Deniz Suyu Hidrojeni

BİLİM ADAMLARI, tuzdan arındırma gibi herhangi bir ön arıtma işlemine ihtiyaç duymadan doğrudan deniz suyundan yeşil hidrojen üretebilen bir sistem geliştirdi. Bir geçiş metali oksit katalizörü üzerine bir Lewis asit katmanının eklenmesini içeren geliştirmenin arkasındaki ekip, yöntemin ticari uygulama için yüksek potansiyel gösterdiğini söylüyor.

Dünya yüzeyindeki suyun %97'sinden fazlası okyanuslardaki tuzlu sudur, %2'si buzullarda, buzullarda ve karla kaplı dağ sıralarında tatlı su olarak depolanır ve yalnızca %1'i günlük su tedarik ihtiyaçlarımız için mevcuttur.

 
Tuzlu su, tuzdan arındırma adı verilen bir işlemle içme suyuna dönüştürülebilir; bu teknik, dünyanın dört bir yanındaki bazı bölgelerde insan tüketimi, evsel ve endüstriyel kullanım için tatlı su üretmek için kullanılan bir tekniktir. Ancak tuzdan arındırma, enerji gerektiren bir süreç ve daha da kötüsü, çoğu zaman sürdürülemez enerji kaynakları tarafından destekleniyor.

Suyu kendisini oluşturan parçalara ayırmak da iyi anlaşılmıştır. Elektroliz olarak bilinen işlem, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için bir elektrolite batırılmış iki elektrot arasında doğru akım kullanır. Hidrojen katotta veya negatif elektrotta, oksijen ise pozitif elektrotta veya anotta oluşur.

Gazların bir karışımı patlayabileceğinden, çoğu elektrolizör anot ve katodu kalın, gözenekli bir plastik tabakayla ayırır ve reaksiyonları hızlandırmak için nikel ve demir gibi metal katalizörler kullanılır.

Bu süreçlerin her ikisini de bir araya getirmek, yani deniz suyunu tuzdan arındırmak ve daha sonra onu hidrojen oluşturmak üzere bölmek, uzun süredir enerji için temiz ve uygun fiyatlı yakıt sağlamanın en iyi çözümlerinden biri olarak kabul ediliyor ve bu da bir şehrin elektriğinden üretime kadar her şeye güç sağlayabilir. çelik, gübre üretimi ve hatta uçaklar için yakıt olarak kullanılması gibi potansiyel kullanımların listesi uzundur.

Bununla birlikte, dünyanın etrafında uçmak için halihazırda hidrojen yakıtı kullanmamamızın nedenlerinden biri, tuzlu su ve diğer yabancı maddelerin elektrotları aşındırarak ömrünü kısaltmasıdır. Bu bileşenler genellikle platin gibi nadir metallerden yapıldığından, bunları değiştirmeye devam etmek çok maliyetli olur. Deniz suyundaki klorür iyonları da bir sorundur ve klorun elektro-oksidasyon reaksiyonları (ClOR), elektroliz sırasında anottaki oksijen oluşum reaksiyonu (OER) ile rekabet eder. Bu reaksiyon, hipoklorit gibi toksik ve aşındırıcı klor türlerinin salınmasına neden olur. Hipoklorit nispeten kararsızdır; amonyak veya asitle karıştırıldığında zehirli klor gazı açığa çıkarabilir ve aynı zamanda paslanmaz çeliği de aşındırabilir.

Bunu aşmak için deniz suyunun tuzdan arındırılması ve işlenmeden önce saflaştırılması mümkündür ancak bu da mali açıdan her zaman uygun olmayabilir. Diğer bir seçenek ise korozyonu önlemek için elektrotları polianyonlarla kaplamaktır ancak bu da maliyetli olabilir.

Çok az iklim çözümü olumsuz yanları olmadan gelir. Su moleküllerini parçalamak için yenilenebilir enerji kullanılarak üretilen "yeşil" hidrojen, ağır araçlara güç sağlayabilir ve çelik üretimi gibi endüstrileri en ufak bir karbondioksit kokusu bile yaymadan karbondan arındırabilir. Ancak suyu ayrıştıran makineler veya elektrolizörler saf suyla çalışacak şekilde tasarlandığından, yeşil hidrojenin miktarının artırılması küresel tatlı su kıtlığını daha da kötüleştirebilir. Artık birkaç araştırma ekibi, tükenmez bir yeşil hidrojen kaynağı haline gelebilecek deniz suyundan hidrojen üretme konusunda ilerlemeler bildiriyor.

Bugün hidrojenin neredeyse tamamı metanın parçalanması ve gerekli ısı ve basıncın elde edilmesi için fosil yakıtların yakılmasıyla elde ediliyor. Her iki adım da karbondioksit açığa çıkarır. Yeşil hidrojen bu kirli hidrojenin yerini alabilir, ancak şu anda maliyeti iki kattan fazla, yani kilogram başına yaklaşık 5 dolardır. Bunun nedeni kısmen değerli metallerden yapılmış katalizörlere dayanan elektrolizörlerin yüksek maliyetidir. ABD Enerji Bakanlığı yakın zamanda elektrolizörleri geliştirmek ve yeşil hidrojenin maliyetini kilogram başına 1 dolara düşürmek için on yıllık bir çaba başlattı.

Başarılı olurlarsa ve yeşil hidrojen üretimi hızla artarsa, dünyanın tatlı su kaynakları üzerinde baskı oluşabilir. Elektroliz kullanarak 1 kilogram hidrojen üretmek için yaklaşık 10 kilogram su gerekiyor. Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı'na göre, kamyonları ve önemli endüstrileri yeşil hidrojenle çalıştırmak yılda yaklaşık 25 milyar metreküp temiz su gerektirebilir; bu da 62 milyon nüfuslu bir ülkenin su tüketimine eşdeğerdir.

Deniz suyu neredeyse sınırsızdır ancak onu bölmek kendi sorunlarını da beraberinde getirir. Elektrolizörler, sulu bir elektrolitle çevrelenmiş bir çift elektrottan oluşan bataryalara benzer şekilde yapılmıştır. Tasarımlardan birinde katottaki katalizörler su moleküllerini hidrojen (H+) ve hidroksil (OH-) iyonlarına bölüyor. Katottaki fazla elektronlar hidrojen iyon çiftlerini sudan kabarcıklar halinde çıkan hidrojen gazına (H2) dönüştürür. Bu arada OH-iyonları, katalizörlerin oksijeni serbest kalan oksijen gazına (O2) dönüştürdüğü anoda ulaşmak için elektrotlar arasındaki bir zardan geçer.

Ancak deniz suyu kullanıldığında, anotta O2 üreten aynı elektriksel sarsıntı, tuzlu sudaki klorür iyonlarını da elektrotları ve katalizörleri aşındıran, oldukça aşındırıcı klor gazına dönüştürür. Bu genellikle elektrolizörlerin normalde yıllarca çalışabilecekleri birkaç saat içinde arızalanmasına neden olur.

Hidrojen, gübreler de dahil olmak üzere birçok ürünün üretiminde kullanılan çok yönlü bir kimyasaldır. Hidrojen aynı zamanda güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir ancak aralıklı enerji kaynaklarının ürettiği elektriği kullanan yakıt hücresi teknolojisinin de önemli bir bileşenidir. Dünya çapında üretilen hidrojenin çoğu, metanın ısı ve buhara maruz bırakılarak hidrojen elde edildiği bir süreçten elde ediliyor.

Hidrojen ayrıca, su moleküllerini güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir kaynaklarla desteklenen hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik kullanan suyun elektrolizinden de üretilebilir. Ama bir sorun var. Elektroliz, deiyonize edilmiş çok temiz su gerektirir; bu, tüm yabancı maddelerin, minerallerin ve elektronik olarak yüklü parçacıkların ilk önce uzaklaştırılması gerektiği anlamına gelir. Geleneksel su arıtma işlemleri pahalı ekipmanlar gerektirir ve enerji kaybına neden olabilir.

Johns Hopkins Üniversitesi Çevre Sağlığı ve Mühendisliği Bölümü'ndeki araştırmacılar, Penn State Üniversitesi ile işbirliği içinde, deniz suyunu önceden tuzdan arındırmaya gerek kalmadan doğrudan hidrojen kaynağı olarak kullanmanın bir yolunu buldular. Sonuçları Çevre Bilimi ve Teknolojisinde yer almaktadır.

"Tuzlu suyu arıtmak için kullanılan ince film kompozit membranları, su elektrolizörlerinde suyu hidrojen gazı ve oksijene bölerek kullanabileceğimizi ve diğer membran türlerinde olduğu gibi zararlı klor gazı üretimini önleyebileceğimizi bulduk."
Rossi ve meslektaşları, çalışmalarında ince film kompozit membranları doğrudan elektrolizörde (suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik kullanan bir cihaz) hem su arıtmayı hem de hidrojen üretimini tek bir adımda gerçekleştirdi. Malzemenin gözenekli mikro yapısının, yalnızca küçük protonların ve hidroksit iyonlarının zardan geçmesine izin verdiğini, istenmeyen reaksiyonlara neden olabilecek yabancı maddeleri ve diğer iyonları reddettiğini buldular. Araştırmacılar, bu yeni yaklaşımın, pahalı iyon değişim membranlarının ultra saf su beslemeleriyle birlikte kullanıldığı geleneksel sistemlerin yerini alabileceğini söylüyor.

Rossi, "Ucuz su tuzdan arındırma membranları, daha pahalı polimer bazlı membranlara alternatif olabilir ve deniz suyu gibi düşük dereceli su kaynaklarından hidrojen üretimi için kullanılabilir" dedi. "Sonuç, yenilenebilir enerji kaynaklarından su arıtma ihtiyacını ortadan kaldıran verimli bir hidrojen üretim sürecidir."

Yüksek tuzluluk oranı nedeniyle deniz suyunun elektrolizörlerde kullanımının zor olduğunu belirtti. Ancak güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir elektriğin üretilebildiği ancak tatlı suyun az olduğu kıyı bölgeleri gibi yerlerde bol miktarda bulunur ve mevcuttur. Bu gibi yerlerde, bu süreçte deniz suyu yerine atık su gibi diğer düşük dereceli su kaynakları da potansiyel olarak kullanılabilir.

ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen ekip, su arıtma teknolojisini, su moleküllerindeki hidrojen ve oksijeni ayırmak için elektrik akımı kullanan deniz suyu elektrolizörü için yeni bir kavram kanıtlama tasarımına entegre etti.

Çevre mühendisi Bruce Logan'a göre "deniz suyunu ayırmaya" yönelik bu yeni yöntem, rüzgar ve güneş enerjisini depolanabilir ve taşınabilir bir yakıta dönüştürmeyi kolaylaştırabilir.

Logan, "Hidrojen harika bir yakıttır, ancak bunu yapmak zorundasınız" dedi. "Bunu yapmanın tek sürdürülebilir yolu yenilenebilir enerji kullanmak ve onu sudan üretmek. Ayrıca insanların başka şeyler için kullanmak istemediği suyu da kullanmanız gerekiyor ki bu da deniz suyu olur. Yani hidrojen üretmenin kutsal kâsesi deniz suyu ile kıyı ve açık deniz ortamlarında bulunan rüzgar ve güneş enerjisini birleştirmek olacaktır."

Deniz suyunun bolluğuna rağmen suyun ayrıştırılmasında yaygın olarak kullanılmamaktadır. Su, elektrolizöre girmeden önce tuzdan arındırılmadığı sürece, ki bu pahalı bir ekstra adımdır, deniz suyundaki klorür iyonları, ekipmanı bozan ve çevreye sızan zehirli klor gazına dönüşür.

Bunu önlemek için araştırmacılar, orijinal olarak ters ozmoz arıtma sürecinde suyu arıtmak için geliştirilmiş ince, yarı geçirgen bir membran yerleştirdiler. Ters ozmoz membranı, elektrolizörlerde yaygın olarak kullanılan iyon değişim membranının yerini aldı.
Logan, "Ters ozmozun arkasındaki fikir, suya gerçekten yüksek basınç uygulayarak onu membrandan itmeniz ve klorür iyonlarını geride tutmanızdır" dedi.

Araştırmacılar, Enerji ve Çevre Bilimi dergisinde yayınlanan bir dizi deney aracılığıyla, piyasada bulunan iki ters ozmoz membranını ve sistemdeki tüm pozitif yüklü iyonların hareketine izin veren bir tür iyon değişim membranı olan iki katyon değişim membranını test etti.

Temiz enerji dünya çapındaki ülkeler için en önemli önceliktir. Geleneksel enerji kömür, doğal gaz ve petrol gibi fosil yakıtlara dayanırken, temiz enerji güneş, rüzgar, jeotermal, hidroelektrik ve biyokütle gibi çeşitli biçimlerde gelir.

Hidrojen de yenilenebilir enerji kaynakları için önde gelen bir enerji depolama seçeneğidir ve yüksek düzeydeki karbon emisyonlarının azaltılmasına yardımcı olabilir.
Mevcut araştırmalar, tuzlu su elektrolizinin (suyu oksijen ve hidrojene ayırma işlemi) tatlı su elektrolizinin yaygın zorluklarına uygulanabilir bir çözüm olduğunu öne sürüyor. Deniz suyu elektrolizi, küresel tatlı su kıtlığını daha da kötüleştirmeden sürdürülebilir hidrojen üretebilir.

Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı Alternatif Yakıt Veri Merkezi'ne göre saf hidrojen, temiz, sürdürülebilir ve yenilenebilir enerjiye geçişi destekleme konusunda büyük umut vaat eden, Dünya üzerinde bol miktarda bulunan bir elementtir.

Hidrojen üretildikten sonra yakıt hücresinde elektrik üretebiliyor ve sadece su buharı ve sıcak hava yayıyor. Hidrojen herhangi bir sera gazı, nitrojen oksit, hidrokarbon veya başka parçacıklı madde yaymadığı için çevreyi olumsuz etkilemez.
Hidrojenin temiz bir enerji ekonomisi yaratmaya yardımcı olacak başka faydaları da var. Tipik olarak karbondan arındırılması zorlu alanlarda en uygun enerji çözümüdür. Modern elektrik şebekesinin güvenilirliğini ve dayanıklılığını artırır. Aynı zamanda halk sağlığını ve çevre durumunu da iyileştirebilir.

Ayrıca küresel endüstrilerdeki istihdam fırsatlarının sayısını ve enerji güvenliğini artırabilir. Ulaştırma sektörünün daha sürdürülebilir olmasına yardımcı olabilir ve elektrikli araçlara (EV'ler) geçişi destekleyebilir. Gelirlerin artmasına katkıda bulunabilir ve dünya ekonomisini güçlendirebilir.

Yeşil hidrojen üretmeyle ilgili maliyetleri artıran zorluklardan biri, elektrolizörlerin ultra saf suya ihtiyaç duymasıdır. Bu, birçok su kaynağının kirletici maddelerle dolu olması nedeniyle geleneksel tuzlu su elektrolizini zorlaştırır.
Her ne kadar EPA'nın kurşun, klor ve bakterilerin varlığı nedeniyle suya yönelik katı gereksinimleri olsa da bu, suyun tamamının kirletici maddelerden arınmış olduğu anlamına gelmez.

Deniz suyu elektrolizi
Deniz suyu elektrolizi araştırması 19. yüzyılın başlarında ortaya çıktı. Bilim adamları hidrojen üretiminde ilerlemeler kaydetmiş olsalar da, bu hiçbir zaman ilgi görmedi veya geçerli bir enerji çözümü olmadı. 20. yüzyılda hidrojen çoğunlukla doğal gazdan çıkarıldı ve arabalara, otobüslere, balonlara ve roketlere güç sağlamak için kullanıldı.

Bu hidrojenin kullanılması mümkün olsa da, üretimi enerji yoğundu ve iklim değişikliğinin ana nedenlerinden biri olan karbon emisyonlarına katkıda bulunuyordu. Ek olarak, bazı şehirler belediye katı atıklarını, hidrojen üreten ve yerel su kaynaklarında atıklardan kaynaklanan kirlenmeyi önleyen hidrojen yakıt hücresi teknolojisiyle filtreliyor.

Çeşitli araştırmacılar ve bilim adamları, bu zorlukların üstesinden gelmek için deniz suyu elektrolizini kullanarak ileri teknolojiler geliştiriyorlar. Bu teknolojiler düzgün çalışırsa, tatlı su kaynaklarını kullanmadan veya karbon emisyonlarına katkıda bulunmadan sürdürülebilir hidrojen üretebilecekler.

Ürünler Çin'in tüm bölgelerinde satılmakta ve dünya ülkelerine ihraç edilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri, Almanya, Fas, Kenya, Suudi Arabistan, Vietnam, Cezayir, Hindistan, Tanzanya ve Tayvan dahil olmak üzere 20'den fazla ülke ve bölgede satıldılar. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ve diğer tanınmış şirketler gibi tanınmış şirketlere başarıyla hizmet verildi. Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming gibi birçok yeşil hidrojen hidrojenasyon istasyonu yeşil ve hidrojen üretim projeleri sağlıyor.