Βιωσιμότητα
Υδρογόνο και Γλυκό Νερό από Θαλασσινό Νερό; Μια Ηλιακή Λύση Αναδύεται
Ανταπόκριση στη Ζήτηση για Νερό και Υδρογόνο
Among the most required resources in many regions of the world with growing populations is freshwater. This is a growing concern, and potentially a factor of geopolitical instability, with, for example, η συζήτηση για το ποιος θα χρησιμοποιήσει τα νερά του Νείλου σχεδόν φέρνοντας την Αίγυπτο και την Αιθιοπία σε πόλεμο.
Ενώ οι μέθοδοι αποξήρανσης γίνονται όλο και πιο συνηθισμένες, είναι πολύ ενεργοβόρες, και ακόμη και η μαζική εγκατάσταση ηλιακών πάνελ συχνά δεν είναι αρκετή.
Ένα ακόμη πράγμα που χρειαζόμαστε είναι περισσότερη ανανεώσιμη ενέργεια σε μορφή που μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για βαριά εξοπλισμό και βιομηχανία. Θεωρητικά, το υδρογόνο θα ήταν μια καλή επιλογή, αλλά μέχρι τώρα δεν έχει καταφέρει να εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα λόγω των υψηλών του κόστους.
Και εδώ, η ηλιακή ενέργεια μπορεί να βοηθήσει, αλλά το κόστος παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης έχει περιορίσει τη χρήση του.
Φαίνεται ότι και τα δύο προβλήματα θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν ταυτόχρονα με μια νέα τεχνολογία ηλιακής ηλεκτρόλυσης, χρησιμοποιώντας όχι γλυκό νερό, αλλά θαλασσινό νερό. Παράγει ακόμη και γλυκό νερό ως παραπροϊόν της παραγωγής υδρογόνου.
Αναπτύχθηκε από ερευνητές του Johns Hopkins University, του Michigan State University, του Cornell University, του Lehigh University και του MIT, οι οποίοι δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο περιοδικό Energy & Environmental Science, υπό τον τίτλο «Παραγωγή πράσινου υδρογόνου με ηλιακή ενέργεια με απόδοση πάνω από 12% από θαλασσινό νερό».
Κατασκευή Χρήσιμου Θαλασσινού Νερού
Seawater is maybe the most abundant resource on Earth, covering 70% of the planet’s surface. It is also easy to access for most of the world’s population, as more than 40% live in the 100km range (62 miles) from the nearest coast, and more than 50% in the 200km range (124 miles).
Πηγή: StatsMapsNPix
“Γι’ αυτό ήρθαμε με αυτήν την τεχνολογία. Σκεφτήκαμε, ‘Εντάξει, ποιος είναι ο πιο άφθονος πόρος στη Γη;’ Ο ήλιος και το θαλασσινό νερό είναι ουσιαστικά άπειροι πόροι και επίσης δωρεάν πόροι.”
Unfortunately, seawater is salty and unsuitable for both human consumption and the irrigation of crops. This is why alternative supplies of fresh water in dry regions are being considered, like συλλογή ατμοσφαιρικού νερού or καλύτερη επεξεργασία λυμάτων.
Still, desalination is likely the only durable solution at scale for supplying abundant water to many countries. As those countries are also often in sunny regions, solar-powered desalination, either through ion membranes or direct evaporation, is a potential solution. The fixed costs of these systems, however, are making the production of water rather expensive.
“Water and energy are both critically needed for our everyday life, but typically, if you want to produce more energy, you have to consume more water.
On the other hand, we need drinking water, because two-thirds of the global population are facing water scarcity.”
As a side note, seawater is also not a suitable source of material for hydrogen generation, which requires ultra-pure (distilled) water.
Καλύτερη Χρήση του Ηλιακού Φωτός
So far, the economics of desalination has hit the problem that you need to build large and expensive solar collecting facilities while trying to produce water as cheaply as possible.
What the researchers of this study did was to make these facilities produce something more valuable (hydrogen) while also making water at the same time.
As a rule, photovoltaic installations can only utilize a portion of the solar output, as 100% efficiency is impossible, and some of the wavelengths are too short or too long to be used by the panels’ silicon.
This leaves a lot of solar energy wasted in photovoltaic facilities. Worse, this solar energy generates heat, which further reduces the efficiency of the solar panels (most designs work best below 30°C (86°F).
Κάνοντας Όλα ταυτόχρονα
As these problems seem impossible to solve separately, at least in a way that is economically competitive, maybe the solution is a more holistic approach. It was with this concept in mind that the researchers considered potential synergies if the same device produces at the same time power, hydrogen, and freshwater, using only sun and seawater.
The design they conceived looks to solve every problem at once, by making each limitation of a given sub-process the solution for another problem:
- Η παραγωγή υδρογόνου και γλυκού νερού γίνεται στην ίδια συσκευή, ώστε να μοιράζονται τα κεφαλαιακά κόστη και να αξιοποιείται ο πλήρης ηλιακός φάσμα.
- Το νερό προέρχεται από θαλασσινό νερό, αφαιρώντας περιορισμούς πόρων για την παραγωγή υδρογόνου.
- Η παραγωγή υπερ-καθαρού γλυκού νερού απορροφά τη θερμότητα, κρατώντας τα ηλιακά πάνελ δροσερά και αυξάνοντας την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
- Το θαλασσινό νερό δεν έρχεται ποτέ σε επαφή με τον ηλεκτροκαταλύτη, που παράγει υδρογόνο, αφαιρώντας προβλήματα διάβρωσης και ανεπιθύμητων χημικών αντιδράσεων.
- Καθώς η ενέργεια χρησιμοποιείται άμεσα για την παραγωγή υδρογόνου στην ίδια συσκευή, δεν χρειάζονται μπαταρίες, αναβαθμίσεις του δικτύου κ.λπ.
Προηγμένη Κατασκευή
While looking simple in concept, managing to perform efficiently all these operations at once is a real engineering challenge.
The evaporator and PEM electrolyzer are separated by an air gap, which avoids direct contact between seawater and electrocatalysts.
A few other features were added to improve the design:
- Χρήση καπνικού στέγγυας που παγιδεύει το νερό σε μια λεπτή μεμβράνη σε άμεση επαφή με το ηλιακό πάνελ, ώστε να το ψύχει μέσω εξάτμισης.
- Εκμετάλλευση του θερμικού φαινομένου για αύξηση της πίεσης ατμού, απαραίτητο για υψηλότερους ρυθμούς παραγωγής αποσταγμένου νερού και αποδοτική παραγωγή υδρογόνου.
- Χρήση της ενέργειας που απελευθερώνεται από τη φάση ατμού-υγρού για τη βελτίωση της απόδοσης παραγωγής υδρογόνου.
- Χρήση μονοπλεύρης ροής θαλασσινού νερού για την αποφυγή συσσώρευσης αλατιού, ένα μόνιμο πρόβλημα για όλα τα συστήματα αποξήρανσης.
At the end of the process, slightly more salty seawater can be sent back into the sea, and distilled water that has not been turned into hydrogen can be used as clean drinkable water.
“The design was challenging because there’s a lot of complex coupling: desalination coupled with electrolysis, electrolysis coupled with the solar panel, and the solar panel coupled with desalination through solar, electrical, chemical, and thermal energy conversion and transport.”
Δοκιμή του Πρωτοτύπου
When testing their hybrid solar distillation-water electrolysis (HSD-WE) device, the researchers found that the small 10 cm x 10 cm cell could produce 200 milliliters of hydrogen per hour, with 12.6% energy efficiency, directly from seawater under natural sunlight.
Πηγή: Cornell University
The test was performed outdoors, with real seawater and realistic weather conditions, notably with cloudy weather reducing the hydrogen output at one point of the day.
Οικονομική Βιωσιμότητα
The researchers calculated how much hydrogen would be produced by their prototype in various locations. When compared to the current average of $10/kg for green hydrogen, it is clear that it a lot more efficient past the first year of operation, falling to $5/kg with three-year operation and $1/kg with 15-year operation.
This is because traditional green hydrogen costs are quickly plateauing, constrained by energy and capital costs.
In comparison to the classical electrolyzer, the HSD-WE is mostly passive and gets its energy from the sun directly, without extra capital costs of connection, water transport, storage, etc.
“We want to avoid carbon emission, avoid pollution. Meanwhile, we also care about the cost, because the lower the cost we have, the higher the market potential for large-scale adoption. We believe there is a huge potential for future installation.”
Εταιρεία Λύνοντας τις Ελλείψεις Νερού
Xylem Inc.
(XYL )
Μαζί με την ευρωπαϊκή Veolia, η Xylem είναι παγκόσμιος ηγέτης στην καθαρισμό νερού, τη θεραπεία λυμάτων και την αποξήρανση. Απασχολεί πάνω από 23.000 άτομα (από τα οποία πάνω από 6.000 είναι μηχανικοί) και δραστηριοποιείται σε 150 χώρες, με έμφαση στις ΗΠΑ, με πάνω από 35.000 άμεσους βιομηχανικούς πελάτες.
Η κύρια αγορά της είναι το δημοτικό πόσιμο νερό και τα λυμένα, αλλά παρέχει επίσης εξειδικευμένες λύσεις σε άλλους τομείς όπως η υγειονομική περίθαλψη, η ενέργεια, τα τρόφιμα & ποτά, το πετρέλαιο & αέριο, η μικροηλεκτρονική κ.λπ.
Πηγή: Xylem
Η Xylem μπορεί να παρέχει τα κρίσιμα πατενταρισμένα εξαρτήματα για τον καθαρισμό ή την παραγωγή νερού, όπως γεννήτριες όζοντος, λαμπτήρες UV, μεμβράνες αποξήρανσης, γεννήτριες υπερ-καθαρού νερού κ.λπ. Αλλά παρέχει επίσης «απλούστερο» εξοπλισμό εξίσου κρίσιμο για λειτουργίες σχετικές με το νερό, όπως τουρμπίνες, αντλίες, σωληνώσεις, ένεση, λογισμικό κ.λπ., καθώς και υπηρεσίες συντήρησης, επισκευής και εγκατάστασης.
Πηγή: Xylem
Η αγορά νερού παραμένει πολύ κατακερματισμένη, με τη Xylem να είναι μία από τις μεγαλύτερες εταιρείες στον τομέα, αλλά να κατέχει ακόμη «μόνο» μερίδιο αγοράς 10% από την εξυπηρετούμενη διευθυντική αγορά των 80 δισεκατομμυρίων δολαρίων.
Η εταιρεία δαπανά περίπου το 4% των πωλήσεών της στην Έρευνα & Ανάπτυξη. Θα πρέπει να ωφεληθεί από νέους κανονισμούς σχετικά με τις PFAS (Περι- και πολυφθοροαλκυλικές ουσίες, ή «χημικά για πάντα»), με πάνω από 6.000 εγκαταστάσεις κοινής ωφέλειας να χρειάζονται τέτοια επεξεργασία PFAS.
Συνολικά, αυτό κάνει το επενδυτικό προφίλ της εταιρείας πιο παρόμοιο με αυτό μιας εταιρείας κοινής ωφέλειας που αναπτύσσεται με την ευρύτερη οικονομία ή ελαφρώς πάνω από αυτό το ρυθμό, όπως οι περισσότεροι πελάτες της.
Τελευταία Ειδήσεις για την Xylem Inc.
Μελέτες Αναφοράς:
1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Παραγωγή πράσινου υδρογόνου με ηλιακή ενέργεια με απόδοση πάνω από 12% από θαλασσινό νερό”. Energy Environ. Sci., 2025, Προχωρημένο Άρθρο. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E
