Energi
Generering av hydrogen ved å splitte vann med innebygd skrapmetall
Hydrogen- og elektrolysekostnader
Hydrogen er et lovende drivstoff for en grønn økonomi, fra transport til energilagring, og kan være det eneste realistiske karbonfrie alternativet for mange industrier som shipping og luftfart.
En viktig faktor som har holdt tilbake fremveksten av hydrogenøkonomien er kostnadene, spesielt kostnadene ved hydrogenproduksjon.
Grønt hydrogen (fra fornybar energi) produseres hovedsakelig gjennom elektrolyse, som krever mye energi og katalysatorer. Slike katalysatorer er ofte dyre, og baserer seg i de fleste tilfeller på metaller som platina. Jo mer platina som brukes, desto dyrere blir elektrolyseanlegget.
Metaller som platina er ikke bare dyre, men også ekstremt sjeldne og ville være i kortsiktig mangel dersom hydrogen ble masseadoptert som energikilde.
Derfor var det viktige nyheter at forskere kunngjorde en drastisk reduksjon i katalysatorbehovet for elektrolyse.
“Vi er i stand til å produsere hydrogen fra vann ved å bruke kun en tiendedel av platina sammenlignet med dagens kommersielle katalysatorer.” – Dr. Madasamy Thangamuthu, postdoktorforsker ved University of Nottingham.
Billig elektrolyse med skrapmetall (swarf)
Denne oppdagelsen ble gjort av forskere ved University of Nottingham, Storbritannia, og publisert i Journal of Material Chemistry, under tittelen “Fra skrapmetall til svært effektive elektroder: utnyttelse av den nanotexturerte overflaten av swarf for effektiv bruk av Pt og Co i hydrogenproduksjon”.
De første funnene kom fra analyse av swarf på nanoskalering. Swarf er skrapmetallspiraler som genereres som avfall ved maskinering av metall som rustfritt stål, titan eller nikkellegering. Kun i Storbritannia genererer industrien millioner av tonn metallavfall hvert år.
Kilde: Nottingham University
Da de analyserte disse swarfene med et elektronmikroskop, oppdaget forskerne at de langt fra jevne, hadde disse metallavfallsproduktene spor og rygg som bare var noen titalls nanometer brede.
Disse svært komplekse strukturene og de enorme kontaktflatene ville være ideelle substrater for elektrokatalysatorer som brukes i elektrolyse for hydrogenproduksjon.
Magnetisk platinastråling på swarf
For å tilføre platinaatomer til swarf, brukte forskerne en teknikk kalt magnetron sputtering. Dette er en teknikk som brukes i produksjon av halvledere for å avsette et ultratynt metallfilm, takket være kraftige magnetfelt.
Kilde: Korvus Tech
Denne metoden “regner” platinaatomer på swarf, og avsetter dem i de nanometerstore sporene og ryggene.
“Ved å spre kun 28 mikrogram av det verdifulle metallet over 1 cm² av swarf, klarte vi å lage en laboratorisk elektrolyseanlegg som opererer med 100 % effektivitet og produserer 0,5 liter hydrogengass per minutt fra kun ett stykke swarf.” – Dr. Madasamy Thangamuthu, postdoktorforsker ved University of Nottingham.
Denne metoden muliggjorde skapelsen av to typer hydrogenproduserende elektrokatalysatorer:
- Titanium swarf med platinaatomer som katalysator, for hydrogenutviklingsreaksjon(HES).
- Nickel swarf med koboltatomer som katalysator, for oksygenutviklingsreaksjon(OER)
Nottingham-forskerne samarbeider nå med selskapet AqSorption for å skalere opp teknologien.
Sammenføring av hydrogeninnovasjoner
Nye katalysatorparadigmer
Oppbyggingen av hydrogenøkonomien vil kreve at hvert trinn i hydrogenproduksjons- og distribusjonskjeden blir så effektiv som mulig.
Inntil nylig gjorde sjeldenheten og de høye kostnadene ved platina- og koboltbaserte katalysatorer det nødvendig å finne alternative katalysatorer. For eksempel diskuterte vi muligheten for å bruke nikkel-nanorør i “Hydrogenproduksjonsfremskritt med nikkelbasert elektrolyse” og alternative katalysatorer som rutenium, silisium og wolfram (RuSiW) i “Grønt hydrogen vil erstatte grått ettersom nye elektrokatalysatorer gjør produksjonen kostnadseffektiv“.
Oppdagelsen av bruk av swarf kan fjerne behovet for slike nye katalysatorer.
Kanskje disse innovasjonene kan kombineres for å skape enda mer effektive nye typer katalysatorer. Alternativt, nå som mengden platina som kreves kan reduseres ti ganger, kan bruk av platina-nanorør for å oppnå ultra-høy katalyseffektivitet være et alternativ.
Hydrogen-teknologi forbedring & ammoniakk
Dette vil sannsynligvis kombineres med andre innovasjoner, som mer effektiv lagring av hydrogen som diskutert i “Hydrogen ble nettopp mer attraktivt som energikilde gjennom gjennombrudd i innkapsling“. Effektiv konvertering av hydrogen til kraft som diskutert i “Er battericeller bare en forløper til hydrogenbrenselceller? Den virkelige neste generasjonen av elbiler?“.
Til slutt kan den høy-effektive, lavkostnads hydrogenelektrolysen, lagringen og bruken kombineres med massiv bruk av ammoniakk som drivstoff, transport- og langtidslagringsform for hydrogen, som diskutert i “Avkarbonisering av globale skipsruter gjennom grønn ammoniakk” og “Ammoniakkproduksjon er svært skadelig for miljøet – ingeniører har nettopp utviklet en renere metode“.
Selskaper med fokus på hydrogen
1. Sibanye Stillwater
(SBSW )
Bruken av swarf for hydrogenproduksjon kan dramatisk øke levedyktigheten av masseadopsjon av grønt hydrogen ved å gjøre platina-basert elektrolyse økonomisk levedyktig.
Dette kan gi en enorm oppsving for platina-markedet, som har vært under press de siste årene.
En viktig del av platinas underprestasjon skyldtes dens sterke avhengighet av etterspørselen etter katalysatorer i bensinbiler og lastebiler. Med verden som går mot elbiler, satte dette spørsmålstegn ved etterspørselen etter dette metallet.
Kilde: Sibanye Stillwater
Alternativt, hvis platina-basert elektrolyse ved bruk av skrapmetall fra luftfartsindustrien blir et sentrum for hydrogenøkonomien, er etterspørselen etter platina for de kommende tiårene sikret.
Sørafrikanske Sibanye Stillwater er en av verdens største produsenter av platina. Landet produserer 80 % av verdens platina, og Sibanye Stillwater står for en fjerdedel av denne produksjonen.
Kilde: Mining Technology
Den produserer også elementer i platina-gruppen som palladium, rhodium og ruthenium. Den diversifiserer nå for å gå inn i gull- og batterimetallmarkedene.
Kilde: Sibanye Stillwater
Platinamarkedet har blitt styrt av debatten om adopsjon av elbiler versus forbrenningsmotorer (ICE). Med rask innovasjon i bruk av hydrogen-elektrolyse med platina og andre elementer i platina-gruppen, kan dette endre seg.
Platina er også nødvendig i de fleste design av brenselceller som konverterer hydrogen til elektrisitet. Så samlet sett bør fremgangen innen hydrogen-teknologi, inkludert swarf-basert elektrolyse, men ikke bare det, komme til nytte for platina-fokuserte gruveeiere som Sibanye Stillwater.
2. Ballard Power Systems Inc.
(BLDP )
Ballard er en produsent av brenselceller, og en pioner innen teknologien med sin første brenselcellebuss produsert i 1993.
Selskapet fokuserer på tungtgående markeder: busser, lastebiler, tog/trikker, skip, gruvedrift/konstruksjon og kraft. Mens busser har vært kjernen i virksomheten, forventer selskapet at lastebiler innen 2025 vil bli en viktig forretningssegment. Det forventer også at Europa vil forbli hovedmarkedet (50‑60 %), etterfulgt av Nord-Amerika (25 %).
Brenselceller for lastebiltransport forventes å fortsette å vokse og representere et marked på 7,5 milliarder dollar i 2030 (fra et totalt adresserbart marked på 195 milliarder dollar), nesten like stort som alle andre hydrogen-/brenselcelleapplikasjoner kombinert. Denne veksten kan akselerere dersom prisene på hydrogenproduksjon faller takket være ny teknologi.
Kilde: Ballard
På grunn av det høyere kraftbehovet og behovet for rask lading, har tunge kjøretøy vært et godt marked for hydrogen og brenselceller sammenlignet med lettere kjøretøy som biler. Det reduserer også behovet for kontaktledninger for jernbane og trolleybusser, samt rask lading for langdistansetransport.
Kilde: Ballard
Selskapet er heller ikke ukjent med ammoniakk, med for eksempel en nylig kontrakt med Amogy for å levere brenselceller til deres «ammoniakk-til-strøm-plattform som baserer seg på unik ammoniakkspaltingsteknologi», en nylig kontrakt med Amogy.
Mens elbiler har en rimelig sjanse til raskt å ta over bilmarkedet, er tyngre kjøretøy vanskeligere å dekarbonisere. Med sin etablerte ledelse i sektoren vil Ballard være en primær mottaker av en politisk satsning mot en hydrogenøkonomi.
Hydrogenproduksjon blir raskt billigere takket være fremgang i katalysatorer som mekanisk reduserer kostnadene for drivstoff til hydrogen-drevne kjøretøy. Med stigende oljepriser på grunn av geopolitiske spenninger og økende CO₂-avgifter, kan dette tippe vektskålen til fordel for hydrogen, spesielt for kjøretøy som krever mye kraft og kjører mange kilometer (lastebiler, busser osv.).
