Tillverka väte från CeO2? Använd bara en mikrovågsugn för snabba resultat

Fossila bränslen skadar vårt klimat. Som vi vet rör sig världen snabbt mot förnybara, hållbara, gröna energikällor. I jakten på klimatvänliga bränslen har väte framträtt som en potentiell källa för avkarbonisering.

Teknik har gjort det möjligt att producera väte med noll eller mycket låga växthusgasutsläpp. Intresset för väte är så stort att USA:s energidepartement har satt nationella mål att öka den årliga ‘rena vätetillverkningen’ från nästan noll till 10 miljoner metriska ton år 2030 och till 50 miljoner metriska ton år 2050. 

Det finns dock ett kritiskt flaskhals i processen. Traditionella termoelektriska metoder, som är beroende av oxidation-reduktion av metalloxider, kräver extremt höga temperaturer. Temperaturen kan nå upp till 1500 grader Celsius. 

Nyligen har ett forskarteam från POSTECH, Pohang University of Science and Technology i Korea, utvecklat ett sätt att kringgå denna flaskhals.

Processen använder en bekant men underutnyttjad energikälla: mikrovågsenergi. Ja! Du har inte fel. Det är samma källa som används i hushållsmikrovågsugnar. Forskningen har titeln ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction.¹‘ 

I följande avsnitt diskuterar vi implikationerna av denna forskning. 

En banbrytande teknik som adresserar nyckelbegränsningar i ren vätproduktion med mikrovågor

Teamet bestod av tvärvetenskapliga forskare vid POSTECH och leddes av professor Gunsu S. Yun. Det inkluderade doktorand Jaemin Yoo (Fysikavdelningen, Divisionen för avancerad kärnteknik), professor Hyungyu Jin och doktorand Dongkyu Lee (Maskinteknikavdelningen). Erkänd som ett genombrott i jakten på hållbar energi, presenterades forskningen på framsidan av den inre omslaget av Journal of Materials Chemistry A.

Forskarna började med premissen att mikrovågor, förutom att värma mat effektivt, också kan driva kemiska reaktioner. De applicerade detta på att sänka reduktionstemperaturen för Gd-dopad ceria (CeO2). Gd-dopad ceria (CeO2) är ett referensmaterial för vätproduktion, och mikrovågsenergi kan minska reduktionstemperaturen för detta material med över 60 procent – till under 600 grader Celsius. 

Mikrovågsenergi kan ersätta 75 procent av den termiska energi som krävs för reaktionen. Detta fynd är med rätta ett genombrott för hållbar vätproduktion.

När han förklarade varför forskningen och dess resultat kan anses revolutionerande, sade professor Hyungyu Jin följande::

“Denna forskning har potentialen att revolutionera den kommersiella livskraften för termokemiska vätproduktionsteknologier. Den kommer också att bana väg för utvecklingen av nya material optimerade för mikrovågsdrivna kemiska processer.”

Professor Gunsu Yun kallade införandet av denna nya mekanism och dess övervinnande av befintliga processbegränsningar för ‘stora framsteg’ som endast kunde möjliggöras genom det nära tvärvetenskapliga samarbetet i forskarteamet. 

Ett annat genombrott som teamet uppnådde var skapandet av syrevacans. Dessa är strukturella defekter i materialet som underlättar vattenklyvning till väte. Medan traditionella metoder kan ta timmar vid mycket höga temperaturer, visade POSTECH-teamet hur samma resultat kan uppnås på bara några minuter vid temperaturer under 600°C genom att utnyttja mikrovågsteknik.

Medan POSTECH-forskningen erbjöd ett betydande genombrott, finns det många andra forskningsorganisationer världen över som är aktiva i att producera innovativa metoder för ren vätproduktion. En av organisationerna i framkant är National Renewable Energy Laboratory, ett nationellt laboratorium under USA:s energidepartement, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, drivet av Alliance for Sustainable Energy LLC.

Klicka här för att lära dig om genombrottet som gjorde väte mer attraktivt som energikälla.

Lågt kostnadsväteproduktion: Andra insatser

Utvecklat i samarbete med Xcel Energy (XEL ), NREL:s wind-to-hydrogen (Wind2H2) demonstrationsprojekt kopplar ihop vindkraftverk och fotovoltaiska (PV) anläggningar med elektrolysstaplar, som låter den genererade elektriciteten passera genom vatten för att dela det i väte och syre. Projektet är för närvarande aktivt vid National Wind Technology Center nära Boulder, Colorado. Projektets övergripande mål är att förbättra systemeffektiviteten för att producera väte från förnybara resurser i tillräckligt stora mängder och till låga kostnader för att kunna konkurrera med traditionella energikällor som kol, olja och naturgas.

Ett annat sätt att producera rent väte är att använda solljus för att direkt dela vatten i väte och syre. Fotovoltaikindustrin har redan utvecklat sofistikerade multijunctioncellteknologier för fotoelektrokemiska (PEC) ljusuppsamlingssystem som genererar tillräcklig spänning för att dela vatten och är stabila i en vatten/elektrolytmiljö. NREL har sitt eget PEC-system som de har utvecklat.

NREL-systemet kan generera väte från solljus utan kostnaden och komplexiteten hos elektrolyser, och uppnår en sol-till-väte-omvandlingseffektivitet på 12,4 % (lägre värmevärde) med hjälp av infångat ljus. Vidare forskning vid NREL fokuserar på att utveckla mer effektiva, billigare material och system som är hållbara och korrosionsresistenta i vattenmiljöer.

Klicka här för att lära dig vad som gör väte till framtidens bränsle.

Biologiskt väte 

En annan spännande väg som NREL har utforskat handlar om ‘biologiskt väte’. NREL-forskare utvecklar förbehandlingstekniker för att omvandla lignocellulosisk biomassa till socker-rika råvaror som kan fermenteras direkt för att producera väte, etanol och högvärdiga kemikalier.

Dessutom pågår insatser för att identifiera ett konsortium av Clostridium som kan fermentera hemicellulosa direkt till väte.

Andra forskningsområden inom biologiskt väte omfattar följande:

• Bioprospektering av effektiva cellulolytiska mikrober, såsom Clostridium thermocellum, kan fermentera kristallin cellulosa direkt till väte för att sänka råvarukostnaderna.
• Identifiering av en modellcellulolytisk bakterie.
• Utforska potentialen hos den modellcellulolytiska bakterien för genetiska manipulationer, inklusive känslighet för antibiotika och lätthet för genetisk transformation.
• Utveckla strategier för att skapa mutanter som selektivt hindras från att producera avfallsyror och lösningsmedel för att maximera vätutbytet.

Medan organisationer, forskningsinstitut och laboratorier är aktiva världen över, är privata företag också aktiva. 

1. Linde 

Ett av företagen som länge har varit i framkant för ren vätproduktion är Linde. Företaget hävdar att dess innovativa teknologier, inklusive effektiv kompression och säker påfyllning av väte, i kombination med årtionden av erfarenhet, gör deras infrastruktur oöverträffad. 

Företagets verksamhet, som syftar till ren vätproduktion, omfattar flera metoder och strategier. Elektrolys för grön vätproduktion innebär till exempel elektrolysanläggningar som drivs med förnybar energi.

Vid elektrolys delas vatten i väte och syre med hjälp av elektricitet som helt genereras från förnybara energikällor. Processen sker i enheter som kallas elektrolysanläggningar. Även om elektrolysanläggningarna varierar i storlek, kapacitet och teknik, förblir den grundläggande kemin densamma.

För närvarande finns det två huvudtyper av elektrolysteknik: alkaline and PEM (Proton Exchange Membrane)—båda, enligt Linde, kan producera högrenat väte på plats och på begäran.

 Alkalisk elektrolys använder två elektroder separerade av en porös membran och en flytande alkalisk lösning som elektrolyt. Elektrolytlösningen möjliggör transport av hydroxidjoner mellan elektroderna för att bilda syre och väte, men de förbrukas inte under reaktionen. Tekniken kan vara pålitlig och kostnadseffektiv.

Å andra sidan använder PEM-elektrolys rent vatten och en fast polymerelektrolyt istället för en flytande lösning för att låta elektriciteten dela vattnet i väte och syre. Väteprotoner passerar genom membranet och kombineras med elektroner för att bilda H2-gas på katodens sida.

Linde erbjuder också effektiva koldioxidavskiljnings- och lagringsteknologier (CCUS) för en rad strategier. De har innovativa leveranslösningar för att injicera väte i befintliga naturgaspipelines för att betjäna en mängd olika slutapplikationer. 

Linde driver mycket avancerade lagringsoperationer för väte, som lagras i underjordiska saltscavern. Förutom att vara en erfaren partner i utvecklingen av energiparker, har Linde drivit den första kommersiella högrenade vätcavernen i över ett decennium. De har också årtionden av erfarenhet av att konstruera väte-likvifieringssystem för att producera flytande väte för enklare lagring och transport.

Enligt de senaste tillgängliga finansiella uppgifterna, registrerade Linde en försäljning på 8,356 miljarder US‑dollar för kvartalet som avslutades den 30 september 2024. 

2. Air Products

Ett annat företag som bidrar betydligt till området för ren vätproduktion är Air Products. Företaget tror att ren vätproduktion från förnybara energikällor kommer att vara avgörande för att avkarbonisera svår-elektrifierade industriella processer som stålproduktion och kemisk bearbetning.

Företaget har redan avsatt 15 miljarder US‑dollar till projekt som kommer att främja lågenergi-vätproduktion och påskynda energiövergången. 

Företagets tillämpningar av rent väte inkluderar vätbränsle för bilar, bussar, gaffeltruckar, fartyg, tåg och lastbilar. Vägtransport står för nästan 12 % av de globala utsläppen. Att omvandla dieselbussar till nollutsläpps vätgasbränslecellsbussar kan minska de globala växthusgasutsläppen och förbättra luftkvaliteten. Air Products är en ledare inom vätbussbränsling och är involverade i projekt världen över. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), ett gemensamt produktionsjoint venture mellan ACWA Power, Air Products och NEOM, bygger världens största anläggning för grönvätbaserad ammoniakproduktion som ska drivas med förnybar energi. Denna anläggning kommer att producera upp till 600 ton per dag av koldioxidfritt väte i form av grön ammoniak som en kostnadseffektiv lösning för transport- och industrisektorer globalt.

Air Products nya nettonoll-väteenergiakomplex är avsett att göra Edmonton, Alberta, till centrum för väteekonomin i västra Kanada. Medan byggnationen pågår i Edmonton vid Air Products transformativa nya vätanläggning, kommer anslutning av denna anläggning till företagets befintliga pipelinesystem att hjälpa deras raffinaderi- och petrokemiska kunder att minska koldioxidintensiteten i deras energiprodukter och förbättra deras hållbarhetsprestanda. Dessutom kommer den förstklassiga likvifieringsanläggningen att påskynda användningen av väte som ett utsläppsfria transportbränsle i västra Kanada. 

Air Products Louisiana Clean Energy Complex kommer att producera lågenergi-väte för att driva mobilitet och industriella marknader i Gulf Coast-regionen och bortom. Anläggningen beräknas fånga och lagra 95 % av sina koldioxidutsläpp (över 5 miljoner ton per år), permanent lagrande CO2 i idealiska geologiska porrum i Louisiana. 

Detta projekt är den största amerikanska investeringen av Air Products, byggt med avsikt att hjälpa delstaten Louisiana att minska sina växthusgasutsläpp till nettonoll år 2050. 

Air Products planerar också att investera cirka 500 miljoner dollar för att bygga, äga och driva en anläggning på 35 ton per dag för att producera grön flytande väte på en ny markplats i Massena, New York, samt etablera distribution och påfyllning av flytande väte. Projektet kommer att undvika 6 miljoner ton CO2 under projektets livstid. Projektet kommer att använda vattenkraft från St. Lawrence River för att driva produktionen av koldioxidfritt flytande väte.

För det räkenskapsår som avslutades den 30 september 2024 hade företaget registrerat en försäljningssiffra på över 12 miljarder US‑dollar.

In i framtiden med rent väte

Det finns tillräckligt med uppmuntran för företag och forskningsorganisationer att fortsätta utveckla nya metoder för pålitlig och kostnadseffektiv vätproduktion. US Department of Energy valde till exempel sju vinnare år 2023 för sin samlade finansiering på 7 miljarder US‑dollar, tilldelad av Bipartisan Infrastructure Law, för att få en serie ‘vätethubbar’ i drift. För att kvalificera sig, var varje hubb tvungen att övertygande demonstrera att den kunde producera minst 50–100 metriska ton rent väte per dag och minska växthusgasutsläppen.

De mest aktiva deltagarna som nämns i DOE:s utvalda vätethubbar inkluderade bland annat 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 ), och (TRP ). 

Banbrytande teknologier kan också vara involverade i att främja produktion och distribution av väte. NREL, till exempel, utför accelererade tester och cykling av 700 bar vätedispensrör vid Energy Systems Integration Facility med hjälp av automatiserade robotar för att simulera fältförhållanden. Här efterliknar robotarna den repetitiva belastningen när en person böjer och vrider ett rör för att leverera väte till ett bränslecellsfordons ombordlagringstank. Forskare undersöker mekanisk, termisk och tryckstress‑effektivitet hos nya och använda vätedispensrör.

Väte har en stark framfart, och momentumet kan bara öka härifrån. Enligt organisationer som följer den globala uppbyggnaden av vätprojekt, tillkännagavs 680 storskaliga vätproduktionsprojekt enbart år 2022, vilket resulterade i direkta investeringar på 240 miljarder dollar. REL utför också regelbundet systemnivåanalyser av olika hållbara vätproduktions- och leveransvägar för att kunna hjälpa till att fastställa förbättringar i status till följd av tekniska framsteg, kostnad som funktion av produktionsvolym och potential för kostnadsreduktion.

Det råder ingen tvekan om att investeringar i väte fram till 2030, medan private equity‑ och riskkapitalföretag investerade rekordstora belopp i vätföretag i olika utvecklingsstadier år 2022, med 3,1 miljarder dollar i private equity till vätrelaterade företag och 2,6 miljarder dollar i riskkapitalinvesteringar i 192 startups inom området.

När hon talade om betydelsen av detta momentum sade Adria Wilson, en direktör i Breakthrough Energys US Policy & Advocacy‑team, att de senaste politiska framgångarna innebär att prisvärt, rent väte kommer att vara ett avkarboniseringsverktyg som vi har tillgängligt under nästa decennium, om inte tidigare.

Dock, även om man är mycket optimistisk, måste man komma ihåg att det fortfarande är en lång väg kvar. Enligt siffror från World Resources Institute produceras 95 % av vätet från fossila bränslen, vanligtvis via en process som kallas ångmetanreformering (SMR), där vatten värms upp till höga temperaturer för att producera ånga som reagerar med naturgas och bildar väte och koldioxid (CO2). Processen släpper fortfarande ut betydande mängder växthusgaser, från 10 kilogram CO2‑ekvivalenter per kilogram väte upp till 14 kg CO2e/kg H2, vilket motsvarar koldioxidutsläppen från att producera och bränna en gallon bensin.

Metoder för ren vätproduktion måste hjälpa oss att göra sig av med sådana metoder. Övergången måste vara snabb men ändå genom hållbara metoder.

Klicka här för en lista över de främsta renenergiaktierna med hållbarhetsfokus.