Fremstilling af brint fra CeO₂? Brug blot en mikrobølgeovn for hurtige resultater

Fossile brændstoffer skader vores klima. Som vi ved, bevæger verden sig hurtigt mod vedvarende, bæredygtige, grønne energikilder. I denne søgen efter klimavenlige brændstoffer er brint dukket op som en potentiel kilde til afkarbonisering.

Teknologi har gjort det muligt at producere brint med nul eller meget få drivhusgasemissioner. Interessen for brint er så høj, at USA’s energiministerium har fastsat nationale mål om at øge den årlige ‘rene brint’-produktion fra næsten nul til 10 millioner metriske tons inden 2030 og til 50 millioner metriske tons inden 2050. 

Der er dog en kritisk flaskehals i processen. Traditionelle termoelektriske metoder, som er afhængige af oxidation-reduktion af metaloxider, kræver ekstremt høje temperaturer. Temperaturen kan nå op på 1500 grader Celsius. 

For nylig har et forskerteam fra POSTECH, Pohang University of Science and Technology i Korea, fundet en måde at omgå denne flaskehals på.

Processen involverer en velkendt, men underudnyttet energikilde: “mikrobølge” energi. Ja! Du tager ikke fejl. Det er den samme kilde, der bruges i husholdningsmikrobølgeovne. Undersøgelsen har titlen ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction¹‘. 

I det følgende afsnit diskuterer vi implikationerne af denne forskning. 

En banebrydende teknologi, der adresserer nøglebegrænsninger i ren brintproduktion ved brug af mikrobølger

Teamet bestod af tværfaglige forskere ved POSTECH og blev ledet af professor Gunsu S. Yun. Det inkluderede doktorand Jaemin Yoo (Afdeling for fysik, Division of Advanced Nuclear Engineering), professor Hyungyu Jin og doktorand Dongkyu Lee (Afdeling for maskiningeniør). Anerkendt som et gennembrud i jagten på bæredygtig energi, blev forskningen præsenteret på forsiden af Journal of Materials Chemistry A.

Forskerne begyndte med antagelsen om, at mens mikrobølger kan opvarme mad effektivt, kan de også drive kemiske reaktioner. De anvendte dette koncept til at sænke reduktionstemperaturen for Gd-dopet ceria (CeO2). Gd-dopet ceria (CeO2) er et benchmark-materiale for brintproduktion, og mikrobølgeenergi kunne reducere reduktionstemperaturen for dette materiale med over 60 procent – til under 600 grader Celsius. 

Mikrobølgeenergi kunne erstatte 75 procent af den termiske energi, der er nødvendig for reaktionen. Resultatet er berettiget som et gennembrud for bæredygtig brintproduktion.

“Denne forskning har potentialet til at revolutionere den kommercielle levedygtighed af termokemiske brintproduktions-teknologier. Den vil også bane vejen for udviklingen af nye materialer optimeret til mikrobølge-drevne kemiske processer.”

Professor Gunsu Yun betegner introduktionen af denne nye mekanisme og dens overvindelse af de eksisterende procesbegrænsninger som ‘store præstationer’, som kun kunne gøres mulige gennem det tætte tværfaglige samarbejde i forskerteamet. 

Et andet gennembrud opnået af teamet kan findes i skabelsen af ilt-underskud (oxygen vacancies). Disse er strukturelle defekter i materialet, der hjælper med at splitte vand til brint. Mens traditionelle metoder kan tage timer ved meget høje temperaturer, viste POSTECH-teamet, hvordan de samme resultater kan opnås på blot minutter ved temperaturer under 600°C ved at udnytte mikrobølgeteknologi.

Selvom POSTECH-forskningen leverede et betydeligt gennembrud, er der mange andre forskningsorganisationer verden over, der har været aktive i at producere innovative metoder til ren brintproduktion. En af organisationerne, der er i front, er National Renewable Energy Laboratory, et nationalt laboratorium under USA’s energiministerium, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, drevet af Alliance for Sustainable Energy LLC.

Klik her for at lære om gennembruddet, der gjorde brint mere attraktiv som energikilde.

Lavpris brintproduktion: Andre indsatser

Udviklet i samarbejde med Xcel Energy (XEL ), NREL’s wind-to-hydrogen (Wind2H2) demonstrationsprojekt forbinder vindmøller og fotovoltaiske (PV) arrays med elektrolyse-stakke, som bruger den genererede elektricitet til at splitte vand til brint og ilt. Projektet er i øjeblikket aktivt ved National Wind Technology Center nær Boulder, Colorado. Det overordnede mål med projektet er at forbedre systemeffektiviteten for produktion af brint fra vedvarende ressourcer i tilstrækkelige mængder og til omkostninger, der er lave nok til at konkurrere med traditionelle energikilder som kul, olie og naturgas.

En anden måde at producere ren brint på er ved at bruge sollys til direkte at splitte vand til brint og ilt. Fotovoltaikindustrien har allerede udviklet sofistikerede multijunction-celle-teknologier til fotoelektrokemiske (PEC) lysopsamlingssystemer, der genererer tilstrækkelig spænding til at splitte vand og er stabile i et vand/elektrolyt-miljø. NREL har sit eget PEC-system, som de har udviklet.

NREL-systemet kan generere brint fra sollys uden omkostningerne og kompleksiteten ved elektrolyse, og opnår en sol-til-brint konverteringseffektivitet på 12,4 % (lavere brændværdi) ved brug af indfanget lys. Yderligere forskning ved NREL fokuserer på at udvikle mere effektive, lavere omkostningsmaterialer og systemer, der er holdbare og modstandsdygtige over for korrosion i vandige miljøer.

Klik her for at lære, hvad der gør brint til fremtidens brændstof.

Biologisk brint 

En anden spændende vej, som NREL har udforsket, omhandler ‘biologisk brint.’ NREL-forskere udvikler forbehandlings-teknologier til at omdanne lignocellulosebiomasse til sukker-rige råmaterialer, som kan fermenteres direkte for at producere brint, ethanol og højt værdifulde kemikalier.

Derudover er der også igangværende bestræbelser på at identificere et konsortium af Clostridium, der kan fermentere hemicellulose direkte til brint.

Andre forskningsområder inden for biologisk brint omfatter følgende:

• Bio-opsøgende efter effektive cellulolytiske mikrober, såsom Clostridium thermocellum, kan fermentere krystallinsk cellulose direkte til brint for at sænke råmaterialeomkostningerne.
• Identifikation af en model cellulolytisk bakterie.
• Undersøgelse af potentialet for den model cellulolytiske bakterie til genetiske manipulationer, herunder følsomhed over for antibiotika og lethed ved genetisk transformation.
• Udvikling af strategier til at generere mutanter, der selektivt er blokeret fra at producere affalds-syrer og opløsningsmidler for at maksimere brintudbyttet.

Mens organisationer, forskningsinstitutter og laboratorier er aktive verden over, er private virksomheder også aktive. 

1. Linde 

En af de virksomheder, der i årevis har været i front inden for ren brintproduktion, er Linde. Virksomheden hævder, at deres innovative teknologier, herunder effektiv kompression og sikker genopfyldning af brint, kombineret med årtiers erfaring, gør deres infrastruktur uovertruffen. 

Virksomhedens aktiviteter, som har til formål at producere ren brint, involverer flere metoder og strategier. Elektrolyse til grøn brintproduktion involverer for eksempel elektrolyseanlæg, der drives af vedvarende energi.

Ved elektrolyse splittes vand til brint og ilt ved hjælp af elektricitet, der udelukkende genereres fra vedvarende energikilder. Processen foregår i enheder kaldet elektrolyseanlæg. Selvom elektrolyseanlæg varierer i størrelse, kapacitet og teknologi, forbliver den grundlæggende kemi den samme.

I øjeblikket er der to hovedtyper af elektrolyseteknologier: alkalisk og PEM (Proton Exchange Membrane)—begge ifølge Linde kan producere højrenhedsbrint på stedet og efter behov.

Alkalisk elektrolyse bruger to elektroder adskilt af en porøs membran og en flydende alkalisk opløsning som elektrolyt. Elektrolytopløsningen tillader hydroxidioner at blive transporteret mellem elektroderne for at danne ilt og brint, men de forbruges ikke under reaktionen. Teknologien kan være pålidelig og omkostningseffektiv.

På den anden side bruger PEM-elektrolyse rent vand og en fast polymer elektrolyt i stedet for en flydende opløsning for at lade elektricitet splitte vandet til brint og ilt. Hydrogenprotoner passerer gennem membranen og kombineres med elektroner for at danne H2-gas på katodesiden.

Linde tilbyder også effektive Carbon Capture for Use and Storage (CCUS)-teknologier til en række strategier. De har innovative leveringsløsninger til at injicere brint i eksisterende naturgasledninger for at betjene en bred vifte af slutapplikationer. 

Linde driver højt avancerede lagringsoperationer for brint, som opbevares i underjordiske saltskove. Ud over at være en erfaren partner i udviklingen af energiparker, har Linde drevet den første kommercielle højrenhedsbrint-hule i over et årti. De har også årtiers erfaring med at konstruere brint-likvidationssystemer for at producere flydende brint for lettere lagring og transport. 

Ifølge de seneste tilgængelige finansielle data registrerede Linde et salg på 8,356 milliarder USD for kvartalet, der sluttede den 30. september 2024. 

2. Air Products

En anden virksomhed, der bidrager væsentligt til området for ren brintproduktion, er Air Products. Virksomheden mener, at ren brintproduktion fra vedvarende energikilder vil være afgørende for at afkarbonisere svære at elektrificere industrielle processer som stålproduktion og kemisk forarbejdning.

Virksomheden har allerede forpligtet 15 milliarder USD til projekter, der vil fremme lavkulstof brintproduktion og fremskynde energiomstillingen. 

Virksomhedens anvendelser af ren brint omfatter brinttankning til biler, busser, gaffeltrucks, skibe, tog og lastbiler. Vejtransport står for næsten 12 % af de globale emissioner. Omstilling af dieselbusser til nul-emissions brintbrændselscellebusser kan reducere de globale drivhusgasemissioner og forbedre luftkvaliteten. Air Products er en leder inden for brintbus-tankning og er involveret i projekter verden over. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), et fælles produktionsjoint venture mellem ACWA Power, Air Products og NEOM, etablerer verdens største grønne brintbaserede ammoniakproduktionsanlæg, der skal drives af vedvarende energi. Dette anlæg vil producere op til 600 ton per dag af kulstoffri brint i form af grøn ammoniak som en omkostningseffektiv løsning for transport- og industrisektorer globalt.

Air Products’ nye net-zero brintenergikompleks er sat til at gøre Edmonton, Alberta, til centrum for den vestlige Canadas brintøkonomi. Mens byggeriet er i fuld gang i Edmonton ved Air Products’ transformerende nye brintfacilitet, vil tilslutning af denne facilitet til virksomhedens eksisterende rørledningsnet hjælpe deres raffinaderi- og petrokemiske kunder med at reducere kulstofintensiteten i deres energiprodukter og forbedre deres bæredygtighedspræstationer. Desuden vil den førsteklasses liquefaktionsfacilitet hjælpe med at accelerere brugen af brint som en emissionsfri transportbrændstof i hele vestlige Canada. 

Air Products’ Louisiana Clean Energy Complex vil producere lavkulstof brint til at drive mobilitet og industrielle markeder i Gulf Coast-regionen og videre. Faciliteten anslås at fange og lagre 95 % af sine CO2-emissioner (over 5 millioner ton per år) ved permanent at lagre CO2 i ideelle geologiske porerum i Louisiana. 

Dette projekt er den største amerikanske investering fra Air Products, bygget med intentionen om at hjælpe staten Louisiana med at reducere sine drivhusgasemissioner til netto nul inden 2050. 

Air Products planlægger også at investere cirka 500 millioner USD i at bygge, eje og drive en facilitet på 35 metriske ton per dag til at producere grøn flydende brint på et grønt område i Massena, New York, samt etablere distribution og tankning af flydende brint. Projektet vil resultere i undgåelse af 6 millioner ton CO2 i projektets levetid. Projektet vil bruge vandkraft fra St. Lawrence-floden til at drive produktionen af kulstoffri flydende brint.

For regnskabsåret, der sluttede den 30. september 2024, registrerede virksomheden et salgstal på over 12 milliarder USD. 

Ind i fremtiden med ren brint

Der er tilstrækkelig opmuntring for virksomheder og forskningsorganisationer til fortsat at udvikle nye metoder til pålidelig og omkostningseffektiv brintproduktion. USA’s energiministerium har for eksempel udvalgt syv vindere i 2023 for sin samlede finansiering på 7 milliarder USD, tildelt af den bipartiske infrastrukturlov, for at få en række “brintknudepunkter” i drift. For at kvalificere, skulle hvert knudepunkt overbevisende demonstrere, at det kunne producere mindst 50–100 metriske ton ren brint per dag og reducere drivhusgasemissionerne.

De mest aktive deltagere, der blev nævnt i DOE’s udvalgte brintknudepunkter, omfattede blandt andre AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), og (TRP ). 

Spidskompetente teknologier kan også være involveret i at fremme produktion og distribution af brint. NREL udfører for eksempel accelereret test og cyklisk belastning af 700 bar brintdispenseringsslanger ved Energy Systems Integration Facility ved hjælp af automatiserede robotter for at simulere felttestforhold. Her efterligner robotterne den gentagne belastning af en person, der bøjer og drejer en slange for at dispensere brint til et brændselscellekøretøjs ombordlagringsbeholder. Forskere undersøger mekanisk, termisk og trykbelastningseffektiviteten af nye og brugte brintdispenseringsslanger.

Brint er i en opblomstring, og momentum kan kun vokse derfra. Ifølge organisationer, der sporer den globale udrulning af brintprojekter, blev 680 store brintproduktionsprojekter annonceret i 2022 alene, hvilket resulterede i investeringer på 240 milliarder USD i direkte investeringer. REL udfører også regelmæssigt systemniveau-analyser af en række bæredygtige brintproduktions- og leveringsveje for at kunne hjælpe med at bestemme statusforbedringer som følge af teknologiske fremskridt, omkostninger som funktion af produktionsvolumen og potentialet for omkostningsreduktioner.

Der er ingen tvivl om, at investering i brint gennem 2030, mens private equity- og venturefirmaer investerede rekordstore beløb i brintvirksomheder på forskellige udviklingsstadier i 2022, med 3,1 milliarder USD i private equity til brintrelaterede virksomheder og 2,6 milliarder USD i venturekapitalinvesteringer på tværs af 192 startups i sektoren.

Mens hun talte om betydningen af dette momentum, sagde Adria Wilson, direktør i Breakthrough Energy’s US Policy & Advocacy team, at de seneste politiske sejre betyder, at overkommelig, ren brint vil være et afkarboniseringsværktøj, vi har til rådighed i det næste årti, om ikke før.

Dog, mens man er grundigt optimistisk, skal man også huske, at der stadig er lang vej at gå. Ifølge tal fra World Resources Institute er 95 % af brint fremstillet fra fossile brændstoffer, typisk via en proces kendt som damp-metan reformering (SMR), hvor vand opvarmes ved høje temperaturer for at producere damp, der reagerer med naturgas og producerer brint og kuldioxid (CO2). Processen forbliver betydeligt drivhusgasudledende og frigiver så meget som 10 kilogram CO2-ækvivalenter per kilogram brint (kg CO2e/kg H2) til 14 kg CO2e/kg H2, et beløb svarende til de kulstofemissioner, der produceres og forbrændes ved en gallon benzin.

Metoder til ren brintproduktion skal hjælpe os med at afskaffe sådanne metoder. Overgangen skal være hurtig, men gennem bæredygtige metoder.

Klik her for en liste over top clean energy-aktier med fokus på bæredygtighed.