Ang Hydrogen ay Naging Mas Kaakit-akit Bilang Pinagmumulan ng Enerhiya Dahil sa Pagsulong sa Pag-iimbak

Ang hydrogen, ang pinakamagaan na elemento sa sansinukob, ay kinakatawan ng simbolong H. Mayroon itong atomic number na 1 at ito ang pinaka-karaniwang natagpuang elemento. Ito ang pinakasimpleng kemikal na elemento, na may isang proton at isang elektron lamang, at ito ay walang kulay, walang lasa, at walang amoy. 

Kagiliw-giliw, ang hydrogen ay tinatayang bumubuo ng 75% ng masa ng sansinukob. Gayunpaman, ito ay bumubuo lamang ng humigit-kumulang 0.14% ng crust ng Earth batay sa bigat. Ito ay natural na nagaganap sa anyong compound kasama ang iba pang elemento sa solid, likido, at gas. At kapag pinagsama sa oxygen, ang nasabing nasusunog na substansya ay bumubuo ng tubig (H2O), at kapag pinagsama sa carbon, ito ay bumubuo ng hydrocarbon, na matatagpuan sa petrolyo at karbon. Kaya, ang hydrogen ay maaaring gawin mula sa maraming mapagkukunan, kabilang ang renewable na enerhiya tulad ng solar at hangin, nuclear na enerhiya, at natural gas. 

Kagiliw-giliw, maramihang mga pagtuklas ang nagawa ng natural na bumubuo ng mga bulsa ng hydrogen gas sa mga bansa tulad ng Australia, New Zealand, Canada, France, Germany, Japan, at Russia. Sa kasalukuyan, ang mga siyentipiko ay nagsusuri sa lawak ng mga reserbang ito sa mga bansang ito, pati na rin ang kanilang pinagmulan at posibleng epekto sa kapaligiran kung kukunin.

Hydrogen Bilang Pinagmumulan ng Enerhiya

Ang pinaka-karaniwang mga pamamaraan upang makagawa ng hydrogen fuel ay kinabibilangan ng Thermal, Elektrolisis, elektrolisis na pinapagana ng photovoltaic, solar-driven, at mga prosesong biyolohikal. 

Thermal

Sa Thermal na proseso, ang singaw ay tumutugon sa hydrocarbon na fuel tulad ng diesel, natural gas, gasified coal, o gasified biomass upang makabuo ng H. Kapansin-pansin, ang karamihan (humigit-kumulang 95%) ng lahat ng hydrogen ay ginagawa mula sa steam reforming ng natural gas. 

Elektrolisis

Ang elektrolisis, sa kabilang banda, ay kinabibilangan ng paghihiwalay ng tubig sa oxygen at hydrogen. Ang prosesong ito ay nagaganap sa isang electrolyzer at lumilikha ng hydrogen mula sa mga molekula ng tubig.

Biolohikal

Ang mga prosesong biyolohikal ay gumagamit ng mga mikrobyo na hindi nakikita ng mata, tulad ng bakterya, upang makagawa ng hydrogen. 

Solar

Ang solar-driven na proseso, tulad ng pangalan, ay gumagamit ng liwanag para sa muling paglikha ng H sa iba’t ibang paraan tulad ng photoelectrochemical (gumagamit ng espesyal na semiconductor upang paghiwalayin ang tubig sa H at O), photobiological (gumagamit ng natural na photosynthetic na aktibidad ng bakterya at berdeng algae), at solar thermochemical (gumagamit ng pinagsama-samang solar power upang pasiglahin ang mga reaksyon ng paghahati ng tubig).

Bilang karagdagan sa lahat ng katangian nito, ang hydrogen ay isang malinis na fuel, ibig sabihin ito ay nagbubuo lamang ng tubig, init, at kuryente kapag kinonsumo sa isang fuel cell. Ginagawa nitong kaakit-akit na opsyon para sa pagbuo ng kuryente at transportasyon, kabilang ang mga kotse at rocket. Ang substance na may mataas na densidad ng enerhiya at maaaring iimbak na hindi naglalabas ng greenhouse gases ay aktwal na ginamit upang patakbuhin ang mga internal combustion engine higit sa dalawang siglo na ang nakalilipas. 

Ipinapakita nito na ang hydrogen ay isa sa mga nangungunang opsyon para sa pag-iimbak ng renewable na enerhiya at ginagamit din sa maraming industriya. Gayunpaman, ang tunay nitong potensyal ay hindi pa naabot. Para dito, kailangang gawin ang hydrogen sa malakihang sukat nang ekonomikong paraan. Kailangan din na magbago ang kasalukuyang imprastruktura upang umangkop sa hydrogen, bagaman maaari itong ilipat sa pamamagitan ng mga gas pipeline.

Bagaman hindi pa natin ganap na nagamit ang mga kamangha-manghang gamit ng hydrogen bilang fuel, ang pandaigdigang paggastos sa pananaliksik at pag-unlad upang tuklasin ang buong potensyal ng hydrogen bilang pinagmumulan ng enerhiya ay patuloy na tumataas sa paglipas ng mga taon. Sa katunayan, isang kamakailang pag-aaral ang nagdala ng malaking pagsulong sa aspetong ito, na nagpapahintulot ng mataas na densidad ng pag-iimbak ng hydrogen para sa mga hinaharap na sistema ng enerhiya.

Balangkas para sa Masiksing Pag-iimbak ng Hydrogen

Inilathala sa journal na Nature Chemistry noong nakaraang buwan, ang pag-aaral, “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen,” ay pinondohan ng bahagi ng National Research (NRC ) Foundation of Korea (NRF) at ng German Research Foundation (DFG).

Habang ang mga nanoporous na materyales ay nakakuha ng maraming pansin para sa pag-iimbak ng gas, napansin ng pag-aaral na ang pag-abot ng mataas na volumetric storage capacity ay patuloy na hamon. Kaya, ilang mananaliksik mula sa iba’t ibang unibersidad ang nagsama-sama upang tugunan ang isyung ito.

Si Michael Hirscher, mula sa Japan’s Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) sa Tohoku University at Germany’s Max Planck Institute for Intelligent Systems, ay nag-isip ng orihinal na mga ideya at nag-supervise ng proyekto. Samantala, si Hyunchul Oh ng Korea’s Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) ang namuno sa proyektong ito.

Kagiliw-giliw, noong 2022, isang koponan ng mga siyentipiko mula sa Max Planck Institute for Intelligent Systems, Department of Energy’s (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Technische Universität Dresden, at Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ipinakita na ang hydrogen ay nagkondensa sa isang ibabaw sa napakababang temperatura malapit sa boiling point ng H2. Ang prosesong ito ay bumubuo ng super-dense monolayer, na lampas sa densidad ng likidong hydrogen ng 3 beses, na nagbabawas ng volume sa tanging 5 litro bawat kilogram ng H2.

Ngayon, ang pinakabagong pag-aaral na tinutukoy ay nagsuri ng magnesium borohydride framework gamit ang neutron powder diffraction, inelastic neutron scattering, volumetric gas adsorption, at first-principles calculations. Ang framework ay may maliliit na butas at bahagyang negatibong kargadong hindi patag na interior para sa pagkuha ng hydrogen (H) at nitrogen (N).

Parehong nitrogen at hydrogen ay sumasakop sa kapansin-pansing magkaibang mga adsorption site sa mga butas. Mayroon din silang napakaibang limitadong kapasidad na 0.66 N2 at 2.33 H2 bawat Mg(BH4)2. Ang Mg(BH4)2, unang natuklasan noong 1950, ay kilala bilang isang high-capacity hydrogen storage material na umiiral bilang crystalline polymorphs na may nanoporous MOF-like structures pati na rin napakamasiksing polymorphs na may napakataas na volumetric hydrogen density at mataas na gravimetric hydrogen capacity.

Kaya, pagdating sa molecular hydrogen, ito ay napakasiksik na nakapack, na ang densidad nito ay halos doble ng likidong hydrogen. 

Gumamit ang koponan ng neutron powder diffraction (NPD) upang matukoy ang posisyon ng mga atom ng hydrogen sa estruktura kasama ang mga adsorption site ng mga molekula.

Napansin ng pag-aaral na isang penta-dihydrogen cluster (ang dihydrogen ay binubuo ng dalawang hydrogen na pinag-ugnay ng isang solong bond) ang natagpuan kung saan ang mga H2 molecule sa isang posisyon ay may rotational freedom. Sa kabilang banda, ang mga H2 molecule sa ibang posisyon ay may malinaw na oryentasyon at direksyunal na interaksyon sa framework. Ipinapakita nito na ang masiksing nakapack na hydrogen ay maaaring mapanatili sa mga small-pore na materyales sa ilalim ng normal na atmospheric pressure.

Sa pagbubunyag na ito, matagumpay na natugunan ng koponan ang hamon ng limitadong kapasidad ng pag-iimbak ng hydrogen sa pamamagitan ng paggamit ng advanced high-density adsorption technology. 

Ang makabago at pambihirang pag-unlad na ito ay iniulat ni Propesor Oh sa Department of Chemistry sa UNIST. Ang inobatibong pananaliksik ay nagmamarka ng makabuluhang pag-unlad sa mga hinaharap na sistema ng enerhiya. 

Pagpapagana sa Malawakang Pag-iimbak ng Hydrogen

Pagdating sa paggamit ng hydrogen sa transportasyon, stationary power, at portable power, ang pag-iimbak ay may mahalagang papel. Bagaman ang elemento ay may pinakamataas na enerhiya kada masa, ang mababang densidad nito sa ambient na temperatura ay nagreresulta sa mas mababang enerhiya kada unit volume. Kaya, kinakailangan ang advanced na mga pamamaraan ng pag-iimbak upang makamit ang mas mataas na energy density.

Sa kasalukuyan, ang teknolohiya ng pag-iimbak ay pangunahing nakatuon sa molecular hydrogen storage sa anyong likido o gas. Ngunit, siyempre, may mga limitasyon ang kasalukuyang teknolohiya pagdating sa volumetric at gravimetric (kung gaano karaming enerhiya kada gramo o kilogram ang maaaring iimbak) na densidad ng pag-iimbak.

Ang pag-iimbak ng hydrogen bilang gas ay nangangailangan ng high-pressure tanks, habang bilang likido, kinakailangan ang cryogenic na temperatura. Maaari rin itong iimbak sa ibabaw o sa loob ng solidong materyal sa pamamagitan ng absorption.

Bilang isang molekula, ang hydrogen ay maaaring pisikal na ma-adsorb sa isang materyal na may mga butas (voids) sa pamamagitan ng mahina na van der Waals interactions (na medyo mahina at nonionic ang katangian) sa pamamagitan ng physisorption. Ito ay tumutukoy sa prosesong kung saan ang mga gas molecule ay kumakapit sa solid surface. Gayunpaman, habang ang mga lubos na porous na materyales ay nag-aalok ng mataas na gravimetric hydrogen uptake, kinakailangan pa ng pagbuti sa volumetric storage capacity.

Dito pumapasok ang nanoporous cubic magnesium borohydride, γ-Mg(BH4)2, na nag-aalok ng magagandang resulta. Mayroon itong densidad na ρ = 0.550 g cm−3 at 33% na libreng pore volume. Ang pore diameter na ∼9 Å ay nagpapahintulot sa compound na ito na mag-adsorb ng maliliit na molekula tulad ng hydrogen o nitrogen. Sa pamamagitan ng bahagyang negatibong kargadong inner surface ng porous hydride na ito, ang mga hydridic atom ay naipapakita sa mga butas.

Nagawang posible ito sa pamamagitan ng Mid-Career Research Program ng NFR at ng Ministry of Science and ICT (MSIT), kung saan sinintetisa ng pag-aaral ang nanoporous complex hydride na binubuo ng magnesium cation (Mg+) at magnesium hydride, at solid boron hydride (BH4)2.

Ang nagresultang materyal ay nagpapahintulot sa pag-iimbak ng limang hydrogen molecule sa isang 3D na ayos, na nakakamit ang kahanga-hangang high-density hydrogen storage. Ipinapakita rin nito ang hydrogen storage capacity na 144 g/L bawat volume ng mga butas, na lagpas sa tradisyonal na mga pamamaraan. Kamangha-mangha, ang densidad ng mga hydrogen molecule sa loob ng materyal ay higit pa sa solid state.

Inilarawan ng materyal bilang isang “paradigm shift” sa mundo ng hydrogen storage, sinabi ni Propesor Oh na ito ay nag-aalok ng “isang kapani-paniwalang alternatibo sa tradisyonal na mga pamamaraan.” 

Ang pag-unlad na ito ay malaki ang pagpapabuti sa produktibidad at ekonomikong kahusayan ng paggamit ng hydrogen bilang pinagmumulan ng enerhiya. Higit pa rito, tinutugunan nito ang mga hamon ng pag-iimbak ng hydrogen sa malawakang sukat para sa malawakang paggamit sa mga pampublikong at personal na aplikasyon ng transportasyon.

Mga Kumpanyang Makikinabang Mula sa Pag-unlad na Ito 

Kung pag-uusapan natin ang mga industriya na maaaring makinabang mula sa ganitong pananaliksik, na nagbabago ng pag-iimbak ng hydrogen, maraming sektor ang naiisip, kabilang ang kemikal, enerhiya, automotive, engineering, at konstruksyon. Kaya, tingnan natin ang ilang mga kumpanya na maaaring makinabang mula dito: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Ang kumpanyang nakabase sa Japan na gumagawa ng mga sasakyan ay nangakong babawasan ang kanilang CO2 emissions at nagsasabing isa sila sa mga unang kumpanya na tumutok sa potensyal ng hydrogen energy. 

Upang makamit ang mga layuning ito, ang Honda Motor (HMC ) Company ay nagsasaliksik ng fuel cell technologies mula pa noong 1980s para sa iba’t ibang aplikasyon. 

Sa unang bahagi ng taong ito, inanunsyo ng kumpanya na nagsimula na silang mag-produce ng hydrogen fuel cell power solutions sa pakikipagtulungan sa General Motors (GM ) (GM) para sa iba’t ibang produktong aplikasyon at tinatawag nila itong “ang simula ng hydrogen era.”

Sa market cap na $64.85 bilyon, ang mga shares ng kumpanya ay nagte-trade sa $36.93, tumaas ng 19.22% ngayong taon (YTD). Ang Honda Motor ay nag-ulat ng revenue (TTM) na $128.49 bilyon at may EPS (TTM) na 7.73 at P/E (TTM) na 4.77. Ang kumpanya ay nagbabayad din ng dividend yield na 2.77%.

#2. Dow Chemical Company

Ang Dow Chemical Company ay kasangkot sa iba’t ibang sektor, kabilang ang Hydrocarbons & Energy. Kamakailan, nakipag-partner ito sa Linde (NYSE: LIN) upang mag-supply ng malinis na hydrogen at nitrogen para sa kanilang net-zero carbon emissions integrated ethylene cracker at derivatives site sa Canada. Ang kasunduan ay natapos noong huling bahagi ng nakaraang taon para sa $6.5 bilyong proyekto. Bilang bahagi ng kasunduan, ilalagay nila ang Linde’s air separation at auto-thermal reformer technology upang i-convert ang off-gas ng cracker ng site tungo sa hydrogen.

Sa market cap na higit sa $39.9 bilyon, ang mga shares ng Dow Chemical ay nagte-trade sa $56.76, tumaas ng 3.5% YTD. Ang Dow Chemical ay nag-ulat ng revenue (TTM) na $44.62 bilyon, isang EPS (TTM) na 0.81, at P/E (TTM) na 69.67. Ang kumpanya ay nagbabayad din ng dividend yield na 4.93%.

#3. McPhy Energy SA

Ang kumpanyang nakabase sa France ay nagde-develop ng mga solusyon para sa produksyon at pag-iimbak ng hydrogen. Noong nakaraang taon, pinalawak ng McPhy ang kanilang commercial agreement sa Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), kung saan magbibigay ang huli ng mga proseso at kagamitan na may kaugnayan sa hydrogen para sa hydrogen compression at hydrogen liquefaction. 

Kamakailan, ang nangungunang kumpanya sa electrolyzer technology at manufacturing ay nanalo ng kontrata mula sa Sweden’s AAK AB upang mag-supply ng kanilang 800-30 electrolyzer na may kapasidad na 4 MW at mga kaugnay na spare parts na magpapahintulot sa Swedish na kumpanya na gumamit ng low-carbon hydrogen bilang process gas.

Sa market cap na 47.18 bilyon, ang mga shares ng kumpanya (MCPHY-FR: Euronext Paris) ay nagte-trade sa EUR 1.69, bumaba ng 49.97% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na -0.69 at P/E (TTM) na -1. Noong nakaraang buwan, iniulat ng McPhy ang resulta ng taong pananalapi 2023, kung saan nakita nito ang taunang paglago ng revenue na +17% sa €18.8 milyon at mas mataas na paglago na +25% para sa kanilang electrolyzer business. Iniulat din nila ang cash position na humigit-kumulang €62 milyon sa katapusan ng Disyembre.

Konklusyon 

Ang hydrogen energy storage market ay handa para sa mabilis na paglago, inaasahang lalagpasan ang ang halaga na $17.6 bilyon sa susunod na walong taon habang ang mga pamahalaan ay malaki ang pamumuhunan sa hydrogen-based infrastructure, ayon sa Global Market Insights. Kapansin-pansin, ang segment ng transportasyon ay inaasahang magdadala ng makabuluhang paglago, na may projected na 10% CAGR, na pinapagana ng papel ng hydrogen sa malaking pagbawas ng carbon emissions sa industriya. 

Dahil sa potensyal ng hydrogen bilang mas malinis at mas epektibong pinagmumulan ng enerhiya, patuloy itong i-aadopt hindi lamang sa transportasyon kundi pati na rin sa iba pang industriya. Sa patuloy na pananaliksik at mga bagong natuklasan, sa wakas ay makikita natin ang mas malawak na pag-aampon, na makakatulong sa atin na maabot ang net-zero carbon emissions.

I-click dito para sa listahan ng limang nangungunang green ammonia stocks (ang ibang hydrogen).