Kan kunstig fotosyntese låse op for hydrogenøkonomien?

Erstatning af naturlig fotosyntese

Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis. This is of course true of the calories powering our bodies, but ultimately also of fossil fuels, which are just “stored” photosynthesis from plants that died eons ago.

So, mange bestræbelser er blevet dedikeret til enten at forbedre naturlig fotosyntese eller udnytte den til nye anvendelser, såsom at skabe biobrændstoffer fra alger. At bygge det i stor skala kan vise sig afgørende for at begrænse den stigende CO2‑koncentration i atmosfæren.

Men hvad hvis vi kunne efterligne fotosynteseprocessen uden at skulle håndtere levende organismer? Det er trods alt en elektrokemisk proces, som ikke nødvendigvis kræver levende celler for at foregå. Dette er løftet om såkaldt “kunstig fotosyntese”.

Det ville løfte vores evne til at indfange solens energi et skridt over fotovoltaik, som kun kan skabe elektricitet fra sollys, men ikke direkte påvirke kemiske reaktioner.

Tre forskere ved Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) og University of Tokyo kan have bragt denne teknologi et skridt tættere på virkeligheden. I et papir offentliggjort i Chemical Communications under titlen “Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis¹”.

Hvordan fungerer fotosyntese?

I planter er fotosyntese, groft sagt, processen med at optage CO2 og vand, bruge lys som energikilde og producere kulhydrater og ilt.

Kilde: Britannica

Det sagt, ser det ud til, at dette kan reduceres til en meget simpel kemisk ligning og let replikeres kunstigt.

Kilde: Britannica

Det er en anden sag, når man ser på hvordan det udføres. Plantefotosyntese er faktisk en af de mest komplekse biokemiske maskiner, med dusinvis af mellemliggende reaktioner, et utal af underkomponenter, og nogle gange ikke så velforståede molekylære mekanismer, der involverer indviklede elektronbevægelser.

Den syntetiske forklaring af dette emne i Britannica-encyklopædien er ikke mindre end 10.000 ord. Forskere, der studerer det, skal håndtere ret mere komplekse skemaer for at få et overblik over fotosyntesen:

Kilde: Lumen Learning

Selvom fotosyntese primært i naturen bruges til at skabe kulhydrater, kunne den i teorien anvendes til mange andre formål ved at bruge lys som energikilde, for eksempel syntese af hydrogen fra vand (fotokatalyse).

Bioinspirerede hydrogeler til hydrogenproduktion

Da et af trinnene i naturlig fotosyntese er spaltning af vand til ilt og 2H+‑atomer, ser det ud til, at kun at efterligne dette trin ville være lettere end at forsøge at efterligne hele processen. Dette er, hvad de japanske forskere har arbejdet på, ved brug af hydrogeler.

Kilde: Chemical Communications

De brugte funktionelle molekyler, såsom rutheniumkomplekser og platin‑nanopartikler, som arbejder sammen for at simulere den naturlige fotosynteseproces og er kendt som kraftige fotokatalysatorer. Innovationen ligger i, hvordan de organiserede disse partikler:

“Det unikke her er, hvordan molekylerne er organiseret inden i hydrogellet. Ved at skabe et struktureret miljø har vi gjort energiomdannelsesprocessen meget mere effektiv.”

Reina Hagiwara – PhD‑studerende ved JAIST

Kilde: Chemical Communications

Forbedret effektivitet

En anden vigtig forbedring ved brug af hydrogel sammenlignet med tidligere metoder er, at den forhindrer de metalliske partikler i at klumpe sammen, hvilket normalt reducerer processens effektivitet.

“Den største udfordring var at finde ud af, hvordan man arrangerer disse molekyler, så de kan overføre elektroner glat. Ved at bruge et polymernetværk kunne vi forhindre dem i at klumpe sammen, hvilket er et almindeligt problem i syntetiske fotosyntesesystemer.”

Kosuke Okeyoshi – lektor ved JAIST

Resultatet var en meget mere effektiv fotokatalyse, der producerede mere hydrogen end ældre teknikker.

Kilde: Chemical Communications

Lysfangende gel

En anden faktor i den forbedrede effektivitet er, at gelen i bund og grund fastholder lyset, hvilket øger chancen for at drive den ønskede kemiske reaktion.

Den omhyggelige fremstilling af mikrogellet blev optimeret til at skabe diametre mindre end bølgelængden af synligt lys. Dette gjorde det også muligt at integrere de platin- og ruthenium‑mikroskopiske partikler i gelen i et organiseret net.

Kilde: Chemical Communications

Nøglen til hydrogenrevolutionen?

Hydrogen, eller ammoniak fremstillet fra hydrogen, har længe været betragtet som et potentielt ideelt brændstof til at drive verden med grøn energi.

Ved at være i en kemisk form i stedet for elektrisk, kan hydrogen lagre grøn energi over en meget længere periode og være en bedre erstatning for fossile brændstoffer end batterier i nøgleapplikationer som skibsfart eller tung industri.

Problemet er, at produktionen af hydrogen gennem elektrolyse er en meget energikrævende proces og også ret ineffektiv. Dette resulterer i, at størstedelen af den grønne energi, der bruges til at producere hydrogen, går til spilde, hvilket skader idéens økonomi.

Dette effektivitetsproblem for grøn hydrogen skyldes grundlæggende, at det nuværende koncept kræver for mange trin: lys → DC‑strøm → elektrolyse → hydrogenproduktion. Hvert ekstra trin reducerer effektiviteten og koster ekstra kapital og ressourcer til den involverede maskineri.

Det bliver endnu værre, hvis DC‑strømmen skal omdannes til AC og transporteres via nettet fra solfarme til hydrogenproduktionsstedet.

Direkte fotokatalyse ville omdanne det til “lys → hydrogenproduktion” uden nogen mellemliggende trin.

De næste skridt

Bedre polymerer

Denne publikation viser, at et omhyggeligt organiseret netværk af fotokatalytiske partikler kan være en game‑changer i hydrogenproduktion. Hydrogelen, der anvendes her, kan blot være et første skridt.

Forskerne forventer, at mere avancerede polymernetværk vil blive designet. Dette kan omfatte fastgørelse af de katalytiske komponenter ikke kun som små partikler, men som lange, tynde molekylære kæder, hvilket øger kontaktfladen og lysfangst. Fremtidig brug af naturlige supramolekyler, såsom tubulin/mikrotubuli, er også mulig.

Mere end hydrogen

Undersøgelsen fokuserede på hydrogenproduktion, men dette er langt fra den eneste kemiske reaktion, der kan katalyseres af sollys.

For eksempel har japanske forskere i Osaka fundet en måde at generere fumarinsyre fra bikarbonat og biomasse‑afledt pyruvsyre ved at bruge en anden form for kunstig fotosyntese.

Udover platin

Mange af hydrogenproduktionsmetoderne er afhængige af at splitte vandmolekyler ved brug af platin eller andre sjældne metaller i samme familie som ruthenium. Og dette kunne være et af argumenterne for at investere i platin, udover hybridbilernes stigende popularitet.

Samtidig har den høje pris på platin opmuntret forskere til at finde alternativer, der er mere omkostningseffektive.

Du kan læse nogle eksempler i Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” og “Generating Hydrogen by Splitting Water with Embedded Swarf”.

Måske kan disse fremskridt inden for alternativer til platin kombineres med den hydrogel og fotokatalyse, der er diskuteret ovenfor, for at skabe en meget lavpris hydrogenproduktionsmetode, der kun bruger billig metal, polymerer og sollys.

Investering i kunstig fotosyntese & hydrogen

Kunstig fotosyntese er for nuværende en stærkt udviklende eksperimentel disciplin. Potentialet i hydrogenøkonomien er dog stort nok til at få mange virksomheder klar til at investere i muligheden.

Da mange hydrogenproduktionsmetoder er afhængige af platin, kan dette være en mulighed: Det er faktisk muligt at købe platin direkte som fysisk metal til investering, hvor de fleste forhandlere af ædelmetalbarrer tilbyder mønter og platinstænger. Platin‑smykker er også en mulighed.

Handlet fysisk platinlagre kan også tilgås via abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) og GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Du kan investere i hydrogenrelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, og UK, såvel som mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke hydrogenrelaterede virksomheder, kan du også kigge på ETF’er som VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) for platinaspektet, eller hydrogen‑fokuserede ETF’er som Global X Hydrogen ETF (HGEN) eller VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO), som vil give en mere diversificeret eksponering til at udnytte potentialet i hydrogen som energikilde.

Hydrogenvirksomhed

(BLDP )

Ballard er en brændselscelleproducent og en pioner inden for teknologien med sin første brændselscellebus i 1993.

Virksomheden fokuserer på tungt belastede markeder: busser, lastbiler, tog/sporvogne, skibe, minedrift/konstruktion og energi. Mens busser har været kernen i forretningen, forventer virksomheden, at lastbiler vil blive et stort forretningssegment inden 2025. Den forventer også, at Europa forbliver hovedmarkedet (50‑60 %), efterfulgt af Nordamerika (25 %).

Brændselsceller til lastbiltransport forventes at fortsætte med at vokse og udgøre et marked på 7,5 mia. $ i 2030 (fra et samlet TAM på 195 mia. $), næsten lige så stort som alle andre hydrogen‑/brændselscelle‑applikationer samlet.

Kilde: Ballard

På grund af den højere effekt, der kræves, og behovet for hurtig opladning, har tungt belastede køretøjer været et godt valg for hydrogen og brændselsceller frem for lettere køretøjer som biler.

Det reducerer også behovet for kontaktledninger til jernbane og hurtig opladning ved langdistancetransport.

Kilde: Ballard

Virksomheden er heller ikke fremmed for ammoniak, med for eksempel en nylig kontrakt med Amogy om at levere brændselsceller til deres “ammoniak‑til‑energi‑platform, som bygger på unik ammoniak‑knæk‑teknologi”.

Mens elbiler har en rimelig chance for hurtigt at overtage bilmarkedet, er tungere køretøjer sværere at dekarbonisere.

Med sin etablerede ledelse i sektoren vil Ballard være en primær modtager af en politisk satsning mod en hydrogenøkonomi.

Fokus på brændselsceller gør også, at virksomheden kan drage fordel af enhver omkostningsreduktion i hydrogenproduktions‑teknologi, uanset metode, med eller uden platin, og med eller uden fotokatalyse.

Studierreference:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspirerede hydrogeler: polymerdesigns mod kunstig fotosyntese. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}