Framsteg inom vätgasproduktion med nickelbaserad elektrolys

Att gå framåt med elektrolys för vätgasproduktion

Vätgas anses vara en seriös kandidat för att ersätta fossila bränslen. Detta gäller inom transport, tack vare bränsleceller, och i industriella processer där vätgasens höga förbränningstemperatur kan ersätta kol och naturgas när elektrifiering inte är ett alternativ.

Ett problem är att vätgas sällan finns i lättillgängliga naturliga avlagringar som naturgas. Istället måste den genereras artificiellt, där elektrolys är den mest använda metoden.

Elektrolys är nedbrytningen av vatten till vätgas och syre. Bland problemen med den nuvarande elektrolysen finns låg effektivitet (energiförlust) och höga kostnader, främst på grund av dyra katalysatorer som platina.

Ett forskarteam från Korea kan ha hittat ett sätt att både öka effektiviteten och ersätta de dyra katalysatorerna med mycket billigare och rikligare nickel.

Nickelnanoarrayer som ökar vätgasproduktionen

Forskarna i professor Jong Kyu Kims team vid institutionen för materialvetenskap och -teknik på POSTECH (Pohang University, Korea) har försökt lösa ett stort problem med vätgaselektrolys.

Källa: POSTECH

Problemet är att den producerade vätgasen förblir ”fastklistrad” på katalysatorn, vilket hindrar den från att nå mer vatten och fortsätta fungera. Detta minskar effektiviteten, ökar den energi som behövs och leder i slutändan till att dyrare katalysatorer krävs än nödvändigt.

Istället har Prof. Jong Kyu Kim och hans team skapat finbearbetade, inte helt vertikalt inriktade nanostav av nickel. Nanostrukturen och den lutande vinkeln på nickelstaven ger vad som kallas ”superaerofobitet”, vilket får vätebubblorna att lossna lättare.

Detta frigör i sin tur utrymmet för vatten att nå katalysatorn och möjliggör en mer effektiv elektrolys.

Källa: POSTECH

Detta kan dramatiskt öka processens effektivitet, med en anmärkningsvärd 55‑faldig förbättring av vätgasproduktionsutbytet jämfört med en motsvarande mängd nickel i en traditionell tunnfilmstruktur.

Utvidgning bortom nickelkatalysatorer

Tekniken använde nanostavar av nickel men behöver inte begränsas till detta metall. Faktum är att dessa sneda nanostavar som minskar vätgasklistringen teoretiskt kan användas med vilken annan katalysator som helst. Så vad betyder detta för vätgasperspektiven?

Bättre elektrolys

För närvarande produceras den största delen av världens vätgas från naturgas. Detta är ekonomiskt mer lönsamt men undergräver syftet med att producera vätgas för att minska koldioxidutsläppen.

För att få riktigt koldioxidneutral vätgas är det bästa att producera den från el som genereras av förnybara energikällor, vanligtvis kallad ”grön vätgas”.

Alla metoder som kan minska de totala kostnaderna i den gröna vätgaskedjan är ett steg närmare att göra den till ett livskraftigt alternativ till fossila bränslen.

Detta kan vara sant för ”klassiska” högpresterande, dyra platinkatalysatorer, eventuellt i kombination med nickelstaven.

Det kan också vara möjligt att se den tillämpas på andra nyligen upptäckta kostnadseffektiva elektrolyskatalysatorer, såsom rutenium, kisel och volfram (RuSiW) som vi behandlade i vår artikel “Grön vätgas på väg att ersätta grå som nya elektrokatalysatorer gör produktionen kostnadseffektiv”.

Bättre vätgaskedja

Elektrolys är också bara ett av stegen som kan förbättras för att göra vätgas till en hörnsten i våra energisystem.

Till exempel kan bättre bränsleceller göra vätgasfordon starka konkurrenter till elbilar, något vi diskuterade i vår artikel “Är battericeller bara en föregångare till vätgasmotorsceller? Den verkliga nästa generationen av elbilar?”.

Och mer effektiva storskaliga lagringslösningar kan göra vätgas mycket enklare att hantera och distribuera, något vi diskuterade i vår artikel “Vätgas har just blivit mer attraktiv som energikälla genom genombrott i inneslutning”.

Potentiella andra tillämpningar

Användningen av lutande nanostavar för att skapa superaerofobitet kan ha tillämpningar bortom vätgas.

Den första effekten är att billig och effektiv vätgasproduktion också ger lika effektiv ammoniakproduktion. Ammoniak har några betydande fördelar jämfört med vätgas för tillämpningar som bränsle för sjöfart, något vi diskuterade i “Avkolning av globala sjövägar genom grön ammoniak”.

Professor Jong Kyu Kim nämnde också att nanostavstekniken kan gynna andra kemiska processer som involverar gas.

“Genom att förbättra effektiviteten i vattenelektrolysprocessen för grön vätgasproduktion går vi mot en vätgasekonomi och ett koldioxidneutralt samhälle.

Detta genombrott gynnar vattenelektrolys och lovar för olika andra förnybara energitillämpningar där ytreaktioner spelar en avgörande roll, såsom koldioxidreduktion och ljusenergiomvandlingssystem.”

Så kan denna innovation gå bortom vätgas och ha en allvarlig inverkan på koldioxidavskiljning och artificiell fotosyntes, en idé vi började utforska i “Artificiell fotosyntes och biologisk nedbrytbarhet: Bekämpa plastproblemet med hållbarhet i åtanke”.

Företag med vätgasslösningar

1. Aker Horizons ASA

Upptäckten om hur man använder nickelnanostavar är bara den senaste i en serie innovationer som ökar utsikterna för vätgas som alternativt bränsle och energilagringslösning. Så kan det löna sig att ha en diversifierad exponering mot alla steg i vätgaskedjan.

Aker Horizons är ett dotterbolag till Aker-gruppen, som är inriktad på grön energi. Aker-gruppen är ett viktigt norskt konglomerat som fokuserar på förnybar energi samt marina/offshore-verksamheter. Aker Horizons är holdingbolaget för flera dotterbolag, inklusive koldioxidavskiljning, grön vätgas och förnybar energi.

Källa: Aker

Företaget är särskilt aktivt inom vätgas- och grönammoniakproduktion, med ett mål att avkolna arktisk sjöfart, särskilt i Norge.

Aker Horizons kan hantera hela den vertikala integrationen av grön vätgas & ammoniak, från offshorevindkraftverk till vätgengenerering till produktion av grön ammoniak.

Det arbetar också med projekt som avfall-till-energi i Frankrike, ett biomassa-anläggning i Tyskland och koldioxidavskiljning i Mellanöstern (Saudiarabien och Förenade Arabemiraten).

Detta gör det till en bra aktie för investerare som söker exponering mot den breda gröna energisektorn, med en stark position inom grön ammoniak & sjöfart, men också andra förnybara energier samt viss geografisk diversifiering.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Vi är ännu inte säkra på vad som blir den huvudsakliga marknaden för vätgas. Det kan vara elproduktion och bilbränsle, men det kan också förbli begränsat till tyngre uppgifter som är svårare att elektrifiera.

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

Företaget fokuserar på tunga marknader: bussar, lastbilar, tåg/spårvagnar, fartyg, gruv- och byggsektorn samt kraft. Medan bussar har varit kärnan i verksamheten förväntar sig företaget att lastbilar blir en stor affärssegment år 2025. Det förväntar sig också att Europa förblir huvudmarknaden (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 vätgas‑/bränslecellstillämpningar sammantagna.

Denna tillväxt kan accelerera om priserna för vätgasproduktion sjunker tack vare ny teknik som förbättrad och billigare elektrolys.

Källa: Ballard

På grund av den högre kraften som krävs och behovet av snabb laddning har tunga fordon varit en bra marknad för vätgas och bränsleceller jämfört med lättare fordon som bilar. Det minskar också behovet av kontaktledningar för järnväg och spårvagnsbussar.

Källa: Ballard

Företaget är inte främmande för ammoniak heller, med exempelvis ett nyligt avtal med Amogy för att leverera bränsleceller till 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 avkolna.

Med sin etablerade ledarskap i sektorn skulle Ballard vara en primär fördelaktig aktör av en politisk satsning mot en vätgasekonomi, samt av snabbt sjunkande produktionskostnader för vätgas från nickelbaserad elektrolys.