Energi
Fremstilling af brint ved at splitte vand med indlejret swarf
Brind og elektrolyseomkostninger
Brind er et lovende brændstof til en grøn økonomi, fra transport til energilagring, og kan være det eneste realistiske kulstof-frie alternativbrændstof for mange industrier som skibsfart og luftfart.
En af de vigtigste faktorer, der har holdt tilbage opkomsten af brintøkonomien, er omkostningerne, især omkostningerne ved brintproduktion.
Grøn brint (fra fornybar energi) produceres hovedsageligt gennem elektrolyse, som kræver meget energi og katalysatorer. Disse katalysatorer har tendens til at være dyre, og afhænger i de fleste tilfælde af metaller som platinum. Jo mere platinum, der bruges, jo dyrere er elektrolysen.
Ikke kun er metaller som platinum dyre, men de er også ekstremt sjældne og ville være i kort supply, hvis brint blev masset adopteret som energikilde.
Derfor var det vigtigt, at forskere annoncerede en drastisk reduktion i katalysatorbehovet for elektrolyse.
“Vi kan producere brint fra vand ved kun at bruge en tiendedel af mængden af platinum i forhold til kommercielle katalysatorer.” – Dr. Madasamy Thangamuthu, postdoc-forsker ved University of Nottingham.
Billig elektrolyse med swarf (skrammel)
Dette opdagelse blev gjort af forskere ved University of Nottingham, UK, og offentliggjort i Journal of Material Chemistry, under titlen “From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilization of Pt and Co for hydrogen production”.
De første resultater kom fra analyse af swarf på nanoskala. Swarf er skrammel-spiraler genereret som affald, når man bearbejder metal som rustfrit stål, titan eller nikkel-legering. Industrierne i Storbritannien alene genererer millioner af tons metalaffald årligt.
Kilde: Nottingham University
Når man analyserer disse swarf med en elektronmikroskop, opdagede forskerne, at de langt fra er glatte, men har rendeer og furer, der er kun få nanometer brede.
Disse meget komplekse strukturer og massive kontaktoverflader ville gøre dem ideelle substrater for elektrokatalysatorer brugt i elektrolyse til brintproduktion.
Magnetisk platinum regn på swarf
For at tilføje platinum-atomer til swarf, brugte forskerne en teknik kaldet magnetron-sputtering. Dette er en teknik brugt i halvlederproduktion til at deponere en ultra-tynd film af metal, takket være kraftige magnetfelt.
Kilde: Korvus Tech
Denne metode “regn” platinum-atomer på swarf og deponerer dem i nanometer-størrelse rendeer og furer.
“Vi kan producere brint fra vand ved kun at bruge 28 mikrogram af det dyre metal over 1 cm² af swarf, og skabe en laboratorie-skala elektrolyse, der opererer med 100% effektivitet og producerer 0,5 liter brintgas per minut fra kun ét stykke swarf.” – Dr. Madasamy Thangamuthu, postdoc-forsker ved University of Nottingham.
Denne metode tillod skabelsen af 2 typer af brint-genererende elektrokatalysatorer:
- Titanium swarf med platinum-atomer som katalysator, til brint-evolutionsreaktion(HES).
- Nikkel swarf med kobolt-atomer som katalysator, til ilt-evolutionsreaktion(OER)
Nottingham-forskerne arbejder nu med virksomheden AqSorption for at skala op teknologien.
Sammenføring af brint-innovationer
Nye katalysator-paradigmer
Opbygningen af brintøkonomien kræver, at hver enkelt skridt i brintproduktions- og distributionskæden bliver så effektivt som muligt.
Indtil for nylig var det sjældne og dyre platinum- og kobolt-baserede katalysatorer nødvendigt at opdage alternative katalysatorer. For eksempel diskuterede vi muligheden for at bruge nikkel-nanostænger i “Brintproduktions-fremgang med nikkel-baseret elektrolyse” og alternative katalysatorer som ruthenium, silicium og wolfram (RuSiW) i “Grøn brint skal erstatte grå, da nye elektrokatalysatorer gør produktionen omkostningseffektiv”.
Opdagelsen af at bruge swarf kunne fjerne behovet for sådanne nye katalysatorer.
Måske kunne disse innovationer kombineres for at skabe endnu mere effektive nye typer katalysatorer. Alternativt, nu hvor mængden af platinum, der kræves, kan reduceres 10 gange, kunne brugen af platinum-nanostænger til at nå ultra-høje niveauer af katalyse-effektivitet være en mulighed.
Brint-teknologi forbedring & ammoniak
Dette vil sandsynligvis kombineres med andre innovationer, som mere effektiv lagring af brint, som diskuteres i “Brint er blevet mere attraktivt som energikilde gennem en gennembrud i lagring“. Effektiv omvandling af brint til kraft, som diskuteres i “Er battericeller kun en forløber for brint-brændselsceller? Den virkelige næste generation af elbiler?“.
Til sidst kunne den højeffektive, lavomkostnings brint-elektrolyse, lagring og udnyttelse kombineres med massiv brug af ammoniak som brændstof, transport og langtids-lagring af brint, som diskuteres i “Afkarbonisering af globale skibsfarts-linjer gennem grøn ammoniak” og “Ammoniak-produktion er enormt skadelig for miljøet – ingeniører har udviklet en renere metode”.
Brint-fokuserede virksomheder
1. Sibanye Stillwater
(SBSW )
Brugen af swarf til brintproduktion kunne dramatisk øge muligheden for en massiv adoption af grøn brint ved at gøre platinum-baseret elektrolyse økonomisk viable.
Dette kunne være et massivt boost til platinum-markedet, som har været under pres i de seneste år.
En af de vigtigste årsager til under-præstationen af platinum var dens stærke afhængighed af efterspørgsel efter katalytiske konvertere i brændstof-biler og -lastbiler. Med verden, der bevæger sig mod elbiler, var dette nødvendigt for at sikre efterspørgslen efter dette metal.
Kilde: Sibanye Stillwater
Alternativt, hvis platinum-baseret elektrolyse med skrammel fra luftfartsindustrien bliver centrum for brintøkonomien, er platinum-efterspørgslen sikret for de kommende årtier.
Sydafrikanske Sibanye Stillwater er en af de største platinum-producenter i verden. Landet producerer 80% af verdens platinum, og Sibanye Stillwater står for en fjerdedel af denne produktion.
Kilde: Mining Technology
Det er også en producent af platinum-metalgruppe-elementer som palladium, rhodium og ruthenium. Det diversificerer nu til at indtræde i guld- og batteri-metalmarkedet.
Kilde: Sibanye Stillwater
Platinum-markedet har været kontrolleret af diskussionen over adoptionen af elbiler versus forbrændingsmotorer. Med den hurtige innovation i brugen af hydrogen-elektrolyse af platinum og andre platinum-metalgruppe-elementer, kan dette ændre sig.
Platinum er også nødvendigt i de fleste designs af brændselsceller, der omvandler brint til elektricitet. Således vil fremgangen i brint-teknologi, herunder swarf-baseret elektrolyse, men ikke kun, sandsynligvis gavne platinum-fokuserede minevirksomheder som Sibanye Stillwater.
2. Ballard Power Systems Inc.
(BLDP )
Ballard er en producent af brændselsceller og en pioner inden for teknologien med sin første brændselscelle-bus produceret i 1993.
Virksomheden fokuserer på tungt udstyr: busser, lastbiler, tog/tram, skibe, minedrift/konstruktion og kraft. Mens busser har været kernen i forretningen, forventer virksomheden, at lastbiler vil være en stor forretningssektor i 2025. Det forventer også, at Europa vil blive det primære marked (50-60%), efterfulgt af Nordamerika (25%).
Lastbil-brændselsceller forventes at fortsætte med at vokse og udgøre en markedsværdi på 7,5 milliarder dollars i 2030 (fra et marked på 195 milliarder dollars), næsten lige så stort som alle andre hydrogen/brændselscelle-anvendelser kombineret. Dette vækst kan accelerere, hvis hydrogen-produktionspriser falder takket være nye teknologier.
Kilde: Ballard
Fordi tungt udstyr kræver mere kraft og hurtig opladning, har det været et godt marked for hydrogen og brændselsceller over lettere køretøjer som biler. Det reducerer også behovet for catenary-ledning til jernbane og trolleybusser og hurtig opladning til langdistance-transport.
Kilde: Ballard
Virksomheden er ikke ukendt med ammoniak, med for eksempel en recent kontrakt med Amogy for at levere brændselsceller til deres “ammoniak-til-kraft-platform, der afhænger af en unik ammoniak-knusningsteknologi”.
Medens elbiler har en rimelig chance for at tage over markedet for biler, er tungere køretøjer sværere at dekarbonisere. Med sin etablerede ledelse i sektoren vil Ballard sandsynligvis være en primær fordel af en politisk skub mod en brintøkonomi.
Hydrogen-produktion, der bliver billigere takket være fremgang i katalysatorer, mekanisk reducerer omkostningerne ved brændstof til hydrogen-drevne køretøjer. Med stigende oliepriser på grund af geopolitiske spændinger og voksende kuldioxid-skatter, kan dette tippe vægten til fordel for hydrogen, især for køretøjer, der kræver meget kraft og kører mange kilometer (lastbiler, busser osv.).
