Generering av hydrogen ved å splitte vann med innbygget swarf

Hydrogen og elektrolysekostnader

Hydrogen er et løftende brennstoff for en grønn økonomi, fra transport til energilagring, og kan være det eneste realistiske karbonfrie alternativbrennstoffet for mange industrier som shipping og luftfart.

En viktig faktor som har hindret fremveksten av hydrogenøkonomien er kostnaden, spesielt kostnaden for hydrogenproduksjon.

Grønn hydrogen (fra fornybar energi) produseres hovedsakelig gjennom elektrolyse, som krever mye energi og katalysatorer. Slike katalysatorer tenderer å være dyre, og avhenger i de fleste tilfeller av metaller som platina. Jo mer platina som brukes, jo dyrere blir elektrolysen.

Ikke bare er metaller som platina dyre, men de er også ekstremt sjeldne og ville være i kort supply hvis hydrogen ble massadoptert som en energikilde.

Så, det var viktig nyhet at forskere annonserte en drastisk reduksjon i katalysatorbehovet for elektrolyse.

“Vi er i stand til å produsere hydrogen fra vann ved å bruke bare en tiendedel av mengden platina sammenlignet med kommersielle katalysatorer.” – Dr Madasamy Thangamuthu, postdoktor ved University of Nottingham.

Billig elektrolyse med swarf (skrapmetall)

Dette funnet ble gjort av forskere ved University of Nottingham, UK, og publisert i Journal of Material Chemistry, under tittelen “From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilization of Pt and Co for hydrogen production”.

De første funnene kom fra å analysere swarf på nanoskala. Swarf er skrapmetallspiraler generert som avfall når man bearbeider metaller som rustfritt stål, titan eller nikkellegering. Industrier i Storbritannia alene genererer millioner av tonn med metallavfall årlig.

Source: Nottingham University

Når disse swarfene ble analysert med en elektronmikroskop, oppdaget forskerne at de langt ifra var glatte, hadde disse metallavfallprodukterne groper og ribber som bare var noen titalls nanometer brede.

Disse svært komplekse strukturer og massive kontaktoverflater ville gjøre dem til ideelle substrater for elektrokatalysatorer brukt i elektrolyse for hydrogenproduksjon.

Source: Journal Of Material Chemistry

Magnetisk platina regn på swarf

For å legge til platinaatomer på swarf, brukte forskerne en teknikk kalt magnetron sputtering. Dette er en teknikk brukt i halvlederproduksjon for å deponere en ultra-tynn film av metall, takket være kraftige magnetfelt.

Source: Korvus Tech

Denne metoden “regn” platinaatomer over swarf, og deponerer dem i nanometersizede groper og ribber.

“Vi kan produsere hydrogen fra vann ved å bruke bare 28 mikrogram av det verdifulle metallet over 1 cm² av swarf, og skape en laboratorie-skala elektrolyse som opererer med 100% effektivitet og produserer 0,5 liter hydrogen gass per minutt bare fra ett enkelt stykke swarf.” – Dr Madasamy Thangamuthu, postdoktor ved University of Nottingham.

Denne metoden tillot skapingen av 2 typer hydrogen-genererende elektrokatalysatorer:

• Titan swarf med platinaatomer som katalysator, for hydrogenutviklingsreaksjon(HES).
• Nikkel swarf med kobleatomer som katalysator, for oxygenutviklingsreaksjon(OER)

Source: Journal Of Material Chemistry

Forskerne ved Nottingham arbeider nå med selskapet AqSorption for å skalerer opp teknologien.

Sammenføring av hydrogen-innovasjoner

Nye katalysatorparadigmer

Byggingen av hydrogenøkonomien vil kreve at hver enkelt del av hydrogenproduksjons- og distribusjonskjeden blir så effektiv som mulig.

Inntil nylig var det sjeldenheten og høye kostnaden til platina- og koblebaserte katalysatorer som gjorde det nødvendig å oppdage alternative katalysatorer. For eksempel diskuterte vi muligheten til å bruke nikkelnanostenger i “Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” og alternative katalysatorer som ruthenium, silisium og wolfram (RuSiW) i “Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost-Effective”.

Oppdagelsen av å bruke swarf kunne fjerne behovet for slike nye katalysatorer.

Kanskje disse innovasjonene kunne kombineres for å skape enda mer effektive nye typer katalysatorer. Alternativt, nå som platina mengden kan reduseres 10 ganger, å bruke nanostenger av platina for å nå ultra-høye nivåer av katalyseffektivitet kunne være et alternativ.

Hydrogenteknologi forbedring & ammoniakk

Dette vil sannsynligvis kombineres med andre innovasjoner, som mer effektiv lagring av hydrogen, som diskutert i “Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough“. Effektiv konvertering av hydrogen til kraft, som diskutert i “Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next-Gen of EVs?“.

Til slutt, høyeffektiv, lavkostnad hydrogen-elektrolyse, lagring og utnyttelse kunne kombineres med massiv bruk av ammoniakk som brennstoff, transport og langtidslagring av hydrogen, som diskutert i “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia” og “Ammonia Production is Hugely Detrimental to the Environment – Engineers Have Just Developed a Cleaner Method”.

Hydrogen-fokuserte selskaper

1. Sibanye Stillwater

Bruken av swarf til hydrogenproduksjon kunne dramatisk øke muligheten for massiv adopsjon av grønn hydrogen ved å gjøre platina-basert elektrolyse økonomisk viable.

Dette kunne være en massiv boost til platina-markedet, som har vært under press i de siste årene.

En viktig del av under-ytelsen av platina var på grunn av dens sterke avhengighet av etterspørsel etter katalytiske konvertere i biler og lastebiler. Med verden som går mot EV, var dette satt spørsmål ved muligheten for etterspørsel etter dette metallet.

Source: Sibanye Stillwater

Alternativt, hvis platina-basert elektrolyse med skrapmetall fra luftfartsindustrien blir et sentrum for hydrogenøkonomien, er platina-etterspørselen for de kommende tiårene sikret.

Sør-Afrikanske Sibanye Stillwater er en av de største platina-produsentene i verden. Landet produserer 80% av verdens platina, og Sibanye Stillwater er ansvarlig for en fjerdedel av denne produksjonen.

Source: Mining Technology

Det er også en produsent av platina-metallgruppelementer som palladium, rhodium og ruthenium. Det diversifiserer nå for å gå inn i gull- og batterimarkeder.

Source: Sibanye Stillwater

Platina-markedet har vært kontrollert av diskusjonen over adopsjonen av EV mot ICE (Intern Combustion Engine). Med rask innovasjon i bruken av hydrogen-elektrolyse av platina og andre platina-metallgruppelementer, kan dette endre seg.

Platina er også nødvendig i de fleste designene av brenselceller som konverterer hydrogen til elektrisitet. Så totalt, fremgangen i hydrogen-teknologi, inkludert swarf-basert elektrolyse, men ikke bare, burde være til fordel for platina-fokuserte gruve-selskaper som Sibanye Stillwater.

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard er en produsent av brenselceller, og en pioner i teknologien med sin første brenselcelle-buss produsert i 1993.

Selskapet fokuserer på tungvekt-markeder: busser, lastebiler, tog/tram, skip, gruver og kraft. Mens busser har vært kjernevirksomheten, forventer selskapet at lastebiler vil være en stor forretningssektor i 2025. Det forventer også at Europa vil forbli hovedmarkedet (50-60%), fulgt av Nord-Amerika (25%).

Lastebil-brenselceller forventes å fortsette å vokse og representere en marked på 7,5 milliarder dollar i 2030 (fra et marked på 195 milliarder dollar), nesten like stor som alle andre hydrogen/brenselcelle-applikasjoner kombinert. Dette veksten kunne akselerere hvis hydrogenproduksjonspriser synker takket være nye teknologier.

Source: Ballard

Fordi tungvekt-kjøretøy krever mer kraft og raskere lading, har de vært et godt marked for hydrogen og brenselceller over lettere kjøretøy som biler. Det reduserer også behovet for catenary-ledning for jernbane og trikk, og rask lading for langdistanse-frakt.

Source: Ballard

Selskapet er ikke fremmed for ammoniakk heller, med for eksempel en nylig kontrakt med Amogy for å levere det med brenselceller for sin “ammoniakk-til-kraft-plattform som avhenger av unik ammoniakk-knusingsteknologi”.

Mens EV har en rimelig sjanse til å raskt ta over bil-markeder, er tungvekt-kjøretøy harder å dekarbonisere. Med sin etablerte ledelse i sektoren, ville Ballard være en primær beneficiary av en politisk fremme mot en hydrogen-økonomi.

Hydrogenproduksjon blir raskt billigere takket være fremgang i katalysatorer, mekanisk reduksjon av kostnaden til drivstoff for hydrogen-drevne kjøretøy. Med oljepriser som stiger på grunn av geopolitiske spenninger og økende karbon-skatter, kan dette tippe skålen i favør av hydrogen, spesielt for kjøretøy som krever mye kraft og kjører lange avstander (lastebiler, busser osv.).