Efficiënte waterstofproductie ontgrendelen voor schone energie

De voortdurende groei van de wereldbevolking en economie heeft geleid tot een aanzienlijke stijging van de energievraag, waarvan ongeveer 80% wordt gedekt door fossiele brandstoffen. Deze bronnen nemen niet alleen dramatisch af, maar zijn ook verantwoordelijk voor een aanzienlijke toename van broeikasgassen (GHG) in het milieu.

Als gevolg hiervan is er nu een groeiende focus op hernieuwbare energiebronnen, zoals de zon, wind, water, organisch materiaal en de aardwarmte.

Afkomstig van natuurlijke bronnen die zichzelf aanvullen, zijn hernieuwbare energiebronnen belangrijk voor schone en duurzame energiesystemen. Ze staan echter voor talrijke uitdagingen, waaronder onregelmatige beschikbaarheid, hoge initiële kosten, geografische beperkingen en uitgebreide ruimtevereisten. 

Dit is waar waterstof in beeld komt. De wereldwijde vraag naar waterstof steeg tot 97 million tonnes (Mt) in 2023, een stijging van 2,5% ten opzichte van het voorgaande jaar. 

De rol van waterstof in de transitie naar schone energie

Het lichtste element in het universum, waterstof, is naar voren gekomen als een veelbelovende oplossing voor het bereiken van een duurzamer energie‑ecosysteem vanwege zijn flexibiliteit en het vermogen om een aanzienlijke hoeveelheid energie op te slaan ten opzichte van zijn gewicht.

Het is geen primaire bron zoals de zon, maar een secundaire, aangezien het moet worden geproduceerd uit andere grondstoffen zoals water, aardgas of biomassa.

Wanneer waterstof wordt geproduceerd met fossiele brandstoffen zoals aardgas (de momenteel meest voorkomende methode), is waterstof geen schone energie, omdat het bijdraagt aan aanzienlijke jaarlijkse CO₂‑emissies.

Echter, wanneer waterstof in een brandstofcel wordt gebruikt, produceert het alleen waterdamp als bijproduct, waardoor het een schone brandstof is.

Als een veelzijdige energiedrager kan waterstof helpen verschillende kritieke energie‑uitdagingen aan te pakken. Het kan de integratie van hernieuwbare energie in het elektriciteitssysteem ondersteunen door energie weken of zelfs maanden op te slaan.

Waterstof met lage emissies, geproduceerd met kern‑ of hernieuwbare energie, of fossiele brandstoffen met koolstofafvang, kan ondertussen een reeks sectoren decarboniseren. Zware industrie en langeafstandstransport, waar emissiereductie bijzonder uitdagend is, kunnen er sterk van profiteren. Deze waterstofproductie speelt echter nog een marginale rol, met minder dan 1% in 2023.

Waterstof kan eigenlijk worden afgeleid uit verschillende technologieën. Een van de meest efficiënte methoden voor het produceren van duurzame waterstof is via waterelektrolyse. Bij deze energie‑intensieve elektrolyse wordt elektriciteit gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De technologie is goed ontwikkeld en commercieel beschikbaar, hoewel de geschatte energie‑efficiëntie rond de 52% ligt.

Een andere benadering is plasmolyse, die een energieopbrengst heeft getoond die gelijk is aan elektrolyse, met het extra voordeel van verminderd energieverbruik, lagere hoofdprijs en kleinere apparatuur. Recente ontwikkelingen in microfluidica en micro‑plasmas hebben waterstofproductie door waterdampplasmolyse rendabel gemaakt qua energie‑efficiëntie.

Andere manieren om waterstof voor elektriciteit af te leiden omvatten fotokatalyse, biowaterstof en thermochemische processen.

Swipe to scroll →

Hoewel waterstoftechnologie veelbelovend is, ondervindt het grootschalige gebruik nog steeds moeilijkheden op het gebied van productiekosten, efficiëntie en algehele milieuduurzaamheid. Gezien de behoefte aan schonere energiebronnen, zoeken onderzoekers wereldwijd echter voortdurend naar oplossingen voor deze problemen met nieuwe materialen en betere technologie.

Catalysatorinnovaties die waterstofefficiëntie stimuleren

Naarmate waterstoftechnologieën van concept naar commercialisatie evolueren, is een van de belangrijkste uitdagingen de materialen die deze systemen efficiënt en schaalbaar maken. Om dit aan te pakken, werken wetenschappers aan verschillende benaderingen.

Bijvoorbeeld, een studie van het hoofdkantoor van de Chinese Academie voor Wetenschappen, gepubliceerd¹ deze maand in Nature, introduceerde een klein ijzerkatalysator als alternatief voor platina in proton‑uitwisselingsmembraan brandstofcellen (PEMFC’s), met het potentieel om de toekomst van schone energie te transformeren.

PEMFC’s zijn schone energieapparaten die elektriciteit produceren uit waterstof en zuurstof, waarbij water het enige bijproduct is. Maar ze zijn sterk afhankelijk van schaars en duur platina als katalysator. Dus, om hun grootschalige adoptie te ondersteunen, hebben de onderzoekers een hoogwaardig ijzergebaseerd katalysator ontwikkeld voor deze brandstofcellen.

Met zijn slimme “inner activation, outer protection”-ontwerp kan de nieuwe katalysator uitstekende prestaties leveren terwijl schadelijke bijproducten worden verminderd.

Hoewel Fe/N–C‑katalysatoren tot de meest veelbelovende alternatieven voor katalysatoren van de platina‑groep behoren, kunnen hun activiteit en duurzaamheid niet voldoen aan de prestatiecriteria. Daarom heeft het team een nieuw type Fe/N–C‑katalysator ontworpen en ontwikkeld, bestaande uit talrijke nanoprotrusies verdeeld over 2D‑koolstoflagen met enkele Fe‑atoomsites ingebed in het binnenste gebogen oppervlak van de nanoprotrusies.

Als gevolg hiervan kon de nieuwe katalysator een van de best presterende platina‑groep metaalvrije PEMFC‑prestaties leveren, met een activiteitretentie van 86% zelfs na meer dan 300 uur continue werking.

Een andere sleuteltechnologie om waterstof op een klimaatneutrale manier te produceren via waterelektrolyse is Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEM‑WE).

Om de gewenste reactie te versnellen, worden elektroden gecoat met speciale elektrokatalysatoren. Voor de anode worden vaak iridiumgebaseerde katalysatoren gebruikt, vooral voor de zure zuurstofontwikkelingsreactie (OER).

OER is de zuurstofproducerende stap van het water‑splitproces die schone waterstofenergie genereert, maar het blijft een uitdaging en inefficiënt. Deze reactie is het meest effectief wanneer iridiumgebaseerde katalysatoren worden ingezet.

Ontdekt in 1803, komt iridium niet in pure vorm in de natuur voor, maar wordt commercieel teruggewonnen als bijproduct van de productie van platina, palladium, nikkel of koper. 

Iridium is een dicht, hard metaal dat onverminderd blijft door lucht, water en zuren. Vanwege deze eigenschappen wordt het gebruikt in bougies, wetenschappelijke apparatuur, katalysatoren, geleidende inkt voor elektronica en kankerbehandeling.

Het metaal wordt zelden in pure vorm gebruikt vanwege moeilijkheden bij de voorbereiding en fabricage; eerder wordt het gebruikt in de vorm van platina‑alloys.

Iridium (Ir) is echter een waardevol metaal en een van de zeldzaamste natuurlijke elementen in de aardkorst. Iridiumhoudende ertsen worden gevonden in Zuid‑Afrika, de Verenigde Staten (Alaska), Brazilië, Rusland, Myanmar en Australië.

De schaarste, gecombineerd met de hoge vraag vanuit industrieën zoals elektronica, maakt het zeer duur. Iridium is eigenlijk waardevoller dan goud, met een kostprijs van bijna $5.000 per ounce.

Dus, het is logisch dat wetenschappers voortdurend op zoek zijn naar nieuwe metalen om iridium te vervangen om de grootschalige adoptie van PEMWEs te ondersteunen. De ontdekking van niet‑Ir‑alternatieven is echter niet eenvoudig en blijft traag vanwege de enorme ontwerpruimte.

Een paar maanden geleden beschreef een studie van het Advanced Institute for Materials Research (AIMR) aan de Tohoku Universiteit een nieuw poreus kristalkatalysator als een efficiënte en duurzame oplossing voor schone waterstofproductie via waterelektrolyse. 

Het materiaal in deze studie is mesoporoos enkelkristallijn Co3O4 gedopeerd met atomisch verspreid iridium voor de zure OER.

De mesoporoze spinelstructuur speelt een sleutelrol, omdat het een hoge Ir‑belading (13,8 wt%) mogelijk maakt zonder de vorming van grote iridiumclusters. Naast het bieden van ruimte voor Ir‑belading, helpt de architectuur ook bij het creëren van een stabiele omgeving.

De katalysator behield zijn prestaties meer dan 100 uur met slechts 248 mV overpotentiaal (η₁₀).

In een andere recente studie hebben onderzoekers een “megalibrary” gecreëerd om de katalytische activiteit van miljoenen verschillende nanostructuren, samengesteld uit enkele sleutelmetalen, te verkennen, wat helpt bij het zoeken naar alternatieven voor Ir‑katalysatoren voor OER op schaal en snelheid.

Klik hier om te leren hoe niet‑edelmetaalkatalysatoren de weg vrijmaken voor betaalbare waterstof.

Snelle katalysatorontdekking met nanotechnologie

De nieuwste studie³ heeft daadwerkelijk een nieuwe katalysator voor waterstofbrandstofproductie gevonden die zowel kost‑ als energie‑efficiënt is.

Gepubliceerd deze maand in het Journal of the American Chemical Society (JACS), werd de ontdekking van de katalysator gedaan met behulp van een nieuwe nanopartikel‑megalibrary, en deze evenaart of overtreft de prestaties van iridium in waterstofbrandstofproductie, tegen een fractie van de kosten.

Al lange tijd zoeken onderzoekers naar alternatieven voor iridium. Maar wat decennia duurde, werd nu ontdekt binnen één enkele middag met het krachtige nieuwe hulpmiddel ontwikkeld door wetenschappers van Northwestern University.

Dit nieuw uitgevonden hulpmiddel wordt een megalibrary genoemd, ‘s werelds eerste nanomateriaal “datafabriek”. Elke van deze bibliotheken bevat miljoenen verschillende nanodeeltjes op één klein chip.

De technologie werd vervolgens, in samenwerking met onderzoekers van het Toyota Research Institute (TRI), gebruikt om commercieel relevante katalysatoren voor waterstofproductie te vinden. Het materiaal werd daarna opgeschaald, en getoond dat het werkt binnen een apparaat. Dit alles werd in recordtijd gedaan.

Om nieuwe katalysatoren te ontdekken, gebruikten de onderzoekers vier goedkope, overvloedige metalen, die allemaal bekend staan om hun katalytische prestaties. Deze metalen zijn:

1. Cobalt (CO)
2. Chromium (CR)
3. Manganese (MN)
4. Ruthenium (Ru)

De megalibrary werd vervolgens gebruikt om snel enorme combinaties van deze metalen te screenen om een nieuw materiaal te vinden waarvan de prestaties kunnen overeenkomen met die van iridium.

Het team vond inderdaad zo’n nieuw materiaal dat vergelijkbaar was met commerciële op iridium gebaseerde materialen in laboratoriumprestaties. In sommige gevallen overtroffen de prestaties zelfs die van de commerciële materialen tegen een fractie van de kosten.

Deze ontdekking zou potentieel groene waterstof betaalbaar kunnen maken.

Bovendien toont het nieuwe materiaal de effectiviteit van de megalibrary‑benadering, die de manier waarop onderzoekers nieuwe materialen voor diverse toepassingen ontdekken, kan veranderen.

Volgens seniorstudie‑auteur Chad A. Mirkin, die de megalibrary‑platform heeft uitgevonden en die ongeveer een decennium geleden in 2016 heeft geïntroduceerd:

“We hebben naar mijn mening ‘s werelds krachtigste synthese‑tool ontketend, die het mogelijk maakt om de enorme hoeveelheid combinaties die beschikbaar zijn voor chemici en materiaalkundigen te doorzoeken om materialen te vinden die ertoe doen.”

In het megalibrary‑project heeft het team die capaciteit gericht op een groot probleem in de energiesector.

“Hoe vinden we een materiaal dat net zo goed is als iridium, maar overvloediger, beter beschikbaar en veel goedkoper? Deze nieuwe tool stelde ons in staat om snel een veelbelovend alternatief te vinden.”

Mirkin is professor scheikunde aan Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences en professor chemische en biologische techniek, biomedische techniek, en materiaalkunde en -techniek aan de McCormick School of Engineering.

Groene waterstof is een cruciale behoefte van de wereld, maar het wordt beperkt door de afhankelijkheid van een van de zeldzaamste materialen om te functioneren.

“Er is niet genoeg iridium in de wereld om aan al onze verwachte behoeften te voldoen.”

– Ted Sargent, professor scheikunde aan Weinberg en professor elektrotechniek en computertechniek aan McCormick

Sargent en Mirkin werkten samen aan het project.

“Als we nadenken over het splitsen van water om alternatieve vormen van energie te genereren, is er simpelweg niet genoeg iridium beschikbaar.”

– Sargent

Het ontdekken van nieuwe kandidaten om dit metaal te vervangen was de perfecte toepassing voor het nieuwe hulpmiddel, dat het trage en ontmoedigende traditionele proces van materiaalkunde kan revolutioneren. In tegenstelling tot de traditionele trial‑and‑error‑methode, stellen de nieuwe megalibraries de snelle identificatie van optimale samenstellingen mogelijk.

Elke megalibrary is gecreëerd met een groep van honderdduizenden kleine, piramide‑vormige tips om individuele ‘dots’ op een oppervlak te printen. Elke dot bevat een zorgvuldig ontworpen mengsel van metaalzouten, die bij verhitting gereduceerd worden tot enkele, unieke nanodeeltjes, elk met een precieze grootte en samenstelling.

“Je kunt elke tip zien als een klein persoon in een klein laboratorium. In plaats van één klein persoon één structuur tegelijk te laten maken, heb je miljoenen mensen. Dus, je hebt in feite een heel leger van onderzoekers op een chip.”

In totaal had de chip 156 miljoen deeltjes, elk gevormd uit verschillende combinaties van Co, Cr, Mn en Ru. Een robotscanner analyseerde vervolgens hoe goed ze een zuurstofontwikkelingsreactie (OER) kunnen uitvoeren.

“Voor het eerst konden we niet alleen snel katalysatoren screenen, maar zagen we de beste goed presteren in een opgeschaalde omgeving.”

– Studie‑co‑auteur Joseph Montoya, senior staff research scientist bij TRI

Op basis van de beoordeling selecteerden de onderzoekers 40 best presterende kandidaten, variërend van lage tot hoge activiteit, voor verdere tests in het laboratorium. De RuCoMnCr‑oxiden werden opgeschaald tot milligramniveaus voordat hun katalytische prestaties werden bestudeerd.

Eén samenstelling viel uiteindelijk op. Deze precieze combinatie van alle vier metalen was: Ru52Co33Mn9Cr6‑oxide.

Dus kon het team een multi‑metaalkatalysator verkrijgen, die inderdaad bekend staat als actiever dan zijn enkel‑metaal tegenhangers.

“Onze katalysator heeft eigenlijk een iets hogere activiteit dan iridium en uitstekende stabiliteit,” zei Mirkin. “Dat is zeldzaam omdat ruthenium vaak minder stabiel is. Maar de andere elementen in de samenstelling stabiliseren ruthenium.”

De katalysator genereerde een spanning van 1,58 V bij 1 A/cm² en 1,77 V bij 3 A/cm².

Wat de langetermijnprestaties betreft, werkte deze nieuwe katalysator meer dan 1.000 uur met hoge efficiëntie en opmerkelijke stabiliteit in een agressieve zure omgeving, terwijl de kosten ongeveer één zestiende van iridium bedragen.

“Er is nog veel werk te doen om dit commercieel levensvatbaar te maken, maar het is zeer opwindend dat we zo snel veelbelovende katalysatoren kunnen identificeren – niet alleen op laboratoriumschaal maar ook voor apparaten.”

– Montoya

In het proces van het vinden van een nieuwe katalysator heeft het team enorme hoogwaardige materiaaldatasets gecreëerd, die de weg kunnen vrijmaken voor machine learning en AI om de volgende generatie nieuwe materialen te ontwerpen.

TRI, Northwestern en haar spin‑off Mattiq hebben al een algoritme ontwikkeld om de megalibraries razendsnel te doorzoeken.

Toch is dit nog maar het begin. Net als bij AI kan de megalibrary‑benadering zich uitbreiden voorbij versnelde katalysatorontdekking voor energieconversie om materiaalkunde te transformeren voor vrijwel elke technologie, zoals geavanceerde optische componenten, biomedische apparaten, batterijen en meer.

“We gaan op zoek naar allerlei materialen voor batterijen, fusie en meer,” zei Mirkin. “De wereld gebruikt niet de beste materialen voor haar behoeften. Mensen vonden de beste materialen op een bepaald moment, gegeven de beschikbare tools. Het probleem is dat we nu een enorme infrastructuur hebben gebouwd rond die materialen, en we zitten er vast aan. We willen dat omkeren. Het is tijd om echt de beste materialen voor elke behoefte te vinden – zonder compromissen.”

Investeren in de kracht van waterstof

Bloom Energy Corp (BE ) is actief in stationaire brandstofcel‑energieopwekking. Het levert twee commerciële producten: de Bloom Electrolyzer voor waterstofproductie en de Bloom Energy Server voor elektriciteitsopwekking.

Het bedrijf produceert waterstof met de grootste elektrolyzer ter wereld, die is geïnstalleerd bij NASA’s Ames Research Center, en genereert ongeveer 25% meer waterstof per megawatt dan commerciële elektrolyzers zoals PEM of alkalisch.

Tot nu toe heeft Bloom Energy 1,5 GW aan koolstofarme energie geïmplementeerd op meer dan 1.200 installaties wereldwijd.

Met een marktkapitalisatie van $12,38 billion worden BE‑aandelen verhandeld tegen $53,15, een stijging van 138,36% YTD. Recentelijk overschreden de aandelen $55 en bereikten nieuwe hoogtepunten dankzij toenemende interesse van hyperscalers en datacenters. Ook, in juli, behaalde het bedrijf een mijlpaalovereenkomst met Oracle (ORCL ) en hintte op meer dergelijke deals in de toekomst.

Het heeft een EPS (TTM) van 0,11 en een P/E (TTM) van 495,23.