Energia
Vetyntuotannon edistysaskeleet nikkelipohjaisella elektrolyysillä
Elektrolyysin edistäminen vedyn tuotannossa
Hydrogen is considered a serious candidate for replacing fossil fuels. This is true in transportation, thanks to fuel cells, and in industrial processes where hydrogen’s high combustion temperature can replace coal & natural gas when electrification is not an option.
Vetyä pidetään vakavana ehdokkaana fossiilisten polttoaineiden korvaajaksi. Tämä pätee liikenteeseen, kiitos polttokennojen, sekä teollisuusprosesseihin, joissa vedyn korkea palamislämpötila voi korvata hiilen ja maakaasun, kun sähköistys ei ole vaihtoehto.
Ongelma on, että vetyä ei usein löydy helposti saavutettavista luonnonvaroista, kuten maakaasusta. Sen sijaan se täytyy tuottaa keinotekoisesti, ja elektrolyysi on yleisimmin käytetty menetelmä.
Elektrolyysi on veden hajottamista vedyksi ja hapeksi. Nykyisen elektrolyysimenetelmän ongelmiin kuuluvat alhainen hyötysuhde (energiankulutus) ja korkeat kustannukset, jotka johtuvat pääosin kalliista katalyyttien, kuten platinaan, käytöstä.
Korealainen tutkimusryhmä on saattanut löytää tavan sekä parantaa hyötysuhdetta että korvata kalliit katalyytit paljon edullisemmalla ja runsaammalla nikkelillä.
Nikkelin nanoarrayt tehostavat vedyn tuotantoa
Professori Jong Kyu Kimin johdolla toimivan materiaalitieteen ja -tekniikan osaston tutkimusryhmä POSTECHissa (Pohang University, Korea) on pyrkinyt ratkaisemaan merkittävän ongelman vedyn elektrolyysissä.
Lähde: POSTECH
Ongelma on, että tuotettu vety pysyy “kiinni” katalyyttiin, estäen sen pääsyn lisää vettä ja jatkamasta toimintaa. Tämä heikentää hyötysuhdetta, lisää tarvittavaa energiaa ja lopulta vaatii kalliimpia katalyyttejä kuin olisi tarpeen.
Sen sijaan professori Jong Kyu Kim ja hänen tiiminsä ovat luoneet tarkasti muotoiltuja, ei täysin pystysuorassa asennossa olevia nikkelin nanotankoja. Nikkelin tankojen nanorakenne ja kalteva kulma aiheuttavat niin kutsutun “super-aerophobicity”, jonka ansiosta vedyn kuplat irtoavat helpommin.
Tämä puolestaan vapauttaa tilaa veden pääsyyn katalyytin luo, mikä mahdollistaa tehokkaamman elektrolyysin.
Lähde: POSTECH
Tämä voi merkittävästi lisätä prosessin hyötysuhdetta, sillä vedyn tuotantotehokkuus paranee huikeasti 55‑kertaiseksi verrattuna saman määrän nikkeliin perinteisessä ohutkalvostruktuurissa.
Laajentuminen nikkelikatalyytin ulkopuolelle
Teknologia käyttää nikkelin nanotankoja, mutta sen ei tarvitse rajoittua tähän metalliin. itse asiassa tämä vinosti asennettu nikkelin nanorakenne, joka vähentää vedyn tarttumista, voidaan teoreettisesti soveltaa mihin tahansa muuhun katalyyttiin. Mitä tämä tarkoittaa vedyn tulevaisuudelle?
Parempi elektrolyysi
Tällä hetkellä suurin osa maailmassa tuotetusta vedystä valmistetaan maakaasusta. Tämä on taloudellisesti kannattavampaa, mutta se kumoaa vedyn tuotannon tarkoituksen vähentää hiilidioksidipäästöjä.
Saadakseen todellisesti hiilineutraalia vetyä, sen tuottaminen uusiutuvista energialähteistä saatavasta sähköstä on oikea tapa, yleensä kutsutaan “vihreäksi vedeksi”.
Mikä tahansa menetelmä, joka voi alentaa vihreän vedyn toimitusketjun kokonaiskustannuksia, vie askeleen lähemmäs sen tekemistä käyttökelpoiseksi vaihtoehdoksi fossiilisille polttoaineille.
Tämä voi pitää paikkansa “klassisten” korkean hyötysuhteen, korkean kustannuksen platina‑katalyyttien osalta, mahdollisesti yhdessä nikkelin tankojen kanssa.
Se voisi myös olla mahdollista soveltaa muihin äskettäin löydettyihin kustannustehokkaisiin elektrolyysikatalyytteihin, kuten rutheniumiin, piihin ja volframiin (RuSiW), joista keräsimme artikkelissamme Vihreä vety on valmis korvaamaan harmaan, kun uudet elektrokatalaasit tekevät tuotannosta kustannustehokasta.
Parempi vedyn toimitusketju
Elektrolyysi on vain yksi niistä vaiheista, joita voidaan parantaa, jotta vetyä voidaan tehdä energiajärjestelmiemme kulmakiveksi.
Esimerkiksi paremmat polttokennot voisivat tehdä vetyajoneuvoista vahvoja kilpailijoita sähköautoille, kuten käsittelimme artikkelissamme Ovatko akkupaketit vain esikuvia vetypolttokennoille? Todellinen seuraavan sukupolven sähköautot?.
Ja tehokkaammat suurten mittakaavojen varastointiratkaisut voivat tehdä vedystä paljon helpommin käsiteltävän ja jaettavan, kuten käsittelimme artikkelissamme Vety on juuri tullut houkuttelevammaksi energialähteeksi säilytysläpännyksen läpimurrosta.
Mahdolliset muut sovellukset
Kaltevien nanotankojen käyttö super-aerofobisuuden luomisessa voi tarjota sovelluksia vedyn ulkopuolelle.
Ensimmäinen vaikutus on, että edullisen ja tehokkaan vedyn tuotannon myötä saadaan yhtä tehokas ammoniakin tuotanto. Ammoniikilla on joitakin merkittäviä etuja vedyn sijaan sovelluksissa kuten laivaliikenteen polttoaine, kuten käsittelimme artikkelissamme Hiilineutraalin globaali laivaliikenteen dekarbonisointi vihreän ammoniakin avulla.
Professori Jong Kyu Kim mainitsi myös, että nanotankkitekniikka voisi hyödyttää muita kaasuprosesseja.
“Parantamalla veden elektrolyysiprosessin tehokkuutta vihreän vedyn tuotannossa, edistymme kohti vetytaloutta ja hiilineutraalia yhteiskuntaa.
Tämä läpimurto hyödyttää veden elektrolyysiä ja tarjoaa lupauksia erilaisiin uusiutuvan energian sovelluksiin, joissa pinnareaktiot ovat keskeisiä, kuten hiilidioksidin reduktio ja valon energian muuntamisjärjestelmät.”
Näin ollen tämä innovaatio voi ylittää vedyn rajan ja vaikuttaa merkittävästi hiilidioksidin talteenottoon ja keinotekoiseen fotosynteesiin, ideaan, jonka aloitimme tutkia artikkelissamme Keinotekoinen fotosynteesi ja biohajoavuus: Taistelu muovihaittaa vastaan kestävyys mielessä.
Vetyratkaisuyritykset
1. Aker Horizons ASA
Löytö siitä, miten nikkelin nanotankkeja käytetään, on vain viimeisin sarjassa innovaatioita, jotka vahvistavat vedyn mahdollisuuksia vaihtoehtoisena polttoaineena ja energian varastointiratkaisuna. Siksi voi olla kannattavaa hajauttaa sijoituksia kaikkiin vedyn toimitusketjun vaiheisiin.
Aker Horizons on Aker-konsernin tytäryhtiö, joka keskittyy vihreään energiaan. Aker-konserni on merkittävä norjalainen konglomeraatti, joka panostaa uusiutuviin energialähteisiin sekä meri-/offshore-liiketoimintaan. Aker Horizons on holdingyhtiö useille tytäryhtiöille, mukaan lukien hiilidioksidin talteenotto, vihreä vety ja uusiutuvat energiat.
Lähde: Aker
Yritys on erityisen aktiivinen vedyn ja vihreän ammoniakin tuotannossa, tavoitteena hiilidioksidipäästöjen vähentäminen arktisessa laivaliikenteessä, erityisesti Norjassa.
Aker Horizons pystyy hallitsemaan koko vihreän vedyn ja ammoniakin pystysuoran integraation, offshore‑tuulivoimaloista vedyn tuotantoon ja vihreän ammoniakin valmistukseen.
Se työskentelee myös projekteissa, kuten jäte‑energia Ranskassa, biomassalaitos Saksassa ja hiilidioksidin talteenotto Lähi‑idässä (Saudi‑Arabia ja Yhdistyneet arabiemiirikunnat).
Tämä tekee siitä hyvän osakkeen sijoittajille, jotka etsivät laajaa altistumista vihreän energian sektorille, vahvalla asemalla vihreässä ammoniakissa ja laivaliikenteessä, mutta myös muissa vihreissä energioissa sekä maantieteellisellä hajautuksella.
2. Ballard Power Systems Inc.
(BLPD )
Emme vielä ole varmoja, mikä on vedyn pääasiallinen markkina. Se voi olla sähköntuotanto ja auton polttoaine, mutta se voi myös pysyä rajoittuneena raskaampiin tehtäviin, jotka ovat vaikeampia sähköistää.
Ballard on polttokenniä valmistava yritys ja teknologian pioneeri, jonka ensimmäinen polttokenni‑bussi lanseerattiin vuonna 1993.
Yritys keskittyy raskaiden ajoneuvojen markkinoihin: bussit, kuorma‑autot, junat/raitiovaunut, alukset, kaivos‑/rakennusala ja energia. Vaikka bussit ovat olleet liiketoiminnan ydin, yritys odottaa, että vuoteen 2025 mennessä kuorma‑autot muodostavat merkittävän liiketoimintasegmentin. Se odottaa myös, että Eurooppa pysyy sen päämarkkinana (50‑60 %), jota seuraa Pohjois‑Amerikka (25 %).
Kuorma‑autojen polttokennejen odotetaan kasvavan ja ne edustavat 7,5 miljardia dollaria arvostettua markkinaa vuonna 2030 (195 miljardia dollaria TAM:sta), lähes yhtä suurta kuin kaikki muut vety‑/polttokennisovellukset yhteensä.
Tämä kasvu voi nopeutua, jos vedyn tuotantohinnat laskevat uusien teknologioiden, kuten parannetun ja edullisemman elektrolyysin, ansiosta.
Lähde: Ballard
Korkeamman tehon ja nopean latauksen tarpeen vuoksi raskaiden ajoneuvojen markkinat ovat olleet hyviä vedylle ja polttokenneille kevyempiä ajoneuvoja, kuten autoja, vastaan. Se myös vähentää raiteiden ja raitiovaunujen kattojohtojen tarvetta.
Lähde: Ballard
Yritys ei ole myöskään vieras ammoniakille, esimerkiksi äskettäinen sopimus a recent contract Amogyn kanssa, jossa se toimittaa polttokennejä sen “ammoniakista energia‑alustalle, joka perustuu ainutlaatuiseen ammoniakin rikkomisteknologiaan”.
Vaikka sähköautot omaavat kohtuullisen mahdollisuuden valloittaa automarkkinat nopeasti, raskaampien ajoneuvojen hiilidioksidipäästöjen vähentäminen on vaikeampaa.
Vakiintuneen johtajuutensa ansiosta Ballard olisi merkittävä hyötyjä politiikan suuntaamisesta vetytalouteen, sekä nopeasti laskevan vedyn tuotantokustannuksen nikkelipohjaisesta elektrolyysistä.
