Vetyä tuotetaan veden jakamisella upotetun sorvin avulla

Vety ja elektrolyysikustannukset

Hydrogen is a promising fuel for a green economy, from transportation to energy storage, and may be the only realistic carbon-free alternative fuel for many industries like shipping and air flight.

Vety on lupaava polttoaine vihreälle taloudelle, kuljetuksista energian varastointiin, ja se saattaa olla ainoa realistinen hiilivapaa vaihtoehtoinen polttoaine monille teollisuudenaloille, kuten meriliikenteelle ja lentoliikenteelle.

Yksi keskeinen tekijä, joka on hidastanut vetytalouden syntyä, on kustannukset, erityisesti vedyn tuotannon kustannukset.

Vihreä vety (uusiutuvasta energiasta) tuotetaan pääasiassa elektrolyysin avulla, mikä vaatii paljon energiaa ja katalyyttejä. Tällaiset katalyytit ovat yleensä kalliita, ja ne perustuvat useimmiten metalleihin kuten platina. Mitä enemmän platinaa käytetään, sitä kalliimpi elektrolyysi on.

Metallit kuten platina eivät ole ainoastaan kalliita, vaan ne ovat myös äärimmäisen harvinaisia, ja ne olisivat niukassa, jos vety otettaisiin massakäyttöön energialähteenä.

“We are able to produce hydrogen from water using only a tenth of the amount of platinum loading compared to state-of-the-art commercial catalysts.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

Halpa elektrolyysi sorvilla (romumetalli)

This discovery was made by researchers at the University of Nottingham, UK, and published in the Journal of Material Chemistry, under the title “From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilization of Pt and Co for hydrogen production”.

Alkuperäiset havainnot saatiin analysoimalla sorvia nanoskaalassa. Sorvi on romumetallispiraaleja, jotka syntyvät jätteenä metallin, kuten ruostumattoman teräksen, titaanin tai nikkeliseoksen, työstämisessä. Yhdistyneessä kuningaskunnassa teollisuus tuottaa vuosittain miljoonia tonneja metallijätettä.

Lähde: Nottingham University

Kun näitä sorveja analysoitiin elektronimikroskoopilla, tutkijat havaitsivat, että nämä metallijätteet eivät ole tasaisia, vaan niissä on kymmeniä nanometrejä leveitä uria ja kohoumia.

Nämä erittäin monimutkaiset rakenteet ja laajat kosketuspinnat olisivat ihanteellisia alustoja vetyntuotannon elektrolyysissä käytettäville elektrokatalyytteille.

Lähde: Journal Of Material Chemistry

Magneettinen platina sade sorveilla

To add platinum atoms to the swarf, the researchers used a technique called magnetron sputtering. This is a technique used in semiconductor production to deposit an ultra-thin film of metal, thanks to powerful magnetic fields.

Lähde: Korvus Tech

This method “rains” platinum atoms upon the swarf, and deposits them in the nanometer-sized grooves and ridges.

“By spreading just 28 micrograms of the precious metal over 1 cm² of the swarf, we were able to create a laboratory-scale electrolyzer that operates with 100% efficiency and produces 0.5 liters of hydrogen gas per minute just from a single piece of swarf.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

This method allowed for the creation of 2 types of hydrogen-generating electrocatalysts:

• Titaanisorvi, jossa platina‑atomit toimivat katalysaattorina, vetykehitysreaktiolle (HES).
• Nikkelisorvi, jossa kobolti‑atomit toimivat katalysaattorina, hapenkehitysreaktiolle (OER)

Lähde: Journal Of Material Chemistry

The Nottingham researchers are now working with the company AqSorption to scale up the technology.

Vetyinnovaatiot yhteen

Uudet katalysaattoriparadigmat

The building of the hydrogen economy will require that every step of the hydrogen production and distribution chain become as efficient as possible.

Vetytalouden rakentaminen edellyttää, että jokainen vetyntuotannon ja -jakeluketjun vaihe on mahdollisimman tehokas.

Viime aikoihin asti platina- ja koboltipohjaisten katalysaattorien harvinaisuus ja korkea hinta ovat vaatineet vaihtoehtoisten katalysaattorien löytämistä. Esimerkiksi keskustelimme nikkelinanorodien mahdollisuudesta artikkelissa “Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” ja vaihtoehtoisista katalysaattoreista kuten ruthenium, pii ja volframi (RuSiW) artikkelissa “Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost-Effective“.

The discovery of using swarf could remove the need for such new catalysts.

Ehkä nämä innovaatiot voitaisiin yhdistää entistä tehokkaampien uusien katalysaattorityyppien luomiseksi. Vaihtoehtoisesti, kun platina‑tarve voidaan vähentää kymmenkerralla, platina‑nanorodien käyttö ultra‑korkean katalyysitehokkuuden saavuttamiseksi voisi olla vaihtoehto.

Vetytekniikka kehittyy & ammoniakki

This will likely combined with other innovations, like more efficient storage of hydrogen as discussed in “Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough”.

Tehokas vedyn muuntaminen energiaksi, kuten on käsitelty artikkelissa “Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next-Gen of EVs?“.

Finally, the high-efficiency, low-cost hydrogen electrolysis, storage, and utilization could be combined with mass usage of ammonia as a fuel, transport, and long-term storage form of hydrogen, as discussed in “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia” and “Ammonia Production is Hugely Detrimental to the Environment – Engineers Have Just Developed a Cleaner Method”.

Vetyyn keskittyvät yritykset

1. Sibanye Stillwater

Sorvin käyttö vedyn tuotannossa voisi dramaattisesti lisätä vihreän vedyn massakäytön toteutettavuutta tekemällä platina‑pohjaisen elektrolyysin taloudellisesti kannattavaksi.

Tämä voisi olla valtava sysäys platina‑markkinoille, jotka ovat olleet paineen alla viime vuosina.

Keskeinen osa platina‑markkinoiden heikosta suorituskyvystä johtui sen vahvasta riippuvuudesta katalysaattorien kysyntään polttomoottoriautoissa ja -kuorma-autoissa. Maailman siirtyessä sähköautoihin, tämä on kyseenalaistanut metallin kysynnän toteutettavuuden.

Lähde: Sibanye Stillwater [securities_stock_price_tag symbol="SBSW" exchange="NYSE"]

Vaihtoehtoisesti, jos avaruusteollisuuden romumetalliin perustuva platina‑pohjainen elektrolyysi nousee vetytalouden keskeiseksi, platina‑kysyntä tuleville vuosikymmenille on varmistettu.

Eteläafrikkalainen Sibanye Stillwater on yksi maailman suurimmista platina‑tuottajista. Maa tuottaa 80 % maailman platinaa, ja Sibanye Stillwater vastaa neljänneksestä tästä tuotannosta.

Lähde: Mining Technology

Se on myös tuottaja platina‑metalliryhmän alkuaineille, kuten palladiumille, rodiumille ja rutheniumille. Yritys monipuolistaa toimintaansa nyt siirtyäkseen kultaan ja akkukäyttömetalleihin.

Lähde: Sibanye Stillwater

Platina‑markkinoita on hallinnut keskustelu sähköautojen ja polttomoottoriautojen (ICE) omaksumisesta. Nopean innovaation myötä platina‑ ja muiden platina‑metalliryhmän alkuaineiden vedyn elektrolyysissä, tämä saattaa muuttua.

Platinaa tarvitaan myös useimmissa polttokennojen suunnitelmissa, jotka muuntavat vetyä sähköksi. Kaiken kaikkiaan vetytekniikan edistysaskeleet, mukaan lukien sorvi‑pohjainen elektrolyysi, tulisi hyödyttää platinaan keskittyviä kaivostyöläisiä kuten Sibanye Stillwateria.

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard on polttokennojen valmistaja ja teknologian pioneeri, jonka ensimmäinen polttokenno-bussi valmistui vuonna 1993.

Yritys keskittyy raskaiden ajoneuvojen markkinoihin: bussit, kuorma-autot, junat/raitiovaunut, laivat, kaivos-/rakennusala ja energia. Vaikka bussit ovat olleet liiketoiminnan ydin, yritys odottaa, että vuoteen 2025 mennessä kuorma-autot muodostavat merkittävän liiketoimintasegmentin. Se odottaa myös Euroopan pysyvän päämarkkinanaan (50‑60 %), jota seuraa Pohjois-Amerikka (25 %).

Kuorma-autojen polttokennojen odotetaan kasvavan ja muodostavan 7,5 miljardia dollaria arvostavan markkinan vuonna 2030 (195 miljardia dollaria kokonaismarkkinasta), lähes yhtä suuren kuin kaikki muut vety‑/polttokenna‑sovellukset yhteensä. Tämä kasvu voi nopeutua, jos vedyn tuotantohinnat laskevat uusien teknologioiden ansiosta.

Lähde: Ballard

Korkeamman tehon ja nopean latauksen tarpeen vuoksi raskaiden ajoneuvojen markkinat ovat olleet parempia vedylle ja polttokennoille kuin kevyemmät ajoneuvot, kuten autot. Tämä myös vähentää raiteiden yläjännitekaapelien tarvetta rautateillä ja raitiobusseissa sekä nopean latauksen tarvetta pitkän matkan kuljetuksissa.

Lähde: Ballard

Yritys ei myöskään ole vieras ammoniakille, esimerkiksi äskettäinen sopimus Amogy‑yrityksen kanssa, jossa Ballard toimittaa polttokennoja sen “ammoniakista energia‑alustalle, joka perustuu ainutlaatuiseen ammoniakin hajoamistekniikkaan”.

Vaikka sähköautoilla on kohtuullinen mahdollisuus valloittaa automarkkinat nopeasti, raskaampien ajoneuvojen hiilineutraalius on vaikeampaa. Alansa vakiintuneen johtajuuden ansiosta Ballard olisi merkittävä hyötyjä politiikan suuntauksesta kohti vetytaloutta.

Vedyn tuotanto tulee nopeasti halvemmaksi katalysaattorien edistymisen ansiosta, mikä mekaanisesti vähentää vetykäyttöisten ajoneuvojen polttoainekustannuksia. Öljyn hintojen nousun geopoliittisten jännitteiden ja kasvavien hiiliverojen vuoksi tämä saattaa kallistaa tasapainoa vedyn puolelle, erityisesti ajoneuvoille, jotka vaativat paljon tehoa ja ajavat pitkiä matkoja (kuorma-autot, bussit ym.).