Di solito, quando pensiamo alla produzione di energia in mare, immaginiamo piattaforme petrolifere giganti o forse file di imponenti turbine eoliche. Di recente, tuttavia, sono stati aggiunti al mix pannelli solari galleggianti, tra cui una fattoria solare delle dimensioni di 160 campi da calcio che sono entrati in funzione lo scorso anno in Cina.
Ora, un team di ricercatori della Columbia University vuole fare un passo avanti. Dicono che è possibile utilizzare i pannelli solari sulla superficie dell'oceano per alimentare dispositivi in grado di produrre idrogeno dall'acqua di mare.
L'idrogeno è una forma pulita di energia, ma è più comunemente prodotta dal gas naturale in un processo che rilascia anche anidride carbonica, un fattore chiave del cambiamento climatico. Gli scienziati della Columbia affermano che il loro dispositivo, chiamato elettrolizzatore fotovoltaico galleggiante, elimina tale conseguenza utilizzando invece l'elettrolisi per separare l'ossigeno e l'idrogeno in molecole d'acqua e quindi immagazzinando quest'ultimo per l'uso come combustibile.
Il team leader Daniel Esposito, un assistente professore di ingegneria chimica, sottolinea che l'utilizzo di elettrolizzatori commerciali esistenti per generare idrogeno è piuttosto costoso. "Se prendi pannelli solari standardizzati ed elettrolizzatori disponibili in commercio e usi la luce solare per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, sarà tre o sei volte più costoso di se producessi idrogeno dal gas naturale", lui dice.
Osserva anche che quegli elettrolizzatori richiedono membrane per mantenere separate le molecole di ossigeno e idrogeno una volta divise. Ciò non solo aumenta il costo, ma quelle parti tenderebbero a degradarsi rapidamente se esposte ai contaminanti e ai microbi nell'acqua salata.
"Essere in grado di dimostrare in modo sicuro un dispositivo in grado di eseguire l'elettrolisi senza una membrana ci porta ad un altro passo avanti nel rendere possibile l'elettrolisi dell'acqua di mare", ha affermato Jack Davis, ricercatore e autore principale dello studio di prova di concetto. "Questi generatori di combustibile solare sono essenzialmente sistemi di fotosintesi artificiali, che fanno la stessa cosa che fanno le piante con la fotosintesi, quindi il nostro dispositivo può aprire ogni tipo di opportunità per generare energia pulita e rinnovabile".
Due elettrodi a rete sono tenuti a una distanza di separazione stretta (L) e generano contemporaneamente gas H2 e O2. L'innovazione chiave è il posizionamento asimmetrico del catalizzatore sulle superfici rivolte verso l'esterno della mesh, in modo tale che la generazione di bolle sia limitata a questa regione. Quando le bolle di gas si staccano, la loro galleggiabilità li fa galleggiare verso l'alto in camere di raccolta separate. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Gorgogliare
Quindi, cosa rende distintivo il loro elettrolizzatore?
Il dispositivo è costruito attorno ad elettrodi di maglia di titanio sospesi in acqua e separati da una piccola distanza. Quando viene applicata una corrente elettrica, le molecole di ossigeno e idrogeno si dividono, con il primo che si sviluppa bolle di gas sull'elettrodo che è caricato positivamente, e il secondo che fa lo stesso su quello con una carica negativa.
È fondamentale mantenere separate queste diverse bolle di gas e l'elettrolizzatore Columbia lo fa mediante l'applicazione di un catalizzatore su un solo lato di ciascun componente della rete, la superficie più lontana dall'altro elettrodo. Quando le bolle diventano più grandi e si staccano dalla rete, galleggiano verso l'alto lungo i bordi esterni di ciascun elettrodo invece di mescolarsi insieme nello spazio tra di loro.
Non solo gli scienziati hanno evitato di usare membrane costose, ma non hanno nemmeno dovuto incorporare le pompe meccaniche che alcuni modelli usano per spostare i liquidi. Invece, il loro dispositivo si basa sulla galleggiabilità per far galleggiare le bolle di idrogeno in una camera di stoccaggio. In laboratorio, il processo è stato in grado di produrre idrogeno gassoso con una purezza del 99 percento.
Alexander Orlov, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria chimica alla Stony Brook University di New York, concorda sul fatto che l'eliminazione delle membrane è uno sviluppo "sostanziale". "Le membrane sono punti deboli nella tecnologia", afferma. "Esistono alcune soluzioni più sofisticate, ma l'approccio di Esposito è estremamente semplice e abbastanza pratico. È stato pubblicato e rivisto tra pari in pubblicazioni di grande impatto, quindi, nonostante la sua semplicità, la scienza e la novità sono solide".
Pensare in grande
Esposito e Davis riconoscono prontamente che è un grande salto dal piccolo modello testato nel loro laboratorio all'enorme tipo di struttura che potrebbe rendere il concetto economicamente sostenibile. Potrebbe essere necessario comprendere centinaia di migliaia di unità elettrolizzatore collegate per generare una quantità sufficiente di idrogeno dal mare.
In effetti, dice Esposito, potrebbe essere necessario apportare alcune modifiche al progetto man mano che il progetto si ingrandisce e diventa più modulare, quindi molti pezzi possono adattarsi insieme per coprire una vasta area. Inoltre, affrontano la sfida di trovare materiali che possano sopravvivere a lungo in acqua salata.
Detto questo, entrambi credono che il loro approccio abbia il potenziale per influenzare in modo significativo l'approvvigionamento energetico del Paese. L'idrogeno è già ampiamente utilizzato nell'industria chimica, ad esempio, per produrre ammoniaca e metanolo. E si prevede che la domanda continuerà ad aumentare man mano che un numero maggiore di produttori di automobili si impegnerà in auto che funzionano con celle a combustibile a idrogeno.
(A sinistra) Foto del prototipo di elettrolizzatore fotovoltaico autonomo che galleggia in un serbatoio liquido di acido solforico. Le celle fotovoltaiche posizionate sopra il "mini rig" convertono la luce in elettricità che viene utilizzata per alimentare l'elettrolizzatore senza membrana immerso di seguito. (A destra) Un rendering di un'ipotetica "piattaforma per combustibili solari" su larga scala che opera in mare aperto. ((A sinistra) Jack Davis e (a destra) Justin Bui / Columbia Engineering) La loro visione a lungo termine è di gigantesche "piattaforme solari" che galleggiano nell'oceano ed Esposito è arrivato al punto di stimare quanta area cumulativa avrebbero bisogno di coprire per generare abbastanza combustibile a idrogeno per sostituire tutto il petrolio usato sul pianeta . Il suo calcolo: 63.000 miglia quadrate, o un'area leggermente inferiore allo stato della Florida. Sembra un sacco di oceano, ma sottolinea che l'area totale coprirebbe circa lo 0, 045 percento della superficie dell'acqua della Terra.
È un po 'una proiezione pie-in-the-sky, ma Esposito ha anche pensato alle sfide del mondo reale che avrebbero dovuto affrontare un'operazione di produzione di energia fluttuante non legata al fondo del mare. Per cominciare, ci sono grandi onde.
"Certamente, avremmo bisogno di progettare l'infrastruttura per questo impianto in modo che possa resistere a mari in tempesta", afferma. "È qualcosa che dovresti prendere in considerazione quando stai pensando dove si trova un impianto di perforazione."
E forse, aggiunge, questi rig potrebbero essere in grado di allontanarsi dal pericolo.
“C'è la possibilità che un impianto come questo sia mobile. Qualcosa che potrebbe forse espandersi e poi contrarsi. Probabilmente non sarebbe in grado di muoversi velocemente, ma potrebbe allontanarsi da una tempesta.
"Sarebbe davvero prezioso", dice.
