Vooruitgang in waterstofproductie met nikkelgebaseerde elektrolyse

Vooruitgang met elektrolyse voor waterstofproductie

Hydrogen is considered a serious candidate for replacing fossil fuels. This is true in transportation, thanks to fuel cells, and in industrial processes where hydrogen’s high combustion temperature can replace coal & natural gas when electrification is not an option.

Waterstof wordt beschouwd als een serieuze kandidaat om fossiele brandstoffen te vervangen. Dit geldt voor transport, dankzij brandstofcellen, en voor industriële processen waarbij de hoge verbrandingstemperatuur van waterstof kolen en aardgas kan vervangen wanneer elektrificatie geen optie is.

Een probleem is dat waterstof niet vaak voorkomt in gemakkelijk toegankelijke natuurlijke afzettingen zoals aardgas. In plaats daarvan moet het kunstmatig worden geproduceerd, waarbij elektrolyse de meest gebruikte methode is.

Elektrolyse is het ontleden van water in waterstof en zuurstof. Een van de problemen van de huidige elektrolysemethoden is een lage efficiëntie (energieverspilling) en hoge kosten, voornamelijk door dure katalysatoren zoals platina.

A research team from Korea might have found a way to both boost efficiency and replace the expensive catalysts with much more affordable and abundant nickel.

Nikkelnanoarrays die waterstofproductie stimuleren

The researchers of Professor Jong Kyu Kim’s team at the Department of Materials Science and Engineering at POSTECH (Pohang University, Korea) have been looking to solve a major issue with hydrogen electrolysis.

Bron: POSTECH

Het probleem is dat de geproduceerde waterstof aan de katalysator ‘vastplakt’, waardoor deze geen water meer kan bereiken en blijven werken. Dit vermindert de efficiëntie, verhoogt de benodigde energie en leidt uiteindelijk tot duurdere katalysatoren dan nodig.

In plaats daarvan hebben prof. Jong Kyu Kim en zijn team fijn bewerkte, niet volledig verticaal uitgelijnde nanorod-uitsteeksels van nikkel gemaakt. De nanostructuur en de gekantelde hoek van de nikkellepels vertonen wat ‘super-aerofobiciteit‘ wordt genoemd, waardoor de waterstofbellen gemakkelijker loskomen.

Dit maakt op zijn beurt ruimte vrij voor water om de katalysator te bereiken, wat leidt tot efficiëntere elektrolyse.

Bron: POSTECH

Dit kan de efficiëntie van het proces dramatisch verhogen, met een opmerkelijke 55‑voudige verbetering in waterstofproductie‑efficiëntie vergeleken met een gelijkwaardige hoeveelheid nikkel in een traditionele dunne filmstructuur.

Uitbreiding voorbij nikkelkatalysatoren

The technology used nanorods of nickel but does not have to be limited to this metal. In fact, this metal of oblique nanorods reducing hydrogen adhesion can theoretically be used with any other catalyst. So, what does it mean for hydrogen prospects?

Betere elektrolyse

Momenteel wordt het grootste deel van de wereldwijde waterstof geproduceerd uit aardgas. Dit is economisch rendabeler, maar ondermijnt het doel van waterstofproductie om de CO2-uitstoot te verminderen.

Om echt koolstofneutrale waterstof te verkrijgen, moet deze worden geproduceerd uit elektriciteit opgewekt uit hernieuwbare bronnen, meestal ‘groene waterstof’ genoemd.

Elke methode die de totale kosten van de groene waterstofleveringsketen kan verlagen, brengt ons een stap dichter bij een levensvatbaar alternatief voor fossiele brandstoffen.

Dit zou kunnen gelden voor ‘klassieke’ hoogrendement, dure platina-katalysatoren, mogelijk in combinatie met de nikkellepels.

Het zou ook mogelijk kunnen zijn om dit toe te passen op andere recent ontdekte kosteneffectieve elektrolysecatalysatoren, zoals ruthenium, silicium en wolfraam (RuSiW), die we bespraken in ons artikel “Groene waterstof zal grijze waterstof vervangen nu nieuwe elektrocatalsatoren de productiekosten rendabel maken“.

Betere waterstofleveringsketen

Elektrolyse is bovendien slechts één van de stappen die kan worden verbeterd om waterstof tot een hoeksteen van onze energiesystemen te maken.

Bijvoorbeeld, betere brandstofcellen zouden waterstofvoertuigen sterke concurrenten van elektrische auto’s kunnen maken, iets wat we bespraken in ons artikel “Zijn batterijen slechts een voorloper van waterstofbrandstofcellen? De echte volgende generatie EV’s?“.

En efficiëntere grootschalige opslagsystemen kunnen waterstof veel gemakkelijker te hanteren en distribueren maken, iets wat we bespraken in ons artikel “Waterstof is net aantrekkelijker geworden als energiebron dankzij doorbraak in opsluiting“.

Potentiële andere toepassingen

Het gebruik van schuine nanorods om super-aerofobiciteit te creëren, kan toepassingen hebben buiten waterstof.

Het eerste effect is dat goedkope en efficiënte waterstofproductie even efficiënte ammoniakproductie met zich meebrengt. Ammoniak heeft enkele belangrijke voordelen ten opzichte van waterstof voor toepassingen zoals brandstof voor scheepvaart, iets wat we bespraken in “Decarbonisatie van wereldwijde scheepvaartroutes via groene ammoniak“.

Professor Jong Kyu Kim vermeldde ook dat nanorodtechnologie andere chemische processen met gas kan ten goede komen.

“Door de efficiëntie van het waterelektrolyseproces voor groene waterstofproductie te verbeteren, bewegen we ons naar een waterstofeconomie en een koolstofneutrale samenleving.

Deze doorbraak komt waterelektrolyse ten goede en biedt perspectief voor diverse andere hernieuwbare energie-toepassingen waarbij oppervlakte‑reacties een cruciale rol spelen, zoals kooldioxide‑reductie en systemen voor licht‑energieconversie.”

Bedrijven voor waterstofoplossingen

1. Aker Horizons ASA

De ontdekking hoe nikkelnanorods te gebruiken is slechts de nieuwste in een reeks innovaties die de vooruitzichten van waterstof als alternatieve brandstof en energieopslagoplossing verbeteren. Het kan daarom lonend zijn om een gediversifieerde blootstelling aan alle fasen van de waterstofleveringsketen te hebben.

Aker Horizons is een dochteronderneming van de Aker-groep, die zich richt op groene energie. De Aker-groep is een belangrijke Noorse conglomeratie die zich richt op hernieuwbare energie en maritieme/offshore bedrijven. Aker Horizons 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, vooral in Noorwegen.

Aker Horizons kan de volledige verticale integratie van groene waterstof & 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 ammoniak & scheepvaart, maar ook andere groene energieën, en enige geografische diversificatie.

2.  Ballard Power Systems Inc.

We weten nog niet zeker wat de belangrijkste markt voor waterstof zal zijn. Het kan gaan om energieopwekking en autobrandstof, maar het kan ook beperkt blijven tot zwaardere taken die moeilijk te elektrificeren zijn.

Ballard is een fabrikant van brandstofcellen en een pionier in de technologie met zijn 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 het bedrijf vormen, verwacht het bedrijf dat tegen 2025 vrachtwagens een belangrijk zakelijk segment zullen zijn. Het verwacht ook dat Europa zijn belangrijkste markt blijft (50‑60 %), gevolgd door Noord‑America (25 %).

Brandstofcellen voor vrachtwagens worden verwacht te blijven groeien en vertegenwoordigen een markt van $7,5 mrd in 2030 (van een totale adresserbare markt van $195 mrd), bijna zo groot als alle andere waterstof‑/brandstofceltoepassingen samen.

Deze groei zou kunnen versnellen als de productiekosten van waterstof dalen dankzij nieuwe technologieën zoals verbeterde en goedkopere elektrolyse.

Bron: Ballard

Vanwege het hogere vermogen dat vereist is en de behoefte aan snelle oplading, zijn zware voertuigen een goede markt voor waterstof en brandstofcellen vergeleken met lichtere voertuigen zoals auto’s. Het vermindert ook de noodzaak voor bovenleiding voor spoor en trolleybussen.

Bron: Ballard

Het bedrijf is ook niet onbekend met ammoniak, bijvoorbeeld met een recent contract  met Amogy om brandstofcellen te leveren voor hun “ammoniak-naar-energie platform dat vertrouwt op unieke ammoniak‑splijtingstechnologie”.

Hoewel elektrische voertuigen een redelijke kans hebben om de automarkt snel over te nemen, zijn zwaardere voertuigen moeilijker te decarboniseren.

Met zijn gevestigde leiderschap in de sector zou Ballard een belangrijke begunstigde zijn van een beleidsduw naar een waterstofeconomie, evenals van de snel dalende productiekosten van waterstof door nikkel‑gebaseerde elektrolyse.