Waterstof maken uit CeO₂? Gebruik gewoon een magnetron voor snelle resultaten

Fossiele brandstoffen schaden ons klimaat. Zoals we weten, beweegt de wereld zich snel richting hernieuwbare, duurzame, groene energiebronnen. In deze zoektocht naar klimaatvriendelijke brandstoffen is waterstof naar voren gekomen als een potentiële bron voor decarbonisatie.

Technologie heeft het mogelijk gemaakt om waterstof te produceren met nul of zeer weinig broeikasgasemissies. De belangstelling voor waterstof is zo groot dat het Amerikaanse ministerie van Energie nationale doelen heeft gesteld om de jaarlijkse productie van ‘schone waterstof’ te verhogen van bijna nul naar 10 miljoen metrische ton tegen 2030 en 50 miljoen metrische ton tegen 2050. 

Er is echter een kritieke knelpunt in het proces. Traditionele thermoelectrische methoden, die afhankelijk zijn van de oxidatie‑reductie van metaaloxiden, vereisen extreem hoge temperatuuroperaties. De temperatuur kan oplopen tot wel 1500 graden Celsius. 

Onlangs heeft een team van onderzoekers van POSTECH, Pohang University of Science and Technology, Korea, een manier gevonden om dit knelpunt te omzeilen.

Het proces maakt gebruik van een bekende maar onderbenutte energiebron: “microwave” energie. Ja! Je vergist je niet. Het is dezelfde bron die wordt gebruikt in huishoudelijke magnetronovens. Het onderzoek draagt de titel ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction¹‘. 

In het volgende segment bespreken we de implicaties van dit onderzoek. 

Een baanbrekende technologie die belangrijke beperkingen in de productie van schone waterstof met behulp van magnetrons aanpakt

Het team bestond uit interdisciplinaire onderzoekers die bij POTECH werkten en werd geleid door professor Gunsu S. Yun. Het omvatte doctoraatskandidaat Jaemin Yoo (Faculteit Natuurkunde, Divisie Geavanceerde Kernenergie), professor Hyungyu Jin, en doctoraatskandidaat Dongkyu Lee (Faculteit Werktuigbouwkunde). Erkend als een doorbraak in de zoektocht naar duurzame energie, werd het onderzoek getoond op de binnenste voorpagina van het Journal of Materials Chemistry A.

De onderzoekers begonnen met de veronderstelling dat, terwijl magnetrons voedsel efficiënt kunnen verwarmen, ze ook chemische reacties kunnen aandrijven. Ze pasten dit idee toe om de reductietemperatuur van Gd‑gedoopte ceria (CeO2) te verlagen. Gd‑gedoopte ceria (CeO2) is een referentiemateriaal voor waterstofproductie, en magnetronenergie kan de reductietemperatuur van dit materiaal met meer dan 60 procent verlagen – tot onder 600 graden Celsius. 

Magnetronenergie zou 75 procent van de thermische energie die nodig is voor de reactie kunnen vervangen. Deze bevinding is terecht een doorbraak voor duurzame waterstofproductie.

Terwijl hij uitlegt waarom het onderzoek en de bevindingen als revolutionair kunnen worden beschouwd, had professor Hyungyu Jin het volgende te zeggen:

“Dit onderzoek heeft het potentieel om de commerciële levensvatbaarheid van thermochemische waterstofproductietechnologieën te revolutioneren. Het zal ook de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe materialen die geoptimaliseerd zijn voor door magnetrons aangedreven chemische processen.”

Professor Gunsu Yun noemde de introductie van dit nieuwe mechanisme en het overwinnen van de bestaande procesbeperkingen ‘grote prestaties’ die alleen mogelijk waren dankzij de nauwe interdisciplinaire samenwerking van het onderzoeksteam. 

Een andere doorbraak die het team behaalde, was het creëren van zuurstofvacatures. Dit zijn structurele defecten in het materiaal die helpen water te splitsen in waterstof. Terwijl traditionele methoden uren kunnen duren bij zeer hoge temperaturen, toonde het POSTECH‑team aan hoe dezelfde resultaten in slechts enkele minuten bij temperaturen onder 600°C kunnen worden behaald door gebruik te maken van magnetrontechnologie.

Hoewel het POSTECH‑onderzoek een significante doorbraak bood, zijn er wereldwijd veel andere onderzoeksorganisaties actief in het ontwikkelen van innovatieve methoden voor de productie van schone waterstof. Een van de organisaties die vooroploopt in dergelijk onderzoek is het National Renewable Energy Laboratory, een nationaal laboratorium van het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, geëxploiteerd door de Alliance for Sustainable Energy LLC.

Klik hier om meer te leren over de doorbraak die waterstof aantrekkelijker maakte als energiebron.

Kosteneffectieve waterstofproductie: andere inspanningen

Ontwikkeld in samenwerking met Xcel Energy (XEL ), linkt NREL’s wind-naar-waterstof (Wind2H2) demonstratieproject windturbines en fotovoltaïsche (PV) arrays aan elektrolyzerstapels, die de opgewekte elektriciteit door water laten gaan om het te splitsen in waterstof en zuurstof. Het project is momenteel actief bij het National Wind Technology Center nabij Boulder, Colorado. Het overkoepelende doel van het project is de systeemefficiëntie van waterstofproductie uit hernieuwbare bronnen te verbeteren tot hoeveelheden die groot genoeg zijn en tegen kosten die laag genoeg zijn om te concurreren met traditionele energiebronnen zoals steenkool, olie en aardgas.

Een andere manier om schone waterstof te produceren is door zonlicht direct te gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De fotovoltaïsche industrie heeft al geavanceerde multijunctionceltechnologieën ontwikkeld voor foto‑elektrochemische (PEC) lichtopvangsystemen die voldoende spanning genereren om water te splitsen en stabiel zijn in een water/elektrolyt‑omgeving. NREL heeft zijn eigen PEC‑systeem ontwikkeld.

Het NREL‑systeem kan waterstof uit zonlicht genereren zonder de kosten en complexiteit van elektrolyzers, en behaalt een zonne‑naar‑waterstof conversie‑efficiëntie van 12,4% (lagere verwarmingswaarde) met behulp van opgevangen licht. Verder onderzoek bij NREL richt zich op het ontwikkelen van efficiëntere, goedkopere materialen en systemen die duurzaam en corrosiebestendig zijn in waterige omgevingen.

Klik hier om te leren wat waterstof de brandstof van de toekomst maakt.

Biologische waterstof 

Een andere opwindende route die NREL verkent, betreft ‘biologische waterstof.’ NREL‑wetenschappers ontwikkelen voorbehandelingsmethoden om lignocellulosebiomassa om te zetten in suikerrijke grondstoffen die direct gefermenteerd kunnen worden om waterstof, ethanol en hoogwaardige chemicaliën te produceren.

Daarnaast wordt er gewerkt aan het identificeren van een consortium van Clostridium dat direct hemicellulose kan fermenteren tot waterstof.

Andere onderzoeksgebieden binnen het domein van biologische waterstof omvatten het volgende:

• Bio‑prospectie van efficiënte cellulolytische microben, zoals Clostridium thermocellum, kan kristallijne cellulose direct fermenteren tot waterstof om de grondstofkosten te verlagen.
• Identificatie van een model cellulolytische bacterie.
• Verkennen van het potentieel van de model cellulolytische bacterie voor genetische manipulaties, inclusief gevoeligheid voor antibiotica en gemakkelijke genetische transformatie.
• Ontwikkelen van strategieën om mutanten te genereren die selectief geblokkeerd zijn voor de productie van afvalzuren en oplosmiddelen om de waterstofopbrengst te maximaliseren.

Terwijl organisaties, onderzoeksinstituten en laboratoria wereldwijd actief zijn, zijn ook particuliere bedrijven actief. 

1. Linde (LIN )

Een van de bedrijven die al jaren vooroploopt in de productie van schone waterstof is Linde. Het bedrijf beweert dat zijninnovatieve technologieën, inclusief de efficiënte compressie en veilige hervulling van waterstof, in combinatie met decennialange ervaring, hun infrastructuur ongeëvenaard maken. 

De activiteiten van het bedrijf, die gericht zijn op de productie van schone waterstof, omvatten verschillende methoden en strategieën. Elektrolyse voor de productie van groene waterstof omvat bijvoorbeeld elektrolyzers die worden aangedreven door hernieuwbare energie.

Bij elektrolyse wordt water gesplitst in waterstof en zuurstof met behulp van elektriciteit die volledig uit hernieuwbare energiebronnen wordt opgewekt. Dit proces vindt plaats in eenheden die elektrolyzers worden genoemd. Hoewel elektrolyzers variëren in grootte, capaciteit en technologie, blijft de fundamentele chemie hetzelfde.

Momenteel zijn er twee hoofd elektrolysetechnologieën: alkaline and PEM (Proton Exchange Membrane)—both of which, according to Linde, can produce high-purity hydrogen on-site and on demand.

 Alkalische elektrolyse gebruikt twee elektroden gescheiden door een poreuze diafragma en een vloeibare alkalische oplossing als elektrolyt. De elektrolytoplossing maakt het mogelijk dat hydroxide‑ionen tussen de elektroden worden getransporteerd om zuurstof en waterstof te vormen, maar ze worden niet verbruikt tijdens de reactie. De technologie kan betrouwbaar en toch kostenefficiënt zijn.

Aan de andere kant maakt PEM‑elektrolyse gebruik van zuiver water en een vaste polymeer‑elektrolyt in plaats van een vloeibare oplossing om elektriciteit het water te laten splitsen in waterstof en zuurstof. Waterstofprotonen passeren door het membraan en combineren met elektronen om H2‑gas aan de kathodeszijde te vormen.

Linde biedt ook effectieve Carbon Capture for Use and Storage (CCUS)-technologieën aan voor een reeks strategieën. Het heeft innovatieve leveringsoplossingen om waterstof in bestaande aardgaspijpleidingen te injecteren voor een breed scala aan eindtoepassingen. 

Linde voert zeer geavanceerde opslagoperaties voor waterstof uit, die wordt opgeslagen in ondergrondse zoutgrotten. Naast het feit dat Linde een ervaren partner is in de ontwikkeling van energieparken, heeft het al meer dan een decennium de eerste commerciële hoogzuivere waterstofgrot in bedrijf. Het heeft ook decennialange ervaring in het bouwen van waterstofliquefactiesystemen om vloeibare waterstof te produceren voor gemakkelijke opslag en transport. 

Volgens de laatste beschikbare financiële gegevens heeft Linde een omzet van US$8,356 miljard geregistreerd voor het kwartaal eindigend op 30 september 2024. 

2. Air Products (APD )

Een ander bedrijf dat aanzienlijk bijdraagt aan de productie van schone waterstof is Air Products. Het bedrijf gelooft dat schone waterstofproductie uit hernieuwbare energiebronnen essentieel zal zijn voor het decarboniseren van moeilijk te elektrificeren industriële processen zoals staalproductie en chemische verwerking.

Het bedrijf heeft al US$15 miljard toegezegd aan projecten die de productie van koolstofarme waterstof zullen bevorderen en de energietransitie zullen versnellen. 

De toepassingen van het bedrijf voor schone waterstof omvatten waterstoftankstations voor auto’s, bussen, heftrucks, schepen, treinen en vrachtwagens. Wegtransport is goed voor bijna 12% van de wereldwijde emissies. Het omzetten van dieselbussen naar emissievrije waterstof‑brandstofcelbussen kan de wereldwijde broeikasgasemissies verminderen en de luchtkwaliteit verbeteren. Air Products is een leider in het tanken van waterstofbussen en is betrokken bij projecten over de hele wereld. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), een joint venture voor gelijke productie van ACWA Power, Air Products en NEOM, zet ’s werelds grootste groene‑waterstof gebaseerde ammoniakproductiefaciliteit op die op hernieuwbare energie draait. Deze fabriek zal tot 600 ton per dag koolstofvrije waterstof produceren in de vorm van groen ammoniak als een kosteneffectieve oplossing voor transport‑ en industriesectoren wereldwijd.

Het nieuwe net‑zero waterstofenergiecomplex van Air Products is bedoeld om Edmonton, Alberta, het centrum van de waterstofeconomie van West‑Canada te maken. Terwijl de bouw in Edmonton vordert bij de transformerende nieuwe waterstoffaciliteit van Air Products, zal de aansluiting van deze faciliteit op het bestaande pijpleidingsnetwerk van het bedrijf haar raffinage‑ en petrochemische klanten helpen de koolstofintensiteit van hun energieproducten te verminderen en hun duurzaamheidsresultaten te verbeteren. Bovendien zal de toonaangevende liquefactie‑faciliteit helpen het gebruik van waterstof als emissievrij transportbrandstof in West‑Canada te versnellen. 

Het Louisiana Clean Energy Complex van Air Products zal koolstofarme waterstof produceren om mobiliteit en industriële markten in de Golfkustregio en daarbuiten van stroom te voorzien. De faciliteit wordt geschat 95% van haar kooldioxide‑emissies (meer dan 5 miljoen ton per jaar) te vangen en op te slaan, waarbij CO2 permanent wordt opgeslagen in ideale geologische porositeit in Louisiana. 

Dit project is de grootste Amerikaanse investering van Air Products, gebouwd met de intentie om de staat Louisiana te helpen haar broeikasgasemissies tegen 2050 op netto nul te brengen. 

Air Products plant ook ongeveer $500 miljoen te investeren in de bouw, het eigendom en de exploitatie van een faciliteit van 35 ton per dag om groene vloeibare waterstof te produceren op een groenveldlocatie in Massena, New York, samen met het opzetten van distributie‑ en tankoperaties voor vloeibare waterstof. Het project zal resulteren in het vermijden van 6 miljoen ton CO₂ gedurende de levensduur van het project. Het project zal waterkracht van de St. Lawrence‑rivier gebruiken om de productie van koolstofvrije vloeibare waterstof aan te drijven.

Voor het fiscale jaar dat eindigde op 30 september 2024, had het bedrijf een omzet van meer dan US$12 miljard geregistreerd.

Naar de toekomst met schone waterstof

Er is voldoende stimulans voor bedrijven en onderzoeksorganisaties om nieuwe manieren voor betrouwbare en kosteneffectieve waterstofproductie te blijven ontwikkelen. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft bijvoorbeeld in 2023 maar liefst zeven winnaars geselecteerd voor zijn collectieve financiering van US$7 miljard, toegekend via de Bipartisan Infrastructure Law, om een reeks “waterstofhubs” op te zetten en operationeel te maken.Om in aanmerking te komen, moest elke hub overtuigend aantonen dat ze ten minste 50–100 ton schone waterstof per dag kunnen produceren en de broeikasgasemissies kunnen verminderen.

De meest actieve deelnemers genoemd in de door DOE gekozen waterstofhubs omvatten onder andere AES Corporation (AES ), Air Liquide, Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), en (TRP ). 

Geavanceerde technologieën kunnen ook een rol spelen bij het verbeteren van de productie en distributie van waterstof. Het NREL voert bijvoorbeeld versnelde tests en cyclussen uit van 700 bar waterstofdistributieslangen in de Energy Systems Integration Facility met behulp van geautomatiseerde robotica om veldomstandigheden te simuleren. Hier bootsen de robots de repetitieve belasting na van een persoon die een slang buigt en draait om waterstof in de opslagtank van een brandstofcelvoertuig te leveren. Onderzoekers onderzoeken de mechanische, thermische en drukbelastingsefficiënties van nieuwe en gebruikte waterstofdistributieslangen.

Waterstof beleeft een opkomst, en de dynamiek kan alleen maar groeien. Volgens organisaties die de wereldwijde uitrol van waterstofprojecten volgen, werden er in 2022 alleen al 680 grootschalige waterstofproductieprojecten aangekondigd, met een waarde van $240 miljard aan directe investeringen. REL voert ook regelmatig systeemniveau‑analyses uit van verschillende duurzame waterstofproductie‑ en leveringsroutes om de statusverbeteringen te bepalen die voortkomen uit technologische vooruitgang, kosten als functie van productievolume, en het potentieel voor kostenreducties.

Er bestaat geen twijfel dat de waterstofinvesteringen tot 2030, terwijl private‑equity‑ en durfkapitaalfirma’s recordbedragen hebben geïnvesteerd in waterstofbedrijven in verschillende ontwikkelingsstadia in 2022, $3,1 miljard aan private‑equity naar waterstofgerelateerde bedrijven en $2,6 miljard aan durfkapitaal in 192 startups in de sector hebben gestoken.

Terwijl men sprak over het belang van deze dynamiek, zei Adria Wilson, directeur van het US Policy & Advocacy‑team van Breakthrough Energy: Recente beleidswinsten betekenen dat betaalbare, schone waterstof een decarbonisatietool zal zijn die we de komende decennium tot ons beschikking hebben, zo niet eerder.

Hoewel men grondig optimistisch is, moet men ook onthouden dat er nog een lange weg te gaan is. Volgens cijfers van het World Resources Institute wordt 95% van de waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen, meestal via een proces dat bekend staat als stoommethaanreforming (SMR), waarbij water bij hoge temperaturen wordt verhit om stoom te produceren dat reageert met aardgas en waterstof en kooldioxide (CO₂) oplevert. Het proces blijft aanzienlijk broeikasgasemissies veroorzaken, met uitstoot van tot wel 10 kilogram CO₂‑equivalent per kilogram waterstof (kg CO₂e/kg H₂) tot 14 kg CO₂e/kg H₂, een hoeveelheid vergelijkbaar met de koolstofemissies van het produceren en verbranden van een gallon benzine.

Productiemethoden voor schone waterstof zouden ons moeten helpen af te komen van dergelijke methoden. De transitie moet snel zijn, maar via duurzame methoden.

Klik hier voor een lijst van top clean energy‑aandelen met een focus op duurzaamheid.