Δημιουργία Υδρογόνου με Διάσπαση Νερού με Ενσωματωμένο Swarf

Κόστος Υδρογόνου και Ηλεκτρόλυσης

Το υδρογόνο είναι ένα πολλά υποσχόμενο καύσιμο για μια πράσινη οικονομία, από τις μεταφορές έως την αποθήκευση ενέργειας, και μπορεί να είναι το μόνο ρεαλιστικό μη‑αποτυπωτικό εναλλακτικό καύσιμο για πολλές βιομηχανίες όπως η ναυτιλία και η αεροπορία.

Ένας βασικός παράγοντας που έχει κρατήσει πίσω την εμφάνιση της οικονομίας υδρογόνου είναι το κόστος, ιδιαίτερα το κόστος παραγωγής υδρογόνου.

Το πράσινο υδρογόνο (από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας) παράγεται κυρίως μέσω ηλεκτρόλυσης, η οποία απαιτεί πολύ ενέργεια και καταλύτες. Τέτοιοι καταλύτες τείνουν να είναι ακριβοί, στη μεγαλύτερη περίπτωση βασιζόμενοι σε μέταλλα όπως το πλατίνα. Όσο περισσότερο πλατίνα χρησιμοποιείται, τόσο πιο ακριβός είναι ο ηλεκτρολύτης.

Δεν είναι μόνο τα μέταλλα όπως το πλατίνα ακριβά, αλλά είναι επίσης εξαιρετικά σπάνια και θα υπήρχε έλλειψη εάν το υδρογόνο υιοθετηθεί μαζικά ως πηγή ενέργειας.

Έτσι, ήταν σημαντική είδηση που ανακοίνωσαν οι ερευνητές μια δραστική μείωση στην απαίτηση καταλυτών για την ηλεκτρόλυση.

“Μπορούμε να παράγουμε υδρογόνο από νερό χρησιμοποιώντας μόνο το ένα δέκατο της ποσότητας φόρτωσης πλατίνας σε σύγκριση με τους πιο σύγχρονους εμπορικούς καταλύτες.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

Φτηνή Ηλεκτρόλυση με Swarf (Απορρίμματα Μετάλλων)

Αυτή η ανακάλυψη έγινε από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Nottingham, Ηνωμένου Βασιλείου, και δημοσιεύτηκε στο Journal of Material Chemistry, με τίτλο “Από απορρίμματα μετάλλων σε εξαιρετικά αποδοτικούς ηλεκτρόδια: αξιοποίηση της νανοϋφής επιφάνειας του Swarf για αποτελεσματική χρήση Pt και Co στην παραγωγή υδρογόνου”.

Τα αρχικά ευρήματα προέκυψαν από ανάλυση του Swarf σε νανοκλίμακα. Το Swarf είναι σπείρες απορριμμάτων μετάλλων που παράγονται ως απόβλητο κατά την επεξεργασία μετάλλων όπως ανοξείδωτο ατσάλι, τιτάνιο ή κράμα νικελίου. Οι βιομηχανίες στο Ηνωμένο Βασίλειο μόνο παράγουν εκατομμύρια τόνους μεταλλικών αποβλήτων ετησίως.

Πηγή: Nottingham University

Κατά την ανάλυση αυτών των Swarf με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, αντί για λείο, αυτά τα μεταλλικά απόβλητα είχαν αυλακώσεις και κορυφές που είχαν μόνο δεκάδες νανόμετρα πλάτος.

Αυτές οι πολύπλοκες δομές και οι τεράστιες επιφάνειες επαφής θα αποτελούσαν ιδανικά υποστρώματα για ηλεκτροκαταλύτες που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρόλυση για την παραγωγή υδρογόνου.

Πηγή: Journal Of Material Chemistry

Μαγνητική Βροχή Πλατίνας στα Swarfs

Για να προσθέσουν άτομα πλατίνας στο Swarf, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται magnetron sputtering. Αυτή είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται στην παραγωγή ημιαγωγών για την εναπόθεση μιας υπερ‑λεπτής στρώσης μετάλλου, χάρη σε ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Πηγή: Korvus Tech

Αυτή η μέθοδος «βρέχει» άτομα πλατίνας πάνω στο Swarf και τα εναποθέτει στις αυλακώσεις και κορυφές διαστάσεων νανόμετρων.

“Απλώνοντας μόλις 28 μικρογραμμάρια του πολύτιμου μετάλλου πάνω σε 1 cm² του Swarf, καταφέραμε να δημιουργήσουμε έναν εργαστηριακού μεγέθους ηλεκτρολύτη που λειτουργεί με 100 % απόδοση και παράγει 0,5 λίτρα υδρογόνου ανά λεπτό μόνο από ένα κομμάτι Swarf.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

Αυτή η μέθοδος επέτρεψε τη δημιουργία 2 τύπων ηλεκτροκαταλυτών που παράγουν υδρογόνο:

• Swarf τιτανίου με άτομα πλατίνας ως καταλύτη, για την αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (HES).
• Swarf νικελίου με άτομα κοβάλτιου ως καταλύτη, για την αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER).

Πηγή: Journal Of Material Chemistry

Οι ερευνητές του Nottingham συνεργάζονται τώρα με την εταιρεία AqSorption για την κλιμάκωση της τεχνολογίας.

Συνδυάζοντας τις Καινοτομίες του Υδρογόνου

Νέα Παραδείγματα Καταλυτών

Η δημιουργία της οικονομίας υδρογόνου θα απαιτήσει κάθε βήμα της αλυσίδας παραγωγής και διανομής υδρογόνου να γίνει όσο το δυνατόν πιο αποδοτικό.

Μέχρι πρόσφατα, η σπανιότητα και το υψηλό κόστος των καταλυτών βασισμένων σε πλατίνα και κοβάλτιο απαιτούσαν την ανακάλυψη εναλλακτικών καταλυτών. Για παράδειγμα, συζητήσαμε τη δυνατότητα χρήσης νικολίου νανοραβδών στο «Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis» και εναλλακτικούς καταλύτες όπως ρουθένιο, πυρίτιο και βανάδιο (RuSiW) στο «Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost‑Effective».

Η ανακάλυψη της χρήσης Swarf θα μπορούσε να αφαιρέσει την ανάγκη για τέτοιους νέους καταλύτες.

Ίσως αυτές οι καινοτομίες θα μπορούσαν να συνδυαστούν για τη δημιουργία ακόμη πιο αποδοτικών νέων τύπων καταλυτών. Εναλλακτικά, τώρα που η απαιτούμενη ποσότητα πλατίνας μπορεί να μειωθεί κατά 10 φορές, η χρήση νανοραβδών πλατίνας για επίτευξη υπερ‑υψηλής αποδοτικότητας καταλυτικής μπορεί να είναι μια επιλογή.

Τεχνολογία Υδρογόνου που Βελτιώνεται & Αμμωνία

Αυτό πιθανότατα θα συνδυαστεί με άλλες καινοτομίες, όπως η πιο αποδοτική αποθήκευση του υδρογόνου όπως συζητήθηκε στο «Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough». Η αποδοτική μετατροπή του υδρογόνου σε ενέργεια όπως συζητήθηκε στο «Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next‑Gen of EVs?».

Τέλος, η υψηλής απόδοσης, χαμηλού κόστους ηλεκτρόλυση υδρογόνου, η αποθήκευση και η αξιοποίηση θα μπορούσαν να συνδυαστούν με τη μαζική χρήση αμμωνίας ως καύσιμο, μέσο μεταφοράς και μακροπρόθεσμη μορφή αποθήκευσης υδρογόνου, όπως συζητήθηκε στο «Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia» και στο «Ammonia Production is Hugely Detrimental to the Environment – Engineers Have Just Developed a Cleaner Method».

Εταιρείες Εστιασμένες στο Υδρογόνο

1. Sibanye Stillwater

Η χρήση Swarf για την παραγωγή υδρογόνου θα μπορούσε να αυξήσει δραματικά τη βιωσιμότητα της μαζικής υιοθέτησης του πράσινου υδρογόνου καθιστώντας την ηλεκτρόλυση με βάση το πλατίνα οικονομικά βιώσιμη.

Αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει τεράστια ώθηση για την αγορά πλατίνας, η οποία έχει βρεθεί υπό πίεση τα τελευταία χρόνια.

Ένα βασικό μέρος της υποαπόδοσης της πλατίνας οφειλόταν στην έντονη εξάρτησή της από τη ζήτηση για καταλυτικούς μετατροπείς σε βενζινοκίνητα αυτοκίνητα και φορτηγά. Καθώς ο κόσμος στρέφεται προς τα ηλεκτρικά οχήματα, αυτό έθετε υπό αμφισβήτηση τη βιωσιμότητα της ζήτησης για αυτό το μέταλλο.

Πηγή: Sibanye Stillwater

Εναλλακτικά, εάν η ηλεκτρόλυση με βάση το πλατίνα που χρησιμοποιεί απορρίμματα μετάλλων από τη βιομηχανία αεροδιαστημικής γίνει κέντρο της οικονομίας υδρογόνου, η ζήτηση για πλατίνα τις επόμενες δεκαετίες είναι εξασφαλισμένη.

Η νοτιοαφρικανική Sibanye Stillwater είναι ένας από τους μεγαλύτερους παραγωγούς πλατίνας στον κόσμο. Η χώρα παράγει το 80 % της παγκόσμιας παραγωγής πλατίνας, και η Sibanye Stillwater ευθύνεται για το ένα τέταρτο αυτής της παραγωγής.

Πηγή: Mining Technology

Επίσης παράγει στοιχεία της ομάδας μετάλλων πλατίνας όπως παλλάδιο, ρόδιο και ρουθένιο. Προς το παρόν διαφοροποιείται για να εισέλθει στις αγορές χρυσού και μετάλλων μπαταριών.

Πηγή: Sibanye Stillwater

Η αγορά πλατίνας έχει ελεγχθεί από τη συζήτηση για την υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων έναντι των εσωτερικής καύσης (ICE). Με τις γρήγορες καινοτομίες στη χρήση της ηλεκτρόλυσης υδρογόνου με πλατίνα και άλλα στοιχεία της ομάδας μετάλλων πλατίνας, αυτό μπορεί να αλλάξει.

Η πλατίνα απαιτείται επίσης στις περισσότερες σχεδιάσεις κυψελών καυσίμου που μετατρέπουν το υδρογόνο σε ηλεκτρισμό. Συνολικά, η πρόοδος στην τεχνολογία υδρογόνου, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρόλυσης με βάση το Swarf αλλά και άλλων, θα πρέπει να ωφελήσει τους εξορύκτες που εστιάζουν στην πλατίνα όπως η Sibanye Stillwater.

2. Ballard Power Systems Inc.

Η Ballard είναι κατασκευάστρια κυψελών καυσίμου και πρωτοπόρος της τεχνολογίας με το πρώτο της λεωφορείο κυψέλης καυσίμου που παράχθηκε το 1993.

Η εταιρεία εστιάζει στις αγορές βαρέων οχημάτων: λεωφορεία, φορτηγά, τρένα/τραμ, πλοία, εξόρυξη/κατασκευές και ενέργεια. Ενώ τα λεωφορεία αποτελούν τον πυρήνα της επιχείρησης, η εταιρεία προβλέπει ότι μέχρι το 2025 τα φορτηγά θα αποτελέσουν σημαντικό τμήμα της δραστηριότητας. Αναμένει επίσης ότι η Ευρώπη θα παραμείνει η κύρια αγορά της (50‑60 %), ακολουθούμενη από τη Βόρεια Αμερική (25 %).

Οι κυψέλες καυσίμου για φορτηγά αναμένεται να συνεχίσουν να αυξάνονται και να αντιπροσωπεύσουν μια αγορά 7,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων το 2030 (από συνολική αγορά 195 δισεκατομμυρίων δολαρίων), σχεδόν ίση με όλες τις άλλες εφαρμογές υδρογόνου/κυψελών καυσίμου συνδυαστικά. Αυτή η ανάπτυξη θα μπορούσε να επιταχυνθεί εάν οι τιμές παραγωγής υδρογόνου μειωθούν χάρη σε νέες τεχνολογίες.

Πηγή: Ballard

Λόγω της υψηλότερης απαιτούμενης ισχύος και της ανάγκης για γρήγορη φόρτιση, τα βαριά οχήματα αποτελούν μια καλή αγορά για το υδρογόνο και τις κυψέλες καυσίμου σε σχέση με τα ελαφρύτερα οχήματα όπως τα αυτοκίνητα. Επίσης μειώνει την ανάγκη για καλώδια κατηφόρας σε σιδηρόδρομους και τραμ, καθώς και την ανάγκη για γρήγορη επαναφόρτιση σε μεταφορές μεγάλων αποστάσεων.

Πηγή: Ballard

Η εταιρεία δεν είναι άγνωστη στην αμμωνία επίσης, με παράδειγμα μια πρόσφατη σύμβαση με την Amogy για την παροχή κυψελών καυσίμου στην «πλατφόρμα ammonia‑to‑power που βασίζεται σε μοναδική τεχνολογία διάσπασης αμμωνίας».

Ενώ τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν λογική πιθανότητα να καταλάβουν γρήγορα τις αγορές αυτοκινήτων, τα βαρύτερα οχήματα είναι πιο δύσκολο να αποανθρακοποιηθούν. Με την καθιερωμένη ηγεσία της στον κλάδο, η Ballard θα ήταν κύριος ωφελούμενος από μια πολιτική ώθηση προς την οικονομία υδρογόνου.

Η παραγωγή υδρογόνου γίνεται γρήγορα φθηνότερη χάρη στην πρόοδο των καταλυτών που μειώνουν μηχανικά το κόστος των καυσίμων των οχημάτων που λειτουργούν με υδρογόνο. Με τις τιμές του πετρελαίου να αυξάνονται λόγω γεωπολιτικών εντάσεων και των αυξανόμενων φόρων άνθρακα, αυτό θα μπορούσε να κλίνει την κλίμακα υπέρ του υδρογόνου, ειδικά για οχήματα που απαιτούν μεγάλη ισχύ και διανύουν μεγάλες αποστάσεις (φορτηγά, λεωφορεία κ.λπ.).