通常、海でのエネルギー生産について考えるとき、巨大な石油掘削装置、または恐らくそびえ立つ風力タービンの列を想像します。 ただし、最近では、昨年中国で操業を開始した160のサッカー場の規模のソーラーファームなど、フローティングソーラーパネルがミックスに追加されました。
現在、コロンビア大学の研究者チームは、さらに一歩前進したいと考えています。 彼らは、海面からソーラーパネルを使用して、海水から水素燃料を生成できるデバイスに電力を供給することが可能であると言います。
水素はクリーンなエネルギーですが、最も一般的には、気候変動の主要な要因である二酸化炭素も放出するプロセスで天然ガスから生成されます。 コロンビアの科学者たちは、浮遊光起電性電気分解装置と呼ばれるデバイスは、代わりに電気分解を利用して水分子中の酸素と水素を分離し、燃料として使用するために後者を保存することでその結果を排除すると言います。
化学工学の助教授であるチームリーダーのダニエルエスポジトは、既存の市販の電解槽を使用して水素を生成するのはかなり費用がかかると指摘しています。 「既製のソーラーパネルと市販の電解槽を使用し、太陽光を使用して水を水素と酸素に分解すると、天然ガスから水素を生成する場合の3〜6倍の費用がかかります。」彼は言います。
彼はまた、これらの電解槽は、酸素分子と水素分子が分離された後、それらを分離するために膜が必要であると指摘しています。 それはコストを増加させるだけでなく、それらの部品は海水中の汚染物質や微生物にさらされるとすぐに劣化する傾向があります。
「膜なしで電気分解を実行できるデバイスを安全に実証できることは、海水電気分解を可能にするためのもう1つのステップをもたらします」と、概念実証研究の研究者であり筆頭著者であるJack Davisは声明で述べています。 「これらの太陽燃料発電機は本質的に人工の光合成システムであり、植物が光合成で行うのと同じことを行うため、当社のデバイスはクリーンで再生可能なエネルギーを生成するあらゆる種類の機会を開くことができます。」
2つのメッシュ電極は狭い分離距離（L）で保持され、H2とO2ガスを同時に生成します。 重要な革新は、メッシュの外側に面する表面に触媒を非対称的に配置することであり、気泡の生成はこの領域に制限されます。 気泡が剥離すると、その浮力により、気泡が上方に浮いて別々の収集室に入ります。 （ダニエルエスポジト/コロンビアエンジニアリング） バブリングアップ
それでは、電解槽の特徴は何ですか？
このデバイスは、水に浮遊し、わずかな距離だけ離れたチタンメッシュの電極の周りに構築されています。 電流が印加されると、酸素と水素分子が分裂し、前者は正に帯電した電極に気泡を発生させ、後者は負に帯電した電極で同様の役割を果たす。
これらの異なる気泡を分離した状態に保つことが重要です。コロンビアの電解装置は、各メッシュコンポーネントの片側、つまり他の電極から最も遠い表面に触媒を適用することでこれを行います。 気泡が大きくなり、メッシュから分離すると、気泡は各電極の間の空間で混ざり合うのではなく、各電極の外側の端に沿って浮き上がります。
科学者は高価な膜の使用を避けただけでなく、一部のモデルが液体の移動に使用する機械式ポンプを組み込む必要もありませんでした。 その代わりに、彼らの装置は浮力に依存して水素の泡を貯蔵室に浮かせます。 ラボでは、このプロセスにより純度99％の水素ガスを生成できました。
ニューヨークのストーニーブルック大学の材料科学および化学工学の准教授であるアレクサンダーオルロフは、膜の除去が「実質的な」開発であることに同意します。 「膜は技術の弱点です」と彼は言います。 「さらに洗練されたソリューションがありますが、Espositoのアプローチは非常にシンプルで非常に実用的です。非常にインパクトの高い出版物で公開およびピアレビューされているため、そのシンプルさにもかかわらず、科学とノベルティは堅実です」
大きく考える
EspositoとDavisは、研究室でテストされた小さなモデルから、この概念を経済的に実行可能にする巨大な種類の構造への大きな飛躍であることを容易に認めています。 海から十分な量の水素燃料を生成するために、数十万台の電気分解装置を接続する必要があります。
実際、Espositoによれば、プロジェクトの規模が大きくなりモジュール化されると、いくつかの設計変更が必要になる可能性があります。そのため、多くの部分を合わせて大きな領域をカバーできます。 また、彼らは塩水中で長期間生き残ることができる材料を見つけるという課題に直面しています。
とはいえ、どちらも、彼らのアプローチが意味のある方法で国のエネルギー供給に影響を与える可能性があると信じています。 水素は、たとえばアンモニアやメタノールを製造するために、化学産業ですでに多用されています。 そして、より多くの自動車メーカーが水素燃料電池で走る車にコミットするにつれて、需要は増加し続けると予想されます。
（左）硫酸の液体リザーバーに浮かぶスタンドアロンPV電解槽のプロトタイプの写真。 「ミニリグ」の上部に配置された太陽電池は、光を電気に変換し、その電気を使用して、下に沈むメンブレンレス電解槽に電力を供給します。 （右）外洋で動作する仮想の大規模な「ソーラー燃料リグ」のレンダリング。 （（左）ジャック・デイビスと（右）ジャスティン・ブイ/コロンビアエンジニアリング） 彼らの長期的なビジョンは、海に浮かぶ巨大な「ソーラー燃料リグ」であり、エスポジトは、地球上で使用されるすべての石油を置き換えるのに十分な水素燃料を生成するためにカバーする必要がある累積面積を見積もるまで行ってきました。 彼の計算：63, 000平方マイル、またはフロリダ州よりわずかに小さい面積。 それはたくさんの海のように聞こえますが、彼は総面積が地球の水面の約.045パーセントをカバーすると指摘します。
少し空っぽな投影ですが、Espositoは、海底につながれていない浮遊エネルギー生産作業に直面する現実世界の課題についても考えています。 まず第一に、大きな波があります。
「確かに、嵐の海に耐えられるように、このリグのインフラストラクチャを設計する必要があります」と彼は言います。 「リグがどこにあるかを考えるとき、それはあなたが考慮に入れるものです。」
そして、おそらく、これらのリグは害のない方法で移動できる可能性があると彼は付け加えます。
「このようなリグがモバイルである可能性があります。 おそらく拡大してから収縮する可能性のあるもの。 おそらく速く動くことはできませんが、嵐の邪魔にならないようにすることができます。
「それは本当に価値があるだろう」と彼は言う。
