Groene waterstof staat klaar om grijze waterstof te vervangen nu nieuwe elektrokatalysatoren de productiekosten effectief maken

Goedkopere en groenere waterstof

Green hydrogen is het idee om waterstof als brandstof te produceren uit hernieuwbare energiebronnen, waardoor het een alternatief voor fossiele brandstoffen is. Het produceren van waterstof via elektrolyse vereist echter dure en zeldzame metalen uit de platinagroep.

Koreaanse onderzoekers Pr. Jungki Ryu van de School of Energy and Chemical Engineering aan UNIST en Pr. Dong-Hwa Seo van de Department of Materials Science and Engineering aan KAIST hebben een nieuw type katalysator, ruthenium, ontdekt om het gebruik van platina of iridium te vermijden.

Meer precies, het berust op een veel goedkopere en minder milieubelastende legering van ruthenium, silicium en wolfraam (RuSiW).

De waterstofregenboog

Waterstof is het meest voorkomende atoom in het universum, maar wordt op aarde niet gemakkelijk als brandstof aangetroffen.

Momenteel wordt het grootste deel van de geproduceerde waterstof zo genoemd “grijze waterstof”, gemaakt met methaan (aardgas), waardoor veel koolstof in de atmosfeer wordt uitgestoten. Dit is slechts een van de mogelijke “kleuren” van waterstof:

• Grijze/bruine waterstof: geproduceerd uit fossiele brandstoffen.
• Blauwe waterstof: geproduceerd uit fossiele brandstoffen, maar met koolstofafvang.
• Roze waterstof (soms ook geel waterstof genoemd): geproduceerd uit nucleaire energie.
• Turquoise waterstof: geproduceerd uit de pyrolyse van methaan. Dit breekt methaan af in waterstof en vaste koolstof. De vaste koolstof kan worden opgeslagen of gebruikt voor toepassingen zoals koolstofvezels.
• Groene waterstof: geproduceerd uit hernieuwbare energie.

Groene waterstof is de ideale situatie en een doel voor de meeste klimaabewuste mensen. De productie ervan hangt af van een proces dat elektrolyse wordt genoemd, waarbij watermoleculen worden gesplitst in gasvormige waterstof en zuurstof. Dit is een tamelijk energierijk proces, dat ook afhankelijk is van katalyselementen uit de platinagroep.

De zoektocht naar groene waterstof

Groene waterstof is een belangrijk onderdeel van de puzzel om de economie te decarboniseren, omdat het toepassingen kan vervullen die elektriciteit alleen niet kan. Bijvoorbeeld, het kan de CO2-uitstoot van traditionele staalproductieprocessen met 95% verminderen. Staalproductie vertegenwoordigt 11% van de wereldwijde uitstoot. Het kan ook door brandstofcellen worden gebruikt om de motoren van auto’s, vrachtwagens en boten aan te drijven.

Het zou ook direct kunnen worden gebruikt voor energieopslag of om ammoniak te produceren, een goede kandidaat voor brandstof voor langeafstandsscheepvaart of langdurige energieopslag, iets wat we bespraken in ons artikel “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks”.

Het is al lang bekend dat ruthenium een alternatief voor platina kan bieden, maar het had beperkingen:

• lagere katalytische activiteit vergeleken met platina.
• lagere stabiliteit vergeleken met iridium.

Deze recente ontdekking vond dat de aanwezigheid van silicium rond het rutheniumatoom de absorptie‑intensiteit van H+ op het katalysatoroppervlak verhoogt.
De stabiliteit wordt verhoogd door een dunne wolfraamfilm met een dikte van 5~10 nm die de katalytische plaats van ruthenium beschermt. Dit is hetzelfde type techniek dat wordt gebruikt in de halfgeleiderproductie, waarbij wolfraam in gasvorm zeer dun wordt afgezet op de siliciumchip.

Sectoren die profiteren

Door de productie van groene waterstof goedkoper en milieuvriendelijker te maken, kan deze ontdekking een impuls geven aan meerdere sectoren:

• Fabrikanten van brandstofcellen, wier economische situatie zal profiteren van goedkopere brandstof.
• Producenten van groene waterstof, kunnen grotere marges zien en waterstof een groter marktaandeel in de energiemarkten zien verwerven.
• Producenten van groene ammoniak. Niet alleen krijgen ze toegang tot goedkopere waterstof voor de productie van ammoniak, maar massale adoptie van ammoniak vereist katalysatoren om toxische en “super broeikasgassen” NOx te verminderen. Dit vereist meestal ook platina, maar misschien kan RuSiW hier ook het werk doen?
• De sector van hernieuwbare energie, aangezien massaproductie van groene waterstof een afvoermogelijkheid biedt voor “overtollige” energie tijdens perioden van sterke zon of wind.

Bedrijven die profiteren

1. Aker Horizons ASA

Aker Horizon is de dochteronderneming van de Aker-groep die zich richt op groene energie. De groep is een belangrijke Noorse conglomeraat, met een focus op hernieuwbare energie en maritieme/offshore bedrijven. Aker Horizon is de holdingmaatschappij voor verschillende dochterondernemingen, waaronder koolstofafvang, groene waterstof en hernieuwbare energieën.

Bron: Aker

Het bedrijf is bijzonder actief in de productie van waterstof en groene ammoniak, met als doel de Arctische scheepvaart te decarboniseren, waarbij fossiele brandstoffen worden vervangen door op waterstof gebaseerde brandstoffen.

Bron: Aker

Dus Aker bevindt zich in een uitstekende positie om te profiteren van een kostenreductie in de productie van groene waterstof. Het kan de volledige verticale integratie van groene ammoniak beheren, van offshore windmolens tot waterstofproductie tot groene ammoniakproductie.

Het werkt ook aan projecten zoals afval-naar-energie in Frankrijk, een biomassa‑installatie in Duitsland, en koolstofafvang in het Midden‑Oosten (Saoedi‑Arabië en de VAE).

Dit maakt het een goede aandeel voor beleggers die blootstelling zoeken aan de brede groene energiesector, met een sterke positie op groene waterstof en groene ammoniak, maar ook andere groene energieën, en enige geografische diversificatie.

2. Plug Power Inc.

Plug Power is een leider in groene waterstof, met een focus op brandstofcellen. Opmerkelijk is dat haar brandstofcellen meer dan 40.000 heftrucks aandrijven, met een omzet die sinds 2013 acht keer is gegroeid. Het bedrijf is ook actief in het bouwen van waterstofinfrastructuur zoals waterstofproductie, logistiek, grootschalige energieopwekking en leveringen.

Het bedrijf streeft naar schaalvergroting om de productiekosten te verlagen van $10/kg naar $4/kg, terwijl de productie in 2027 met 14 keer wordt vermenigvuldigd. Natuurlijk zouden nieuwe technologieën die de noodzaak van platina voor elektrolyse vermijden ook helpen.

Bron: Plug Power

Door enorme investeringen om de productiecapaciteit sinds 2020 met 19 keer te verhogen, is het bedrijf nog niet winstgevend. Dit leidde tot een bijna verdubbeling van de omzet van het begin tot het einde van 2023.

Het grootste deel van de huidige en verwachte zaken wordt verwacht uit Noord‑Amerika te komen. De strategische overnames van het bedrijf, zoals die van United Hydrogen en Giner ELX, hebben haar positie in de waterstofeconomie verder versterkt door haar capaciteiten in waterstofproductie, vloeibaarmaking en distributie te verbeteren.

Het bedrijf ziet haar oplossing als een directe mobiliteitsbrandstof, of als een aanvulling op elektrische voertuigen, omdat waterstof de druk op het net van piekladen van EV’s kan verminderen, die niet overeenkomt met de productie van hernieuwbare energie gedurende de dag.

Bron: Plug Power

Als een grote producent van brandstofcellen zou Plug Power sterk profiteren van een verschuiving naar een waterstof‑/ammoniakgebaseerde economie. Dit maakt Plug Power dus een goed aandeel om in te zetten op een algemene verschuiving naar waterstof, met of zonder ammoniak. De focus op kosten en schaal is ook prijzenswaardig.

3. Ballard Power Systems Inc.

Ballard is een andere fabrikant van brandstofcellen, en een pionier van de technologie met haar eerste brandstofcelbus in 1993.

Het bedrijf richt zich op zware markten: bussen, vrachtwagens, treinen/trams, schepen, mijnbouw/constructie en energie. Terwijl bussen de kern van de business zijn geweest, verwacht het bedrijf dat tegen 2025 vrachtwagens een belangrijk segment zullen vormen. Het verwacht ook dat Europa haar belangrijkste markt blijft (50‑60%), gevolgd door Noord‑Amerika (25%).

Brandstofcellen voor vrachtwagens worden verwacht te blijven groeien en vertegenwoordigen een markt van $7,5 billion in 2030 (van een totale adresseerbare markt van $195 billion), bijna zo groot als alle andere waterstof‑/brandstofceltoepassingen samen. Deze groei zou kunnen versnellen als de prijzen voor waterstofproductie dalen dankzij nieuwe technologieën.

Bron: Ballard

Vanwege het hogere vermogen dat vereist is, en de noodzaak voor snel opladen, zijn zware voertuigen een goede markt voor waterstof en brandstofcellen in vergelijking met lichtere voertuigen zoals auto’s. Het vermindert ook de behoefte aan bovenleidingen voor spoor en trolleybussen, en snelle herlading voor langeafstandstransport.

Bron: Ballard

Het bedrijf is ook niet onbekend met ammoniak, met bijvoorbeeld een recent contract met Amogy om brandstofcellen te leveren voor haar “ammoniak‑naar‑energie platform dat afhankelijk is van unieke ammoniakkraktechnologie”.

4. Seaborg

Seaborg is een Deens bedrijf dat een compact gesmolten zout kernreactor ontwikkelt, die tevens een drijvend energiecentrale van tot 800 MW is.

Bron: Seaborg

Het op zee gebaseerde ontwerp van Seaborg kernreactoren maakt het een goede match voor kustnaties, met gesprekken met Indonesië en Noorwegen.

Seaborg werkt ook samen met de wereldleider in scheepsbouw Samsung Heavy Industries om drijvende kernenergiecentrales te ontwikkelen, gecombineerd met waterstof‑ en ammoniakinstallaties.

Hoewel vaak geprefereerd door groene beleidsmakers en activisten, is er geen vereiste dat waterstof wordt geproduceerd met groene elektriciteit om de CO2‑uitstoot te verminderen, alleen dat de energie afkomstig is van een koolstofarme bron. Kernenergie is dus ook een optie.

Daarom zou Seaborg een integraal onderdeel kunnen worden van een door kernenergie aangedreven waterstof‑ en ammoniak‑economie. En het feit dat nucleaire reactoren gemakkelijk te implementeren en te verplaatsen zijn, kan een uitstekende optie zijn om waterstof aan havens te leveren.

Ze zouden zelfs kunnen roteren volgens de seizoensvraag, bijvoorbeeld in de winter op het noordelijk halfrond blijven (wanneer de productie van hernieuwbare energie laag is) en de rest van het jaar naar andere locaties verplaatsen.

5. Bloom Energy

De medeoprichter van Bloom bouwde in de jaren 60 de eerste waterstofbrandstofcel voor het Gemini‑project en was ook een pionier op het gebied van elektrolyse in de jaren 80.

Het bedrijf heeft 1 GW aan on‑site primaire energieoplossingen geïmplementeerd voor honderden klanten, waarbij 95 % van alle stationaire brandstofcellen die sinds 2018 in de VS zijn geïnstalleerd, Bloom Energy Servers zijn.

Bron: Bloom Energy

De focus van Bloom ligt op industriële locaties, datacenters, ziekenhuizen, winkelcentra en andere grote faciliteiten, samen met de uitrol van microgrids. Het werkt ook aan de ontwikkeling van brandstofcellen voor maritieme scheepvaart.

Bloom genereert het grootste deel van haar omzet uit de verkoop van brandstofcellen en elektrolyseurs, wat 75 % van de totale omzet vertegenwoordigt, met 2/3^rd van de verkoop in de VS.

De elektrolyseurs van het bedrijf maken gebruik van solid oxide‑technologie, die 20‑25 % meer waterstof per megawatt (MW) produceert dan oudere methoden zoals proton‑uitwisselingsmembraan (PEM).

Bron: Bloom Energy

Als leider in brandstofcelsystemen voor grote faciliteiten zou Bloom moeten profiteren van goedkope waterstofproductie, zelfs als de opkomst van goedkopere, niet‑platina elektrolysecatalysatoren ook een bedreiging kan vormen voor de solid oxide elektrolyseurs die zij aanbiedt.