Hydrogeenin valmistus CeO₂:sta? Käytä vain mikroaaltouunia nopeisiin tuloksiin

Fossiiliset polttoaineet vahingoittavat ilmastoa. Kuten tiedämme, maailma suuntautuu nopeasti kohti uusiutuvia, kestäviä, vihreitä energialähteitä. Tässä ilmastolle ystävällisten polttoaineiden etsinnässä vety on noussut potentiaaliseksi hiilidioksidipäästöjen vähentämisen lähteeksi.

Teknologian avulla on mahdollista tuottaa vetyä nollalla tai hyvin vähäisillä kasvihuonekaasupäästöillä. Kiinnostus vetyyn on niin suuri, että Yhdysvaltain energiaministeriö on asettanut kansalliset tavoitteet lisätä vuotuista “puhdan vedyn” tuotantoa lähes nollasta 10 miljoonaa metristä tonnia vuoteen 2030 mennessä ja 50 miljoonaa metristä tonnia vuoteen 2050 mennessä. 

Kuitenkin prosessissa on kriittinen pullonkaula. Perinteiset termoelektriset menetelmät, jotka riippuvat metallinoksidien hapetus-pelkistysreaktioista, vaativat äärimmäisen korkeita lämpötiloja. Lämpötila voi nousta jopa 1500 celsiusasteeseen. 

Äskettäin POSTECHin (Pohang University of Science and Technology, Korea) tutkijaryhmä on kehittänyt tavan kiertää tämä pullonkaula.

Prosessi hyödyntää tunnettua mutta alikäytettyä energialähdettä: “mikroaalto”energiaa. Kyllä! Et ole väärässä. Se on sama lähde, jota käytetään kotitalouksien mikroaaltouuneissa. Tutkimuksen otsikko on ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction¹‘ 

Seuraavassa osassa käsittelemme tämän tutkimuksen vaikutuksia. 

Vallankumouksellinen teknologia, joka ratkaisee keskeisiä rajoitteita puhtaan vedyn tuotannossa mikroaaltojen avulla

Tiimi koostui poikkitieteellisistä tutkijoista, jotka työskentelivät POTECHissa, ja sitä johti professori Gunsu S. Yun. Mukana olivat tohtorikandidaatti Jaemin Yoo (fysiikan osasto, edistyneen ydininsinöörin jakelu), professori Hyungyu Jin ja tohtorikandidaatti Dongkyu Lee (koneenrakennuksen osasto). Kestävässä energiassa merkittävänä läpimurtona tunnustettu tutkimus esiteltiin Journal of Materials Chemistry A:n sisäsivun etukannessa.

Tutkijat aloittivat oletuksesta, että vaikka mikroaallot voivat lämmittää ruokaa tehokkaasti, ne voivat myös käynnistää kemiallisia reaktioita. He sovelsivat tätä ajatusta Gd-dopatun cerian (CeO2) reduktiolämpötilan alhaisemiseen. Gd-dopattu ceria (CeO2) on vetyntuotannon vertailumateriaali, ja mikroaaltoenergia voi alentaa tämän materiaalin reduktiolämpötilaa yli 60 prosentilla – alle 600 celsiusasteen.

Mikroaaltoenergia voi korvata 75 prosenttia reaktioon tarvittavasta lämpöenergiasta. Tämä havainto on perustellusti läpimurto kestävän vedyn tuotannossa.

Professori Hyungyu Jin totesi, että

“Tämä tutkimus voi mullistaa termokemiallisten vedyn tuotantoteknologioiden kaupallisen toteutettavuuden. Se raivaa myös tietä uusien, mikroaaltoihin optimoitujen kemiallisten prosessien materiaalien kehittämiselle.”

Professori Gunsu Yun kutsui tämän uuden mekanismin käyttöönottoa ja sen kykyä ylittää olemassa olevat prosessirajoitteet “merkittäviksi saavutuksiksi”, jotka olivat mahdollisia vain tiiviin poikkitieteellisen yhteistyön ansiosta.

Toinen tiimin saavuttama läpimurto löytyi happivakioiden (oxygen vacancies) luomisesta. Nämä ovat materiaalin rakenteellisia vikoja, jotka auttavat veden jakautumisessa vedyksi. Vaikka perinteiset menetelmät saattavat kestää tunteja erittäin korkeissa lämpötiloissa, POSTECHin tiimi osoitti, että samat tulokset voidaan saavuttaa vain muutamassa minuutissa alle 600 °C:n lämpötilassa hyödyntäen mikroaalto‑teknologiaa.

Vaikka POSTECHin tutkimus tarjosi merkittävän läpimurron, maailmalla on monia muita tutkimusorganisaatioita, jotka ovat aktiivisesti kehittäneet innovatiivisia menetelmiä puhtaan vedyn tuotantoon. Yksi näiden tutkimuksen eturintamassa olevista organisaatioista on National Renewable Energy Laboratory, Yhdysvaltain energiaministeriön kansallinen laboratorio, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, jonka operoi Alliance for Sustainable Energy LLC.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja läpimurrosta, joka teki vedystä houkuttelevamman energialähteen.

Edullinen vedyn tuotanto: muut toimet

Xcel Energyn kanssa yhteistyössä kehitetty NREL:n tuuli-vedyn (Wind2H2) demonstraatioprojekti yhdistää tuuliturbiinit ja fotovoltaita (PV) järjestelmiin elektrolyyserikasoihin, jotka ohjaavat tuotetun sähkön veden läpi jakamaan sen vedyksi ja hapeksi. Projekti on tällä hetkellä käynnissä National Wind Technology Centerissä lähellä Boulderia, Colorado. Projektin päätavoitteena on parantaa järjestelmän tehokkuutta, kun vetyä tuotetaan uusiutuvista lähteistä riittävän suurina määriä ja riittävän alhaisilla kustannuksilla kilpaillakseen perinteisten energialähteiden, kuten hiilen, öljyn ja maakaasun, kanssa.

Toinen tapa tuottaa puhdasta vetyä on käyttää auringonvaloa suoraan veden jakamiseen vedyksi ja hapeksi. Fotovoltaalinen teollisuus on jo kehittänyt kehittyneitä moniliitoskennoja fotoelektrokemiallisia (PEC) valonkeräysjärjestelmiä varten, jotka tuottavat riittävän jännitteen veden jakamiseen ja ovat vakaita vesielektrolyyttisessä ympäristössä. NREL:llä on oma kehittämänsä PEC-järjestelmä.

NREL:n järjestelmä voi tuottaa vetyä auringonvalosta ilman elektrolyyserien kustannuksia ja monimutkaisuutta, saavuttaen 12,4 % (alempi lämpöarvo) aurinko‑vedyn muuntosuhteen hyödyntämällä kerättyä valoa. NREL:n jatkotutkimus keskittyy kehittämään tehokkaampia, edullisempia materiaaleja ja järjestelmiä, jotka ovat kestäviä ja korroosiota kestävät vesissä.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, mikä tekee vedystä tulevaisuuden polttoaineen.

Biologinen vety 

Toinen jännittävä polku, jota NREL on tutkinut, käsittelee “biologista vetyä”. NREL:n tutkijat kehittävät esikäsittelytekniikoita, joilla lignoselluloosinen biomassa muutetaan sokeririkkaiksi raaka-aineiksi, joita voidaan suoraan käymisprosessissa muuttaa vedeksi, etanoliksi ja korkean arvon kemikaaleiksi.

Lisäksi pyritään tunnistamaan Clostridium-yhteisö, joka pystyy suoraan käymään hemikelluloosia vedyksi.

Muita tutkimusalueita biologisen vedyn alalla ovat seuraavat:

• Tehokkaiden selluloosaa hajottavien mikrobien, kuten Clostridium thermocellum, bioetsintä, jotka voivat käymään kiteisen selluloosan suoraan vedyksi alentamaan raaka-ainekustannuksia.
• Mallisen selluloosaa hajottavan bakteerin tunnistaminen.
• Mallisen selluloosaa hajottavan bakteerin potentiaalin tutkiminen geneettisiä manipulointeja varten, mukaan lukien antibioottien herkkyys ja helppo geneettinen transformaatio.
• Strategioiden kehittäminen mutanttien tuottamiseksi, jotka on valikoivasti estetty tuottamasta jätähappoja ja liuottimia, maksimoiden vedyn saannon.

Vaikka organisaatiot, tutkimuslaitokset ja laboratoriot ovat aktiivisia maailmanlaajuisesti, myös yksityiset yritykset ovat toiminnassa. 

1. Linde 

Yksi vuosien ajan puhtaan vedyn tuotannon eturintamassa olevista yrityksistä on Linde. Yritys väittää, että sen innovatiiviset teknologiat, mukaan lukien tehokas vetykaasuja ja turvallinen tankkaus, yhdistettynä vuosikymmenien kokemukseen, tekevät sen infrastruktuurista vertaansa vailla.  (XEL )

Yrityksen toiminnot, jotka on suunnattu puhtaan vedyn tuotantoon, sisältävät useita menetelmiä ja strategioita. Esimerkiksi elektrolyysi vihreän vedyn tuotannossa käyttää uusiutuvalla energialla toimivia elektrolyyserejä.

Elektrolyysissä vesi hajotetaan vedeksi ja hapeksi käyttäen täysin uusiutuvista energialähteistä tuotettua sähköä. Tämä prosessi tapahtuu elektrolyyserinä kutsutuissa yksiköissä. Vaikka elektrolyysijärjestelmät vaihtelevat koossa, kapasiteetissa ja teknologiassa, peruskemia pysyy samana.

Tällä hetkellä on kaksi pääasiallista elektrolyysiteknologiaa: alkalinen ja PEM (Proton Exchange Membrane) — molemmat Linde:n mukaan voivat tuottaa korkealaatuista vetyä paikallisesti ja tarpeen mukaan.

Alkalinen elektrolyysi käyttää kahta elektrodia, jotka on erotettu huokoisella kalvolla ja nestemäisellä alkalinen liuoksella elektrolyyttinä. Elektrolyyttiliuos mahdollistaa hydroksidi-ioniin kuljetuksen elektrodien välillä, jolloin muodostuu happea ja vetyä, mutta ne eivät kuluta reaktion aikana. Teknologia voi olla luotettava ja kustannustehokas.

Toisaalta PEM-elektrolyysi käyttää puhdasta vettä ja kiinteää polymeerielektrolyyttiä nestemäisen liuoksen sijaan, jolloin sähkö voi jakaa veden vedyksi ja hapeksi. Vetyprotonit kulkevat kalvon läpi yhdistyen elektroneihin muodostaen H2-kaasua katodipuolella.

Linde tarjoaa myös tehokkaita hiilidioksidin talteenotto- ja varastointiteknologioita (CCUS) erilaisiin strategioihin. Sillä on innovatiivisia toimitusratkaisuja vedyn ruiskuttamiseksi olemassa oleviin maakaasuputkiin, jotta se voi palvella monenlaisia loppukäyttösovelluksia.

Linde ylläpitää erittäin kehittyneitä vetyvarastointitoimintoja, joissa vetyä säilytetään maanalaisissa suolaluolissa. Energiapuistojen kehittämisen kokeneena kumppanina Linde on toiminut ensimmäisen kaupallisen korkealaatuisen vetyluolan parissa yli kymmenen vuoden ajan. Lisäksi sillä on vuosikymmenten kokemus vedyn nesteytysjärjestelmien rakentamisesta, jotta nesteytettyä vetyä voidaan helposti varastoida ja kuljettaa.

Viimeisimpien saatavilla olevien taloustietojen mukaan Linde kirjasi myyntiä 8,356 miljardia Yhdysvaltain dollaria neljännekselle, joka päättyi 30. syyskuuta 2024.

2. Air Products

Toinen yritys, joka vaikuttaa merkittävästi puhtaan vedyn tuotantoon, on Air Products. Yritys uskoo, että puhtaan vedyn tuotanto uusiutuvista energialähteistä on olennaista hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi vaikeasti sähköistettävissä teollisuusprosesseissa, kuten teräksen valmistuksessa ja kemian prosessoinnissa.

Yritys on jo sitoutunut 15 miljardiin Yhdysvaltain dollaria projekteihin, jotka edistävät vähähiilisen vedyn tuotantoa ja nopeuttavat energansiirtymää.

Yrityksen puhtaan vedyn sovelluksiin kuuluu vedyn tankkaus autoille, busseille, trukkille, aluksille, junille ja kuorma-autoille. Maaliikenne vastaa lähes 12 % maailmanlaajuisista päästöistä. Dieselibussien muuntaminen nollapäästöisiin vetypolttokenno-busseihin voi vähentää maailmanlaajuisia kasvihuonekaasupäästöjä ja parantaa ilmanlaatua. Air Products on johtava vedyn bussitankkausyritys ja osallistuu projekteihin ympäri maailmaa.

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), ACWA Powerin, Air Productsin ja NEOM:n tasavertainen tuotantoyhteisyritys, perustaa maailman suurimman vihreän vedyn pohjalta tuotetun ammoniakan tuotantolaitoksen, joka toimii uusiutuvalla energialla. Tämä laitoksesta tuotetaan jopa 600 tonnia päivässä hiilivapaata vetyä vihreän ammoniakan muodossa, mikä on kustannustehokas ratkaisu kuljetus- ja teollisuussektoreille maailmanlaajuisesti.

Air Productsin uusi nettonollapäästöinen vetyenergia‑kompleksi on suunniteltu tekemään Edmontonista, Albertasta, Länsi‑Kanadan vedyn talouden keskus. Rakentaminen on edennyt hyvin Edmontonissa Air Productsin mullistavassa uudessa vetylaitoksessa, ja tämän laitoksen liittäminen yrityksen olemassa olevaan putkiverkostoon auttaa jalostus‑ ja petrokemian asiakkaita vähentämään energian tuotteidensa hiilidioksidipitoisuutta ja parantamaan niiden kestävyyttä. Lisäksi huippuluokan nesteytyslaitos nopeuttaa vedyn käyttöä päästöttömänä kuljetuspolttoaineena Länsi‑Kanadassa.

Air Productsin Louisiana Clean Energy Complex -kompleksi tuottaa vähähiilistä vetyä liikkuvuuden ja teollisuuden markkinoiden energianlähteeksi Gulf Coast -alueella ja sen ulkopuolella. Laitoksen arvioidaan sitovan ja varastoivan 95 % sen hiilidioksidipäästöistä (yli 5 miljoonaa tonnia vuodessa) pysyvästi varastoimalla CO2:n ihanteelliseen geologiseen huokospaikkaan Louisianassa.

Tämä projekti on Air Productsin suurin Yhdysvaltain investointi, joka on rakennettu auttamaan Louisianan osavaltiota vähentämään kasvihuonekaasupäästöjään nettonollaan vuoteen 2050 mennessä.

Air Products aikoo myös investoida noin 500 miljardia dollaria rakentaakseen, omistaakseen ja ylläpitääkseen 35 metriä tonnia päivässä tuotavan vihreän nesteytetyn vedyn laitoksen Massenassa, New Yorkissa, sekä perustaa nesteytetyn vedyn jakelu‑ ja tankkausoperaatiot. Projekti vähentää 6 miljoonaa tonnia CO2‑päästöjä projektin elinkaaren aikana. Projekti käyttää St. Lawrence -joen vesivoimaa hiilivapaan nesteytetyn vedyn tuotannon energianlähteenä.

Tilikaudella, joka päättyi 30. syyskuuta 2024, yritys rekisteröi myyntiluvun yli 12 miljardia Yhdysvaltain dollaria.

Kohti tulevaisuutta puhtaan vedyn kanssa

Yrityksille ja tutkimusorganisaatioille on riittävästi kannustusta jatkaa uusien, luotettavien ja kustannustehokkaiden vedyn tuotantotapojen kehittämistä. Esimerkiksi Yhdysvaltain energiaministeriö valitsi vuonna 2023 seitsemän voittajaa, jotka saivat yhteensä 7 miljardia Yhdysvaltain dollaria rahoitusta kaksipuolisen infrastruktuurilain kautta, jotta sarja “vedyn keskuksia” saataisiin käyntiin.Osallistuakseen, jokaisen keskuksen täytyi vakuuttavasti osoittaa, että se pystyy “tuottamaan vähintään 50–100 metristä tonnia puhdasta vetyä päivässä ja vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä.”

DOE:n valitsemissa vedyn keskuksissa eniten aktiivisesti mukana olleet yritykset olivat muun muassa 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 ) ja (TRP ).

Huipputeknologiat voivat myös osallistua vedyn tuotannon ja jakelun edistämiseen. Esimerkiksi NREL suorittaa kiihdytettyä testausta ja syklausia 700‑baarin vedyn jakoputkille Energy Systems Integration Facility -laitoksessa käyttäen automatisoituja robotteja simuloimaan kenttäolosuhteita. Tässä robotit jäljittelevät toistuvaa rasitusta, kun henkilö taivuttaa ja kiertää letkua jakamaan vetyä polttokennoauton sisäiseen varastotankkiin. Tutkijat tarkastelevat uusien ja käytettyjen vedyn jakoputkien mekaanista, lämpö‑ ja painekuormituksen tehokkuutta.

Vedellä on nyt oma aikansa, ja momentum voi vain kasvaa tästä eteenpäin. Organisaatioiden, jotka seuraavat maailmanlaajuista vedyn projektien rakentamista, mukaan mukaan, ilmoitettiin 680 suurta vedyn tuotantoprojektia pelkästään vuonna 2022, mikä johti $240 miljardia suoraa investointia invREL on myös säännöllisesti suorittamassa järjestelmätason analyyseja erilaisista kestävästä vedyn tuotannosta ja toimitusreiteistä, jotta se voi auttaa määrittämään tilan parannuksia, jotka johtuvat teknologian kehityksestä, kustannuksista tuotantomäärän funktiona ja kustannusten alentamisen mahdollisuuksista.

Ei ole epäilystäkään, että vedyn investoinnit vuoteen 2030 mennessä, kun yksityinen pääoma ja riskipääomayritykset sijoittivat ennätysmääriisiä sumia vedyn yrityksiin eri kehitysvaiheissa vuonna 2022, tarjoten 3,1 miljardia dollaria yksityistä pääomaa vedyn liittyville yrityksille ja 2,6 miljardia dollaria riskipääomaa 192 startupiin alalla.sijoittivat ennätysmääriä.

Kun puhutaan tämän momentumin merkityksestä, Breakthrough Energyn Yhdysvaltain politiikka‑ ja vaikuttamistiimin johtaja Adria Wilson totesi, että viimeaikaiset poliittiset voitot tarkoittavat, että edullinen, puhdas vety on hiilidioksidipäästöjen vähentämistyökalu, jonka voimme käyttää seuraavien kymmenen vuoden aikana, ellei aikaisemmin.

Kuitenkin, vaikka onkin perusteellisesti optimistinen, on myös muistettava, että matka on vielä pitkä. World Resources Institute:n antamien lukujen mukaan 95 % vedystä valmistetaan fossiilisista polttoaineista, tyypillisesti prosessin nimeltä höyrymetaanin reformointi (SMR) kautta, jossa vettä kuumennetaan korkeissa lämpötiloissa tuottamaan höyryä, joka reagoi maakaasun kanssa ja tuottaa vetyä ja hiilidioksidia (CO2). Prosessi aiheuttaa merkittävästi kasvihuonekaasupäästöjä, vapauttaen 10–14 kilogrammaa CO2‑ekvivalenttia per kilogramma vetyä (kg CO2e/kg H2), mikä on saman verran kuin bensiinin valmistuksen ja polton aiheuttamat hiilidioksidipäästöt.

Puhdas vedyn tuotantomenetelmät tulisi auttaa meitä poistamaan tällaiset menetelmät. Siirtymän on oltava nopea, mutta toteutettava kestävillä menetelmillä.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista puhtaan energian osakkeista, joilla on kestävyyskeskitys.