Nyutviklet materiale gjør hydrogenproduksjon mer effektiv

De er det første som har fått det til. Den norskledede forskergruppen har utviklet et helt nytt materiale som klarer å produsere hydrogen fra vanndamp, riktignok med høy varme og høyt trykk.

Forskningsresultatene ble nylig publisert i Nature Materials:  «Mixed proton and electron conducting double perovskite anodes for stable and efficient tubular proton ceramic electrolysers»

Hydrogen lagrer energi

Hydrogen kan overta der batteriene ikke holder. Når du skal lagre mye energi – mer enn du trenger for å kjøre en personbil i noen timer – så er det billig og bra å lagre den som hydrogen.

– Lenge skjedde det veldig lite, fordi det var så billig å lage hydrogen av naturgass og fordi det ikke var fokus på klimaaspektet. Nå som vi er mer opptatt av fornybar energi, er det blitt mye sterkere fokus.
SINTEF-forsker Einar Vøllestad.

Veldig enkelt forklart bruker du energien til å spalte vann slik at du står igjen med hydrogen og oksygen. Når du så trenger energi, snur du hele prosessen, slipper inn hydrogen og får ut igjen energi og vann.

Slik ser det ut, røret som er brukt – med et tynt lag av det nyutviklede materialet BGLC, viser Einar Vøllestad. Foto: Georg Mathisen. VIS MER

Den dominerende måten å gjøre det på er fremdeles den samme som «vannstoffen» på Vemork brukte for 100 år siden, forklarer Einar Vøllestad og Ragnar Strandbakke. Vøllestad er forsker på SINTEF Industri, Strandbakke er postdoktor på Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi kjemi ved Universitetet i Oslo.

Elektrolyse på lav temperatur

Det er snakk om elektrolyse ved lav temperatur. Metoden er blitt bedre, billigere og mer effektiv. Men fremdeles legger den beslag på mye energi.

– Lenge skjedde det veldig lite, fordi det var så billig å lage hydrogen av naturgass og fordi det ikke var fokus på klimaaspektet. Nå som vi er mer opptatt av fornybar energi, er det blitt mye sterkere fokus, sier Vøllestad.

Fornybar energi betyr at prisene svinger mye. Det er ikke like mye sol, vind eller bølger hele året. Dermed blir det viktigere å lagre energien fra de beste produksjonsdagene og bruke den når behovet er større enn produksjonen.

Varm damp hjelper reaksjonen

Vøllestad og Strandbakke arbeider med et EU-prosjekt der de har forsket under helt andre temperaturer. De bruker vanndamp i stedet for flytende vann for å lage hydrogen.

– Varmen bidrar til reaksjonen. Når du kommer opp i temperatur, er den katalytiske aktiviteten mye høyere, sier de. Det betyr at det ikke trengs like mye strøm for å få til reaksjonen. Dermed blir hydrogen mer konkurransedyktig. – Varme er mye billigere enn strøm, forklarer Einar Vøllestad.

Unngår edle metaller

– Det at du jobber ved høyere temperaturer, har også en annen fordel. Du slipper å bruke edle metaller.

Neste generasjon lavtemperatur-elektrolysører – altså de apparatene som elektrolysen skjer i – trenger nemlig platina og andre dyre, edle metaller for å gjøre vannsplittingen effektiv.

– Når vi går opp i temperatur og aktiviteten er mye høyere, trenger vi ikke å bruke de dyre materialene for å få til reaksjonene, sier han.

– Det er nok ikke billigere å produsere et slikt rør enn det er å produsere et batteri. Men du trenger bare ett rør der du ville trengt mange batterier. Sammenlignet med batterier, har vi et mye mindre forbruk av råmaterialer i forhold til mengden energi som lagres.
– SINTEF-forsker Einar Vøllestad.

Problemet har vært å finne materialer som tåler den tøffe prosessen når vanndampen holder 600 grader. Det er der materialviterne Vøllestad og Strandbakke kommer inn. De begynte med en liste på 120 materialer som de trodde at kunne gjøre ulike deler av jobben.

– De beste materialene for denne reaksjonen – de som vi trodde skulle være best – tåler ikke vanndamp ved den temperaturen. Vi brukte et materiale som vi visste at var godt, men så at det ikke tålte vanndamptrykket. Så gikk vi inn for å se på materialet og endre litt på kjemien, forteller Vøllestad.

Større skala

Nå sitter de med den første elektrolysøren som er effektiv på vanndamp under trykk, og som kan skaleres og brukes i industrien. Det er nemlig ikke nok å gjøre jobben manuelt i et lite laboratorium – skal forskningen kunne brukes i praksis, så må prosessen kunne gjøres i stor skala.

– Vi har laget rørene som brukes, sånn at systemet er helt skalerbart. En siste fordel er at med denne typen teknologi og denne designen får du ut hydrogenet helt tørt. I alle andre elektrolyseprosesser får du ut hydrogen sammen med vann eller andre molekyler. De må separeres før hydrogenet kan settes under trykk og lagres. Det er ikke så komplisert, men det er et ekstra ledd, og enhetene blir større, sier han.

Materialet som de bruker, består av barium, lantan, gadolinium, kobolt og oksygen. BGLC, som forskerne har døpt det.

– Det vi gjorde, var å bytte ut en del av bariumet i det originale materialet med mer lantan, for rett og slett å gjøre det mindre basisk, ifølge Vøllestad.

Billigere enn batteri …

Det høres dyrt ut, men i virkeligheten blir det god økonomi:

– Det er nok ikke billigere å produsere et slikt rør enn det er å produsere et batteri. Men du trenger bare ett rør der du ville trengt mange batterier, forklarer han.

Hvis du ser for deg et rør og et batteri som lagrer den samme mengden strøm i en time, så blir batteriet billigere. Men hvis du skal lagre den samme mengden strøm i 24 timer, så må du ha 24 batterier. Velger du hydrogen, så trenger du fremdeles bare ett rør. Så kan du bare fylle tanken mer og mer, og eventuelt ha en litt større tank.

– Sammenligner vi med batterier, så har du et mye mindre forbruk av råmaterialer i forhold til den mengden energi som lagres, sier SINTEF-forskeren.

Han ser på hydrogen som et godt alternativ spesielt i transportsektoren og industrien. I transportsektoren passer hydrogen når kjøretøyene blir tunge og distansene lange; til tog, skip og lastebiler. I industrien trekker Vøllestad frem stålverkene. Der trengs det mye varme i produksjonen – varme som så kan brukes til å varme opp vannet til elektrolysen.

… på sikt

Neste trinn blir å gjøre produksjonen kommersiell. CoorsTek Membrane Sciences, som er med i prosjektet som industripartner, er innforstått med at det ikke skjer over natten:

– Det er lange tidslinjer i nesten all energirelatert teknologi. Det gikk mange år fra man fant opp litium-ionbatteriet til vi fikk millioner av biler med det, sier Per Vestre, som er CoorsTek-ansvarlig i Norge.

– Vi har et langsiktig perspektiv på keramiske membraner for elektrokjemi. Elektrolyse av vanndamp er utvilsomt interessant hvis man klarer å modne teknologien til riktig pris. Det er ikke tvil om at markedet eksisterer, konstaterer Vestre.

Forsker på neste utfordring

– Det er fortsatt mange steg igjen som må optimaliseres og tas videre, istemmer Einar Vøllestad.  Produksjonsmetoden må oppgraderes, og så må det demonstreres stabilitet over tid. Vi har vist det over 700 timer og målt det på ett rør. Du må lage et system på hundre, tusen, kanskje ti tusen rør for at det skal bli størrelse.

Den jobben er godt i gang. Forskningen som har ført frem til BGLC, er publisert i Nature Materials nå i juni. Publiseringen i det prestisjetunge tidsskriftet tar sin tid, så arbeidet er kommet et godt stykke videre.

– Vi er halvannet år inne i et nytt EU-prosjekt der vi arbeider med å løse neste steg med utfordringer, forteller Einar Vøllestad og Ragnar Strandbakke.