Biasanya, ketika kita berpikir tentang produksi energi di laut, kita membayangkan rig minyak raksasa, atau barisan turbin angin yang menjulang tinggi. Baru-baru ini, meskipun, panel surya mengambang telah ditambahkan ke dalam campuran, termasuk pertanian surya ukuran 160 lapangan sepak bola yang mulai beroperasi di Cina tahun lalu.
Sekarang, tim peneliti di Universitas Columbia ingin melangkah lebih jauh. Mereka mengatakan mungkin untuk menggunakan panel surya di permukaan laut untuk perangkat listrik yang dapat menghasilkan bahan bakar hidrogen dari air laut.
Hidrogen adalah bentuk energi yang bersih, tetapi paling sering dihasilkan dari gas alam dalam proses yang juga melepaskan karbon dioksida, pendorong utama perubahan iklim. Para ilmuwan Columbia mengatakan perangkat mereka, yang disebut electrolyzer photovoltaic mengambang, menghilangkan konsekuensi dengan memanfaatkan elektrolisis untuk memisahkan oksigen dan hidrogen dalam molekul air, dan kemudian menyimpan yang terakhir untuk digunakan sebagai bahan bakar.
Ketua tim Daniel Esposito, asisten profesor teknik kimia, menunjukkan bahwa menggunakan elektrolisis komersial yang ada untuk menghasilkan hidrogen cukup mahal. "Jika Anda melepas panel surya dan electrolyzers yang tersedia secara komersial, dan Anda menggunakan sinar matahari untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen, itu akan menjadi tiga hingga enam kali lebih mahal daripada jika Anda menghasilkan hidrogen dari gas alam, " dia berkata.
Dia juga mencatat bahwa electrolyzers tersebut membutuhkan membran untuk menjaga molekul oksigen dan hidrogen terpisah begitu mereka terpisah. Itu tidak hanya menambah biaya, tetapi bagian-bagian itu akan cenderung menurun dengan cepat ketika terkena kontaminan dan mikroba dalam air asin.
"Mampu menunjukkan dengan aman perangkat yang dapat melakukan elektrolisis tanpa membran membawa kita selangkah lebih dekat untuk memungkinkan elektrolisis air laut, " kata Jack Davis, seorang peneliti dan penulis utama studi proof-of-concept, dalam sebuah pernyataan. "Generator bahan bakar surya ini pada dasarnya adalah sistem fotosintesis buatan, melakukan hal yang sama seperti yang dilakukan tanaman dengan fotosintesis, sehingga perangkat kami dapat membuka semua jenis peluang untuk menghasilkan energi bersih dan terbarukan."
Dua elektroda jala ditahan pada jarak pemisah yang sempit (L), dan menghasilkan gas H2 dan O2 secara bersamaan. Inovasi kuncinya adalah penempatan katalis yang asimetris pada permukaan mesh yang menghadap ke luar, sehingga generasi gelembung dibatasi pada wilayah ini. Ketika gelembung gas terlepas, daya apungnya menyebabkan mereka melayang ke atas ke ruang pengumpulan yang terpisah. (Daniel Esposito / Rekayasa Columbia) Gelembung
Jadi, apa yang membuat electrolyzer mereka berbeda?
Perangkat ini dibangun di sekitar elektroda dari titanium mesh yang tersuspensi dalam air dan dipisahkan oleh jarak yang kecil. Ketika arus listrik diterapkan, molekul oksigen dan hidrogen terpecah, dengan bekas gelembung gas yang berkembang pada elektroda bermuatan positif, dan yang terakhir melakukan hal yang sama pada yang bermuatan negatif.
Sangat penting untuk memisahkan gelembung gas yang berbeda ini, dan electrolyzer Columbia melakukan ini melalui penerapan katalis pada hanya satu sisi dari setiap komponen mesh — permukaan yang paling jauh dari elektroda lainnya. Ketika gelembung semakin besar dan terlepas dari jala, mereka mengapung di sepanjang tepi luar masing-masing elektroda bukannya mencampur bersama di ruang di antara mereka.
Para ilmuwan tidak hanya menghindari penggunaan membran mahal, tetapi mereka juga tidak harus memasukkan pompa mekanis yang digunakan beberapa model untuk memindahkan cairan. Sebaliknya, perangkat mereka bergantung pada daya apung untuk mengapung gelembung hidrogen ke dalam ruang penyimpanan. Di laboratorium, prosesnya mampu menghasilkan gas hidrogen dengan kemurnian 99 persen.
Alexander Orlov, seorang associate professor sains bahan dan teknik kimia di Stony Brook University di New York, setuju bahwa penghapusan membran adalah perkembangan "substansial". "Selaput adalah titik lemah dalam teknologi, " katanya. "Ada beberapa solusi yang lebih canggih, tetapi pendekatan Esposito sangat sederhana dan cukup praktis. Itu telah diterbitkan dan ditinjau oleh rekan-rekan di publikasi yang sangat berdampak tinggi, jadi meskipun sederhana, ilmu dan kebaruannya solid."
Berpikir besar
Esposito dan Davis dengan mudah mengakui bahwa ini adalah lompatan besar dari model kecil yang diuji di lab mereka ke jenis struktur besar yang dapat membuat konsep tersebut layak secara ekonomi. Mungkin perlu terdiri dari ratusan ribu unit electrolyzer yang terhubung untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen dalam jumlah yang cukup dari laut.
Faktanya, kata Esposito, mungkin perlu untuk membuat beberapa perubahan desain saat proyek meningkat dan menjadi lebih modular, sehingga banyak bagian dapat saling cocok untuk menutupi area yang luas. Juga, mereka menghadapi tantangan menemukan bahan yang dapat bertahan lama di air asin.
Yang mengatakan, keduanya percaya pendekatan mereka berpotensi mempengaruhi pasokan energi negara dengan cara yang bermakna. Hidrogen sudah banyak digunakan dalam industri kimia, misalnya, untuk membuat amonia dan metanol. Dan, permintaan diperkirakan akan terus meningkat karena lebih banyak produsen mobil berkomitmen untuk mobil yang menggunakan sel bahan bakar hidrogen.
(Kiri) Foto prototipe PV-electrolyzer yang berdiri sendiri mengambang di reservoir cairan asam sulfat. Sel fotovoltaik yang diposisikan di atas "rig mini" mengubah cahaya menjadi listrik yang digunakan untuk memberi daya pada electrolyzer tanpa membran yang terendam di bawah ini. (Kanan) Render dari "rig bahan bakar solar" hipotetis skala besar yang beroperasi di laut terbuka. ((Kiri) Jack Davis dan (kanan) Justin Bui / Columbia Engineering) Visi jangka panjang mereka adalah "rig bahan bakar surya" raksasa yang mengambang di lautan, dan Esposito telah melangkah lebih jauh dengan memperkirakan berapa banyak area kumulatif yang akan mereka butuhkan untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen yang cukup untuk menggantikan semua minyak yang digunakan di planet ini. . Perhitungannya: 63.000 mil persegi, atau area yang sedikit kurang dari negara bagian Florida. Kedengarannya seperti banyak lautan, tetapi dia menunjukkan bahwa luas total akan mencakup sekitar 0, 045 persen dari permukaan air bumi.
Ini sedikit proyeksi pie-in-the-sky, tetapi Esposito juga telah memikirkan tantangan dunia nyata yang akan menghadapi operasi produksi energi terapung yang tidak ditambatkan ke dasar laut. Sebagai permulaan, ada gelombang besar.
"Tentu saja, kita perlu merancang infrastruktur untuk rig ini sehingga dapat menahan lautan badai, " katanya. "Itu sesuatu yang akan kamu perhitungkan ketika kamu berpikir di mana sebuah rig berada."
Dan mungkin, tambahnya, rig-rig ini bisa keluar dari bahaya.
“Ada kemungkinan rig seperti ini bisa bergerak. Sesuatu yang mungkin bisa berkembang, dan kemudian berkontraksi. Mungkin tidak akan bisa bergerak cepat, tetapi bisa keluar dari badai.
"Itu akan sangat berharga, " katanya.
