Generera väte genom att spalta vatten med inbäddad swarf

Väte och elektrolyskostnader

Väte är ett lovande bränsle för en grön ekonomi, från transport till energilagring, och kan vara det enda realistiska koldioxidfria alternativbränslet för många industrier som sjöfart och flyg.

En nyckelfaktor som har hindrat framväxten av väteekonomin är kostnaden, särskilt kostnaden för väteproduktion.

Grönt väte (från förnybar energi) produceras huvudsakligen genom elektrolys, vilket kräver mycket energi och katalysatorer. Sådana katalysatorer tenderar att vara dyra och förlitar sig i de flesta fall på metaller som platina. Ju mer platina som används, desto dyrare blir elektrolysen.

Inte bara är metaller som platina dyra, de är också extremt sällsynta och skulle bli bristfälliga om väte antogs i stor skala som energikälla.

So, it was important news that researchers announced a drastic reduction in the catalyst requirement for electrolysis.

“Vi kan producera väte från vatten med endast en tiondel av mängden platina jämfört med de mest avancerade kommersiella katalysatorerna.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

Billig elektrolys med swarf (skrotmetall)

Denna upptäckt gjordes av forskare vid University of Nottingham, Storbritannien, och publicerades i Journal of Material Chemistry, under titeln “From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilization of Pt and Co for hydrogen production”.

De första resultaten kom från analys av swarf på nanoskalnivå. Swarf är spiraler av skrotmetall som genereras som avfall vid bearbetning av metaller som rostfritt stål, titan eller nickellegering. Endast i Storbritannien genereras miljontals ton metallavfall varje år.

Källa: Nottingham University

När dessa swarfs analyserades med ett elektronstråle-mikroskop upptäckte forskarna att de, långt ifrån att vara släta, hade spår och åsar som bara var tiotals nanometer breda.

Dessa mycket komplexa strukturer och enorma kontaktytor skulle göra dem till idealiska substrat för elektrokatalysatorer som används i elektrolys för väteproduktion.

Källa: Journal Of Material Chemistry

Magnetisk platinaregn på swarf

För att tillsätta platinaatomer till swarf använde forskarna en teknik som kallas magnetron sputtering. Detta är en teknik som används i halvledartillverkning för att deponera ett ultratunt metallfilm, tack vare kraftfulla magnetfält.

Källa: Korvus Tech

Denna metod “regnar” platinaatomer på swarf och deponerar dem i de nanometerstora spåren och åsarna.

“Genom att sprida endast 28 mikrogram av den dyrbara metallen över 1 cm² av swarf kunde vi skapa en laboratorieelektrolysör som fungerar med 100 % effektivitet och producerar 0,5 liter vätegas per minut bara från en enda swarfbit.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

Denna metod möjliggjorde skapandet av 2 typer av vätegenererande elektrokatalysatorer:

• Titanium-swarf med platinaatomer som katalysator, för hydrogen evolution reaction(HES).
• Nickel-swarf med koboltatomer som katalysator, för oxygen evolution reaction(OER)

Källa: Journal Of Material Chemistry

Nottingham-forskarna arbetar nu med företaget AqSorption för att skala upp tekniken.

Sammanföra väteinnovationer

Nya katalysatorparadigm

Uppbyggnaden av väteekonomin kommer att kräva att varje steg i kedjan för väteproduktion och distribution blir så effektiv som möjligt.

Tills nyligen gjorde den sällsynta och höga kostnaden för platina- och koboltbaserade katalysatorer det nödvändigt att upptäcka alternativa katalysatorer. Till exempel diskuterade vi möjligheten att använda nickel-nanorör i “Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” och alternativa katalysatorer som rutenium, kisel och volfram (RuSiW) i “Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost-Effective“.

Upptäckten av att använda swarf kan eliminera behovet av sådana nya katalysatorer.

Kanske kan dessa innovationer kombineras för att skapa ännu mer effektiva nya typer av katalysatorer. Alternativt, nu när mängden platina som krävs kan minskas tio gånger, kan användning av platina-nanorör för att nå ultrahöga nivåer av katalysatoreffektivitet vara ett alternativ.

Väte-teknik förbättras & ammoniak

Detta kommer sannolikt att kombineras med andra innovationer, som mer effektiv lagring av väte som diskuteras i “Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough“. Effektiv omvandling av väte till kraft som diskuteras i “Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next-Gen of EVs?“.

Slutligen kan den högpresterande, låga kostnads elektrolysen, lagringen och användningen av väte kombineras med massanvändning av ammoniak som bränsle, transport och långtidslagringsform för väte, som diskuteras i “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia” och “Ammonia Production is Hugely Detrimental to the Environment – Engineers Have Just Developed a Cleaner Method“.

Vätefokuserade företag

1. Sibanye Stillwater

Användningen av swarf för väteproduktion kan dramatiskt öka möjligheten för massadoption av grönt väte genom att göra platina-baserad elektrolys ekonomiskt hållbar.

Detta kan vara en enorm stimulans för platina-marknaden, som har varit under press de senaste åren.

En viktig del av platinas underprestation berodde på dess starka beroende av efterfrågan på katalysatorer i förbränningsmotorer för bilar och lastbilar. Med världen som går mot elbilar ifrågasattes efterfrågan på detta metall.

Källa: Sibanye Stillwater [securities_stock_price_tag symbol="SBSW" exchange="NYSE"]

Alternativt, om platina-baserad elektrolys med skrotmetall från flygindustrin blir en central del av väteekonomin, är efterfrågan på platina för kommande decennier säkrad.

Sydafrikanska Sibanye Stillwater är en av världens största platina-producenter. Landet producerar 80 % av världens platina, och Sibanye Stillwater står för en fjärdedel av den produktionen.

Källa: Mining Technology

Det är också en producent av platina-gruppens element som palladium, rodium och rutenium. Företaget diversifierar för närvarande för att gå in på guld- och batterimetallmarknaderna.

Källa: Sibanye Stillwater

Platinamarknaden har styrts av diskussionen kring antagandet av elbilar kontra förbränningsmotorer (ICE). Med snabb innovation i användningen av väteelektrolys med platina och andra platina-gruppselement kan detta förändras.

Platina krävs också i de flesta konstruktioner av bränsleceller som omvandlar väte till elektricitet. Således bör den framsteg som gjorts inom vägteknik, inklusive swarf-baserad elektrolys men inte bara, gynna platina-fokuserade gruvföretag som Sibanye Stillwater.

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard är en tillverkare av bränsleceller och en pionjär inom teknologin med sin första bränslecellbuss producerad 1993.

Företaget fokuserar på tunga marknader: bussar, lastbilar, tåg/spårvagnar, fartyg, gruv- och byggindustri samt kraft. Medan bussar har varit kärnan i verksamheten förväntar företaget att lastbilar blir en stor affärsenhet år 2025. Det förväntas också att Europa förblir huvudmarknad (50‑60 %), följt av Nordamerika (25 %).

Bränsleceller för lastbilar förväntas fortsätta växa och utgöra en marknad på 7,5  miljarder dollar år 2030 (från en total adressbar marknad på 195  miljarder dollar), nästan lika stor som alla andra väte-/bränslecellstillämpningar kombinerade. Denna tillväxt kan accelerera om väteproduktionspriserna sjunker tack vare ny teknik.

Källa: Ballard

På grund av den högre kraften som krävs och behovet av snabb laddning har tunga fordon varit en bra marknad för väte och bränsleceller jämfört med lättare fordon som bilar. Det minskar också behovet av kontaktledningar för spårvagnar och trolleybussar samt snabb omladdning för långdistansfrakt.

Källa: Ballard

Företaget är inte främmande för ammoniak heller, med exempelvis ett nyligen avtal med Amogy för att förse dem med bränsleceller för deras “ammoniak‑till‑kraft‑plattform som bygger på unik ammoniak‑klyvningsteknik”.

Medan elbilar har en rimlig chans att snabbt ta över bilmarknaden är tunga fordon svårare att avkarbonisera. Med sitt etablerade ledarskap i sektorn skulle Ballard vara en primär fördelaktig mottagare av en politisk drivkraft mot en väteekonomi.

Väteproduktion blir snabbt billigare tack vare framsteg i katalysatorer som mekaniskt minskar kostnaden för bränslen till väte‑drivna fordon. Med stigande oljepriser på grund av geopolitiska spänningar och ökande koldioxidskatter kan detta tippa vågen till fördel för väte, särskilt för fordon som kräver mycket kraft och kör mycket (lastbilar, bussar, etc.).