Fremskridt i hydrogenproduktion med nikkelbaseret elektrolyse

Fremadrettet med elektrolyse til hydrogenproduktion

Hydrogen betragtes som en seriøs kandidat til at erstatte fossile brændstoffer. Dette gælder inden for transport, takket være brændselsceller, og i industrielle processer, hvor hydrogens høje forbrændingstemperatur kan erstatte kul og naturgas, når elektrificering ikke er en mulighed.

Et problem er, at hydrogen sjældent findes i let tilgængelige naturlige forekomster som naturgas. I stedet skal det kunstigt genereres, hvor elektrolyse er den mest anvendte metode.

Elektrolyse er nedbrydning af vand til hydrogen og ilt. Blandt problemerne med den nuværende elektrolyse er lav effektivitet (energitab) og høje omkostninger, primært på grund af dyre katalysatorer som platin.

Et forskerteam fra Korea kan have fundet en måde at både øge effektiviteten og erstatte de dyre katalysatorer med meget billigere og mere rigelige nikkel.

Nikkelnanoarrays, der øger hydrogenproduktion

Forskerne i professor Jong Kyu Kims team ved Institut for Materialevidenskab og Ingeniørkunst på POSTECH (Pohang University, Korea) har arbejdet på at løse et stort problem med hydrogen-elektrolyse.

Kilde: POSTECH

Problemet er, at når hydrogen produceres, forbliver den “klæbet” til katalysatoren, hvilket blokerer den fra at nå mere vand og fortsætte arbejdet. Dette sænker effektiviteten, øger det nødvendige energiforbrug og medfører i sidste ende brug af dyrere katalysatorer end nødvendigt.

I stedet har Prof. Jong Kyu Kim og hans team skabt fint udformede, ikke fuldstændigt lodret justerede nanorod-projektioner af nikkel. Nanostrukturen og den skrå vinkel på nikkelstængerne udviser det, der kaldes “super-aerofobiskhed”, hvilket får hydrogenboblerne til at løsne sig lettere.

Dette frigør igen pladsen, så vand kan nå katalysatoren, hvilket giver en mere effektiv elektrolyse.

Kilde: POSTECH

Dette kan dramatisk øge procesens effektivitet, med en bemærkelsesværdig 55‑gange forbedring i hydrogenproduktions‑effektivitet sammenlignet med en tilsvarende mængde nikkel i en traditionel tyndfilmstruktur.

Udvidelse ud over nikkelkatalysatorer

Teknologien brugte nikkel‑nanorods, men behøver ikke være begrænset til dette metal. Faktisk kan dette metal med skrå nanorods, der reducerer hydrogenadhæsion, teoretisk set anvendes med enhver anden katalysator. Så hvad betyder det for hydrogenudsigterne?

Bedre elektrolyse

I øjeblikket produceres størstedelen af verdens hydrogen fra naturgas. Dette er økonomisk mere rentabelt, men underminerer formålet med at producere hydrogen for at reducere CO₂‑udledninger.

For at opnå ægte CO₂‑neutral hydrogen skal den produceres fra elektricitet genereret af vedvarende energikilder, ofte kaldet “grønt hydrogen”.

Enhver metode, der kan reducere de samlede omkostninger i den grønne hydrogenforsyningskæde, bringer den et skridt nærmere en levedygtig erstatning for fossile brændstoffer.

Dette kan gælde for “klassiske” høj‑effektive, højkostede platin‑katalysatorer, måske i kombination med nikkelstængerne.

Det kunne også være muligt at anvende det på andre nyligt opdagede omkostningseffektive elektrolysekatalysatorer, såsom ruthenium, silicium og tungsten (RuSiW), som vi dækkede i vores artikel “Grønt hydrogen vil erstatte gråt, efterhånden som nye elektro‑katalysatorer gør produktionen omkostningseffektiv”.

Bedre hydrogenforsyningskæde

Elektrolyse er også kun et af de trin, der kan forbedres for at gøre hydrogen til en hjørnesten i vores energisystemer.

For eksempel kunne bedre brændselsceller gøre hydrogenkøretøjer til stærke konkurrenter til elbiler, noget vi diskuterede i vores artikel “Er battericeller kun en forløber for brændselsceller? Den reelle næste generation af elbiler?”.

Og mere effektive lagringsløsninger i stor skala kan gøre hydrogen meget lettere at håndtere og distribuere, noget vi diskuterede i vores artikel “Hydrogen er netop blevet mere attraktiv som energikilde gennem gennembrud i indkapsling”.

Potentielle andre anvendelser

Brugen af skrå nanorods til at skabe super‑aerofobiskhed kan have anvendelser ud over hydrogen.

Den første effekt er, at billig og effektiv hydrogenproduktion medfører lige så effektiv ammoniakproduktion. Ammoniak har flere betydelige fordele i forhold til hydrogen til anvendelser som brændstof til skibsfart, noget vi diskuterede i “Dekarbonisering af globale shippingruter gennem grønt ammoniak”.

Professor Jong Kyu Kim nævnte også, at nanorod‑teknologien kunne gavne andre kemiske processer, der involverer gas.

“Ved at forbedre effektiviteten af vand‑elektrolyseprocessen for grøn hydrogenproduktion, bevæger vi os mod en hydrogenøkonomi og et CO₂‑neutralt samfund.

Dette gennembrud gavner vand‑elektrolyse og lover godt for forskellige andre vedvarende energianvendelser, hvor overflade‑reaktioner spiller en afgørende rolle, såsom reduktion af kuldioxid og konverteringssystemer for lysenergi.”

Så denne innovation kan gå ud over hydrogen og kan have en betydelig indvirkning på kulstoffangst og kunstig fotosyntese, en idé vi begyndte at udforske i “Kunstig fotosyntese og nedbrydelighed: Bekæmpelse af plasttruslen med bæredygtighed i tankerne”.

Virksomheder med hydrogenløsninger

1. Aker Horizons ASA

Opdagelsen af, hvordan man bruger nikkel‑nanorods, er blot den seneste i en række innovationer, der styrker udsigterne for hydrogen som alternativ brændstof og energilagringsløsning. Så kan det betale sig at have en diversificeret eksponering til alle faser af hydrogenforsyningskæden.

Aker Horizons er et datterselskab af Aker‑gruppen, som er centreret omkring grøn energi. Aker‑gruppen er et vigtigt norsk konglomerat med fokus på vedvarende energi samt marine/offshore‑virksomheder. Aker Horizons er holdingselskabet for flere datterselskaber, herunder kulstoffangst, grønt hydrogen og vedvarende energier.

Kilde: Aker

Virksomheden er særligt aktiv inden for hydrogen‑ og grøn ammoniak‑produktion med et mål om at dekarbonisere arktisk skibsfart, især i Norge.

Aker Horizons kan håndtere hele den vertikale integration af grønt hydrogen og ammoniak, fra offshore‑vindmøller til hydrogenproduktion til grøn ammoniakproduktion.

Den arbejder også på projekter som affald‑til‑energi i Frankrig, et biomasseanlæg i Tyskland og kulstoffangst i Mellemøsten (Saudi-Arabien og UAE).

Dette gør den til en god aktie for investorer, der søger eksponering mod den brede grønne energisektor, med en stærk position inden for grøn ammoniak og skibsfart, men også andre grønne energier samt en vis geografisk diversificering.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Vi er endnu ikke sikre på, hvad der vil blive det primære marked for hydrogen. Det kan være elproduktion og bilbrændstof, men det kan også forblive begrænset til tungere opgaver, som er sværere at elektrificere.

Ballard er en producent af brændselsceller og en pioner inden for teknologien med sin første brændselscellebus i 1993.

Virksomheden fokuserer på tungt belastede markeder: busser, lastbiler, tog/tram, 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 lastbiler forventes at fortsætte med at vokse og udgøre et marked på 7,5 mia. $ i 2030 (fra et samlet TAM på 195 mia. $), næsten så stort som alle de andre hydrogen‑/brændselscelle‑anvendelser samlet.

Denne vækst kan accelerere, hvis priserne på hydrogenproduktion falder takket være nye teknologier som forbedret og billigere elektrolyse.

Kilde: Ballard

På grund af det højere kraftbehov og behovet for hurtig opladning har tungt belastede køretøjer været et godt marked for hydrogen og brændselsceller i forhold til lettere køretøjer som biler. Det reducerer også behovet for kontaktledninger til jernbane og trolleybusser.

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‑krakningsteknologi”.

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 på en hydrogenøkonomi, såvel som den hurtigt faldende produktionsomkostning for hydrogen fra nikkelbaseret elektrolyse.