Lage hydrogen fra CeO2? Bare bruk en mikrobølgeovn for raske resultater

Fossile brensler skader klimaet vårt. Som vi vet, beveger verden seg raskt mot fornybare, bærekraftige, grønne energikilder. I denne jakten på klimavennlige drivstoff har hydrogen dukket opp som en potensiell kilde til avkarbonisering.

Teknologi har gjort det mulig å produsere hydrogen med null eller svært lite klimagassutslipp. Interessen for hydrogen er så høy at USAs energidepartement har satt nasjonale mål om å øke den årlige ‘rene hydrogen’-produksjonen fra nesten null til 10 millioner metriske tonn innen 2030 og til 50 millioner metriske tonn innen 2050. 

Imidlertid er det en kritisk flaskehals i prosessen. Tradisjonelle termoelektriske metoder, som er avhengige av oksidasjon‑reduksjon av metalloksider, krever ekstremt høye temperaturer. Temperaturen kan nå opptil 1500 grader Celsius. 

Nylig har et forskerteam fra POSTECH, Pohang University of Science and Technology i Korea, funnet en måte å omgå denne flaskehalsen på.

Prosessen involverer en kjent, men underutnyttet energikilde: «mikrobølge» energi. Ja! Du tar ikke feil. Det er den samme kilden som brukes i husholdningsmikrobølgeovner. Forskningen har tittelen ‘Termodynamisk vurdering av Gd-dopet CeO2 for mikrobølgeassistert termokjemisk reduksjon.¹‘ 

I det følgende segmentet diskuterer vi implikasjonene av denne forskningen. 

En banebrytende teknologi som adresserer nøkkelbegrensninger i ren hydrogenproduksjon ved bruk av mikrobølger

Teamet besto av tverrfaglige forskere ved POTECH og ble ledet av professor Gunsu S. Yun. Det inkluderte doktorgradsstudenten Jaemin Yoo (Fysikkavdelingen, Divisjon for avansert kjernekraft), professor Hyungyu Jin, og doktorgradsstudent Dongkyu Lee (Maskinteknikkavdelingen). Anerkjent som et gjennombrudd i jakten på bærekraftig energi, ble forskningen omtalt på innsiden av forsiden av tidsskriftet Journal of Materials Chemistry A.

Forskerne begynte med premisset om at mens mikrobølger kan varme opp mat effektivt, kan de også drive kjemiske reaksjoner. De introduserte dette konseptet for å senke reduksjonstemperaturen til Gd-dopet ceria (CeO2). Gd-dopet ceria (CeO2) er et referansemateriale for hydrogenproduksjon, og mikrobølgeenergi kan redusere reduksjonstemperaturen til dette materialet med over 60 prosent – til under 600 grader Celsius. 

Mikrobølgeenergi kan erstatte 75 prosent av den termiske energien som trengs for reaksjonen. Dette funnet er med rette et gjennombrudd for bærekraftig hydrogenproduksjon.

Mens han forklarte hvorfor forskningen og dens funn kan betraktes som revolusjonære, hadde professor Hyungyu Jin følgende å si:

«Denne forskningen har potensialet til å revolusjonere den kommersielle levedyktigheten til termokjemiske hydrogenproduksjonsteknologier. Den vil også bane vei for utviklingen av nye materialer optimalisert for mikrobølge‑drevne kjemiske prosesser.»

Professor Gunsu Yun betegnet innføringen av denne nye mekanismen og dens overvinnelse av de eksisterende prosessbegrensningene som ‘store prestasjoner’ som kun kunne bli mulig gjennom det nære tverrfaglige samarbeidet i forskerteamet. 

Et annet gjennombrudd oppnådd av teamet kan finnes i å skape oksygenvakanser. Dette er strukturelle defekter i materialet som hjelper til med å splitte vann til hydrogen. Mens tradisjonelle metoder kan ta timer ved svært høye temperaturer, viste POSTECH‑teamet hvordan de samme resultatene kan oppnås på bare minutter ved temperaturer under 600 °C ved å utnytte mikrobølgetechnologi.

Mens POSTECH‑forskningen ga et betydelig gjennombrudd, finnes det mange andre forskningsorganisasjoner verden over som har vært aktive i å utvikle innovative metoder for ren hydrogenproduksjon. En av organisasjonene i frontlinjen for slik forskning er National Renewable Energy Laboratory, et nasjonalt laboratorium under USAs energidepartement, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, drevet av Alliance for Sustainable Energy LLC.

Klikk her for å lære om gjennombruddet som gjorde hydrogen mer attraktivt som energikilde.

Kostnadseffektiv hydrogenproduksjon: Andre tiltak

Utviklet i samarbeid med Xcel Energy (XEL ), NRELs vind-til-hydrogen (Wind2H2) demonstrasjonsprosjekt kobler vindmøller og fotovoltaiske (PV) anlegg til elektrolyttstabler, som sender den genererte elektrisiteten gjennom vann for å splitte det til hydrogen og oksygen. Prosjektet er for tiden aktivt ved National Wind Technology Center nær Boulder, Colorado. Hovedmålet med prosjektet er å forbedre systemeffektiviteten for å produsere hydrogen fra fornybare ressurser i mengder som er store nok og til kostnader som er lave nok til å konkurrere med tradisjonelle energikilder som kull, olje og naturgass.

En annen måte å produsere ren hydrogen på er å bruke sollys til direkte å splitte vann til hydrogen og oksygen. Den fotovoltaiske industrien har allerede utviklet sofistikerte multijunction-celle-teknologier for fotoelektrokjemiske (PEC) lysinnsamlingssystemer som genererer tilstrekkelig spenning til å splitte vann og er stabile i et vann/elektrolytt-miljø. NREL har sitt PEC-system som de har utviklet.

NREL-systemet kan generere hydrogen fra sollys uten kostnadene og kompleksiteten ved elektrolyttere, og oppnår en sol‑til‑hydrogen konverteringsvirkningsgrad på 12,4 % (lavere brennverdi) ved bruk av fanget lys. Videre forskning ved NREL fokuserer på å utvikle mer effektive, lavere kostnads materialer og systemer som er holdbare og motstandsdyktige mot korrosjon i vannige miljøer.

Klikk her for å lære hva som gjør hydrogen til fremtidens drivstoff.

Biologisk hydrogen 

En annen spennende vei som NREL har utforsket omhandler ‘biologisk hydrogen.’ NREL-forskere utvikler forbehandlingsteknologier for å konvertere lignocellulosebiomasse til sukker‑rike råmaterialer som kan fermenteres direkte for å produsere hydrogen, etanol og høyverdige kjemikalier.

I tillegg pågår det også arbeid med å identifisere et konsortium av Clostridium som kan fermentere hemicellulose direkte til hydrogen.

Andre forskningsområder innen biologisk hydrogen involverer følgende:

• Bioprospektering av effektive cellulolytiske mikrober, som Clostridium thermocellum, kan fermentere krystallinsk cellulose direkte til hydrogen for å senke råmaterialkostnadene.
• Identifisering av en modell cellulolytisk bakterie.
• Utforske potensialet til den modell cellulolytiske bakterien for genetiske manipulasjoner, inkludert følsomhet for antibiotika og letthet ved genetisk transformasjon.
• Utvikle strategier for å generere mutanter som selektivt blokkeres fra å produsere avfallsyrer og løsningsmidler for å maksimere hydrogenutbyttet.

Mens organisasjoner, forskningsinstitutter og laboratorier er aktive over hele verden, er også private selskaper aktive. 

1. Linde 

Et av selskapene som har vært i frontlinjen for ren hydrogenproduksjon i flere år nå, er Linde. Selskapet hevder at deresinnovative teknologier, inkludert effektiv komprimering og sikker påfylling av hydrogen, kombinert med tiår med erfaring, gjør deres infrastruktur uovertruffen. 

Selskapets virksomhet, som er rettet mot ren hydrogenproduksjon, involverer flere metoder og strategier. Elektrolyse for grønn hydrogenproduksjon, for eksempel, innebærer elektrolyttere drevet med fornybar energi.

Ved elektrolyse blir vann splittet til hydrogen og oksygen ved bruk av elektrisitet som er generert helt fra fornybare energikilder. Denne prosessen foregår i enheter kalt elektrolyttere. Selv om elektrolyttere varierer i størrelse, kapasitet og teknologi, er den grunnleggende kjemien den samme.

For øyeblikket finnes det to hovedteknologier for elektrolyse: alkaline and PEM (Proton Exchange Membrane)—begge, ifølge Linde, kan produsere høyren hydrogen på stedet og på forespørsel.

Alkalisk elektrolyse bruker to elektroder separert av en porøs membran og en flytende alkalisk løsning som elektrolytt. Elektrolyttløsningen gjør det mulig for hydroksidioner å transporteres mellom elektrodene for å danne oksygen og hydrogen, men de forbrukes ikke under reaksjonen. Teknologien kan være pålitelig og kostnadseffektiv.

På den annen side bruker PEM‑elektrolyse rent vann og en solid polymer elektrolytt i stedet for en flytende løsning for å la elektrisitet splitte vannet til hydrogen og oksygen. Hydrogenprotoner passerer gjennom membranen, og kombineres med elektroner for å danne H₂-gass på katodesiden.

Linde tilbyr også effektive karbonfangst‑for‑bruk‑og‑lagring (CCUS) teknologier for en rekke strategier. De har innovative leveringsløsninger for å injisere hydrogen i eksisterende naturgassrørledninger for å betjene et bredt spekter av sluttapplikasjoner. 

Linde driver svært avanserte lagringsoperasjoner for hydrogen, som lagres i underjordiske saltskoger. I tillegg til å være en erfaren partner i utviklingen av energiparker, har Linde drevet den første kommersielle høyren hydrogenhulen i over et tiår. De har også tiår med erfaring i å konstruere hydrogen‑liquefaksjonssystemer for å produsere flytende hydrogen for enklere lagring og transport. 

Ifølge de sist tilgjengelige finansielle data, registrerte Linde salg på 8,356 milliarder USD for kvartalet som endte 30. september 2024. 

2. Air Products

Et annet selskap som bidrar betydelig til området for ren hydrogenproduksjon er Air Products. Selskapet mener at ren hydrogenproduksjon fra fornybare energikilder vil være essensiell for å avkarbonisere industriprosesser som er vanskelige å elektrifisere, som stålproduksjon og kjemisk prosessering.

Selskapet har allerede forpliktet 15 milliarder USD til prosjekter som vil fremme lavkarbon hydrogenproduksjon og akselerere energiomstillingen. 

Selskapets anvendelser av ren hydrogen inkluderer hydrogenpåfylling for biler, busser, gaffeltrucker, skip, tog og lastebiler. Veitransport står for nesten 12 % av globale utslipp. Å konvertere dieselbusser til nullutslipps hydrogenbrenselceller kan redusere globale klimagassutslipp og forbedre luftkvaliteten. Air Products er en leder innen hydrogenbuss-påfylling og er involvert i prosjekter over hele verden. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), et likestilt produksjonsjoint venture mellom ACWA Power, Air Products og NEOM, etablerer verdens største grønn‑hydrogen‑baserte ammoniakkproduksjonsanlegg som skal drives med fornybar energi. Dette anlegget vil produsere opptil 600 tonn per dag av karbonfri hydrogen i form av grønn ammoniakk som en kostnadseffektiv løsning for transport‑ og industrisektoren globalt.

Air Products’ nye netto‑null hydrogen‑energi‑kompleks er satt til å gjøre Edmonton, Alberta, til sentrum for Vest‑Kanadas hydrogenøkonomi. Mens byggingen er godt i gang i Edmonton ved Air Products’ transformative nye hydrogenanlegg, vil tilkobling av dette anlegget til selskapets eksisterende rørledningsnett hjelpe raffinerings‑ og petrokjemikunder med å redusere karbonintensiteten i deres energiprodukter og forbedre deres bærekraftsprestasjoner. Dessuten vil den førsteklasses liquefaksjonsfasiliteten bidra til å akselerere bruken av hydrogen som et utslippsfritt drivstoff for transport over Vest‑Canada. 

Air Products’ Louisiana Clean Energy Complex vil produsere lavkarbon hydrogen for å drive mobilitets‑ og industrimarkeder i Gulf Coast‑regionen og videre. Anlegget er estimert til å fange og lagre 95 % av sine karbondioksidutslipp (over 5 millioner tonn per år), ved permanent lagring av CO₂ i ideelle geologiske porerom i Louisiana. 

Dette prosjektet er den største amerikanske investeringen fra Air Products, bygget med intensjonen om å hjelpe delstaten Louisiana med å redusere sine klimagassutslipp til netto null innen 2050. 

Air Products planlegger også å investere omtrent 500 millioner dollar for å bygge, eie og drive et anlegg på 35 metrisk tonn per dag for å produsere grønn flytende hydrogen på en grønnfelt‑lokasjon i Massena, New York, samt etablere distribusjon og dispensasjon av flytende hydrogen. Prosjektet vil resultere i unngåelse av 6 millioner tonn CO₂ i løpet av prosjektets levetid. Prosjektet vil bruke vannkraft fra St. Lawrence-elven til å drive produksjonen av karbonfri flytende hydrogen.

For regnskapsåret som endte 30. september 2024, hadde selskapet registrert et salgstall på over 12 milliarder USD. 

Inn i fremtiden med ren hydrogen

Det er nok oppmuntring for selskaper og forskningsorganisasjoner til å fortsette å utvikle nye metoder for pålitelig og kostnadseffektiv hydrogenproduksjon. USAs energidepartement, for eksempel, valgte så mange som syv vinnere i 2023 for sin samlede finansiering på 7 milliarder USD, tildelt av Bipartisan Infrastructure Law, for å få en rekke «hydrogenknutepunkter» i drift. For å kvalifisere, måtte hvert knutepunkt overbevisende demonstrere at det kunne ​«produsere minst 50–100 metriske tonn ren hydrogen per dag og redusere klimagassutslippene».

De mest aktive deltakerne som ble nevnt i DOE’s utvalgte hydrogenknutepunkter inkluderte blant annet AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), and (TRP ). 

Banebrytende teknologier kan også være involvert i å fremme produksjon og distribusjon av hydrogen. NREL, for eksempel, utfører akselerert testing og sykluser av 700‑bar hydrogen‑dispenseringsslanger ved Energy Systems Integration Facility ved hjelp av automatiserte roboter for å simulere felforhold. Her etterligner robotene den repeterende belastningen av en person som bøyer og vrir en slange for å dispensere hydrogen inn i et brenselcelles kjøretøys lagringstank. Forskere undersøker mekanisk, termisk og trykkstress‑effektivitet for nye og brukte hydrogen‑dispenseringsslanger.

Hydrogen har et øyeblikk, og momentet kan bare vokse derfra. Ifølge organisasjoner som sporer denglobale oppbyggingen av hydrogenprosjekter, ble 680 store hydrogenproduksjonsprosjekter kun kunngjort i 2022, noe som resulterte i 240 milliarder dollar i direkte investeringer. REL er også involvert i regelmessig å utføre systemnivåanalyser på en rekke bærekraftige hydrogenproduksjons- og leveringsveier for å kunne hjelpe med å bestemme forbedringer i status som følge av teknologiske fremskritt, kostnad som en funksjon av produksjonsvolum, og potensialet for kostnadsreduksjoner.

Det er ingen tvil om at hydrogeninvesteringer gjennom 2030, mens private equity‑ og venture‑firmaerinvesterte rekordstore beløp i hydrogen‑selskaper på ulike utviklingsstadier i 2022, og tilbød 3,1 milliarder dollar i private equity til hydrogenrelaterte selskaper og 2,6 milliarder dollar i venturekapitalinvesteringer på tvers av 192 oppstartsbedrifter i dette området.

Mens hun snakker om betydningen av dette momentet, sa Adria Wilson, en direktør i Breakthrough Energy’s US Policy & Advocacy‑team, at nylige politiske seire betyr at rimelig, ren hydrogen vil være et avkarboniseringsverktøy vi har til disposisjon i løpet av det neste tiåret, om ikke tidligere.

Imidlertid, selv om man er grundig optimistisk, må man også huske at det fortsatt er en lang vei å gå. Ifølge tall fra World Resources Institute, 95 % av hydrogen produseres fra fossile brensler, vanligvis via en prosess kjent som dampmetanreforming (SMR), hvor vann varmes opp ved høye temperaturer for å produsere damp som reagerer med naturgass og produserer hydrogen og karbondioksid (CO₂). Prosessen forblir betydelig klimagass‑utslippende, og slipper ut så mye som 10 kilogram CO₂‑ekvivalent per kilogram hydrogen (kg CO₂e/kg H₂) til 14 kg CO₂e/kg H₂, en mengde som ligner på karbonutslippene fra produksjon og forbrenning av en gallon bensin.

Ren hydrogenproduksjonsmetoder må hjelpe oss med å kvitte oss med slike metoder. Overgangen må være rask, men gjennom bærekraftige metoder.

Klikk her for en liste over topp aksjer innen ren energi med bærekraftsfokus.