Mit dem Rückgang der Preise für erneuerbare Energien wächst das Interesse daran, Wege zu finden, sie wirtschaftlich einzusparen. Batterien können kurzfristige Produktionsspitzen bewältigen, sind jedoch möglicherweise nicht in der Lage, langfristige Engpässe oder saisonale Schwankungen in der Stromerzeugung zu bewältigen. Wasserstoff ist eine von mehreren in Betracht gezogenen Optionen, die das Potenzial haben, als langfristige Brücke zwischen Zeiten hoher Produktivität erneuerbarer Energien zu dienen.
Aber Wasserstoff hat seine eigenen Probleme. Seine Gewinnung durch Aufspaltung von Wasser ist aus energetischer Sicht ziemlich ineffizient, und es kann schwierig sein, es über lange Zeiträume zu speichern. Die meisten wasserstoffproduzierenden Katalysatoren funktionieren auch am besten mit sauberem Wasser – nicht unbedingt der Art, die leicht verfügbar ist, da der Klimawandel die Intensität von Dürren erhöht.
Eine Forschergruppe in China hat ein Gerät entwickelt, das Wasserstoff aus Meerwasser erzeugen kann – tatsächlich muss es sich im Meerwasser befinden, damit das Gerät funktioniert. Das Schlüsselkonzept hinter seiner Arbeit wird jedem bekannt sein, der versteht, wie die meisten wasserdichten Kleidungsstücke funktionieren.
Wasserdichte, atmungsaktive Kleidung setzt auf eine Membran mit sorgfältig strukturierten Poren. Die Membran besteht aus wasserabweisendem Material. Es hat Poren, die aber zu klein sind, um flüssiges Wasser durchzulassen. Aber sie sind groß genug, dass einzelne Wassermoleküle sie passieren können. Infolgedessen bleibt das Wasser auf der Außenseite des Kleidungsstücks dort, aber der Schweiß auf der Innenseite, der verdunstet, fließt dennoch durch den Stoff und gelangt nach außen. Dadurch atmet der Stoff.
Eine solche Membran ist zentral für die Funktion des neuen Geräts. Es lässt kein flüssiges Wasser durch die Membran, aber es lässt Wasserdampf durch. Der große Unterschied besteht darin, dass sich das flüssige Wasser auf beiden Seiten der Membran befindet.
Draußen - Meerwasser mit einem Standardsatz von Salzen. Darin befindet sich eine konzentrierte Lösung eines einzigen Salzes – in diesem Fall Kaliumhydroxid (KOH) – das mit dem Elektrolyseprozess kompatibel ist, der Wasserstoff erzeugt. In die KOH-Lösung eingetaucht ist ein Elektrodensatz, der auf beiden Seiten des Separators Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt und die Gasströme sauber hält.
Was passiert, nachdem das Gerät in Betrieb genommen wurde? Während sich das Wasser im Inneren des Geräts aufspaltet, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, erhöht der reduzierte Wasserstand die Konzentration der Ätzsalzlösung (die anfangs viel konzentrierter war als Meerwasser). Dies macht es energieeffizient, Wasser durch die Meerwassermembran zu bewegen, um das KOH zu verdünnen. Und dank der Poren ist das möglich, aber nur, wenn sich das Wasser in Form von Dampf bewegt.
Dadurch bleibt das Wasser in der Membran für kurze Zeit im Dampfzustand und verwandelt sich dann schnell in eine Flüssigkeit, sobald es in das Gerät eintritt. Das gesamte im Meerwasser enthaltene komplexe Salzgemisch bleibt außerhalb der Membran, und die Elektroden, die es teilen, werden mit einem konstanten Frischwasserfluss versorgt. Wichtig ist, dass all dies geschieht, ohne die Energie zu verbrauchen, die normalerweise bei der Entsalzung verwendet wird, wodurch der Gesamtprozess energieeffizienter wird als die Aufbereitung von Wasser für die Verwendung in einem Standard-Elektrolyseur.
Im Prinzip klingt das alles toll, aber funktioniert das auch wirklich? Um dies herauszufinden, baute das Team das Gerät zusammen und testete es im Meerwasser der Shenzhen Bay (einer Bucht nördlich von Hongkong und Macau). Und bei fast allen vernünftigen Maßstäben hat es gut funktioniert.
Die Leistung blieb auch nach 3200 Betriebsstunden erhalten, und die Elektronenmikroskopie der Membran nach der Verwendung zeigte, dass die Poren in diesem Stadium unverstopft blieben. Das für das System verwendete KOH war nicht vollständig rein und enthielt daher geringe Mengen an Ionen, die im Meerwasser vorkommen. Diese Werte stiegen jedoch im Laufe der Zeit nicht an, was bestätigte, dass das System kein Meerwasser in die Elektrolysekammer eindringen ließ. In Bezug auf den Energieverbrauch lag das verwendete System in etwa auf dem Niveau eines Standard-Elektrolyseurs, was bestätigt, dass die Wasseraufbereitung keinen Energieaufwand erforderte.
Die KOH-Lösung war auch selbstausgleichend, wobei sich die Wasserdiffusion in das Gerät verlangsamte, wenn seine interne Lösung zu verdünnt wurde. Wenn es zu konzentriert wird, sinkt die Effizienz der Elektrolyse, sodass die Entfernung von Wasser verlangsamt wird.
Die Autoren schätzen, dass ihr Gerät unter Meerwasserdruck in Tiefen von bis zu 75 m betrieben werden kann. Die Temperatur in diesen Tiefen kann jedoch einschränkend sein, da die Wasserdiffusionsrate durch die Membran bei 30 °C sechsmal höher ist als bei 0 °C °C.
Trotz all dieser guten Nachrichten gibt es Möglichkeiten, die Leistung zu verbessern. Verschiedene andere Salze als KOH sind in Ordnung, und einige funktionieren möglicherweise besser. Die Forscher fanden auch heraus, dass die Einarbeitung von KOH in das Hydrogel um die Elektroden herum die Wasserstoffproduktion erhöhte. Schließlich ist es möglich, dass eine Änderung des Materials oder der Struktur der bei der Wasserspaltung verwendeten Elektroden den Prozess weiter beschleunigen könnte.
Schließlich schlug das Team vor, dass es für mehr als nur die Wasserstoffproduktion nützlich sein könnte. Anstelle von Meerwasser tauchten sie eines der Geräte in eine verdünnte Lithiumlösung und stellten fest, dass sich die Lithiumkonzentration nach 200 Betriebsstunden aufgrund des in das Gerät eindringenden Wassers um mehr als das 40-fache erhöhte. Es gibt viele andere Kontexte, wie z. B. die Behandlung von kontaminiertem Wasser, in denen diese Konzentrationsfähigkeit nützlich sein kann.
Dies löst nicht alle Probleme, die mit der Verwendung von Wasserstoff als Energiespeicher verbunden sind. Aber es hat sicherlich das Potenzial, uns zu ermöglichen, „das Bedürfnis nach sauberem Wasser“ von der Liste dieser Probleme zu streichen.
Sie können der Ukraine helfen, gegen die russischen Invasoren zu kämpfen, der beste Weg, dies zu tun, ist, Gelder an die Streitkräfte der Ukraine zu spenden Das Leben retten oder über die offizielle Seite NBU.
Auch interessant: