Väte har just blivit mer attraktivt som energikälla genom genombrott i lagring

Väte, det lättaste elementet i universum, representeras av symbolen H. Det har atomnummer 1 och är det mest förekommande elementet. Det är det enklaste kemiska elementet, med bara en proton och en elektron, och är färglöst, smaklöst och luktlöst. 

Intressant nog bidrar väte med uppskattningsvis 75 % av universums massa. Det utgör dock bara omkring 0,14 % av jordens skorpa i vikt. Det förekommer naturligt i föreningsform med andra element i fasta ämnen, vätskor och gaser. Och när det kombineras med syre bildar den brandfarliga substansen vatten (H₂O), och i kombination med kol bildas kolväten som finns i petroleum och kol. Således kan väte produceras från ett antal resurser, inklusive förnybar energi som sol och vind, kärnkraft och naturgas. 

Noterbart, flera upptäckter har gjorts av naturligt bildande fickor av vätgas i länder som Australien, Nya Zeeland, Kanada, Frankrike, Tyskland, Japan och Ryssland. För närvarande utforskar forskare omfattningen av dessa reserver i dessa länder, samt deras ursprung och de potentiella effekterna på omgivande miljöer om de utvinns.

Väte som energikälla

De vanligaste metoderna för att producera vätgasbränsle inkluderar termisk, elektrolys, fotovoltaisk‑driven elektrolys, sol‑driven och biologiska processer. 

Termisk

I den termiska processen reagerar ånga med ett kolvätebränsle som diesel, naturgas, gasifierat kol eller gasifierad biomassa för att producera H. Noterbart är att majoriteten (ungefär 95 %) av all vätgas produceras genom ångreformering av naturgas. 

Elektrolys

Elektrolys innebär samtidigt att vatten separeras i syre och väte. Denna process sker i en elektrolysator och skapar väte från vattenmolekyler.

Biologisk

Biologiska processer utnyttjar mikrober som inte kan ses med blotta ögat, såsom bakterier, för att producera väte. 

Sol

Den sol‑drivna processen, som namnet antyder, använder ljus för reproduktion av H genom olika metoder såsom fotoelektrokemisk (använder specialiserade halvledare för att separera vatten i H och O), fotobiologisk (utnyttjar den naturliga fotosyntetiska aktiviteten hos bakterier och gröna alger) och sol‑termokemisk (använder koncentrerad solenergi för att driva vatten‑splittningsreaktioner).

Förutom alla sina egenskaper är väte också ett rent bränsle, vilket betyder att det endast producerar vatten, värme och elektricitet när det förbrukas i en bränslecell. Detta gör det till ett attraktivt alternativ för elproduktion och transport, inklusive bilar och raketer. Den energitäta och lagringsbara substansen som inte producerar växthusgaser användes faktiskt för att driva förbränningsmotorer för mer än två århundraden sedan. 

Detta visar att väte är ett av de ledande alternativen för lagring av förnybar energi och används även i många industrier. Dess verkliga potential är dock ännu inte realiserad. För att uppnå detta måste väte produceras i skala på ett ekonomiskt sätt. Dessutom måste den befintliga infrastrukturen anpassas till väte, även om det kan transporteras genom gasledningar.

Även om vi ännu inte har utnyttjat väte som bränsle fullt ut, har de globala investeringarna i forskning och utveckling för att utforska vätes fulla potential som energikälla ökat under åren. En nyligen genomförd studie har faktiskt gjort ett stort genombrott i detta avseende, vilket möjliggör högdensitetslagring av väte för framtida energisystem.

Ramverk för att lagra tätt packat väte

Publicerad i tidskriften Nature Chemistry förra månaden, studien, “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen”, finansierades delvis av National Research (NRC ) Foundation of Korea (NRF) och German Research Foundation (DFG).

Medan nanoporous material har fått mycket uppmärksamhet för gaslagring, noterade studien att uppnå hög volymetrisk lagringskapacitet fortfarande är en utmaning. Så flera forskare från olika universitet gick samman för att tackla detta problem.

Michael Hirscher, från Japans Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR) vid Tohoku University och Tysklands Max Planck Institute for Intelligent Systems, formulerade de ursprungliga idéerna och övervakade projektet. Samtidigt ledde Hyunchul Oh från Koreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) detta projekt.

Intressant nog visade ett team av forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems, Department of Energy’s (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Technische Universität Dresden och Friedrich‑Alexander‑Universität Erlangen‑Nürnberg visade att väte kondenseras på en yta vid mycket låg temperatur nära H₂:s kokpunkt. Denna process bildar ett supertätt monolager, som överträffar densiteten hos flytande väte med 3 ×, vilket minskar volymen till endast 5 liter per kilogram H₂.

Nu undersökte den aktuella studien ett magnesiumborohydrid‑ramverk genom att använda neutronpulverdiffraktion, inelastisk neutronscattering, volymetrisk gasadsorption och första‑princip‑beräkningar. Ramverket har små porer och en delvis negativt laddad icke‑platt inre yta för upptag av väte (H) och kväve (N). 

Både kväve och väte upptar märkbart olika adsorptionsställen i porerna. De har också mycket olika begränsande kapaciteter: 0,66 N₂ och 2,33 H₂ per Mg(BH₄)₂. Mg(BH₄)₂, först upptäckt 1950, är känt som ett högkapacitets‑väte lagringsmaterial som existerar både som kristallina polymorfer med nanoporous MOF‑liknande strukturer samt som mycket täta polymorfer med extrem volymetrisk vätedensitet och hög gravimetrisk vätekapacitet.

Så när det gäller molekylärt väte är det packat extremt tätt, med en densitet ungefär dubbelt så hög som flytande väte. 

Teamet använde sedan neutronpulverdiffraktion (NPD) för att bestämma positionen för väteatomerna i strukturen samt molekylernas adsorptionsställen. 

Studien noterade att en penta‑dihydrogen‑kluster (dihydrogen består av två väten förenade med en enkelbindning) hittades där H₂‑molekyler i ett läge har rotationsfrihet. I kontrast har H₂‑molekyler i ett annat läge en väl definierad orientering och en riktad interaktion med ramverket. Detta visar att tätt packat väte faktiskt kan stabiliseras i småporiga material under normala atmosfärstryck.

Med denna insikt har teamet framgångsrikt löst problemet med begränsad väte lagringskapacitet genom att använda avancerad högdensitets‑adsorptionsteknik. 

Denna banbrytande utveckling rapporterades av professor Oh vid kemiska institutionen på UNIST. Den innovativa forskningen markerar ett betydande framsteg för framtida energisystem. 

Möjliggör storskalig vätelagring

När det gäller att använda väte i transport, stationär kraft och bärbar kraft spelar lagring en nyckelroll. Även om elementet har den högsta energin per massa, resulterar dess låga densitet vid omgivningstemperatur i en lägre energi per volymenhet. Därför behövs avancerade lagringsmetoder för att uppnå högre energitäthet.

För närvarande fokuserar lagringstekniken främst på molekylär väte lagring i antingen flytande eller gasform. Men naturligtvis finns det begränsningar för denna nuvarande teknik när det gäller volymetrisk och gravimetrisk (hur mycket energi per gram eller kilogram som kan lagras) lagringstäthet.

Att lagra väte som gas kräver högtrycktankar, medan lagring som vätska kräver kryogena temperaturer. Det kan också lagras på ytan eller inom ett fast material via absorption.

Som molekyl kan väte fysiskt adsorberas i ett material som innehåller porer (tomrum) genom svaga van‑der‑Waals‑interaktioner (som är relativt svaga och icke‑joniska) via fysisorption. Det avser en process där gasmolekyler fäster vid en fast yta. Dock, medan mycket porösa material erbjuder hög gravimetrisk väteupptagning, behövs förbättringar i den volymetriska lagringskapaciteten.

Det är här nanoporous kubisk magnesiumborohydrid, γ‑Mg(BH₄)₂, ger utmärkta resultat. Det har en densitet på ρ = 0,550 g cm⁻³ och 33 % fri porvolym. En pordiameter på ~9 Å tillåter denna förening att adsorbera små molekyler som väte eller kväve. Det är genom denna porösa hydrids delvis negativt laddade inre yta som hydridatomer exponeras för porerna.

Möjliggjort genom Mid‑Career Research Program av NFR och Ministry of Science and ICT (MSIT), syntetiserade forskarna detta nanoporous komplexa hydrid bestående av magnesiumkation (Mg⁺) och magnesiumhydrid samt fast boronhydrid (BH₄)₂.

Det resulterande materialet möjliggör lagring av fem vätemolekyler i en 3D‑arrangemang, vilket uppnår anmärkningsvärd högdensitets‑väte lagring. Det visar dessutom en väte lagringskapacitet på 144 g/L per volym av porer, långt över traditionella metoder. Imponerande nog överstiger densiteten av vätemolekyler i materialet den i fast tillstånd.

Genom att beskriva materialet som ett ”paradigmskifte” inom vätelagring, sade professor Oh att det erbjuder ”ett övertygande alternativ till traditionella metoder.” 

Denna utveckling förbättrar avsevärt produktiviteten och den ekonomiska effektiviteten för att utnyttja väte som energikälla. Den tacklar dessutom utmaningarna med att lagra väte i stor skala för bred användning i offentliga och personliga transportapplikationer.

Företag som kan dra nytta av denna utveckling 

Om vi talar om de industrier som kan gynnas av sådan forskning, som omvandlar vätelagring, kommer en rad sektorer i åtanke, inklusive kemikalier, energi, fordon, teknik och bygg. Så låt oss titta på några av de företag som kan vinna på detta: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Det japanska bilföretaget har lovat att minska sina CO₂‑utsläpp och påstår sig vara ett av de första företagen som fokuserar på potentialen i väteenergi. 

För att nå dessa mål har Honda Motor (HMC ) Company forskat på bränslecellsteknik sedan 1980‑talen för en rad olika tillämpningar. 

Tidigare i år meddelade företaget att de påbörjat produktion av bränslecellslösningar för väte i samarbete med General Motors (GM ) (GM) för olika produktapplikationer och vad de kallar ”början av väteeran”.

Med ett börsvärde på 64,85 mrd USD handlas företagets aktier till 36,93 USD, upp 19,22 % år‑till‑datum (YTD). Honda Motor har redovisat intäkter (TTM) på 128,49 mrd USD och har ett EPS (TTM) på 7,73 samt P/E (TTM) på 4,77. Företaget betalar även en utdelningsavkastning på 2,77 %.

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company är involverat i olika sektorer, inklusive Kolväten & Energi. Nyligen samarbetade de med Linde (NYSE: LIN) för att leverera rent väte och kväve till deras net‑zero koldioxidutsläpp integrerade etylenkrackare och derivat‑anläggning i Kanada. Avtalet slutfördes sent förra året för ett projekt på 6,5 mrd USD. Som en del av avtalet kommer de att implementera Linde’s luftseparations‑ och auto‑termiska reformeringsteknik för att omvandla anläggningens krackare‑off‑gas till väte.

Med ett börsvärde på över 39,9 mrd USD handlas Dow Chemicals aktier till 56,76 USD, upp 3,5 % YTD. Dow Chemical har redovisat intäkter (TTM) på 44,62 mrd USD, ett EPS (TTM) på 0,81 och ett P/E (TTM) på 69,67. Företaget betalar även en utdelningsavkastning på 4,93 %.

#3. McPhy Energy SA

Det fransbaserade företaget utvecklar lösningar för produktion och lagring av väte. Förra året utökade McPhy sitt kommersiella avtal med Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), där sistnämnda kommer att tillhandahålla väte‑relaterade processer och utrustning för vätekomprimering och väte‑kondensering. 

Senast vann det ledande elektrolysföretaget ett kontrakt från Sveriges AAK AB för att leverera deras 800‑30 elektrolyser med en kapacitet på 4 MW samt tillhörande reservdelar som möjliggör för det svenska företaget att använda lågenergi‑väte som processgas.

Med ett börsvärde på 47,18 mrd, handlas företagets aktier (MCPHY‑FR: Euronext Paris) till EUR 1,69, ner 49,97 % YTD. Det har ett EPS (TTM) på –0,69 och ett P/E (TTM) på –1. Förra månaden rapporterade McPhy resultatet för räkenskapsåret 2023, där de såg en årlig intäktstillväxt på +17 % till €18,8 miljoner och en ännu högre tillväxt på +25 % för deras elektrolysbusiness. De rapporterade också en likviditet på omkring €62 miljoner i slutet av december.

Slutsats 

Marknaden för vätelagring förväntas växa snabbt och förväntas överstiga värderingen på 17,6 mrd USD under de kommande åtta åren när regeringar kraftigt investerar i vätebaserad infrastruktur, enligt Global Market Insights. Noterbart är att transportsegmentet förväntas driva betydande tillväxt, med en projicerad CAGR på 10 %, drivet av vätes roll i att avsevärt minska koldioxidutsläppen inom industrin. 

Med tanke på vätes potential som en renare och mer effektiv energikälla kommer det fortsätta att antas inte bara inom transport utan även i andra industrier. Med pågående forskning och nya fynd kommer vi slutligen att kunna se en mycket bredare adoption, vilket hjälper oss att nå net‑zero koldioxidutsläpp.

Klicka här för listan över de fem bästa gröna ammoniakaktierna (det andra vätet).