Hydrogen ble akkurat mer attraktiv som energikilde gjennom gjennombrudd i inneslutningen

Hydrogen, det letteste grunnstoffet i universet, er representert med symbolet H. Det har et atomnummer på 1 og er det vanligste grunnstoffet. Det er det enkleste kjemiske elementet, med bare ett proton og ett elektron, og er fargeløst, smakløst og luktfritt. 

Interessant nok bidrar hydrogen med anslagsvis 75 % av universets masse. Imidlertid utgjør den bare omtrent 0.14 % av jordskorpen etter vekt. Det forekommer naturlig i sammensatt form med andre elementer i faste stoffer, væsker og gasser. Og når det kombineres med oksygen, danner dette brennbare stoffet vann (H2O), og i kombinasjon med karbon danner det hydrokarbon, som finnes i petroleum og kull. Så hydrogen kan produseres fra en rekke ressurser, inkludert fornybar kraft som sol og vind, kjernekraft og naturgass. 

bemerkelsesverdig, flere funn er gjort av naturlig dannede lommer av hydrogengass i land som Australia, New Zealand, Canada, Frankrike, Tyskland, Japan og Russland. For tiden undersøker forskere omfanget av disse reservene i disse landene, sammen med deres opprinnelse og potensielle effekter på omkringliggende miljøer hvis de utvinnes.

Hydrogen som energikilde

De vanligste metodene for å produsere hydrogendrivstoff inkluderer termisk, elektrolyse, fotovoltaisk drevet elektrolyse, solcelledrevne og biologiske prosesser. 

Termisk

I den termiske prosessen reagerer damp med et hydrokarbonbrensel som diesel, naturgass, gassifisert kull eller gassifisert biomasse for å produsere H. Spesielt er det meste (omtrent 95 %) av all hydrogen produsert fra dampreformering av naturgass. 

elektrolyse

Elektrolyse inkluderer i mellomtiden å separere vann til oksygen og hydrogen. Denne prosessen foregår i en elektrolysator og lager hydrogen fra vannmolekyler.

Biologisk

Biologiske prosesser bruker mikrober som ikke kan sees med det blotte øye, for eksempel bakterier, for å produsere hydrogen. 

Solar

Den soldrevne prosessen, som navnet antyder, bruker lys til reproduksjon av H på forskjellige måter som fotoelektrokjemisk (bruker spesialiserte halvledere for å skille vann inn i H og O), fotobiologisk (bruker den naturlige fotosyntetiske aktiviteten til bakterier og grønne alger) , og solvarmekjemikalier (bruker konsentrert solenergi for å drive vannsplittende reaksjoner).

I tillegg til alle dets kvaliteter, er hydrogen også et rent drivstoff, noe som betyr at det bare produserer vann, varme og elektrisitet når det forbrukes i en brenselcelle. Dette gjør det til et attraktivt alternativ for elektrisitetsproduksjon og -transport, inkludert biler og raketter. Det energitette og lagringsbare stoffet som ikke produserer drivhusgasser ble faktisk brukt til å drive forbrenningsmotorer for mer enn to århundrer siden. 

Disse viser at hydrogen er et av de ledende alternativene for lagring av fornybar energi og også brukes i mange bransjer. Imidlertid er det sanne potensialet ennå ikke realisert. For det må hydrogen produseres i økonomisk skala. Den nåværende infrastrukturen må også tilpasse seg hydrogen, selv om den kan transporteres gjennom gassrørledninger.

Selv om vi ikke fullt ut har utnyttet underverkene ved å bruke hydrogen som drivstoff, har globale utgifter til forskning og utvikling for å utforske det fulle potensialet til hydrogen som energikilde økt gjennom årene. En fersk studie har faktisk gjort et stort gjennombrudd i denne forbindelse, og muliggjør lagring av hydrogen med høy tetthet for fremtidige energisystemer.

Rammeverk for å lagre tettpakket hydrogen

Publisert i tidsskriftet Nature Chemistry forrige måned, studien, "Småpore hydridiske rammeverk lagrer tettpakket hydrogen" ble delvis finansiert av National Research Foundation of Korea (NRF) og German Research Foundation (DFG).

Mens nanoporøse materialer har skapt mye oppmerksomhet for gasslagring, bemerket studien at det fortsatt er en utfordring å oppnå høy volumetrisk lagringskapasitet. Så flere forskere fra forskjellige universiteter kom sammen for å ta opp dette problemet.

Michael Hirscher, fra Japans Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) ved Tohoku University og Tysklands Max Planck Institute for Intelligent Systems, unnfanget de originale ideene og overvåket prosjektet. I mellomtiden ledet Hyunchul Oh fra Koreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) dette prosjektet.

Interessant nok, i 2022, et team av forskere fra Max Planck Institute for Intelligent Systems, Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Technische Universität Dresden og Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg viste at hydrogen kondenserer på en overflate ved svært lav temperatur nær H2-kokepunktet. Denne prosessen danner et supertett monolag, som overgår tettheten til flytende hydrogen med 3x, noe som reduserer volumet til bare 5 liter per kilo H2.

Nå undersøkte den siste aktuelle studien et magnesiumborhydrid-rammeverk ved å bruke nøytronpulverdiffraksjon, uelastisk nøytronspredning, volumetrisk gassadsorpsjon og første-prinsippberegninger. Rammeverket har små porer og et delvis negativt ladet ikke-flat indre for opptak av hydrogen (H) og nitrogen (N). 

Både nitrogen og hydrogen opptar merkbart forskjellige adsorpsjonssteder i porene. Begge har også svært forskjellige begrensende kapasiteter på 0.66 N2 og 2.33 H2 per Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, først oppdaget i 1950, er kjent som et hydrogenlagringsmateriale med høy kapasitet som eksisterer både som krystallinske polymorfer med nanoporøse MOF-lignende strukturer så vel som svært tette polymorfer med ekstrem volumetrisk hydrogentetthet og høy gravimetrisk hydrogenkapasitet.

Så når det kommer til molekylært hydrogen, er det pakket ekstremt tett, med tettheten som er omtrent det dobbelte av flytende hydrogen. 

Teamet brukte deretter nøytronpulverdiffraksjon (NPD) for å bestemme posisjonen til hydrogenatomene i strukturen sammen med molekylenes adsorpsjonssteder. 

Studien bemerket at en penta-dihydrogen-klynge (dihydrogen består av to hydrogener forbundet med en enkeltbinding) ble funnet der H2-molekyler i en posisjon har rotasjonsfrihet. I kontrast har H2-molekyler i en annen posisjon en veldefinert orientering og en retningsbestemt interaksjon med rammeverket. Dette avslører at tettpakket hydrogen faktisk kan stabiliseres i småporematerialer under normalt atmosfærisk trykk.

Med denne avsløringen har teamet med hell taklet utfordringen med begrenset hydrogenlagringskapasitet ved å bruke avansert adsorpsjonsteknologi med høy tetthet. 

Denne banebrytende utviklingen ble rapportert av professor Oh ved Institutt for kjemi ved UNIST. Den innovative forskningen markerer et betydelig fremskritt i fremtidige energisystemer. 

Aktiverer storskala hydrogenlagring

Når det gjelder bruk av hydrogen i transport, stasjonær kraft og bærbar kraft, spiller lagring en nøkkelrolle. Mens elementet har den høyeste energien per masse, resulterer dens lave omgivelsestemperaturtetthet i en lavere energi per volumenhet. Derfor er det nødvendig med avanserte lagringsmetoder for å oppnå høyere energitetthet.

For tiden fokuserer lagringsteknologien primært på lagring av molekylært hydrogen i enten flytende eller gassform. Men selvfølgelig er det grenser for denne nåværende teknologien når det gjelder volumetrisk og gravimetrisk (hvor mye energi per gram eller kilogram kan lagres) lagringstetthet.

Lagring av hydrogen som gass krever høytrykkstanker, mens som væsker er det nødvendig med kryogene temperaturer. Det kan også lagres på overflaten eller i et fast stoff via absorpsjon.

Som et molekyl kan hydrogen fysisk adsorberes i et materiale som inneholder porer (tomrom) ved svake van der Waals-interaksjoner (som er relativt svake og ikke-ioniske av natur) gjennom fysisorpsjon. Det refererer til en prosess der gassmolekyler fester seg til en fast overflate. Men mens svært porøse materialer tilbyr høyt gravimetrisk hydrogenopptak, er det behov for forbedringer i den volumetriske lagringskapasiteten.

Det er her nanoporøst kubisk magnesiumborhydrid, γ-Mg(BH4)2, gir gode resultater. Den har en tetthet på ρ = 0.550 g cm−3 og 33 % fritt porevolum. En porediameter på ~9 Å lar denne forbindelsen adsorbere små molekyler som hydrogen eller nitrogen. Det er gjennom dette porøse hydridets delvis negativt ladede indre overflate at hydridiske atomer blir eksponert for porene.

Studien ble gjort mulig gjennom Mid-Career Research Program av NFR og departementet for vitenskap og IKT (MSIT), og syntetiserte dette nanoporøse komplekse hydridet bestående av magnesiumkation (Mg+) og magnesiumhydrid, og fast borhydrid (BH4)2.

Det resulterende materialet muliggjør lagring av fem hydrogenmolekyler i et 3D-arrangement, og oppnår bemerkelsesverdig hydrogenlagring med høy tetthet. Den viser videre en hydrogenlagringskapasitet på 144 g/L per volum porer, langt over tradisjonelle metoder. Imponerende nok overgår tettheten av hydrogenmolekyler i materialet til og med tettheten til fast tilstand.

Professor Oh beskrev materialet som et "paradigmeskifte" i verden av hydrogenlagring, og sa at det tilbyr "et overbevisende alternativ til tradisjonelle tilnærminger." 

Denne utviklingen forbedrer produktiviteten og den økonomiske effektiviteten ved å utnytte hydrogen som energikilde betydelig. Den takler videre utfordringene med å lagre hydrogen i stor skala for utbredt bruk i offentlig og personlig transport.

Selskaper som kan dra nytte av denne utviklingen 

Hvis vi snakker om næringene som kan dra nytte av slik forskning, som transformerer hydrogenlagring, kommer et bredt spekter av sektorer til tankene, inkludert kjemikalier, energi, bilindustri, ingeniørvitenskap og konstruksjon. Så la oss ta en titt på noen av selskapene som kan tjene på dette: 

# 1. Honda Motor Co., Ltd.

Det japansk-baserte bilselskapet har lovet å redusere sine CO2-utslipp og hevder å være et av de første selskapene som fokuserer på potensialet til hydrogenenergi. 

For å nå disse målene har Honda Motor Company forsket på brenselcelleteknologier siden 1980-tallet for en rekke bruksområder. 

Tidligere i år kunngjorde selskapet at det hadde begynt produksjon av hydrogenbrenselcellekraftløsninger i samarbeid med General Motors (GM) for ulike produktapplikasjoner og det de kaller "begynnelsen av hydrogenæraen."

Med en markedsverdi på 64.85 milliarder dollar, handles selskapets aksjer til 36.93 dollar, opp 19.22 % hittil i år (YTD). Honda Motor har hatt en omsetning (TTM) på 128.49 milliarder dollar og har en EPS (TTM) på 7.73 og P/E (TTM) på 4.77. Selskapet betaler også en utbytteavkastning på 2.77 %.

# 2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company er involvert i ulike sektorer, inkludert hydrokarboner og energi. Nylig inngikk selskapet et samarbeid med Linde (NYSE: LIN) for å levere rent hydrogen og nitrogen til sin integrerte etylenkrakker- og derivatnettsted med null karbonutslipp i Canada. Avtalen ble sluttført sent i fjor for prosjektet på 6.5 milliarder dollar. Som en del av avtalen vil den distribuere Lindes luftseparasjons- og autotermiske reformeringsteknologi for å konvertere stedets cracker-avgass til hydrogen.

Med en markedsverdi på over 39.9 milliarder dollar, handles Dow Chemicals aksjer til 56.76 dollar, opp 3.5 % YTD. Dow Chemical har en inntekt (TTM) på 44.62 milliarder dollar, en EPS (TTM) på 0.81 og en P/E (TTM) på 69.67. Selskapet betaler også en utbytteavkastning på 4.93 %.

# 3. McPhy Energy SA

Det Frankrike-baserte selskapet utvikler løsninger for produksjon og lagring av hydrogen. I fjor utvidet McPhy sin kommersielle avtale med Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), hvor sistnevnte vil levere hydrogenrelaterte prosesser og utstyr for hydrogenkompresjon og flytende hydrogenering. 

Senest vant det ledende elektrolysørteknologi- og produksjonsselskapet en kontrakt fra svenske AAK AB om å levere sin 800-30 elektrolysator med en kapasitet på 4 MW og tilhørende reservedeler som vil tillate det svenske selskapet å bruke lavkarbonhydrogen som prosessgass .

Med en markedsverdi på 47.18 milliarder, handles aksjene i selskapet (MCPHY-FR: Euronext Paris) til 1.69 EUR, ned 49.97 % YTD. Den har en EPS (TTM) på -0.69 og en P/E (TTM) på -1. Forrige måned rapporterte McPhy resultatet for regnskapsåret 2023, der det så en årlig inntektsvekst på +17 % til €18.8 millioner og enda høyere vekst på +25 % for sin elektrolyservirksomhet. Den rapporterte også en kontantposisjon på rundt €62 millioner ved slutten av desember.

Konklusjon  

Energilagringsmarkedet for hydrogen er klar for rask vekst, anslått å overgå verdsettelsen på 17.6 milliarder dollar i de neste åtte årene ettersom regjeringer investerer tungt i hydrogenbasert infrastruktur, ifølge Global Market Insights. Spesielt forventes transportsegmentet å drive betydelig vekst, med en anslått 10% CAGR, drevet av hydrogens rolle i å redusere karbonutslippene i industrien betydelig. 

Gitt hydrogens potensial som en renere og mer effektiv energikilde, vil det fortsette å bli tatt i bruk ikke bare i transport, men også i andre næringer. Med pågående forskning og nye funn vil vi endelig kunne se mye bredere bruk, og hjelpe oss med å oppnå netto null karbonutslipp.

Klikk her for listen over de fem beste grønne ammoniakklagrene (det andre hydrogenet).