Fremskritt i hydrogenproduksjon med nikkelbasert elektrolyse

Fremover med elektrolyse for hydrogenproduksjon

Hydrogen anses som en seriøs kandidat for å erstatte fossile brensler. Dette gjelder i transport, takket være brenselceller, og i industrielle prosesser hvor hydrogens høye forbrenningstemperatur kan erstatte kull og naturgass når elektrifisering ikke er et alternativ.

Et problem er at hydrogen sjelden finnes i lett tilgjengelige naturlige forekomster som naturgass. I stedet må den produseres kunstig, hvor elektrolyse er den mest brukte metoden.

Elektrolyse er nedbrytning av vann til hydrogen og oksygen. Blant problemene med dagens elektrolyse er lav effektivitet (energitap) og høye kostnader, hovedsakelig på grunn av dyre katalysatorer som platina.

Et forskerteam fra Korea kan ha funnet en måte å både øke effektiviteten og erstatte de dyre katalysatorene med mye rimeligere og mer tilgjengelig nikkel.

Nikkelnanoarrayer som øker hydrogenproduksjon

Forskerne i professor Jong Kyu Kims team ved Institutt for materialvitenskap og ingeniørfag ved POSTECH (Pohang University, Korea) har forsøkt å løse et stort problem med hydrogenelektrolyse.

Kilde: POSTECH

Problemet er at når hydrogen produseres, forblir den «limt» til katalysatoren, noe som hindrer den i å nå mer vann og fortsette å fungere. Dette reduserer effektiviteten, øker energibehovet og til slutt krever dyrere katalysatorer enn nødvendig.

I stedet har professor Jong Kyu Kim og hans team laget finutformede, ikke helt vertikalt justerte nanorod-protuberanser av nikkel. Nanostrukturen og den skrå vinkelen på nikkelstengene viser det som kalles “super-aerofobitet“, som får hydrogenbobler til å løsne lettere.

Dette frigjør igjen plass for vann til å nå katalysatoren og gir mer effektiv elektrolyse.

Kilde: POSTECH

Dette kan dramatisk øke prosessens effektivitet, med en bemerkelsesverdig 55‑ganger forbedring i hydrogenproduksjonseffektivitet sammenlignet med en tilsvarende mengde nikkel i en tradisjonell tynnfilmstruktur.

Utvidelse utover nikkelkatalysatorer

Teknologien bruker nanorod av nikkel, men trenger ikke være begrenset til dette metallet. Faktisk kan dette metallet med skrå nanorod som reduserer hydrogenadhesjon teoretisk brukes med enhver annen katalysator. Så, hva betyr dette for hydrogenutsiktene?

Bedre elektrolyse

For øyeblikket produseres mesteparten av verdens hydrogen fra naturgass. Dette er økonomisk mer lønnsomt, men undergraver formålet med å produsere hydrogen for å redusere karbonutslipp.

For å få virkelig karbonnøytralt hydrogen, er produksjon fra elektrisitet generert fra fornybare kilder veien å gå, vanligvis kalt «grønt hydrogen».

Enhver metode som kan redusere de samlede kostnadene i den grønne hydrogenforsyningskjeden, bringer oss ett skritt nærmere å gjøre den til et levedyktig alternativ til fossile brensler.

Dette kan være sant for «klassiske» høy‑effektive, kostbare platinkatalysatorer, kanskje i kombinasjon med nikkelstengene.

Det kan også være mulig å se dette anvendt på andre nylig oppdagede kostnadseffektive elektrolysekatalysatorer, som rutenium, silisium og wolfram (RuSiW) som vi dekket i artikkelen vår «Grønt hydrogen vil erstatte grått når nye elektro‑katalysatorer gjør produksjonen kostnadseffektiv».

Bedre hydrogenforsyningskjede

Elektrolyse er også bare ett av trinnene som kan forbedres for å gjøre hydrogen til en hjørnestein i våre energisystemer.

For eksempel kan bedre brenselceller gjøre hydrogenkjøretøy til sterke konkurrenter til elbiler, noe vi diskuterte i artikkelen vår «Er battericeller bare en forløper til hydrogenbrenselceller? Den virkelige neste generasjonen av elbiler?».

Og mer effektive lagringsløsninger i stor skala kan gjøre hydrogen mye enklere å håndtere og distribuere, noe vi diskuterte i artikkelen vår «Hydrogen ble nettopp mer attraktivt som energikilde gjennom gjennombrudd i innkapsling».

Potensielle andre anvendelser

Bruken av skrå nanorod for å skape super‑aerofobitet kan ha anvendelser utover hydrogen.

Den første effekten er at med billig og effektiv hydrogenproduksjon følger like effektiv ammoniakkproduksjon. Ammoniakk har noen betydelige fordeler over hydrogen for anvendelser som drivstoff for skipsfart, noe vi diskuterte i «Avkarbonisering av globale skipsruter gjennom grønn ammoniakk».

Professor Jong Kyu Kim nevnte også at nanorod‑teknologien kan være til nytte for andre kjemiske prosesser som involverer gass.

«Ved å forbedre effektiviteten i vann‑elektrolyseprosessen for grønn hydrogenproduksjon, går vi mot en hydrogenøkonomi og et karbonnøytralt samfunn.

Dette gjennombruddet gagner vann‑elektrolyse og lover godt for ulike andre fornybare energianvendelser hvor overflereaksjoner spiller en avgjørende rolle, som reduksjon av karbondioksid og systemer for lysenergiomforming.»

Så denne innovasjonen kan gå utover hydrogen, og kan ha en betydelig innvirkning på karbonfangst og kunstig fotosyntese, en idé vi begynte å utforske i «Kunstig fotosyntese og biologisk nedbrytbarhet: Bekjempelse av plastplagen med bærekraft i tankene».

Hydrogenløsninger selskaper

1. Aker Horizons ASA

Oppdagelsen av hvordan man bruker nikkelnanorør er bare den siste i en rekke innovasjoner som øker utsiktene for hydrogen som alternativt drivstoff og energilagringsløsninger. Så kan det lønne seg å ha en diversifisert eksponering mot alle stadiene i hydrogenforsyningskjeden.

Aker Horizons er et datterselskap av Aker-gruppen, som er sentrert rundt grønn energi. Aker-gruppen er et viktig norsk konglomerat som fokuserer på fornybar energi og marine/offshore virksomheter. Aker Horizons er holdingselskapet for flere datterselskaper, inkludert karbonfangst, grønt hydrogen og fornybare energier.

Kilde: Aker

Selskapet er spesielt svært aktivt innen hydrogen- og grønn ammoniakkproduksjon, med mål om å avkarbonisere arktisk skipsfart, spesielt i Norge.

Aker Horizons kan håndtere hele den vertikale integrasjonen av grønt hydrogen og ammoniakk, fra offshore vindmøller til hydrogenproduksjon til grønn ammoniakkproduksjon.

Det arbeider også med prosjekter som avfall‑til‑energi i Frankrike, et biomasseanlegg i Tyskland, og karbonfangst i Midtøsten (Saudi-Arabia og UAE).

Dette gjør det til en god aksje for investorer som søker eksponering mot den grønne energisektoren generelt, med en sterk posisjon innen grønn ammoniakk & shipping, men også andre grønne energier, samt noe geografisk diversifisering.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Vi er ennå ikke sikre på hva som vil bli hovedmarkedet for hydrogen. Det kan være kraftproduksjon og bildrivstoff, men det kan også forbli begrenset til tyngre oppgaver som er vanskeligere å elektrifisere.

Ballard er en produsent av brenselceller, og en pioner innen teknologien med sin første brenselcellebuss 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 et viktig forretningssegment. Det forventer også at Europa vil forbli hovedmarkedet (50‑60 %), etterfulgt av Nord-Amerika (25 %).

Brenselceller for lastebiler forventes å fortsette å vokse og representere et marked på 7,5 milliarder dollar i 2030 (fra et totalt tilgjengelig marked på 195 milliarder dollar), nesten like stort som alle andre hydrogen‑/brenselcelle‑applikasjoner samlet.

Denne veksten kan akselerere dersom prisene på hydrogenproduksjon faller takket være nye teknologier som forbedret og billigere elektrolyse.

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.

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‑kraft‑plattform som baserer seg på unik ammoniakk‑spaltingsteknologi».

Mens elbiler har en rimelig sjanse til raskt å ta over bilmarkedet, er tyngre kjøretøy vanskeligere å avkarbonisere.

Med sin etablerte ledelse i sektoren vil Ballard være en primærnytte av en politisk satsing mot en hydrogenøkonomi, samt raskt fallende kostnader for hydrogenproduksjon fra nikkelbasert elektrolyse.