Hydrogen har nettopp blitt mer attraktiv som energikilde gjennom gjennombrudd i lagring

Hydrogen, det letteste elementet i universet, er representert med symbolet H. Det har atomnummer 1 og er det mest forekommende elementet. Det er det enkleste kjemiske elementet, med kun ett proton og ett elektron, og er fargeløst, smakløst og luktløst. 

Interessant nok bidrar hydrogen med anslagsvis 75 % av universets masse. Det utgjør imidlertid bare omtrent 0,14 % av jordens skorpe etter vekt. Det forekommer naturlig i forbindelsesform med andre elementer i faste stoffer, væsker og gasser. Når det kombineres med oksygen, danner dette brennbare stoffet vann (H2O), og i kombinasjon med karbon danner det hydrokarbon, som finnes i petroleum og kull. Så kan hydrogen produseres fra en rekke ressurser, inkludert fornybar energi som sol og vind, kjernekraft og naturgass. 

Merkbart, flere oppdagelser har blitt gjort av naturlig dannende lommer med hydrogengass i land som Australia, New Zealand, Canada, Frankrike, Tyskland, Japan og Russland. For øyeblikket utforsker forskere omfanget av disse reservene i disse landene, samt deres opprinnelse og de potensielle effektene på omkringliggende miljøer dersom de utvinnes.

Hydrogen som energikilde

De mest vanlige metodene for å produsere hydrogendrevne brensel inkluderer termisk, elektrolyse, fotovoltaisk drevet elektrolyse, soldrevet og biologiske prosesser. 

Termisk

I den termiske prosessen reagerer damp med et hydrokarbonbrensel som diesel, naturgass, gassifisert kull eller gassifisert biomasse for å produsere H. Merkbart er at majoriteten (omtrent 95 %) av all hydrogen produseres fra dampreforming av naturgass. 

Elektrolyse

Elektrolyse innebærer derimot å skille vann i oksygen og hydrogen. Denne prosessen foregår i en elektrolyseapparat og produserer hydrogen fra vannmolekyler.

Biologisk

Biologiske prosesser utnytter mikrober som ikke kan sees med det blotte øye, som bakterier, for å produsere hydrogen. 

Sol

Den soldrevne prosessen, som navnet antyder, bruker lys for å reprodusere H på ulike måter som fotoelektrokjemisk (bruker spesialiserte halvledere for å skille vann i H og O), fotobiologisk (bruker den naturlige fotosyntetiske aktiviteten til bakterier og grønnalger) og soltermokjemisk (bruker konsentrert solenergi til å drive vannsplittingsreaksjoner).

I tillegg til alle sine egenskaper er hydrogen også et rent drivstoff, noe som betyr at det kun produserer vann, varme og elektrisitet når det brukes i en brenselcelle. Dette gjør det til et attraktivt alternativ for elektrisitetsproduksjon og transport, inkludert biler og raketter. Den energitette og lagringsbare substansen som ikke produserer klimagasser, ble faktisk brukt til å drive forbrenningsmotorer for mer enn to århundrer siden. 

Dette viser at hydrogen er et av de ledende alternativene for lagring av fornybar energi og brukes også i mange industrier. Imidlertid er dets sanne potensial ennå ikke realisert. For å oppnå dette må hydrogen produseres i stor skala på en økonomisk måte. I tillegg må den eksisterende infrastrukturen tilpasses hydrogen, selv om det kan transporteres gjennom gassrørledninger.

Selv om vi ennå ikke har utnyttet alle mulighetene ved å bruke hydrogen som drivstoff, har globale investeringer i forskning og utvikling for å utforske hydrogenens fulle potensial som energikilde økt gjennom årene. Et nylig studie har faktisk gjort et stort gjennombrudd på dette området, som muliggjør høy‑tetthetslagring av hydrogen for fremtidige energisystemer.

Rammeverk for lagring av tettpakket hydrogen

Publisert i tidsskriftet Nature Chemistry forrige måned, studien «Småporer hydridiske rammeverk lagrer tettpakket hydrogen», ble delvis finansiert av National Research (NRC ) Foundation of Korea (NRF) og German Research Foundation (DFG).

Mens nanoporous materialer har fått mye oppmerksomhet for gasslagring, bemerket studien at det fortsatt er en utfordring å oppnå høy volumetrisk lagringskapasitet. Derfor samlet flere forskere fra ulike universiteter seg for å løse dette problemet.

Michael Hirscher, fra Japans Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR) ved Tohoku University og Tysklands Max Planck Institute for Intelligent Systems, kom opp med de opprinnelige ideene og ledet prosjektet. Samtidig ledet Hyunchul Oh fra Sør‑Koreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) dette prosjektet.

Interessant nok viste at hydrogen kondenserer på en overflate ved svært lav temperatur nær H2‑kokepunktet. Denne prosessen danner et super‑tett monolag, som overgår tettheten til flytende hydrogen med 3‑ganger, og reduserer volumet til kun 5 liter per kilogram H2.

Nå undersøkte den aktuelle studien et magnesiumborohydrid‑rammeverk ved hjelp av nøytronpulverdiffraksjon, elastisk nøytronspredning, volumetrisk gassadsorpsjon og førsteprinsippsberegninger. Rammeverket har små porer og et delvis negativt ladet, ikke‑flat indre for opptak av hydrogen (H) og nitrogen (N).

Både nitrogen og hydrogen opptar merkbart forskjellige adsorpsjonssteder i porene. De har også svært ulike begrensningskapasiteter på 0,66 N2 og 2,33 H2 per Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, først oppdaget i 1950, er kjent som et høy‑kapasitets hydrogenlagringsmateriale som finnes både som krystallinske polymorfer med nanoporous MOF‑lignende strukturer og som svært tette polymorfer med ekstrem volumetrisk hydrogentetthet og høy gravimetrisk hydrogenkapasitet.

Så, når det gjelder molekylært hydrogen, er det pakket ekstremt tett, med en tetthet som er omtrent dobbelt så høy som flytende hydrogen.

Teamet brukte deretter nøytronpulverdiffraksjon (NPD) for å bestemme posisjonen til hydrogenatomene i strukturen sammen med molekylenes adsorpsjonssteder.

Studien bemerket at en penta-dihydrogen‑klynge (dihydrogen består av to hydrogenatomer bundet med en enkeltbinding) ble funnet der H2‑molekyler i én posisjon har rotasjonsfrihet. I kontrast har H2‑molekyler i en annen posisjon en veldefinert orientering og en retningsbestemt interaksjon med rammeverket. Dette viser at tettpakket hydrogen faktisk kan stabiliseres i småporøse materialer under normale atmosfæriske trykk.

Med denne oppdagelsen har teamet lykkes med å løse utfordringen med begrenset hydrogenlagringskapasitet ved å bruke avansert høy‑tetthets‑adsorpsjonsteknologi.

Denne banebrytende utviklingen ble rapportert av professor Oh ved Institutt for kjemi ved UNIST. Den innovative forskningen markerer et betydelig fremskritt for fremtidige energisystemer.

Muliggjøring av storskala hydrogenlagring

Når det gjelder bruk av hydrogen i transport, stasjonær kraft og bærbar kraft, spiller lagring en nøkkelrolle. Selv om elementet har den høyeste energien per masse, gir den lave tettheten ved romtemperatur en lavere energi per volum. Derfor er avanserte lagringsmetoder nødvendige for å oppnå høyere energitetthet.

For tiden fokuserer lagringsteknologien primært på molekylær hydrogenlagring i enten flytende eller gassform. Men selvfølgelig er det grenser for denne teknologien når det gjelder volumetrisk og gravimetrisk (hvor mye energi per gram eller kilogram som kan lagres) lagringstetthet.

Lagring av hydrogen som gass krever høytrykktanker, mens som væske kreves kryogen temperatur. Det kan også lagres på overflaten eller innen et fast stoff via absorpsjon.

Som molekyl kan hydrogen fysisk adsorberes i et materiale som inneholder porer (hullrom) ved svake van‑der‑Waals‑interaksjoner (som er relativt svake og ikke‑ioniske) gjennom fysisk adsorpsjon. Det refererer til en prosess hvor gassmolekyler fester seg til en solid overflate. Imidlertid, selv om svært porøse materialer gir høy gravimetrisk hydrogenopptak, trengs forbedringer i den volumetriske lagringskapasiteten.

Dette er hvor nanoporous kubisk magnesiumborohydrid, γ‑Mg(BH4)2, gir gode resultater. Det har en tetthet på ρ = 0,550 g cm⁻³ og 33 % fri porevolum. En porediameter på ∼9 Å gjør at denne forbindelsen kan adsorbere små molekyler som hydrogen eller nitrogen. Det er gjennom dette porøse hydridets delvis negativt ladede indre overflate at hydridatomer blir eksponert for porene.

Gjort mulig gjennom Mid‑Career Research Program fra NFR og Ministry of Science and ICT (MSIT), syntetiserte studien dette nanoporous komplekse hydridet som består av magnesiumkation (Mg⁺) og magnesiumhydrid, samt fast boronhydrid (BH4)2.

Det resulterende materialet gjør det mulig å lagre fem hydrogenmolekyler i en 3D‑arrangement, og oppnår bemerkelsesverdig høy‑tetthets hydrogenlagring. Det viser også en hydrogenlagringskapasitet på 144 g/L per porevolum, langt over tradisjonelle metoder. Imponerende er at tettheten av hydrogenmolekyler i materialet til og med overgår den i fast tilstand.

Professor Oh beskriver materialet som et «paradigmeskifte» innen hydrogenlagring, og sier det gir «et overbevisende alternativ til tradisjonelle tilnærminger».

Denne utviklingen forbedrer betydelig produktiviteten og den økonomiske effektiviteten ved å bruke hydrogen som energikilde. Den tar også tak i utfordringene med lagring av hydrogen i stor skala for bred bruk i offentlige og private transportapplikasjoner.

Selskaper som vil ha nytte av denne utviklingen 

Hvis vi snakker om bransjene som kan ha nytte av slik forskning, som transformerer hydrogenlagring, kommer en rekke sektorer i tankene, inkludert kjemisk, energi, bilindustri, ingeniørfag og bygg. La oss derfor se på noen av selskapene som kan dra nytte av dette: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Det japanske bilfirmaet har lovet å redusere sine CO₂‑utslipp og hevder å være ett av de første selskapene som fokuserer på potensialet til hydrogenenergi. 

For å oppnå disse målene har Honda Motor (HMC ) Company forsket på brenselcelleteknologi siden 1980‑tallet for en rekke anvendelser. 

Tidligere i år kunngjorde selskapet at de hadde startet produksjon av hydrogen‑brenselcelleløsninger i samarbeid med General Motors (GM ) (GM) for ulike produktapplikasjoner og det de kaller «begynnelsen på hydrogenæra». 

Med en markedsverdi på 64,85 milliarder dollar, handles selskapets aksjer til 36,93 dollar, opp 19,22 % år‑til‑dato (YTD). Honda Motor har rapportert inntekter (TTM) på 128,49 milliarder dollar og har en EPS (TTM) på 7,73 og P/E (TTM) på 4,77. Selskapet betaler også en utbytteavkastning på 2,77 %. 

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company er involvert i ulike sektorer, inkludert hydrokarboner og energi. Nylig inngikk de et partnerskap med Linde (NYSE: LIN) for å levere rent hydrogen og nitrogen til deres netto‑null karbonutslipps integrerte etylenkrakker og derivat‑anlegg i Canada. Avtalen ble fullført sent i fjor for det 6,5 milliarder dollar‑prosjektet. Som en del av avtalen vil de implementere Linde sin luftseparasjon og auto‑termisk reformerteknologi for å omdanne krakkens avløpsgass til hydrogen.

Med en markedsverdi på over 39,9 milliarder dollar, handles Dow Chemicals aksjer til 56,76 dollar, opp 3,5 % YTD. Dow Chemical har rapportert inntekter (TTM) på 44,62 milliarder dollar, en EPS (TTM) på 0,81 og en P/E (TTM) på 69,67. Selskapet betaler også en utbytteavkastning på 4,93 %. 

#3. McPhy Energy SA

Det franske selskapet utvikler løsninger for produksjon og lagring av hydrogen. I fjor utvidet McPhy sin kommersielle avtale med Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), der sistnevnte vil levere hydrogenrelaterte prosesser og utstyr for hydrogenkomprimering og hydrogenliquefisering. 

Nyligst vant det ledende elektrolyse‑teknologi‑ og produksjonsselskapet en kontrakt fra Sveriges AAK AB om å levere deres 800‑30 elektrolyseanlegg med en kapasitet på 4 MW og tilhørende reservedeler som gjør det mulig for det svenske selskapet å bruke lavkarbonhydrogen som prosessgass.

Med en markedsverdi på 47,18 milliarder, handles selskapets aksjer (MCPHY-FR: Euronext Paris) til EUR 1,69, ned 49,97 % YTD. Den har en EPS (TTM) på -0,69 og en P/E (TTM) på -1. I forrige måned rapporterte McPhy resultatet for regnskapsåret 2023, hvor de så en årlig inntektsvekst på +17 % til €18,8 millioner og enda høyere vekst på +25 % for elektrolysevirksomheten. De rapporterte også en kontantposisjon på rundt €62 millioner ved slutten av desember.

Konklusjon 

Markedet for hydrogenenergilagring er klar for rask vekst, og forventes å overstige en verdi på 17,6 milliarder dollar i løpet av de neste åtte årene ettersom regjeringer investerer tungt i hydrogenbasert infrastruktur, ifølge Global Market Insights. Merkbart er at transportsegmentet forventes å drive betydelig vekst, med en forventet CAGR på 10 %, drevet av hydrogenens rolle i å redusere karbonutslippene i industrien betydelig. 

Gitt hydrogenens potensial som en renere og mer effektiv energikilde, vil den fortsette å bli tatt i bruk ikke bare i transport, men også i andre industrier. Med pågående forskning og nye funn vil vi endelig kunne se en mye bredere adopsjon, som hjelper oss med å oppnå netto‑null karbonutslipp.

Klikk her for listen over de fem beste grønne ammoniakk-aksjene (det andre hydrogenet).