Το Υδρογόνο Κατέστη Πιο Ελκυστικό ως Πηγή Ενέργειας Μέσω Επανάστασης στην Αποθήκευση

Το υδρογόνο, το ελαφρύτερο στοιχείο στο σύμπαν, αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο H. Έχει ατομικό αριθμό 1 και είναι το πιο κοινό στοιχείο. Είναι το πιο απλό χημικό στοιχείο, με μόνο ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, και είναι άχρωμο, άγευστο και άοσμο. 

Αξιόλογο είναι ότι το υδρογόνο συνεισφέρει περίπου το 75 % της μάζας του σύμπαντος. Ωστόσο, αποτελεί μόνο περίπου το 0,14 % του φλοιού της Γης κατά βάρος. Φυσικά εμφανίζεται σε μορφή ενώσεων με άλλα στοιχεία σε στερεά, υγρά και αέρια. Όταν συνδυάζεται με οξυγόνο, αυτή η εύφλεκτη ουσία σχηματίζει νερό (H₂O), και σε συνδυασμό με άνθρακα, σχηματίζει υδρογονάνθρακες, που βρίσκονται στο πετρέλαιο και τον άνθρακα. Έτσι, το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από πολλούς πόρους, συμπεριλαμβανομένης της ανανεώσιμης ενέργειας όπως η ηλιακή και η αιολική, της πυρηνικής ενέργειας και του φυσικού αερίου. 

Σημαντικό είναι ότι έχουν γίνει πολλαπλές ανακαλύψεις αυτών των φυσικών κοιλοτήτων υδρογόνου σε χώρες όπως η Αυστραλία, η Νέα Ζηλανδία, ο Καναδάς, η Γαλλία, η Γερμανία, η Ιαπωνία και η Ρωσία. Προς το παρόν, οι επιστήμονες εξετάζουν το μέγεθος αυτών των αποθεμάτων σε αυτές τις χώρες, καθώς και τις προελεύσεις τους και τις πιθανές επιπτώσεις στο περιβάλλον εάν εξορυχθούν.

Το Υδρογόνο ως Πηγή Ενέργειας

Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου περιλαμβάνουν τη θερμική, την ηλεκτρόλυση, την ηλεκτρόλυση με φωτοβολταϊκό, τη ηλιακή και τις βιολογικές διεργασίες. 

Θερμική

Στη θερμική διαδικασία, ο ατμός αντιδρά με ένα υδρογονάνθρακα όπως το ντίζελ, το φυσικό αέριο, το αεριοποιημένο άνθρακα ή το αεριοποιημένο βιομάζα για την παραγωγή H. Σημαντικό είναι ότι η πλειοψηφία (περίπου 95 %) του όλου υδρογόνου παράγεται από την επαναμόρφωση ατμού φυσικού αερίου. 

Ηλεκτρόλυση

Η ηλεκτρόλυση, εν τω μεταξύ, περιλαμβάνει το διαχωρισμό του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε ηλεκτρολύτη και δημιουργεί υδρογόνο από μόρια νερού.

Βιολογική

Οι βιολογικές διεργασίες χρησιμοποιούν μικροοργανισμούς που δεν είναι ορατοί με γυμνό μάτι, όπως βακτήρια, για την παραγωγή υδρογόνου. 

Ηλιακή

Η ηλιακή διαδικασία, όπως υποδεικνύει το όνομα, χρησιμοποιεί φως για την παραγωγή H μέσω διαφόρων μεθόδων όπως η φωτοηλεκτροχημική (χρησιμοποιεί εξειδικευμένα ημιαγωγούς για το διαχωρισμό του νερού σε H και O), η φωτοβιολογική (χρησιμοποιεί τη φυσική φωτοσυνθετική δραστηριότητα βακτηρίων και πράσινων άλγων) και η ηλιακή θερμοχημική (χρησιμοποιεί συγκεντρωτική ηλιακή ενέργεια για την προώθηση αντιδράσεων διάσπασης του νερού).

Εκτός από όλες τις ιδιότητές του, το υδρογόνο είναι επίσης καθαρό καύσιμο, πράγμα που σημαίνει ότι παράγει μόνο νερό, θερμότητα και ηλεκτρισμό όταν καταναλώνεται σε κυψέλη καυσίμου. Αυτό το καθιστά ελκυστική επιλογή για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και μεταφορές, συμπεριλαμβανομένων αυτοκινήτων και πυραύλων. Η ενεργειακά πυκνή και αποθηκεύσιμη ουσία που δεν παράγει αέρια του θερμοκηπίου χρησιμοποιήθηκε στην πραγματικότητα για την κίνηση εσωτερικών καυστήρων πριν από πάνω από δύο αιώνες. 

Αυτά δείχνουν ότι το υδρογόνο είναι μία από τις κορυφαίες επιλογές για αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας και χρησιμοποιείται επίσης σε πολλές βιομηχανίες. Ωστόσο, το πραγματικό του δυναμικό δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί. Για αυτό, το υδρογόνο πρέπει να παραχθεί σε κλίμακα οικονομικά. Επίσης, η τρέχουσα υποδομή πρέπει να προσαρμοστεί στο υδρογόνο, αν και μπορεί να μεταφερθεί μέσω αγωγών αερίου.

Παρόλο που δεν έχουμε ακόμη αξιοποιήσει πλήρως τα θαύματα της χρήσης του υδρογόνου ως καυσίμου, η παγκόσμια δαπάνη για έρευνα και ανάπτυξη με σκοπό την εξερεύνηση του πλήρους δυναμικού του υδρογόνου ως πηγή ενέργειας αυξάνεται με τα χρόνια. Μια πρόσφατη μελέτη, στην πραγματικότητα, έκανε μια σημαντική πρόοδο σε αυτό το πεδίο, επιτρέποντας την αποθήκευση υψηλής πυκνότητας υδρογόνου για τα μελλοντικά ενεργειακά συστήματα.

Πλαίσιο για την Αποθήκευση Πυκνά Συσσωρευμένου Υδρογόνου

Δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Chemistry τον περασμένο μήνα, η μελέτη, “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen”, χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ίδρυμα Έρευνας της Κορέας (NRF) και το Γερμανικό Ίδρυμα Έρευνας (DFG).

Ενώ τα νανοπορώδη υλικά έχουν τραβήξει πολύ προσοχή για την αποθήκευση αερίων, η μελέτη σημειώνει ότι η επίτευξη υψηλής χωρητικότητας αποθήκευσης σε όγκο παραμένει πρόκληση. Έτσι, αρκετοί ερευνητές από διαφορετικά πανεπιστήμια ενώθηκαν για να αντιμετωπίσουν αυτό το ζήτημα.

Ο Michael Hirscher, από το Ιαπωνικό Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) στο Πανεπιστήμιο Tohoku και το Γερμανικό Max Planck Institute for Intelligent Systems, συνέλαβε τις αρχικές ιδέες και επέβλεψε το έργο. Παράλληλα, ο Hyunchul Oh από το Κορεατικό Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Ulsan (UNIST) ηγήθηκε του έργου.

Αξιόλογο είναι ότι το 2022, μια ομάδα επιστημόνων από το Max Planck Institute for Intelligent Systems, το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (DOE) (ORNL), το Technische Universität Dresden και το Friedrich‑Alexander‑Universität Erlangen‑Nürnberg έδειξε ότι το υδρογόνο συμπυκνώνεται σε μια επιφάνεια σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία κοντά στο σημείο βρασμού του H₂. Αυτή η διαδικασία σχηματίζει μια υπερ‑πυκνή μονοεπίπεδη στρώση, υπερβαίνοντας την πυκνότητα του υγρού υδρογόνου κατά 3  φορές, μειώνοντας τον όγκο σε μόλις 5 λίτρα ανά κιλό H₂.

Τώρα, η τρέχουσα μελέτη ερεύνησε ένα πλαίσιο μαγνησίου βορυδίου χρησιμοποιώντας νετρονική διασπορά σκόνης, ελαστική νετρονική σκέδαση, όγκο απορρόφησης αερίου και υπολογισμούς πρώτης αρχής. Το πλαίσιο διαθέτει μικρές πόρους και ένα μερικώς αρνητικά φορτισμένο μη επίπεδο εσωτερικό για την απορρόφηση υδρογόνου (H) και αζώτου (N). 

Τόσο το άζωτο όσο και το υδρογόνο καταλαμβάνουν αισθητά διαφορετικές θέσεις απορρόφησης στους πόρους. Έχουν επίσης πολύ διαφορετικές περιοριστικές χωρητικότητες: 0,66 N₂ και 2,33 H₂ ανά Mg(BH₄)₂. Το Mg(BH₄)₂, που ανακαλύφθηκε το 1950, είναι γνωστό ως υλικό υψηλής χωρητικότητας αποθήκευσης υδρογόνου που υπάρχει τόσο ως κρυσταλλικοί πολυμορφισμοί με νανοπορώδεις δομές τύπου MOF όσο και ως πολύ πυκνοί πολυμορφισμοί με ακραία όγκο πυκνότητα υδρογόνου και υψηλή βαρύτητα αποθήκευσης.

Έτσι, όταν πρόκειται για μοριακό υδρογόνο, αυτό πακετάρεται εξαιρετικά πυκνά, με πυκνότητα περίπου διπλάσια από αυτή του υγρού υδρογόνου. 

Η ομάδα χρησιμοποίησε στη συνέχεια τη νετρονική διασπορά σκόνης (NPD) για να προσδιορίσει τη θέση των ατόμων υδρογόνου στη δομή μαζί με τις θέσεις απορρόφησης των μορίων. 

Η μελέτη σημείωσε ότι βρέθηκε ένα πεντα‑διυδρικό σύμπλεγμα (το διυδρίδιο αποτελείται από δύο υδρογόνα συνδεδεμένα με έναν απλό δεσμό) όπου τα μόρια H₂ σε μία θέση έχουν ελευθερία περιστροφής. Αντίθετα, τα μόρια H₂ σε άλλη θέση έχουν καλά καθορισμένη προσανατολισμό και διευθυντική αλληλεπίδραση με το πλαίσιο. Αυτό αποκαλύπτει ότι το πυκνά πακεταρισμένο υδρογόνο μπορεί πραγματικά να σταθεροποιηθεί σε υλικά μικρών πόρων υπό κανονικές ατμοσφαιρικές πιέσεις.

Με αυτήν την αποκάλυψη, η ομάδα αντιμετώπισε επιτυχώς το πρόβλημα της περιορισμένης χωρητικότητας αποθήκευσης υδρογόνου χρησιμοποιώντας προηγμένη τεχνολογία υψηλής πυκνότητας απορρόφησης. 

Αυτή η επαναστατική εξέλιξη ανακοινώθηκε από τον καθηγητή Oh στο Τμήμα Χημείας του UNIST. Η καινοτόμος έρευνα σηματοδοτεί σημαντική πρόοδο στα μελλοντικά ενεργειακά συστήματα. 

Διευκόλυνση της Μεγάλου Κλίμακας Αποθήκευσης Υδρογόνου

Όταν πρόκειται για τη χρήση του υδρογόνου στις μεταφορές, την σταθερή ενέργεια και την φορητή ενέργεια, η αποθήκευση παίζει κεντρικό ρόλο. Ενώ το στοιχείο έχει την υψηλότερη ενέργεια ανά μάζα, η χαμηλή πυκνότητα του σε περιβάλλον θερμοκρασίας οδηγεί σε χαμηλότερη ενέργεια ανά μονάδα όγκου. Συνεπώς, απαιτούνται προηγμένες μέθοδοι αποθήκευσης για την επίτευξη υψηλότερης ενεργειακής πυκνότητας.

Προς το παρόν, η τεχνολογία αποθήκευσης εστιάζει κυρίως στην αποθήκευση μοριακού υδρογόνου είτε σε υγρή είτε σε αέρια μορφή. Φυσικά, υπάρχουν όρια σε αυτήν την τρέχουσα τεχνολογία όσον αφορά την όγκο και βαρύτητα (πόση ενέργεια ανά γραμμάριο ή κιλό μπορεί να αποθηκευτεί).

Η αποθήκευση του υδρογόνου ως αέριο απαιτεί δεξαμενές υψηλής πίεσης, ενώ ως υγρό απαιτούνται κρυογενικές θερμοκρασίες. Μπορεί επίσης να αποθηκευτεί στην επιφάνεια ή εντός στερεού μέσω απορρόφησης.

Ως μόριο, το υδρογόνο μπορεί να προσροφηθεί φυσικά σε υλικό που περιέχει πόρους (κενά) μέσω αδυνατών αλληλεπιδράσεων Van der Waals (που είναι σχετικά αδύναμες και μη ιοντικές) μέσω φαισόσποσης. Αναφέρεται σε μια διαδικασία όπου τα αέρια μόρια προσδένονται σε στερεή επιφάνεια. Ωστόσο, ενώ τα εξαιρετικά πορώδη υλικά προσφέρουν υψηλή βαρύτητα απορρόφησης υδρογόνου, απαιτούνται βελτιώσεις στην χωρητικότητα αποθήκευσης όγκου.

Εδώ έρχεται η νανοπορώδη κυβική μαγνήσιο βορυδίου, γ‑Mg(BH₄)₂, που προσφέρει εξαιρετικά αποτελέσματα. Έχει πυκνότητα ρ = 0,550 g cm⁻³ και 33 % ελεύθερο όγκο πόρων. Διάμετρος πόρου περίπου 9 Å επιτρέπει σε αυτό το σύμπλεγμα να απορροφήσει μικρά μόρια όπως το υδρογόνο ή το άζωτο. Μέσω της μερικώς αρνητικά φορτισμένης εσωτερικής επιφάνειας του υδριδικού υλικού, τα υδριδικά άτομα εκτίθενται στους πόρους.

Διευκολυνόμενο από το Πρόγραμμα Μεσαίας Καριέρας Έρευνας από το NFR και το Υπουργείο Επιστήμης και Πληροφορικής (MSIT), η μελέτη συνέθεσε αυτό το νανοπορώδες σύνθετο υδρίδιο που αποτελείται από κατιόν μαγνησίου (Mg⁺) και μαγνήσιο υδρίδιο, καθώς και στερεό βόριο υδρίδιο (BH₄)₂.

Το προκύπτον υλικό επιτρέπει την αποθήκευση πέντε μορίων υδρογόνου σε τρισδιάστατη διάταξη, επιτυγχάνοντας αξιοσημείωτη υψηλή πυκνότητα αποθήκευσης υδρογόνου. Επίσης, δείχνει χωρητικότητα αποθήκευσης υδρογόνου 144 g/L ανά όγκο πόρων, ξεπερνώντας κατά πολύ τις παραδοσιακές μεθόδους. Εντυπωσιακά, η πυκνότητα των μορίων υδρογόνου μέσα στο υλικό υπερβαίνει ακόμη και την πυκνότητα της στερεής κατάστασης.

Περιγράφοντας το υλικό ως «μεταστροφή» στον κόσμο της αποθήκευσης υδρογόνου, ο καθηγητής Oh δήλωσε ότι προσφέρει «μια ελκυστική εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές προσεγγίσεις». 

Αυτή η εξέλιξη βελτιώνει σημαντικά την παραγωγικότητα και την οικονομική αποδοτικότητα της χρήσης του υδρογόνου ως πηγή ενέργειας. Επιπλέον, αντιμετωπίζει τις προκλήσεις αποθήκευσης υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα για ευρεία χρήση σε δημόσιες και προσωπικές εφαρμογές μεταφοράς.

Εταιρείες που Θα Επωφεληθούν από αυτήν την Εξέλιξη 

Αν μιλήσουμε για τις βιομηχανίες που μπορούν να ωφεληθούν από τέτοια έρευνα, η οποία μετασχηματίζει την αποθήκευση υδρογόνου, έρχονται στο μυαλό πολλοί τομείς, όπως η χημεία, η ενέργεια, η αυτοκινητοβιομηχανία, η μηχανική και η κατασκευή. Ας ρίξουμε μια ματιά σε μερικές από τις εταιρείες που μπορούν να κερδίσουν από αυτό: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Η ιαπωνική αυτοκινητοβιομηχανία έχει υποσχεθεί να μειώσει τις εκπομπές CO₂ της και ισχυρίζεται ότι είναι μία από τις πρώτες εταιρείες που εστιάζουν στο δυναμικό της υδρογόνου ενέργειας. 

Για την επίτευξη αυτών των στόχων, η Honda Motor (HMC ) Company ερευνά τεχνολογίες κυψελών καυσίμου από τη δεκαετία του 1980 για διάφορες εφαρμογές. 

Αρχικά φέτος, η εταιρεία ανακοίνωσε ότι ξεκίνησε την παραγωγή λύσεων ισχύος κυψελών καυσίμου υδρογόνου σε συνεργασία με τη General Motors (GM ) (GM) για διάφορα προϊόντα και αυτό που αποκαλούν «την αρχή της εποχής του υδρογόνου».

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς $64.85 δισεκατομμύρια, οι μετοχές της εταιρείας διαπραγματεύονται στα $36.93, με άνοδο 19.22 % από την αρχή του έτους (YTD). Η Honda Motor έχει αναφέρει έσοδα (TTM) $128.49 δισεκατομμύρια και EPS (TTM) 7.73 και P/E (TTM) 4.77. Η εταιρεία επίσης πληρώνει απόδοση μερίσματος 2.77 %. 

#2. Dow Chemical Company

Η Dow Chemical Company δραστηριοποιείται σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένων των Υδρογονανθράκων & Ενέργειας. Πρόσφατα, συνεργάστηκε με τη Linde (NYSE: LIN) για την προμήθεια καθαρού υδρογόνου και αζώτου για το ολοκληρωμένο εργοστάσιο εθαλίνης και παραγώγων με μηδενικές εκπομπές άνθρακα στον Καναδά. Η συμφωνία ολοκληρώθηκε στα τέλη του περασμένου έτους για το έργο των $6,5 δισεκατομμυρίων. Στο πλαίσιο της συμφωνίας, θα χρησιμοποιήσει την τεχνολογία διαχωρισμού αέρα και αυτό-θερμικού αναμορφωτή της Linde για τη μετατροπή των αερίων του εργοστασίου σε υδρογόνο.

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς πάνω από $39.9 δισεκατομμύρια, οι μετοχές της Dow Chemical διαπραγματεύονται στα $56.76, με άνοδο 3.5 % YTD. Η Dow Chemical έχει αναφέρει έσοδα (TTM) $44.62 δισεκατομμύρια, EPS (TTM) 0.81, και P/E (TTM) 69.67. Η εταιρεία επίσης πληρώνει απόδοση μερίσματος 4.93 %. 

#3. McPhy Energy SA

Η γαλλική εταιρεία αναπτύσσει λύσεις παραγωγής και αποθήκευσης υδρογόνου. Πέρυσι, η McPhy επεκτάθηκε στη εμπορική συμφωνία με τη Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), σύμφωνα με την οποία η τελευταία θα παρέχει διαδικασίες και εξοπλισμό σχετικού με το υδρογόνο για συμπίεση και υγροποίηση υδρογόνου. 

Πρόσφατα, η κορυφαία εταιρεία τεχνολογίας και κατασκευής ηλεκτρολυτών κέρδισε σύμβαση από τη Σουηδική AAK AB για την προμήθεια του ηλεκτρολύτη 800‑30 με ισχύ 4 MW και σχετικών ανταλλακτικών, που θα επιτρέψει στη Σουηδική εταιρεία να χρησιμοποιεί χαμηλού άνθρακα υδρογόνο ως αέριο διεργασίας.

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 47.18 δισεκατομμύρια, οι μετοχές της εταιρείας (MCPHY‑FR: Euronext Paris) διαπραγματεύονται στα EUR 1.69, με πτώση 49.97 % YTD. Έχει EPS (TTM) -0.69 και P/E (TTM) -1. Τον προηγούμενο μήνα, η McPhy ανέφερε το αποτέλεσμα του οικονομικού έτους 2023, όπου παρατήρησε ετήσια αύξηση εσόδων +17 % σε €18.8 εκατομμύρια και ακόμη μεγαλύτερη αύξηση +25 % για την επιχείρηση ηλεκτρολυτών. Επίσης, ανέφερε θέση μετρητών περίπου €62 εκατομμύρια στο τέλος Δεκεμβρίου.

Συμπέρασμα 

Η αγορά αποθήκευσης ενέργειας υδρογόνου προβλέπεται να αναπτυχθεί ραγδαία, υπερβαίνοντας την αποτίμηση των $17.6 δισεκατομμυρίων στα επόμενα οκτώ χρόνια, καθώς οι κυβερνήσεις επενδύουν βαριά σε υποδομές βασισμένες στο υδρογόνο, σύμφωνα με την Global Market Insights. Σημαντικό είναι ότι ο τομέας των μεταφορών αναμένεται να οδηγήσει σημαντική ανάπτυξη, με προβλεπόμενο CAGR 10 %, ενισχυμένο από το ρόλο του υδρογόνου στη σημαντική μείωση των εκπομπών άνθρακα στη βιομηχανία. 

Δεδομένου του δυναμικού του υδρογόνου ως πιο καθαρή και αποδοτική πηγή ενέργειας, θα συνεχίσει να υιοθετείται όχι μόνο στις μεταφορές αλλά και σε άλλες βιομηχανίες. Με τη συνεχιζόμενη έρευνα και νέες ανακαλύψεις, τελικά θα μπορέσουμε να δούμε πολύ ευρύτερη υιοθέτηση, βοηθώντας μας να επιτύχουμε μηδενικές εκπομπές άνθρακα.

Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα των πέντε κορυφαίων μετοχών πράσινης αμμωνίας (το άλλο υδρογόνο).