za vývojem, který zahrnuje zavedení vrstvy Lewisovy kyseliny na katalyzátor na bázi oxidu přechodného kovu, říká, že metoda vykazuje vysoký potenciál pro komerční využití.

Více než 97 % vody na zemském povrchu tvoří slaná voda v oceánech, 2 % se uchovává jako sladká voda v ledových čepicích, ledovcích a zasněžených horských pásmech a pouze 1 % je k dispozici pro naše každodenní potřeby zásobování vodou.

 
Slanou vodu lze přeměnit na pitnou vodu procesem zvaným odsolování, což je technika, na kterou se některé oblasti po celém světě spoléhají při výrobě čerstvé vody pro lidskou spotřebu a pro domácí a průmyslové použití. Odsolování je však energeticky náročný proces, a co je ještě horší, je často poháněno zdroji energie, které jsou neudržitelné.

Rozdělení vody na její složky je také dobře známé. Proces – známý jako elektrolýza – využívá stejnosměrný proud mezi dvěma elektrodami ponořenými do elektrolytu k rozdělení vody na vodík a kyslík. Vodík se tvoří na katodě nebo záporné elektrodě a kyslík na kladné elektrodě nebo anodě.

Protože směs plynů může explodovat, většina elektrolyzérů odděluje anodu a katodu tlustou, porézní plastovou fólií a k urychlení reakcí se používají kovové katalyzátory, jako je nikl a železo.

Spojení obou těchto procesů dohromady, konkrétně odsolování mořské vody a její následné štěpení za vzniku vodíku, bylo dlouho považováno za jedno z nejlepších řešení, jak poskytnout čisté a cenově dostupné palivo pro energii, která by zase mohla pohánět vše od městské elektřiny až po výrobu ocel, vyrábějící hnojiva a dokonce i jako palivo pro letadla – seznam možných použití je dlouhý.

Jedním z důvodů, proč již nepoužíváme vodíkové palivo k letu kolem světa, je to, že slaná voda a další nečistoty korodují elektrody a zkracují jejich životnost. Vzhledem k tomu, že tyto součásti jsou obvykle vyrobeny ze vzácných kovů, jako je platina, jejich výměna stojí příliš mnoho. Problémem jsou také chloridové ionty v mořské vodě a elektrooxidační reakce chloru (ClOR) soutěží s reakcí evoluce kyslíku (OER) na anodě během elektrolýzy. Tato reakce má za následek uvolňování toxických a korozivních druhů chlóru, jako je chlornan. Chlornan je relativně nestabilní, při smíchání s čpavkem nebo kyselinou může uvolňovat toxický plynný chlór a může požírat i nerezovou ocel.

Aby se tomu zabránilo, mořská voda by se mohla před zpracováním odsolit a vyčistit, ale ani to není vždy finančně únosné. Další možností je potáhnout elektrody polyanionty pro potlačení koroze, ale i to může být nákladné.

Málokteré klimatické řešení nemá nevýhody. „Zelený“ vodík vyrobený pomocí obnovitelné energie k štěpení molekul vody by mohl pohánět těžká vozidla a dekarbonizovat průmyslová odvětví, jako je výroba oceli, aniž by chrlil závan oxidu uhličitého. Ale protože stroje na dělení vody nebo elektrolyzéry jsou navrženy tak, aby pracovaly s čistou vodou, mohlo by zvýšení množství zeleného vodíku zhoršit globální nedostatek sladké vody. Nyní několik výzkumných týmů hlásí pokroky ve výrobě vodíku přímo z mořské vody, která by se mohla stát nevyčerpatelným zdrojem zeleného vodíku.

Dnes se téměř všechen vodík vyrábí štěpením metanu, spalováním fosilních paliv za vzniku potřebného tepla a tlaku. Oba kroky uvolňují oxid uhličitý. Zelený vodík by mohl nahradit tento špinavý vodík, ale v tuto chvíli stojí více než dvakrát tolik, zhruba 5 dolarů za kilogram. Je to částečně kvůli vysokým nákladům na elektrolyzéry, které se spoléhají na katalyzátory vyrobené z drahých kovů. Americké ministerstvo energetiky nedávno zahájilo desetileté úsilí o zlepšení elektrolyzérů a snížení ceny zeleného vodíku na 1 dolar za kilogram.

Pokud uspějí a produkce zeleného vodíku prudce poroste, mohl by se zvýšit tlak na světové zásoby sladké vody. Generování 1 kilogramu vodíku pomocí elektrolýzy vyžaduje asi 10 kilogramů vody. Provoz nákladních vozidel a klíčových průmyslových odvětví na zelený vodík by podle Mezinárodní agentury pro obnovitelné zdroje energie mohl vyžadovat zhruba 25 miliard krychlových metrů sladké vody ročně, což odpovídá spotřebě vody v zemi s 62 miliony obyvatel.

Mořská voda je téměř neomezená, ale její dělení má své vlastní problémy. Elektrolyzéry jsou postaveny podobně jako baterie, s párem elektrod obklopeným vodnatým elektrolytem. V jednom provedení katalyzátory na katodě štěpí molekuly vody na vodíkové (H+) a hydroxylové (OH-) ionty. Přebytečné elektrony na katodě spojují páry vodíkových iontů na plynný vodík (H2), který probublává z vody. OH- ionty mezitím procházejí membránou mezi elektrodami, aby dosáhly anody, kde katalyzátory pletou kyslík do plynného kyslíku (O2), který se uvolňuje.

Při použití mořské vody však stejný elektrický otřes, který generuje O2 na anodě, také přemění chloridové ionty ve slané vodě na vysoce korozivní plynný chlór, který rozežírá elektrody a katalyzátory. To obvykle způsobí, že elektrolyzéry selžou během pouhých hodin, když mohou normálně fungovat roky.

Vodík je všestranná chemikálie používaná k výrobě mnoha produktů, včetně hnojiv. Vodík je také klíčovou součástí technologie palivových článků, která využívá elektřinu vyrobenou z obnovitelných, ale přerušovaných zdrojů energie, jako je slunce a vítr. Většina celosvětově vyrobeného vodíku pochází z procesu, při kterém je metan vystaven teplu a páře za vzniku vodíku.

Vodík lze také vyrábět elektrolýzou vody, která využívá elektřinu k štěpení molekul vody na vodík a kyslík poháněný obnovitelnými zdroji, jako je slunce a vítr. Má to ale háček. Elektrolýza vyžaduje velmi čistou vodu, která byla deionizována, což znamená, že nejprve musí být odstraněny všechny nečistoty, minerály a elektronicky nabité částice. Konvenční procesy čištění vody vyžadují drahé vybavení a mohou vést ke ztrátám energie.

Vědci z katedry environmentálního zdraví a inženýrství Univerzity Johnse Hopkinse ve spolupráci s Penn State University našli způsob, jak využít mořskou vodu jako přímý zdroj vodíku bez nutnosti předběžného odsolování. Jejich výsledky se objevují v Environmental Science & Technology.

"Zjistili jsme, že můžeme použít tenkovrstvé kompozitní membrány, které se používají k čištění slané vody, ve vodních elektrolyzérech, štěpí vodu na plynný vodík a kyslík, přičemž se vyhneme produkci škodlivého plynného chlóru, k čemuž dochází u jiných typů membrán."
Ve své studii Rossi a kolegové testovali tenkovrstvé kompozitní membrány přímo v elektrolyzéru - zařízení, které využívá elektřinu k štěpení vody na vodík a kyslík v jediném kroku, a to jak při čištění vody, tak při výrobě vodíku. Zjistili, že porézní mikrostruktura materiálu dovoluje migrovat přes membránu pouze malé protony a hydroxidové ionty, čímž odmítají nečistoty a další ionty, které mohou způsobit nežádoucí reakce. Výzkumníci říkají, že tento nový přístup by mohl nahradit konvenční systémy, kde se používají drahé iontoměničové membrány v kombinaci s ultračistou vodou.

"Levné membrány na odsolování vody mohou být alternativou k dražším membránám na bázi polymerů a mohou být použity pro výrobu vodíku z nekvalitních vodních zdrojů, jako je mořská voda," řekl Rossi. "Výsledkem je efektivní proces výroby vodíku z obnovitelných zdrojů energie, který eliminuje potřebu čištění vody."

Poznamenal, že použití mořské vody v elektrolyzérech je náročné kvůli její vysoké slanosti. Je však hojný a dostupný v oblastech, jako jsou pobřežní oblasti, kde lze vyrábět obnovitelné zdroje elektřiny, jako je sluneční nebo větrná energie, ale kde je nízká dostupnost sladké vody. V takových lokalitách by v tomto procesu mohly být potenciálně použity jiné zdroje vody nízké kvality, jako je odpadní voda, namísto mořské vody.

Tým financovaný americkou National Science Foundation integroval technologii čištění vody do nového proof-of-concept designu pro elektrolyzér mořské vody, který využívá elektrický proud k rozdělení vodíku a kyslíku v molekulách vody.

Tato nová metoda „štěpení mořské vody“ by mohla usnadnit přeměnu větrné a solární energie na skladovatelné a přenosné palivo, říká Bruce Logan, environmentální inženýr.

"Vodík je skvělé palivo, ale musíte si ho vyrobit," řekl Logan. "Jediný udržitelný způsob, jak toho dosáhnout, je využívat obnovitelné zdroje energie a vyrábět ji z vody. Musíte také používat vodu, kterou lidé nechtějí používat na jiné věci, a to by byla mořská voda. Takže svatý grál výroby vodíku by bylo kombinovat mořskou vodu a větrnou a sluneční energii, která se nachází v pobřežních a pobřežních prostředích."

Navzdory hojnosti mořské vody se běžně nepoužívá pro štěpení vody. Pokud není voda před vstupem do elektrolyzéru odsolena, což je nákladný krok navíc, chloridové ionty v mořské vodě se mění na toxický plynný chlór, který znehodnocuje zařízení a proniká do životního prostředí.

Aby tomu zabránili, vědci vložili tenkou, semipermeabilní membránu, původně vyvinutou pro čištění vody v procesu úpravy reverzní osmózou. Membrána reverzní osmózy nahradila iontoměničovou membránu běžně používanou v elektrolyzérech.
"Myšlenka reverzní osmózy spočívá v tom, že na vodu vyvinete opravdu vysoký tlak a protlačíte ji membránou a zadržíte chloridové ionty," řekl Logan.

Prostřednictvím série experimentů publikovaných v Energy & Environmental Science vědci testovali dvě komerčně dostupné reverzní osmotické membrány a dvě katexové membrány, což je typ iontoměničové membrány, která umožňuje pohyb všech kladně nabitých iontů v systému.

Čistá energie je nejvyšší prioritou pro země na celém světě. Zatímco konvenční energie závisí na fosilních palivech, jako je uhlí, zemní plyn a ropa, čistá energie přichází v různých formách, jako je sluneční, větrná, geotermální, vodní a biomasa.

Vodík je také přední možností skladování energie pro obnovitelné zdroje a mohl by pomoci snížit vysoké úrovně emisí uhlíku.
Současný výzkum naznačuje, že elektrolýza slané vody – proces štěpení vody na kyslík a vodík – je životaschopným řešením běžných problémů sladkovodní elektrolýzy. Elektrolýza mořské vody by mohla produkovat udržitelný vodík, aniž by se zhoršil globální nedostatek sladké vody.

Podle datového centra Ministerstva energetiky Spojených států amerických pro alternativní paliva je čistý vodík hojným prvkem na Zemi, který je velkým příslibem při podpoře přechodu k čisté, udržitelné a obnovitelné energii.

Poté, co je vodík vyroben, může vyrábět elektřinu v palivovém článku a emituje pouze vodní páru a teplý vzduch. Vzhledem k tomu, že vodík neuvolňuje žádné skleníkové plyny, oxidy dusíku, uhlovodíky ani jiné pevné částice, neovlivňuje negativně životní prostředí.
Vodík má další výhody, které pomohou vytvořit čisté energetické hospodářství. Je to optimální energetické řešení v typicky náročných oblastech pro dekarbonizaci. Zvyšuje spolehlivost a odolnost moderní elektrické sítě. Může také zlepšit veřejné zdraví a stav životního prostředí.

Navíc může zvýšit počet pracovních příležitostí a energetickou bezpečnost v globálních průmyslových odvětvích. Může pomoci dopravnímu průmyslu stát se udržitelnějším a podpořit přechod na elektrická vozidla (EV). A může přispět ke zvýšení příjmů a posílení světové ekonomiky.

Jednou z výzev, které zvyšují náklady spojené s výrobou zeleného vodíku, je to, že elektrolyzéry vyžadují ultračistou vodu. To ztěžuje tradiční elektrolýzu slané vody, protože mnoho vodních zdrojů je naplněno kontaminanty.
Ačkoli má EPA přísné požadavky na vodu kvůli přítomnosti olova, chlóru a bakterií, neznamená to nutně, že veškerá voda je bez kontaminantů.

Elektrolýza mořské vody
Výzkum elektrolýzy mořské vody se objevil na počátku 19. století. Přestože vědci dosáhli pokroku ve výrobě vodíku, nikdy nezískal trakci a nestal se životaschopným energetickým řešením. Ve 20. století se vodík získával převážně ze zemního plynu a používal se k pohonu aut, autobusů, vzducholodí a raket.

Využití tohoto vodíku bylo sice proveditelné, ale jeho výroba byla energeticky náročná a přispívala k emisím uhlíku, což je jedna z hlavních příčin klimatických změn. Některá města navíc filtrují pevný komunální odpad pomocí technologie vodíkových palivových článků, která produkuje vodík a zabraňuje kontaminaci místních vod z odpadu.

Různí výzkumníci a vědci vyvíjejí pokročilé technologie využívající elektrolýzu mořské vody, aby se těmto výzvám vyhnuli. Pokud budou tyto technologie správně fungovat, budou vyrábět udržitelný vodík, aniž by využívaly sladkovodní zdroje nebo přispívaly k emisím uhlíku.

Produkty se prodávají ve všech regionech Číny a vyvážejí se do zemí po celém světě. Byly prodávány ve více než 20 zemích a regionech včetně Spojených států, Německa, Maroka, Keni, Saúdské Arábie, Vietnamu, Alžírska, Indie, Tanzanie a Tchaj-wanu. Úspěšně poskytly známé podniky, jako jsou China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a další známé podniky. Existuje mnoho stanic na hydrogenaci zeleného vodíku, jako jsou Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming atd., které poskytují zelené projekty a projekty na výrobu vodíku.