Vety on juuri tullut houkuttelevammaksi energialähteeksi säilytysmenetelmän läpimurron ansiosta

Vety, kevyin alkuaine universumissa, merkitään symbolilla H. Sen atomiluku on 1 ja se on yleisin löydetty alkuaine. Se on yksinkertaisin kemiallinen alkuaine, jossa on vain yksi protoni ja yksi elektroni, ja se on väritön, mauton ja hajuton.

Mielenkiintoista on, että vety muodostaa arviolta 75 % universumin massasta. Kuitenkin se kattaa vain noin 0,14 % Maan kuorestasta painon mukaan. Se esiintyy luonnollisesti yhdisteinä muiden alkuaineiden kanssa kiinteinä, nestemäisinä ja kaasumaisina. Kun se yhdistyy hapen kanssa, tämä syttyvä aine muodostaa veden (H₂O), ja kun se yhdistyy hiilen kanssa, se muodostaa hiilivetyä, jota löytyy öljystä ja kivihiilestä. Näin ollen vetyä voidaan tuottaa useista lähteistä, mukaan lukien uusiutuva energia kuten aurinko- ja tuulivoima, ydinvoima ja maakaasu.

Huomionarvoista on, että useita löytöjä on tehty luonnollisesti muodostuvista vetykaasupusseista maissa kuten Australia, Uusi‑Seelanti, Kanada, Ranska, Saksa, Japani ja Venäjä. Tällä hetkellä tutkijat tutkivat näiden varantojen laajuutta näissä maissa, niiden alkuperää sekä mahdollisia vaikutuksia ympäröiviin ympäristöihin, jos ne otetaan talteen.

Vety energialähteenä

Yleisimmät vedyn polttoaineen tuotantomenetelmät sisältävät lämpö-, elektrolyysi-, fotovoltaiikisesti ohjatun elektrolyysin, aurinkoohjatun ja biologiset prosessit.

Lämpö

Lämpöprosessissa höyry reagoi hiilivetypolttoaineen, kuten dieselin, maakaasun, kaasuttuneen hiilen tai kaasuttuneen biomassan kanssa tuottaen vetyä. Huomionarvoista on, että suurin osa (noin 95 %) kaikesta vedystä tuotetaan maakaasun höyryreformoinnilla.

Elektrolyysi

Elektrolyysi puolestaan sisältää veden jakamisen hapeksi ja vedeksi. Tämä prosessi tapahtuu elektrolyysilaitteessa ja tuottaa vetyä vesimolekyyleistä.

Biologinen

Biologiset prosessit hyödyntävät mikrobeja, joita ei näe paljaalla silmällä, kuten bakteereja, vedyn tuotantoon.

Aurinko

Aurinko-ohjattu prosessi, kuten nimi kertoo, käyttää valoa vedyn tuottamiseen eri tavoin, kuten fotoelektrokemiallisesti (käyttää erikoissemiäjohtimia veden jakamiseen H:ksi ja O:ksi), fotobiologisesti (hyödyntää bakteerien ja vihreiden levien luonnollista fotosynteettistä toimintaa) ja aurinko-thermokemiallisesti (käyttää keskittynyttä aurinkoenergiaa veden jakereaktioiden ohjaamiseen).

Kaikkien ominaisuuksiensa lisäksi vety on myös puhdas polttoaine, mikä tarkoittaa, että se tuottaa vain vettä, lämpöä ja sähköä kulutettaessa polttokennoissa. Tämä tekee siitä houkuttelevan vaihtoehdon sähkön tuotantoon ja kuljetukseen, mukaan lukien autot ja raketit. Energiaa tiheä ja varastoitava aine, joka ei tuota kasvihuonekaasuja, käytettiin itse asiassa sisäisen polttomoottorin voimanlähteenä yli kaksi vuosisataa sitten.

Nämä osoittavat, että vety on yksi johtavista vaihtoehdoista uusiutuvan energian varastointiin, ja sitä käytetään myös monilla teollisuudenaloilla. Kuitenkin sen todellinen potentiaali on vielä toteutumatta. Tätä varten vetyä on tuotettava taloudellisesti mittakaavassa. Lisäksi nykyisen infrastruktuurin on sopeuduttava vetyyn, vaikka sitä voidaan kuljettaa kaasuputkistoja pitkin.

Vaikka emme ole vielä täysin hyödyntäneet vedyn käyttöä polttoaineena, maailmanlaajuinen tutkimus- ja kehitysinvestointi vedyn energialähteenä olevan täyden potentiaalin tutkimiseen on kasvanut vuosien varrella. Viimeaikainen tutkimus on itse asiassa tehnyt merkittävän läpimurron tässä suhteessa, mahdollistamalla vedyn korkean tiheyden varastoinnin tuleville energiajärjestelmille.

Kehys tiiviisti pakatun vedyn varastointiin

Julkaistu Nature Chemistry -lehdessä viime kuussa, tutkimus, “Pienikaariset hidridi-kehykset varastoivat tiiviisti pakattua vetyä,” rahoitettiin osittain Korean Kansallinen Tutkimusrahasto (NRF) ja Saksan Tutkimusrahasto (DFG) toimesta. (NRC )

Vaikka nanoporosaiset materiaalit ovat saaneet paljon huomiota kaasujen varastointiin, tutkimus totesi, että korkean tilavuusvarastointikapasiteetin saavuttaminen on edelleen haaste. Siksi useat eri yliopistojen tutkijat yhdistivät voimansa ratkaistakseen tämän ongelman.

Michael Hirscher, Japanin Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) Tohoku-yliopistossa ja Saksan Max Planck Institute for Intelligent Systems -laitoksesta, keksi alkuperäiset ideat ja valvoi projektia. Samaan aikaan Koreasta, Ulsanin Kansallinen Tiede- ja Teknologiainstituutin (UNIST) Hyunchul Oh johti tätä projektia.

Mielenkiintoista on, että vuonna 2022 tiedeyhteisö Max Planck Institute for Intelligent Systemsista, Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL):stä, Technische Universität Dresdenista ja Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnbergista näytti, että vety tiivistyy pinnalle erittäin alhaisessa lämpötilassa lähellä H₂:n kiehumispistettä. Tämä prosessi muodostaa supertiiviin monikerroksen, joka ylittää nestemäisen vedyn tiheyden kolminkertaisesti, mikä vähentää tilavuutta vain 5 litraan kilogrammaa H₂ kohti.

Nyt kyseinen uusin tutkimus tutki magnesium-borohydridi -kehystä hyödyntäen neutronijauhe-diffraktiota, elastista neutronihajontaa, tilavuuskaasunsorptioita ja ensimmäisen periaatteen laskelmia. Kehyksessä on pieniä huokosia ja osittain negatiivisesti varautunut epätasainen sisäosa vedyn (H) ja typen (N) ottamiseen.

Sekä typpi että vety asettuvat selvästi erilaisiin adsorptiosijainteihin huokosissa. Niillä on myös hyvin erilaiset rajoituskapasiteetit: 0,66 N₂ ja 2,33 H₂ per Mg(BH₄)₂. Mg(BH₄)₂, joka löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1950, tunnetaan korkean kapasiteetin vedyn varastointimateriaalina, joka esiintyy sekä kiteisinä polymorfeina nanoporosaisilla MOF-tyyppisillä rakenteilla että erittäin tiheinä polymorfeina äärimmäisellä tilavuusvedyn tiheydellä ja korkealla gravimetrisella vedyn kapasiteetilla.

Joten molekyylivedyn osalta se on pakattu äärimmäisen tiiviisti, sen tiheys on noin kaksinkertainen nestemäiseen vetyyn verrattuna.

Tiimi käytti sitten neutronijauhe-diffraktiota (NPD) määrittääkseen vedyn atomien sijainnin rakenteessa sekä molekyylien adsorptiosijainnit.

Tutkimus totesi, että penta-dihydrogen-klusteri (dihydrogen koostuu kahdesta vedystä, jotka ovat sidottuja yksinkertaisella sidoksella) löytyi, jossa H₂-molekyyleillä yhdessä sijainnissa on kiertoliikevapaus. Toisaalta H₂-molekyyleillä toisessa sijainnissa on selkeä suunta ja suunnattu vuorovaikutus kehyksen kanssa. Tämä paljastaa, että tiiviisti pakattu vety voidaan todellakin vakauttaa pienikaarisissa materiaaleissa normaalissa ilmanalassa.

Tämän oivalluksen myötä tiimi on onnistuneesti ratkaissut rajoitetun vedyn varastointikapasiteetin haasteen hyödyntämällä kehittynyttä korkean tiheyden adsorptio-teknologiaa.

Tämä mullistava kehitys raportoitiin professori Oh:n toimesta UNISTin kemian laitoksessa. Innovatiivinen tutkimus merkitsee merkittävää edistysaskelta tulevaisuuden energiajärjestelmissä. 

Skaalan suurten vedyn varastointimahdollistaminen

Kun puhutaan vedyn käytöstä liikenteessä, paikallisessa energiassa ja kannettavassa energiassa, varastointi näyttelee keskeistä roolia. Vaikka alkuaineella on suurin energia massaa kohden, sen alhainen huoneenlämpötilan tiheys johtaa alhaisempaan energiaan tilavuusyksikköä kohden. Siksi kehittyneitä varastointimenetelmiä tarvitaan korkeamman energiatehokkuuden saavuttamiseksi.

Tällä hetkellä varastointiteknologia keskittyy pääasiassa molekyylivedyn varastointiin joko nestemäisessä tai kaasumaisessa muodossa. Tietysti tällä nykyisellä tekniikalla on rajoituksia tilavuus- ja gravimetrisessa (kuinka paljon energiaa grammaa tai kilogrammaa kohden voidaan varastoida) varastointitiheydessä.

Vedyn varastointi kaasuna vaatii korkean paineen säiliöitä, kun taas nestemäisenä tarvitaan kriogeenisiä lämpötiloja. Se voidaan myös varastoida pinnalle tai kiinteään aineeseen absorptioiden kautta.

Molekyylinä vety voi fysikaalisesti adsorboitua materiaalissa, jossa on huokosia (tyhjiöitä), heikkojen van der Waals -vuorovaikutusten (jotka ovat suhteellisen heikkoja ja ei-ioniisia) kautta, prosessia kutsutaan fysikaaliseksi adsorptioiksi. Tämä viittaa prosessiin, jossa kaasumolekyylit kiinnittyvät kiinteän pinnan kanssa. Kuitenkin, vaikka erittäin huokoiset materiaalit tarjoavat korkean gravimetrisen vedyn otto, tilavuusvarastointikapasiteetissa tarvitaan parannuksia.

Tässä kohtaa nanoporosainen kuutio-magnesioborohydridi, γ-Mg(BH₄)₂, tarjoaa erinomaisia tuloksia. Sen tiheys on ρ = 0,550 g cm⁻³ ja 33 % vapaa huokostilavuus. Noin 9 Å:n huokoskoko mahdollistaa tämän yhdisteen pienien molekyylien, kuten vedyn tai typen, adsorboinnin. Tämä tapahtuu juuri tämän huokoisen hydridin osittain negatiivisesti varautuneen sisäpinnan kautta, jolloin hidridi-atomit altistuvat huokosiin.

NFR:n ja Tieteen ja ICT:n ministeriön (MSIT) Mid-Career Research -ohjelman mahdollistamana tutkimus synteettisi tämän nanoporosaisen monimutkaisen hydridin, joka koostuu magnesiumkationista (Mg⁺) ja magnesiumhydridistä sekä kiinteästä boorihydridistä (BH₄)₂.

Tuloksena syntynyt materiaali mahdollistaa viiden vedymolekyylin varastoinnin 3D-järjestelyssä, saavuttaen merkittävän korkean tiheyden vedyn varastoinnissa. Se osoittaa lisäksi vedyn varastointikapasiteetin 144 g/L huokistotilavuutta kohden, mikä ylittää selvästi perinteiset menetelmät. Vaikuttavaa on, että vedymolekyylien tiheys materiaalissa ylittää jopa kiinteän tilan tiheyden.

Kuvaillessaan materiaalia “paradigmamuutokseksi” vedyn varastoinnin maailmassa, professori Oh totesi sen tarjoavan “vahvan vaihtoehdon perinteisille lähestymistavoille.”

Tämä kehitys parantaa merkittävästi vedyn energialähteenä hyödyntämisen tuottavuutta ja taloudellista tehokkuutta. Se myös käsittelee haasteita vedyn varastoinnissa suuressa mittakaavassa laajamittaiseen käyttöön julkisessa ja henkilökohtaisessa liikenteessä.

Tämän kehityksen hyötyvät yritykset

Jos puhumme toimialoista, jotka voivat hyötyä tällaisesta tutkimuksesta, joka muuttaa vedyn varastointia, mieleen tulee laaja kirjo sektoreita, kuten kemian, energian, autoteollisuuden, insinööritieteiden ja rakennusalan. Katsotaanpa joitakin yrityksiä, jotka voivat tästä hyötyä: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Japanilainen autonvalmistaja on sitoutunut vähentämään CO₂-päästöjään ja väittää olevansa yksi ensimmäisistä yrityksistä, jotka keskittyvät vedyn energian potentiaaliin.

Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi Honda Motor (HMC ) Company on tutkinut polttokenninteknologioita 1980-luvulta lähtien erilaisiin sovelluksiin.

Tänä vuonna yritys ilmoitti aloittaneensa vedyn polttokenniarvojen tuotannon yhteistyössä General Motorsin (GM) kanssa erilaisiin tuotesovelluksiin ja sitä, mitä he kutsuvat “vedyn aikakauden alkuksi.”

Markkina-arvolla 64,85 miljardia dollaria, yhtiön osakkeet käyvät 36,93 dollaria, nousua 19,22 % kuluvan vuoden alusta (YTD). Honda Motor on ilmoittanut liikevaihdon (TTM) 128,49 miljardia dollaria ja EPS:n (TTM) 7,73 sekä P/E:n (TTM) 4,77. Yhtiö maksaa myös osinkotuoton 2,77 %.

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company toimii useilla sektoreilla, mukaan lukien hiilivedyt ja energia. Äskettäin se solmi kumppanuuden Linde:n (NYSE: LIN) kanssa toimittaakseen puhdasta vetyä ja typpeä sen hiilineutraalin hiilidioksidipäästöjen integroituun etyleenirikkar- ja johdannaisyksikköön Kanadassa. Sopimus saatiin päätökseen viime vuoden lopulla 6,5 miljardia dollaria maksavan projektin osalta. Osana sopimusta se ottaa käyttöön Linde:n ilman erotus- ja automaattisen reformeriteknologian muuntaakseen laitoksen rikkomisen sivukaasut vedyksi.

Markkina-arvolla yli 39,9 miljardia dollaria Dow Chemicalin osakkeet käyvät 56,76 dollaria, nousua 3,5 % YTD. Dow Chemical on ilmoittanut liikevaihdon (TTM) 44,62 miljardia dollaria, EPS:n (TTM) 0,81 ja P/E:n (TTM) 69,67. Yhtiö maksaa myös osinkotuoton 4,93 %.

#3. McPhy Energy SA

Ranskalainen yritys kehittää vedyn tuotanto- ja varastointiratkaisuja. Viime vuonna McPhy laajensi kaupallista sopimustaan Chart Industries, Inc. :n (NYSE: GTLS) kanssa, jonka puitteissa jälkimmäinen toimittaa vetyyn liittyviä prosesseja ja laitteita vedyn pakkaamiseen ja nesteyttämiseen.

Viimeisimpänä johtava elektrolyysilaitteiden teknologia- ja valmistusyritys voitti sopimuksen Ruotsin AAK AB:ltä toimittaakseen 800-30 elektrolyysilaitteensa, jonka kapasiteetti on 4 MW, sekä siihen liittyvät varaosat, mikä mahdollistaa ruotsalaiselle yritykselle käyttää vähähiilistä vetyä prosessikaasuna.

Markkina-arvolla 47,18 miljardia, yhtiön (MCPHY-FR: Euronext Paris) osakkeet käyvät 1,69 euroa, laskua 49,97 % YTD. Sen EPS (TTM) on -0,69 ja P/E (TTM) -1. Viime kuussa McPhy raportoi vuoden 2023 taloudellisen tuloksen, jossa sen vuotuinen liikevaihdon kasvu oli +17 % 18,8 miljoonaan euroon ja elektrolyysiliiketoiminnassa kasvu +25 %. Se ilmoitti myös noin 62 miljoonan euron käteisvarat joulukuun lopussa.

Yhteenveto 

Vedyn energian varastointimarkkinat ovat valmiina nopeaan kasvuun, ja niiden odotetaan ylittävän arvon 17,6 miljardia dollaria seuraavan kahdeksan vuoden aikana, kun hallitukset investoivat voimakkaasti vetyyn perustuvaan infrastruktuuriin, Global Market Insightsin mukaan. Erityisesti liikennesektorin odotetaan ajavan merkittävää kasvua, ennustettuna 10 % CAGR, vedyn roolin ansiosta, joka vähentää merkittävästi hiilidioksidipäästöjä alalla. 

Ottaen huomioon vedyn potentiaalin puhtaampana ja tehokkaampana energialähteenä, sen käyttö jatkuu paitsi liikenteessä myös muilla teollisuudenaloilla. Jatkuvan tutkimuksen ja uusien löydösten myötä näemme lopulta paljon laajemman käyttöönoton, mikä auttaa meitä saavuttamaan nettonollapäästötavoitteen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä parhaasta vihreästä ammoniakasta (toinen vety).