Groene waterstof gaat grijs vervangen omdat nieuwe elektrokatalysatoren de productie kosteneffectief maken

Goedkopere en groenere waterstof

Groene waterstof is het idee om waterstof als brandstof te produceren uit hernieuwbare energiebronnen, waardoor het een alternatief wordt voor fossiele brandstoffen. Voor de productie van waterstof via elektrolyse zijn echter dure en zeldzame metalen uit de platinafamilie nodig.

Koreaanse onderzoekers Pr. Jungki Ryu aan de School voor Energie en Chemische Technologie in UNIST en Pr. Dong-Hwa Seo van de afdeling Materiaalwetenschappen en Techniek van KAIST heeft een nieuw type katalysator gevonden, ruthenium, om het gebruik van platina of iridium te vermijden.

Om precies te zijn: het hangt ervan af op een veel goedkopere en minder milieubelastende legering van ruthenium, silicium en wolfraam (RuSiW).

De waterstofregenboog

Waterstof is het meest voorkomende atoom in het universum, maar wordt op aarde niet gemakkelijk als brandstof gevonden.

Momenteel is de meeste geproduceerde waterstof zogenaamde “grijze waterstof”, gemaakt met behulp van methaan (aardgas), waardoor veel koolstof in de atmosfeer terechtkomt. Dit is slechts een van de mogelijke “kleuren” van waterstof:

• Grijs/bruine waterstof: geproduceerd uit fossiele brandstoffen.
• Blauwe waterstof: geproduceerd uit fossiele brandstoffen, maar met koolstofafvang.
• Roze waterstof (ook wel gele waterstof genoemd): geproduceerd uit kernenergie.
• Turkoois waterstof: geproduceerd uit de pyrolyse van methaan. Hierdoor wordt methaan afgebroken tot waterstof en vaste koolstof. De vaste koolstof kan worden opgeslagen of gebruikt voor toepassingen zoals koolstofvezels.
• Groene waterstof: geproduceerd uit hernieuwbare energie.

Groene waterstof is de ideale situatie en een doel voor de meeste klimaatbewuste mensen. De productie ervan is afhankelijk van een proces dat elektrolyse wordt genoemd, waarbij watermoleculen worden afgebroken tot gasvormig waterstof en zuurstof. Dit is een vrij energetisch proces, dat ook afhankelijk is van katalysatorelementen uit de platinagroep.

De zoektocht naar groene waterstof

Groene waterstof is een belangrijk onderdeel van de puzzel om de economie koolstofvrij te maken, omdat het toepassingen kan vervullen die elektriciteit alleen niet kan. Bijvoorbeeld, het kan de koolstofemissies van traditionele staalproductieprocessen met 95% verminderen. De staalproductie vertegenwoordigt 11% van de mondiale uitstoot. Het kan ook worden gebruikt door brandstofcellen om de motoren van auto's, vrachtwagens en boten aan te drijven.

Het zou ook rechtstreeks kunnen worden gebruikt voor energieopslag of voor de productie van ammoniak, een goede kandidaat voor brandstof voor de scheepvaart over lange afstanden of energieopslag voor de lange termijn, iets wat we in ons artikel hebben besproken “De andere waterstofbrandstof – Top 5 groene ammoniakvoorraden'.

Het is al lang bekend dat ruthenium een ​​alternatief zou kunnen bieden voor platina, maar het had te kampen met beperkingen:

• lagere katalytische activiteit vergeleken met platina.
• lagere stabiliteit vergeleken met iridium.

Uit deze recente ontdekking is gebleken dat de aanwezigheid van silicium rond het rutheniumatoom de absorptie-intensiteit van H+ op het katalysatoroppervlak verhoogt.

De stabiliteit wordt vergroot doordat een dunne wolfraamfilm met een dikte van 5 ~ 10 nm de katalytische plaats van ruthenium beschermt. Dit is hetzelfde type techniek dat wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders wolfraam in gasvorm wordt in een zeer dunne laag over de siliciumchip afgezet.

Sectoren waar ze van kunnen profiteren

Door de groene waterstofproductie goedkoper en milieuvriendelijker te maken, zou deze ontdekking een impuls kunnen zijn voor meerdere sectoren:

• Fabrikanten van brandstofcellen, wier motoren economisch zullen profiteren van goedkopere brandstof.
• Groene waterstofproducenten zouden grotere marges kunnen zien en waterstof marktaandeel zien winnen op de energiemarkten.
• Fabrikanten van groene ammoniak. Niet alleen zullen ze toegang krijgen tot goedkopere waterstof voor de productie van ammoniak, maar de massale adoptie van ammoniak vereist ook katalysatoren om de giftige en ‘superbroeikasgassen’ NOx te verminderen. Meestal is hiervoor ook platina nodig, maar misschien zou RuSiW hier ook de klus kunnen klaren?
• De duurzame energiesector zal, als massale groene waterstofproductie, een uitlaatklep bieden voor “overtollige” energie in tijden van sterke zon of wind.

Bedrijven waarvan zij kunnen profiteren

1. Aker Horizons ASA

Aker Horizon is de dochteronderneming van de Aker-groep die zich richt op groene energie. De groep is een belangrijk Noors conglomeraat, met een focus op duurzame energie en maritieme/offshore-activiteiten. Aker Horizon is de houdstermaatschappij van verschillende dochterondernemingen, waaronder koolstofafvang, groene waterstof en hernieuwbare energie.

Bron: Acker

Het bedrijf is met name zeer actief op het gebied van de productie van waterstof en groene ammoniak, met als doel de scheepvaart in het Noordpoolgebied koolstofarm te maken en fossiele brandstoffen te vervangen door brandstoffen op waterstofbasis.

Bron: Acker

Aker bevindt zich dus in een uitstekende positie om te profiteren van een kostenverlaging bij de opwekking van groene waterstof. Het kan de gehele verticale integratie van groene ammoniak aan, van offshore windmolens tot waterstofopwekking en de productie van groene ammoniak.

Het werkt ook aan projecten zoals afvalenergie in Frankrijk, een biomassacentrale in Duitsland en koolstofafvang in het Midden-Oosten (Saoedi-Arabië en de VAE).

Dit maakt het een goed aandeel voor beleggers die op zoek zijn naar blootstelling aan de groene energiesector in het algemeen, met een sterke positionering op groene waterstof en groene ammoniak, maar ook op andere groene energieën, en enige geografische diversificatie.

2. Sluit Power Inc.

Plug Power is toonaangevend op het gebied van groene waterstof, met een focus op brandstofcellen. Met name de brandstofcellen drijven meer dan 40,000 vorkheftrucks aan, met een omzetstijging van acht maal sinds 8. Het bedrijf is ook actief in het bouwen van waterstofinfrastructuur zoals waterstofproductie, logistiek, energieopwekking op nutsschaal en leveringen.

Het bedrijf streeft naar schaalvergroting om de productiekosten te verlagen van $10/kg naar $4/kg, terwijl de productie in 14 met een factor 2027 zal worden vermenigvuldigd. Uiteraard zouden nieuwe technologieën die de behoefte aan platina voor elektrolyse vermijden ook helpen.

Bron: Steek de stekker in het stopcontact

Door enorme investeringen om de productiecapaciteit sinds 19 2020x te vergroten, is het bedrijf nog niet winstgevend. Dit leidde tot een bijna verdubbeling van de omzet van begin tot eind 2023.

Het grootste deel van de huidige en verwachte omzet zal naar verwachting uit Noord-Amerika komen. De strategische overnames van het bedrijf, zoals die van United Hydrogen en Giner ELX, hebben zijn positie in de waterstofeconomie verder versterkt door zijn capaciteiten op het gebied van waterstofopwekking, vloeibaarmaking en distributie te vergroten.

Het bedrijf beschouwt zijn oplossing als een brandstof voor directe mobiliteit, of als een aanvulling op elektrische voertuigen, omdat waterstof het mogelijk maakt de druk op het elektriciteitsnet te verminderen van piekladingen van elektrische voertuigen die niet overeenkomen met de productietijden van hernieuwbare energiebronnen op een dag.

Bron: Steek de stekker in het stopcontact

Als belangrijke producent van brandstofcellen zou Plug Power sterk profiteren van een omslag naar een op waterstof/ammoniak gebaseerde economie. Dit maakt Plug Power dus een goed aandeel om in te zetten op een wending naar waterstof in het algemeen, met of zonder ammoniak. Ook de focus op kosten en schaalgrootte is lovenswaardig.

3. Ballard Power Systems Inc.

Ballard is een andere fabrikant van brandstofcellen en een pionier op het gebied van de technologie met zijn eerste brandstofcelbus in 1993.

Het bedrijf richt zich op zware markten: bussen, vrachtwagens, treinen/trams, schepen, mijnbouw/bouw en energie. Hoewel bussen de kern van het bedrijf vormden, verwacht het bedrijf dat vrachtwagens in 2025 een belangrijk bedrijfssegment zullen zijn. Het verwacht ook dat Europa zijn belangrijkste markt zal blijven (50-60%), gevolgd door Noord-Amerika (25%).

Er wordt verwacht dat brandstofcellen voor vrachtwagens zullen blijven groeien en in 7.5 een markt van $2030 miljard zullen vertegenwoordigen (van een TAM van $195 miljard), bijna net zo groot als alle andere waterstof/brandstofceltoepassingen samen. Deze groei zou kunnen versnellen als de prijzen voor de productie van waterstof dankzij nieuwe technologieën dalen.

Bron: Ballard

Vanwege het hogere vereiste vermogen en de behoefte aan snel opladen zijn zware voertuigen een goede markt voor waterstof en brandstofcellen geweest ten opzichte van lichtere voertuigen zoals auto's. Het vermindert ook de behoefte aan bovenleiding voor spoor- en trolleybussen, en aan snel opladen voor langeafstandsvervoer.

Bron: Ballard

Ook op het gebied van ammoniak is het bedrijf geen onbekende een recent contract met Amogiek om het te voorzien van brandstofcellen voor zijn “ammoniak-to-power-platform dat vertrouwt op unieke ammoniakkraaktechnologie”.

Hoewel elektrische voertuigen een redelijke kans hebben om snel de automarkten over te nemen, zijn zwaardere voertuigen moeilijker koolstofvrij te maken. Met zijn gevestigde leiderschap in de sector zou Ballard een van de voornaamste begunstigden zijn van een beleidspush in de richting van een waterstofeconomie.

4. Zeeborg

Seabord is een Deens bedrijf dat een compacte gesmoltenzoutkernreactor ontwikkelt die tevens een drijvende energiecentrale is van maximaal 800 MW.

Bron: Seaborg

Het op zee gebaseerde ontwerp van de kernreactoren van Seaborg maakt het geschikt voor kustlanden, waar discussies over gevoerd worden Indonesië  en  Noorwegen.

Seaborg werkt ook samen met de wereldleider in scheepsbouw Samsung Heavy Industries om zich te ontwikkelen drijvende kerncentrales gecombineerd met waterstof- en ammoniakfabrieken.

Hoewel groen beleid en activisten vaak de voorkeur geven aan waterstof, is er geen vereiste dat waterstof wordt geproduceerd met groene elektriciteit om de CO2-uitstoot te verminderen, alleen dat de stroom afkomstig is van een koolstofarme bron. Kernenergie is dus ook een optie.

Daarom zou Seaborg een integraal onderdeel kunnen worden van een nucleair aangedreven waterstof- en ammoniakeconomie. En het is gemakkelijk in te zetten en te verplaatsen. Kernreactoren zouden een geweldige optie kunnen zijn voor de levering van waterstof aan havens.

Ze zouden zelfs kunnen rouleren op basis van de seizoensvraag, door bijvoorbeeld in de winter op het noordelijk halfrond te blijven (wanneer de productie van hernieuwbare energie laag is) en de rest van het jaar naar andere locaties te verhuizen.

5. Bloom Energy

De medeoprichter van Bloom bouwde in de jaren zestig de eerste waterstofbrandstofcel voor het project Gemini en was in de jaren tachtig ook een pionier op het gebied van elektrolyse.

Het bedrijf heeft voor honderden klanten 1 GW aan oplossingen voor primaire energieopwekking op locatie ingezet, waarbij 95% van alle stationaire brandstofcellen die sinds 2018 in de VS zijn geïnstalleerd, Bloom Energy Servers zijn.

Bron: Bloom Energy

De focus van Bloom lag op industriële locaties, datacentra, ziekenhuizen, winkelcentra en andere grote faciliteiten de inzet van microgridS. Het werkt ook over de ontwikkeling van brandstofcellen voor de zeescheepvaart.

Bloom haalt het grootste deel van zijn omzet uit de verkoop van brandstofcellen en elektrolyzers, die 75% van de totale omzet vertegenwoordigen, waarbij 2/3^rd van de omzet in de VS.

De elektrolyzers van het bedrijf maken gebruik van de technologie van vast oxide, die 20-25% meer waterstof per megawatt (MW) produceert dan oudere methoden zoals protonelektrolytmembraan (PEM).

Bron: Bloom Energy

Als leider op het gebied van brandstofcelsystemen voor grote faciliteiten zou Bloom moeten profiteren van de goedkope waterstofproductie, ook al zou de opkomst van goedkopere, niet-platina elektrolysekatalysatoren ook een bedreiging kunnen vormen voor de vaste-oxide-elektrolysekatalysatoren die het bedrijf aanbiedt.