Por lo general, cuando pensamos en la producción de energía en el mar, imaginamos plataformas petroleras gigantes, o tal vez hileras de imponentes turbinas eólicas. Sin embargo, recientemente se agregaron paneles solares flotantes a la mezcla, incluida una granja solar del tamaño de 160 campos de fútbol que entraron en funcionamiento en China el año pasado.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia quiere ir un paso más allá. Dicen que es posible usar paneles solares en la superficie del océano para alimentar dispositivos que pueden producir combustible de hidrógeno a partir del agua de mar.
El hidrógeno es una forma limpia de energía, pero se produce más comúnmente a partir del gas natural en un proceso que también libera dióxido de carbono, un factor clave del cambio climático. Los científicos de Columbia dicen que su dispositivo, llamado electrolizador fotovoltaico flotante, elimina esa consecuencia al utilizar la electrólisis para separar el oxígeno y el hidrógeno en las moléculas de agua y luego almacenar el último para usarlo como combustible.
El líder del equipo, Daniel Esposito, profesor asistente de ingeniería química, señala que usar electrolizadores comerciales existentes para generar hidrógeno es bastante costoso. "Si retira los paneles solares y los electrolizadores disponibles comercialmente, y utiliza la luz solar para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, será de tres a seis veces más costoso que si produjera hidrógeno a partir de gas natural". él dice.
También señala que esos electrolizadores requieren membranas para mantener separadas las moléculas de oxígeno e hidrógeno una vez que se separan. Eso no solo aumenta el costo, sino que esas partes tienden a degradarse rápidamente cuando se exponen a los contaminantes y microbios en el agua salada.
"Poder demostrar de forma segura un dispositivo que puede realizar la electrólisis sin una membrana nos acerca un paso más para hacer posible la electrólisis del agua de mar", dijo en un comunicado Jack Davis, investigador y autor principal del estudio de prueba de concepto. "Estos generadores de combustible solar son esencialmente sistemas de fotosíntesis artificial, que hacen lo mismo que hacen las plantas con la fotosíntesis, por lo que nuestro dispositivo puede abrir todo tipo de oportunidades para generar energía limpia y renovable".
Dos electrodos de malla se mantienen a una distancia de separación estrecha (L) y generan gases H2 y O2 simultáneamente. La innovación clave es la colocación asimétrica del catalizador en las superficies exteriores de la malla, de modo que la generación de burbujas se limita a esta región. Cuando las burbujas de gas se desprenden, su flotabilidad hace que floten hacia arriba en cámaras de recolección separadas. (Daniel Esposito / Columbia Engineering) Burbujeando
Entonces, ¿qué hace que su electrolizador sea distintivo?
El dispositivo está construido alrededor de electrodos de malla de titanio suspendidos en agua y separados por una pequeña distancia. Cuando se aplica una corriente eléctrica, las moléculas de oxígeno e hidrógeno se separan, con el primero desarrollando burbujas de gas en el electrodo que está cargado positivamente, y el segundo haciendo lo mismo en el que tiene una carga negativa.
Es fundamental mantener separadas estas diferentes burbujas de gas, y el electrolizador Columbia lo hace mediante la aplicación de un catalizador en un solo lado de cada componente de la malla, la superficie más alejada del otro electrodo. Cuando las burbujas se hacen más grandes y se desprenden de la malla, flotan a lo largo de los bordes exteriores de cada electrodo en lugar de mezclarse en el espacio entre ellas.
Los científicos no solo evitaron el uso de membranas costosas, sino que tampoco tuvieron que incorporar las bombas mecánicas que algunos modelos usan para mover líquidos. En cambio, su dispositivo se basa en la flotabilidad para flotar las burbujas de hidrógeno en una cámara de almacenamiento. En el laboratorio, el proceso fue capaz de producir hidrógeno gaseoso con una pureza del 99 por ciento.
Alexander Orlov, profesor asociado de ciencia de materiales e ingeniería química en la Universidad Stony Brook en Nueva York, está de acuerdo en que la eliminación de membranas es un desarrollo "sustancial". "Las membranas son puntos débiles en la tecnología", dice. "Hay algunas soluciones más sofisticadas, pero el enfoque de Esposito es extremadamente simple y bastante práctico. Ha sido publicado y revisado por pares en publicaciones de muy alto impacto, por lo que a pesar de su simplicidad, la ciencia y la novedad son sólidas".
Pensando en grande
Esposito y Davis reconocen fácilmente que es un gran salto desde el pequeño modelo probado en su laboratorio hasta el tipo masivo de estructura que podría hacer que el concepto sea económicamente viable. Es posible que deba comprender cientos de miles de unidades de electrolizadores conectadas para generar una cantidad suficiente de combustible de hidrógeno del mar.
De hecho, dice Esposito, podría ser necesario hacer algunos cambios de diseño a medida que el proyecto se amplía y se vuelve más modular, por lo que muchas piezas pueden encajar juntas para cubrir un área grande. Además, se enfrentan al desafío de encontrar materiales que puedan sobrevivir durante mucho tiempo en agua salada.
Dicho esto, ambos creen que su enfoque tiene el potencial de afectar el suministro de energía del país de manera significativa. El hidrógeno ya se usa mucho en la industria química, por ejemplo, para producir amoníaco y metanol. Y se espera que la demanda siga aumentando a medida que más fabricantes de automóviles se comprometan con los automóviles que funcionan con celdas de combustible de hidrógeno.
(Izquierda) Foto del prototipo de electrolizador fotovoltaico independiente que flota en un depósito líquido de ácido sulfúrico. Las células fotovoltaicas ubicadas en la parte superior del "mini equipo" convierten la luz en electricidad que se utiliza para alimentar el electrolizador sin membrana sumergido debajo. (Derecha) Una representación de una hipotética "plataforma de combustibles solares" a gran escala que opera en mar abierto. ((Izquierda) Jack Davis y (derecha) Justin Bui / Columbia Engineering) Su visión a largo plazo es de gigantes "plataformas de combustible solar" flotando en el océano, y Esposito ha ido tan lejos como para estimar cuánta área acumulativa necesitarían cubrir para generar suficiente combustible de hidrógeno para reemplazar todo el petróleo utilizado en el planeta. . Su cálculo: 63, 000 millas cuadradas, o un área un poco menos que el estado de Florida. Eso suena como mucho océano, pero señala que el área total cubriría aproximadamente el 0, 045 por ciento de la superficie del agua de la Tierra.
Es un poco una proyección de pastel en el cielo, pero Esposito también ha pensado en los desafíos del mundo real que enfrentaría una operación de producción de energía flotante que no esté atada al lecho marino. Para empezar, hay grandes olas.
"Ciertamente, necesitaríamos diseñar la infraestructura para este equipo de modo que pueda soportar mares tormentosos", dice. "Es algo que tendrías en cuenta cuando pienses dónde está ubicada una plataforma".
Y tal vez, agrega, estos equipos podrían ser capaces de salir del peligro.
“Existe la posibilidad de que una plataforma como esta sea móvil. Algo que quizás podría expandirse y luego contraerse. Probablemente no podría moverse rápido, pero podría apartarse de una tormenta.
"Eso sería realmente valioso", dice.
