Paggawa ng Hydrogen mula sa CeO₂? Gamitin Lang ang Microwave para sa Mabilis na Resulta

Ang mga fossil fuel ay nakakasira sa ating klima. Tulad ng alam natin, mabilis na tumutungo ang mundo patungo sa mga renewable, sustainable, at berdeng pinagkukunan ng enerhiya. Sa paghahanap na ito para sa mga fuel na kaibigan ng klima, ang Hydrogen ay lumitaw bilang potensyal na pinagmumulan ng dekarbonisasyon.

Nagawa ng teknolohiya na makapag-produce ng hydrogen na may zero o napakakaunting greenhouse gas emissions. Ang interes sa Hydrogen ay napakataas na itinakda ng United States Department of Energy ang pambansang layunin na taasan ang taunang ‘malinis na hydrogen’ production mula halos wala hanggang 10 milyong metrikong tonelada pagsapit ng 2030 at hanggang 50 milyong metrikong tonelada pagsapit ng 2050. 

Gayunpaman, may isang kritikal na hadlang sa proseso. Ang tradisyonal na mga thermoelectric na pamamaraan, na nakadepende sa oxidation-reduction ng mga metal oxide, ay nangangailangan ng napakataas na temperatura. Ang temperatura ay maaaring umabot hanggang 1500 degrees centigrade. 

Kamakailan, isang koponan ng mga mananaliksik mula sa POSTECH, Pohang University of Science and Technology, Korea, ay nakahanap ng paraan upang lampasan ang hadlang na ito.

Ang proseso ay gumagamit ng isang pamilyar ngunit hindi gaanong nagagamit na pinagmumulan ng enerhiya: enerhiyang “microwave”. Oo! Hindi ka nagkakamali. Ito ay ang parehong pinagmumulan na ginagamit sa mga pang-bahay na microwave oven. Ang pananaliksik ay pinamagatang ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction.¹’

Sa susunod na bahagi, tatalakayin natin ang mga implikasyon ng pananaliksik na ito. 

Isang Makabagong Teknolohiya na Tinutugunan ang mga Pangunahing Limitasyon sa Malinis na Produksyon ng Hydrogen Gamit ang Microwaves

Ang koponan ay binubuo ng mga interdisciplinary na mananaliksik na nagtatrabaho sa POTECH at pinamunuan ni Propesor Gunsu S. Yun. Kabilang dito ang doctoral candidate na si Jaemin Yoo (Department of Physics, Division of Advanced Nuclear Engineering), Propesor Hyungyu Jin, at doctoral candidate na si Dongkyu Lee (Department of Mechanical Engineering). Kinilala bilang isang breakthrough sa paghahangad ng sustainable na enerhiya, ang pananaliksik ay tampok sa Inside Front Cover ng Journal of Materials Chemistry A.

Nagsimula ang mga mananaliksik sa premise na habang ang microwaves ay maaaring magpainit ng pagkain nang epektibo, maaari rin itong magpasigla ng mga kemikal na reaksyon. Ipinakilala nila ang konseptong ito upang pababain ang temperatura ng reduksyon ng Gd-doped ceria (CeO2). Ang Gd-doped ceria (CeO2) ay isang benchmark na materyal para sa produksyon ng hydrogen, at ang enerhiyang microwave ay maaaring pababain ang temperatura ng reduksyon ng materyal na ito ng higit sa 60 porsyento – sa ibaba ng 600 degrees centigrade.

Ang enerhiyang microwave ay maaaring palitan ang 75 porsyento ng thermal na enerhiya na kailangan para sa reaksyon. Ang natuklasan ay karapat-dapat na isang breakthrough para sa sustainable na produksyon ng hydrogen.

“Ang pananaliksik na ito ay may potensyal na baguhin ang komersyal na kakayahang magamit ng mga thermochemical na teknolohiya sa produksyon ng hydrogen. Magbubukas din ito ng daan para sa pag-develop ng mga bagong materyales na na-optimize para sa mga prosesong kemikal na pinapagana ng microwave.”

Tinawag ni Propesor Gunsu Yun ang pagpapakilala ng bagong mekanismong ito at ang pagtagumpay nito sa mga umiiral na limitasyon ng proseso bilang ‘malalaking tagumpay’ na maaari lamang maganap dahil sa malapit na interdisciplinary na kolaborasyon ng koponan. 

Isa pang breakthrough na naabot ng koponan ay matatagpuan sa paglikha ng Oxygen Vacancies. Ang mga ito ay mga depekto sa estruktura ng materyal na tumutulong sa paghahati ng tubig upang makabuo ng hydrogen. Habang ang tradisyonal na mga pamamaraan ay maaaring tumagal ng oras sa napakataas na temperatura, ipinakita ng POSTECH team kung paano maaaring makamit ang parehong resulta sa loob lamang ng ilang minuto sa temperatura na mas mababa sa 600°C gamit ang teknolohiyang microwave.

Habang ang pananaliksik ng POSTECH ay nagbigay ng makabuluhang breakthrough, maraming iba pang mga organisasyon sa pananaliksik sa buong mundo ang aktibo sa paglikha ng mga makabagong pamamaraan para sa malinis na produksyon ng hydrogen. Isa sa mga organisasyon na nangunguna sa ganitong pananaliksik ay ang National Renewable Energy Laboratory, isang pambansang laboratoryo ng United States Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, na pinamamahalaan ng Alliance for Sustainable Energy LLC.

I-click dito upang malaman ang tungkol sa breakthrough na nagpadama ng hydrogen na mas kaakit-akit bilang pinagkukunan ng enerhiya.

Mababang Gastos na Produksyon ng Hydrogen: Iba pang Pagsisikap

Binuo sa pakikipagtulungan sa Xcel Energy (XEL ), ang wind-to-hydrogen (Wind2H2) demonstration project ng NREL ay nag-uugnay ng mga wind turbine at photovoltaic (PV) arrays sa mga electrolyzer stack, na nagpapasa ng nalikhang kuryente sa tubig upang hatiin ito sa hydrogen at oxygen. Ang proyekto ay kasalukuyang aktibo sa National Wind Technology Center malapit sa Boulder, Colorado. Ang pangkalahatang layunin ng proyekto ay mapabuti ang kahusayan ng sistema ng paggawa ng hydrogen mula sa renewable resources sa dami na sapat at sa gastos na mababa upang makipagkumpetensya sa tradisyonal na pinagkukunan ng enerhiya tulad ng karbon, langis, at natural gas.

Isa pang paraan ng paggawa ng malinis na hydrogen ay ang paggamit ng sikat ng araw upang direktang hatiin ang tubig sa hydrogen at oxygen. Ang industriya ng photovoltaic ay nakabuo na ng mga sopistikadong multijunction cell technologies para sa photoelectrochemical (PEC) light-harvesting systems na nakakalikha ng sapat na boltahe upang hatiin ang tubig at matatag sa kapaligirang tubig/electrolyte. Ang NREL ay may sariling PEC system na kanilang binuo.

Ang sistema ng NREL ay maaaring lumikha ng hydrogen mula sa sikat ng araw nang walang gastos at komplikasyon ng mga electrolyzer, na nakakamit ng solar-to-hydrogen conversion efficiency na 12.4% (lower heating value) gamit ang nakuhang liwanag. Ang karagdagang pananaliksik sa NREL ay nakatuon sa pag-develop ng mas epektibo, mas mababang gastos na mga materyales at sistema na matibay at resistent sa korosyon sa mga aqueous na kapaligiran.

I-click dito upang malaman kung bakit ang hydrogen ay maaaring maging kinabukasan ng fuel.

Biolohikal na Hydrogen 

Isa pang kapanapanabik na landas na ini-explore ng NREL ay ang ‘Biological Hydrogen.’ Ang mga siyentipiko ng NREL ay nagde-develop ng mga pretreatment technology upang i-convert ang lignocellulosic biomass sa mga feedstock na mayaman sa asukal na maaaring direktang i-ferment upang makabuo ng hydrogen, ethanol, at mga kemikal na may mataas na halaga.

Dagdag pa rito, isinasagawa rin ang mga pagsisikap upang tukuyin ang isang konsortium ng Clostridium na maaaring direktang i-ferment ang hemicellulose tungo sa hydrogen.

Ang iba pang mga larangan ng pananaliksik sa domain ng Biolohikal na Hydrogen ay kinabibilangan ng mga sumusunod:

• Pag-bio-prospecting ng mga epektibong cellulolytic microbes, tulad ng Clostridium thermocellum, na maaaring i-ferment ang kristalinong selulosa direkta tungo sa hydrogen upang pababain ang gastos sa feedstock.
• Pagkilala sa isang modelo ng cellulolytic bacterium.
• Pag-explore sa potensyal ng modelo ng cellulolytic bacterium para sa mga genetic manipulation, kabilang ang sensitivity sa antibiotics at kadalian ng genetic transformation.
• Pag-develop ng mga estratehiya upang lumikha ng mga mutant na sadyang hinaharang mula sa paggawa ng waste acids at solvents upang mapalaki ang yield ng hydrogen.

Habang ang mga organisasyon, institusyon ng pananaliksik, at mga laboratoryo ay aktibo sa buong mundo, aktibo rin ang mga pribadong kumpanya. 

1. Linde 

Isa sa mga kumpanyang nangunguna sa malinis na produksyon ng hydrogen sa loob ng maraming taon ay ang Linde. Ang kumpanya ay nagsasabing ang kanilang mga makabagong teknolohiya, kabilang ang epektibong compression at ligtas na refueling ng hydrogen, kasama ng dekada ng karanasan, ay ginagawang walang kapantay ang kanilang imprastruktura. 

Ang mga operasyon ng kumpanya, na nakatuon sa malinis na produksyon ng hydrogen, ay kinabibilangan ng ilang mga pamamaraan at estratehiya. Ang electrolysis para sa produksyon ng green hydrogen, halimbawa, ay gumagamit ng mga electrolyzer na pinapagana ng renewable energy.

Sa electrolysis, ang tubig ay hinahati sa hydrogen at oxygen gamit ang kuryente na ganap na nagmula sa renewable energy sources. Ang prosesong ito ay nagaganap sa loob ng mga yunit na tinatawag na electrolyzers. Bagaman ang mga electrolyzer ay nag-iiba sa laki, kapasidad, at teknolohiya, ang pangunahing kimika ay nananatiling pareho.

Sa kasalukuyan, may dalawang pangunahing teknolohiya ng electrolysis: alkaline at PEM (Proton Exchange Membrane) — pareho, ayon sa Linde, ay maaaring mag-produce ng high-purity hydrogen on-site at on demand.

 Ang alkaline electrolysis ay gumagamit ng dalawang electrode na pinaghiwalay ng porous diaphragm at likidong alkaline solution bilang electrolyte. Ang solusyon ng electrolyte ay nagpapahintulot sa mga hydroxide ion na ma-transport sa pagitan ng mga electrode upang bumuo ng oxygen at hydrogen, ngunit hindi sila nauubos sa reaksyon. Ang teknolohiyang ito ay maaaring mapagkakatiwalaan at cost-efficient.

Sa kabilang banda, ang PEM electrolysis ay gumagamit ng purong tubig at solid polymer electrolyte sa halip na likidong solusyon upang payagan ang kuryente na hatiin ang tubig sa hydrogen at oxygen. Ang mga proton ng hydrogen ay dumadaan sa membrane, na nagkokombina sa mga electron upang bumuo ng gas na H2 sa cathode side.

Ang Linde ay nag-aalok din ng epektibong Carbon Capture for Use and Storage (CCUS) technologies para sa iba’t ibang estratehiya. Mayroon itong mga makabagong delivery solution para sa pag-inject ng Hydrogen sa umiiral na natural gas pipelines upang magsilbi sa iba’t ibang aplikasyon. 

Ang Linde ay nagpapatakbo ng napaka-advanced na operasyon sa pag-iimbak ng hydrogen, na iniimbak sa ilalim ng lupa sa mga salt caves. Bukod sa pagiging karanasang partner sa pag-develop ng energy parks, ang Linde ay nagpapatakbo ng unang komersyal na high-purity Hydrogen cavern sa loob ng higit isang dekada. Mayroon din itong dekada ng karanasan sa pagbuo ng mga Hydrogen liquefaction system upang lumikha ng liquid hydrogen para sa mas madaling pag-imbak at transportasyon. 

Ayon sa pinakabagong magagamit na datos pinansyal, ang Linde ay nagrehistro ng benta na nagkakahalaga ng US$8.356 bilyon para sa quarter na nagtapos noong Setyembre 30, 2024. 

2. Air Products

Isa pang kumpanya na malaki ang ambag sa larangan ng malinis na produksyon ng hydrogen ay ang Air Products. Naniniwala ang kumpanya na ang malinis na produksyon ng hydrogen mula sa renewable energy sources ay magiging mahalaga para sa pag-decarbonize ng mga industriyang mahirap i-electrify tulad ng paggawa ng bakal at kemikal.

Ang kumpanya ay nakapag-commit na ng US$15 bilyon sa mga proyekto na magpapaunlad ng low-carbon hydrogen production at magpapabilis ng energy transition. 

Ang mga aplikasyon ng malinis na hydrogen ng kumpanya ay kinabibilangan ng hydrogen fueling para sa mga sasakyan, bus, forklift, barko, tren, at trak. Ang road transportation ay kumakatawan sa halos 12% ng global emissions. Ang pag-convert ng diesel bus sa zero-emission hydrogen fuel cell bus ay maaaring magbawas ng global greenhouse gas emissions at mapabuti ang kalidad ng hangin. Ang Air Products ay nangunguna sa Hydrogen bus fueling at kasali sa mga proyekto sa buong mundo. 

Ang NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), isang equal production joint venture ng ACWA Power, Air Products, at NEOM, ay nagtatayo ng pinakamalaking green-hydrogen-based ammonia production facility sa mundo na tatakbo sa renewable energy. Ang planta ay magpoprodyus ng hanggang 600 tonelada kada araw ng carbon-free hydrogen sa anyo ng green ammonia bilang cost-effective na solusyon para sa transportasyon at industriyal na sektor sa buong mundo.

Ang bagong net-zero hydrogen energy complex ng Air Products ay nakatakdang gawing Edmonton, Alberta, ang sentro ng hydrogen economy ng kanlurang Canada. Habang ang konstruksyon ay kasalukuyang isinasagawa sa Edmonton sa transformative na bagong hydrogen facility ng Air Products, ang pagkonekta ng pasilidad na ito sa umiiral na pipeline network ng kumpanya ay makakatulong sa mga customer nitong refining at petrochemical na bawasan ang carbon intensity ng kanilang mga produktong enerhiya at mapabuti ang kanilang sustainability performance. Bukod pa rito, ang best-in-class na liquefaction facility ay makakatulong upang mapabilis ang paggamit ng hydrogen bilang emission-free na fuel sa transportasyon sa kanlurang Canada. 

Ang Louisiana Clean Energy Complex ng Air Products ay magpoprodyus ng low-carbon hydrogen upang magbigay ng enerhiya sa mobility at industriyal na merkado sa Gulf Coast region at higit pa. Ang pasilidad ay tinatayang makakakuha at magse-sequester ng 95% ng carbon dioxide emissions nito (higit sa 5 milyong tonelada bawat taon), permanenteng ini-sequester ang CO2 sa ideal na geological pore space sa Louisiana. 

Ang proyektong ito ay ang pinakamalaking US investment ng Air Products, na itinayo upang tulungan ang estado ng Louisiana na bawasan ang GHG emissions nito sa net zero pagsapit ng 2050. 

Plano rin ng Air Products na mag-invest ng humigit-kumulang $500 milyon upang magtayo, magmay-ari, at magpatakbo ng pasilidad na may kapasidad na 35-metric-ton-per-day upang mag-produce ng green liquid hydrogen sa isang greenfield site sa Massena, New York, kasama ang pagtatatag ng liquid hydrogen distribution at dispensing operations. Ang proyekto ay magreresulta sa pag-iwas ng 6 milyong tonelada ng CO2 sa kabuuan ng buhay ng proyekto. Gagamitin ng proyekto ang hydroelectric power mula sa St. Lawrence River upang patakbuhin ang produksyon ng carbon-free liquid hydrogen.

Para sa fiscal year na nagtapos noong Setyembre 30, 2024, ang kumpanya ay nagrehistro ng sales figure na higit sa US$12 bilyon. 

Sa Hinaharap na may Malinis na Hydrogen

May sapat na paghihikayat para sa mga kumpanya at organisasyon ng pananaliksik na patuloy na mag-develop ng mga bagong paraan para sa maaasahan at cost-effective na produksyon ng hydrogen. Halimbawa, ang US Department of Energy ay pumili ng pitong nanalo noong 2023 para sa kabuuang US$7 bilyong pondo na inilalaan ng Bipartisan Infrastructure Law upang magpatakbo ng serye ng “hydrogen hubs”. Upang makwalipika, kailangang patunayan ng bawat hub na kaya nitong “mag-produce ng hindi bababa sa 50–100 metric tons ng malinis na hydrogen kada araw at bawasan ang greenhouse gas emissions.”

Ang mga pinakaaktibong kalahok na binanggit sa napiling hydrogen hubs ng DOE ay kinabibilangan ng mga tulad ng 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 ), at (TRP ). 

Ang mga cutting-edge na teknolohiya ay maaari ring kasangkot sa pagpapabuti ng produksyon at distribusyon ng hydrogen. Halimbawa, ang NREL ay nagsasagawa ng accelerated testing at cycling ng 700 bar hydrogen dispensing hoses sa Energy Systems Integration Facility gamit ang automated robotics upang i-simulate ang field conditions. Dito, ginagaya ng mga robot ang paulit-ulit na stress ng isang tao na yumuyuko at nag-ikot ng hose upang mag-dispense ng hydrogen sa onboard storage tank ng fuel cell vehicle. Ang mga mananaliksik ay tumitingin sa mechanical, thermal, at pressure stress efficiencies ng mga bagong at ginagamit na hydrogen dispensing hoses.

Ang hydrogen ay nasa kasagsahan, at ang momentum nito ay patuloy na lalago mula dito. Ayon sa mga organisasyon na sumusubaybay sa global buildout ng mga hydrogen project, 680 na malakihang proyekto ng produksyon ng hydrogen ang inanunsyo noong 2022 lamang, na nagresulta sa $240B na direktang investment. Ang REL ay regular ding nagsasagawa ng systems-level analyses sa iba’t ibang sustainable hydrogen production at delivery pathways upang matulungan matukoy ang mga pagbuti sa status na nagmumula sa mga pag-unlad sa teknolohiya, gastos bilang function ng production volume, at potensyal para sa cost reductions.

Walang duda na ang Hydrogeestment hanggang 2030, habang ang private equity at venture firms ay nag-invest ng rekord na halaga sa mga kumpanyang hydrogen sa iba’t ibang yugto ng pag-unlad noong 2022, na nag-alok ng $3.1B sa private equity sa mga kumpanyang may kaugnayan sa hydrogen at $2.6B sa venture capital investment sa 192 startup sa larangan.

Habang tinatalakay ang kahalagahan ng momentum na ito, sinabi ni Adria Wilson, isang direktor sa Breakthrough Energy’s US Policy & Advocacy team, na ang mga kamakailang tagumpay sa polisiya ay nangangahulugang ang abot-kayang, malinis na hydrogen ay magiging isang tool sa dekarbonisasyon na magagamit natin sa susunod na dekada, kung hindi man mas maaga.

Gayunpaman, kahit na lubos na optimistiko, dapat din tandaan na marami pang kailangang gawin. Ayon sa mga numero mula sa World Resources Institute, 95% ng hydrogen ay ginagawa mula sa fossil fuels, karaniwang sa pamamagitan ng prosesong kilala bilang steam methane reforming (SMR), kung saan ang tubig ay pinainit sa mataas na temperatura upang lumikha ng steam na tumutugon sa natural gas at nagpo-produce ng hydrogen at carbon dioxide (CO2). Ang prosesong ito ay patuloy na naglalabas ng malaking GHG, na naglalabas ng hanggang 10 kilogram ng CO2 equivalent bawat kilogram ng hydrogen (kg CO2e/kg H2) hanggang 14 kg CO2e/kg H2, isang halaga na katulad ng carbon emissions mula sa paggawa at pagsunog ng isang galon ng gasolina.

Ang mga paraan ng malinis na produksyon ng hydrogen ay kailangang makatulong sa atin na alisin ang mga ganitong pamamaraan. Ang paglipat ay kailangang mabilis ngunit sa pamamagitan ng sustainable na mga pamamaraan.

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang clean energy stocks na may sustainability focus.