Hydrogen er netop blevet mere attraktiv som energikilde gennem gennembrud i opbevaring

Hydrogen, det letteste grundstof i universet, er repræsenteret ved symbolet H. Det har atomnummer 1 og er det mest udbredte grundstof. Det er det simpleste kemiske grundstof med kun én proton og én elektron, og er farveløst, smagsløst og lugtfrit. 

Interessant nok bidrager hydrogen med anslået 75 % af universets masse. Det udgør dog kun omkring 0,14 % af Jordens skorpe efter vægt. Det forekommer naturligt i forbindelse med andre grundstoffer i faste stoffer, væsker og gasser. Når det kombineres med ilt, danner dette brandfarlige stof vand (H2O), og i kombination med kulstof danner det kulbrinter, som findes i petroleum og kul. Således kan hydrogen produceres fra en række ressourcer, herunder vedvarende energi som sol og vind, kernekraft og naturgas. 

Bemærkelsesværdigt, flere opdagelser er blevet gjort af naturligt dannende lommer af brintgas i lande som Australien, New Zealand, Canada, Frankrig, Tyskland, Japan og Rusland. I øjeblikket undersøger forskere omfanget af disse reserver i disse lande, deres oprindelse og de potentielle virkninger på de omkringliggende miljøer, hvis de udvindes.

Hydrogen som energikilde

De mest almindelige metoder til at producere brintbrændstof omfatter termisk, elektrolyse, fotovoltaisk drevet elektrolyse, soldrevet og biologiske processer. 

Termisk

I den termiske proces reagerer damp med et kulbrintebrændstof som diesel, naturgas, gasificeret kul eller gasificeret biomasse for at producere H. Bemærkelsesværdigt produceres størstedelen (omkring 95 %) af al brint ved dampreformering af naturgas. 

Elektrolyse

Elektrolyse indebærer derimod at adskille vand i ilt og brint. Denne proces foregår i en elektrolyseanordning og skaber brint fra vandmolekyler.

Biologisk

Biologiske processer udnytter mikrober, som ikke kan ses med det blotte øje, såsom bakterier, til at producere brint. 

Solar

Den soldrevne proces, som navnet antyder, bruger lys til fremstilling af H på forskellige måder såsom fotoelektrokemisk (bruger specialiserede halvledere til at adskille vand i H og O), fotobiologisk (udnytter den naturlige fotosyntetiske aktivitet hos bakterier og grønne alger) og soltermokemisk (bruger koncentreret solenergi til at drive vandspaltning).

Ud over alle sine egenskaber er hydrogen også et rent brændstof, hvilket betyder, at det kun producerer vand, varme og elektricitet, når det forbruges i en brændselscelle. Dette gør det til en attraktiv mulighed for elproduktion og transport, herunder biler og raketter. Det energitætte og lagringsvenlige stof, der ikke producerer drivhusgasser, blev faktisk brugt til at drive forbrændingsmotorer for mere end to århundreder siden. 

Dette viser, at hydrogen er en af de førende muligheder for lagring af vedvarende energi og også anvendes i mange industrier. Dog er dets sande potentiale endnu ikke realiseret. For at opnå dette skal hydrogen produceres i stor skala på en økonomisk måde. Desuden skal den eksisterende infrastruktur tilpasses hydrogen, selvom det kan transporteres gennem gasledninger.

Although we haven’t fully tapped into the wonders of using hydrogen as fuel, global spending on research and development to explore the full potential of hydrogen as an energy source has been rising over the years. Et nyligt studie har faktisk gjort et stort gennembrud på dette område ved at muliggøre højdensitetslagring af hydrogen til fremtidige energisystemer.

Rammeværk til lagring af tæt pakket hydrogen

Udgivet i tidsskriftet Nature Chemistry sidste måned, studiet “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen”, blev delvist finansieret af National Research Foundation of Korea (NRF) og German Research Foundation (DFG).

Mens nanoporous materialer har fået meget opmærksomhed for gaslagring, bemærkede studiet, at opnåelse af høj voluminøs lagringskapacitet fortsat er en udfordring. Så flere forskere fra forskellige universiteter gik sammen for at tackle dette problem.

Michael Hirscher fra Japans Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) ved Tohoku University og Tysklands Max Planck Institute for Intelligent Systems udtænkte de oprindelige idéer og superviserede projektet. Imens led Hyunchul Oh fra Koreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) dette projekt.

Interessant nok viste et team af forskere fra Max Planck Institute for Intelligent Systems, Department of Energy’s (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Technische Universität Dresden og Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg viste at hydrogen kondenserer på en overflade ved en meget lav temperatur nær H2‑kogepunktet. Denne proces danner et supertæt monolag, der overgår densiteten af flydende hydrogen med 3‑fold, hvilket reducerer volumen til kun 5 liter per kilogram H2.

Nu har det seneste studie undersøgt et magnesiumborohydrid-rammeværk ved hjælp af neutronpulverdiffraktion, inelastisk neutronspredning, volumetrisk gasadsorption og førsteprincipberegninger. Rammekonstruktionen har små porer og et delvist negativt ladet, ikke-fladt indre for optag af hydrogen (H) og nitrogen (N). 

Både nitrogen og hydrogen optager mærkbart forskellige adsorptionssteder i porerne. De har også meget forskellige begrænsningskapaciteter på 0,66 N2 og 2,33 H2 per Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, først opdaget i 1950, er kendt som et højkapacitets brintlagringsmateriale, der findes både som krystallinske polymorfer med nanoporous MOF‑lignende strukturer samt meget tætte polymorfer med ekstrem voluminøs brintdensitet og høj gravimetrisk brintkapacitet.

Således er molekylær hydrogen pakket ekstremt tæt, med en densitet på omkring det dobbelte af flydende hydrogen. 

Teamet brugte derefter neutronpulverdiffraktion (NPD) til at bestemme positionen af hydrogenatomerne i strukturen samt molekylernes adsorptionssteder. 

Studiet bemærkede, at en penta-dihydrogen‑klynge (dihydrogen består af to hydrogenatomer bundet med en enkeltbinding) blev fundet, hvor H2‑molekyler i én position har rotationsfrihed. I kontrast har H2‑molekyler i en anden position en veldefineret orientering og en retningsbestemt interaktion med rammen. Dette afslører, at tæt pakket hydrogen faktisk kan stabiliseres i småporøse materialer under normale atmosfæriske tryk.

Med denne opdagelse har teamet med succes tacklet udfordringen med begrænset brintlagringskapacitet ved at anvende avanceret høj‑densitets‑adsorptionsteknologi. 

Denne banebrydende udvikling blev rapporteret af professor Oh fra kemiaafdelingen på UNIST. Den innovative forskning markerer et betydeligt fremskridt for fremtidige energisystemer. 

Muliggørelse af storskalalagring af hydrogen

Når det gælder brug af hydrogen i transport, stationær strøm og bærbar strøm, spiller lagring en nøglerolle. Selvom grundstoffet har den højeste energi pr. masse, resulterer dets lave densitet ved omgivende temperatur i en lavere energi pr. volumenhed. Derfor er avancerede lagringsmetoder nødvendige for at opnå højere energitæthed.

I øjeblikket fokuserer lagringsteknologien primært på molekylær brintlagring i enten flydende eller gasform. Men naturligvis er der begrænsninger for denne nuværende teknologi med hensyn til voluminøs og gravimetrisk (hvor meget energi der kan lagres pr. gram eller kilogram) lagringstæthed.

Lagring af hydrogen som gas kræver højtryksbeholdere, mens flydende hydrogen kræver kryogene temperaturer. Det kan også lagres på overfladen eller inden i et fast stof via absorption.

Som molekyle kan hydrogen fysisk adsorberes i et materiale med porer (huller) ved svage van‑der‑Waals‑interaktioner (som er relativt svage og ikke‑ioniske) gennem fysisk adsorption. Det refererer til en proces, hvor gasmolekyler binder sig til en fast overflade. Selvom meget porøse materialer giver høj gravimetrisk hydrogenoptag, er der behov for forbedringer i den voluminøse lagringskapacitet.

Her kommer nanoporous kubisk magnesiumborohydrid, γ‑Mg(BH4)2, ind i billedet med fremragende resultater. Det har en densitet på ρ = 0,550 g cm⁻³ og 33 % fri porervolumen. En porediameter på ca. 9 Å tillader dette forbindelse at adsorbere små molekyler som hydrogen eller nitrogen. Det er gennem dette porøse hydrides delvist negativt ladede indre overflade, at hydridatomerne eksponeres for porerne.

Muliggjort gennem Mid‑Career Research Program fra NFR og Ministeriet for Videnskab og IKT (MSIT) syntetiserede studiet dette nanoporous komplekse hydrid bestående af magnesiumkation (Mg⁺) og magnesiumhydrid samt fast boronhydrid (BH4)2.

Det resulterende materiale muliggør lagring af fem hydrogenmolekyler i en 3D‑arrangement, hvilket opnår bemærkelsesværdig høj‑densitets‑brintlagring. Det viser desuden en brintlagringskapacitet på 144 g/L per porevolumen, hvilket langt overgår traditionelle metoder. Imponerende er, at densiteten af hydrogenmolekyler inden i materialet endda overstiger den i fast tilstand.

Professor Oh beskriver materialet som et “paradigmeskift” inden for brintlagring og siger, at det tilbyder “et overbevisende alternativ til traditionelle tilgange.” 

Denne udvikling forbedrer markant produktiviteten og den økonomiske effektivitet ved at udnytte hydrogen som energikilde. Den tackler desuden udfordringerne ved at lagre hydrogen i stor skala til bred anvendelse i offentlige og private transportapplikationer.

Virksomheder, der vil drage fordel af denne udvikling 

Hvis vi taler om de industrier, der kan drage fordel af sådan forskning, som transformerer brintlagring, kommer en bred vifte af sektorer i tankerne, herunder kemisk, energi, bilindustri, ingeniørarbejde og byggeri. Lad os derfor se på nogle af de virksomheder, der kan få udbytte af dette: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Det japanske bilfirma har lovet at reducere sine CO₂‑emissioner og hævder at være en af de første virksomheder, der fokuserer på potentialet i brintenergi. 

For at nå disse mål har Honda Motor (HMC ) Company forsket i brændselscelleteknologier siden 1980’erne til en række anvendelser. 

Tidligere i år annoncerede virksomheden, at den var begyndt produktionen af brintbrændselscelle‑løsninger i samarbejde med General Motors (GM ) (GM) til forskellige produktapplikationer og hvad de kalder “begyndelsen på brintæraen.”

Med en markedsværdi på 64,85 mia. $, handles virksomhedens aktier til 36,93 $, oppe 19,22 % år‑til‑dato (YTD). Honda Motor har rapporteret en omsætning (TTM) på 128,49 mia. $ og har en EPS (TTM) på 7,73 samt en P/E (TTM) på 4,77. Virksomheden betaler også et udbytte på 2,77 %.

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company er involveret i forskellige sektorer, herunder kulbrinter & energi. For nylig indgik de et partnerskab med Linde (NYSE: LIN) for at levere ren hydrogen og nitrogen til deres CO₂‑neutrale integrerede etylen‑krakker‑ og derivat‑anlæg i Canada. Aftalen blev afsluttet sent sidste år for et projekt på 6,5 mia. $, og som en del af aftalen vil de implementere Linde’s luftseparations‑ og auto‑termiske reformerteknologi for at omdanne anlæggets krakker‑off‑gas til hydrogen.

Med en markedsværdi på over 39,9 mia. $, handles Dow Chemicals aktier til 56,76 $, oppe 3,5 % YTD. Dow Chemical har rapporteret en omsætning (TTM) på 44,62 mia. $, en EPS (TTM) på 0,81 og en P/E (TTM) på 69,67. Virksomheden betaler også et udbytte på 4,93 %.

#3. McPhy Energy SA

Det franske firma udvikler løsninger til produktion og lagring af hydrogen. Sidste år udvidede McPhy sin kommercielle aftale med Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), hvor sidstnævnte vil levere hydrogenrelaterede processer og udstyr til hydrogenkomprimering og -liquefaktion. 

Senest har den førende elektrolyse‑teknologi‑ og produktionsvirksomhed vundet en kontrakt fra Sveriges AAK AB om at levere deres 800‑30 elektrolyse‑anlæg med en kapacitet på 4 MW samt tilhørende reservedele, så den svenske virksomhed kan anvende lav‑kulstof hydrogen som procesgas.

Med en markedsværdi på 47,18 mia., handles virksomhedens aktier (MCPHY-FR: Euronext Paris) til 1,69 € og er faldet 49,97 % YTD. Den har en EPS (TTM) på -0,69 og en P/E (TTM) på -1. I sidste måned rapporterede McPhy resultatet for regnskabsåret 2023, hvor den så en årlig omsætningsvækst på +17 % til 18,8 mia. € og en endnu højere vækst på +25 % for sin elektrolyse‑forretning. Den rapporterede også en likviditetsposition på omkring 62 mia. € ved udgangen af december.

Konklusion 

Hydrogen‑energilagringsmarkedet er klar til hurtig vækst og forventes at overstige vurderingen på 17,6 mia. $ i de næste otte år, efterhånden som regeringer investerer kraftigt i hydrogenbaseret infrastruktur, ifølge Global Market Insights. Bemærkelsesværdigt forventes transportsegmentet at drive betydelig vækst med en forventet årlig vækstrate på 10 %, drevet af hydrogenens rolle i at reducere CO₂‑emissionerne i industrien væsentligt. 

Givet hydrogenens potentiale som en renere og mere effektiv energikilde, vil den fortsat blive vedtaget ikke kun i transport, men også i andre industrier. Med løbende forskning og nye fund vil vi endelig kunne se en langt bredere anvendelse, hvilket hjælper os med at nå netto‑nul CO₂‑emissioner.

Klik her for listen over de fem bedste grønne ammoniak‑aktier (den anden hydrogen).