Billigere hydrogen-teknologier underveis

Årsaken til det mulige prisfallet er nyutviklede plastmaterialer som endrer vilkårene for spalting av vann. Den nye plasten kan utnytte langt billigere katalysatorer enn det dagens vannspaltingsanlegg kan. Slike katalysatorer utvikles nå ved SINTEF og NTNU.     

Lagrer kraft fra ikke-regulerbare kilder

Fokuset på å krympe klimagassutslippet har økt kraftig etter at Paris-avtalen ble signert. En rekke internasjonalt ledende industribedrifter, deriblant Statoil/Equinor, peker på at hydrogen vil få en sentral rolle i overgangen til et bærekraftig energisystem.

Hydrogen vil supplere elektrisitet som energibærer. Det energirike stoffet kan lagres og brukes når energien trengs. Slik kan hydrogen øke verdens evne til å nyttiggjøre seg uforutsigbar kraftproduksjon fra nye fornybare kilder som sol og vind.

Les også: Snarvei fra sollys til hydrogen

I sluttbrukernes ende kan hydrogen brukes til å gjøre alt fra gasskraftverk til lastebiler og tog utslippsfrie, og til å dekarbonisere flere industriprosesser

Men enn så lenge er hydrogenteknologier kostbare. Det er her NTNU og SINTEFs nystartede arbeid med nye katalysatorer kan gjøre en forskjell.

Teknologier med fordeler og ulemper

Når hydrogen produseres fra fornybare kilder, brukes elektrolyseteknologi – “elektrolysører” – til å spalte vann til hydrogen og oksygen. I dag er to teknologier kommersialisert, hver med sine fordeler og ulemper.

Den tradisjonelle teknologien for vannelektrolyse, som Norsk Hydro utviklet på slutten av 1920-tallet, er basert på såkalte alkaliske elektrolysører. Disse har vist seg å være robuste og driftssikre. Men de er plass- og materialkrevende. I tillegg er de lite egnet for sterkt varierende “mating” med elektrisitet – slik tilfellet blir når strømmen kommer fra uforutsigbar sol- og vindkraftproduksjon.  

Les også: Fossil hjelp til grønt skifte

I disse klassiske elektrolysecellene er to elektroder (en anode og en katode) nedsenket i en elektrolytt, vann med oppløste salter som leder ioner (elektrisk ladde partikler) mellom elektrodene. For 20 år siden fikk verden en ny type produksjonsceller for vannelektrolyse. Her har membraner av typen PEM (polymer electrolyte membrane) erstattet elektrolytten.

PEM-cellene håndterer uforutsigbar produksjon av sol- og vindkraft mer effektivt enn de alkaliske elektrolysørene. Til gjengjeld er de mye dyrere.

Nye plastmaterialer gir nye muligheter

Nå har utviklingen av nye plastmaterialer åpnet for en ny og billigere membranteknologi – såkalte anion exchange membranes (AEM). Disse kombinerer fordelene til de alkaliske cellene (rimelige anlegg) og PEM-cellene (effektiv håndtering av nye fornybare kilder). Dermed åpner AEM-membranene for å høste det beste fra begge verdener.

Les også: Veihjelp til elektrisk tungtrafikk

Om AEM-teknologien slår til, er det grunn til å tro at både elektrolysører og brenselceller – transportable “kraftverk” som utslippsfritt omformer hydrogen direkte til elektrisitet – kan bli opptil 40 prosent billigere enn tilsvarende utstyr basert på PEM-membraner.

PEM-teknologien, på sin side, har rukket å bli moden. Brenselcellebiler og store produksjonsanlegg for hydrogen basert på PEM-membraner er nå i kommersialiseringsfasen – og både yteevne og levetid er høy. Flaskehalsen er at PEM-teknologien fortsatt er dyr. Både membranen og katalysatorene bidrar til det.

Frikobles fra knappe, dyre ressurser

PEM-membranen er lagd av et unikt materiale som kallas Nafion, et fluoropolymer med veldig kompleks kjemi som bare noen få foretak i verden kan fremstille. I tillegg kommer fordyrende katalysatorer.

Les også: Øysamfunn kan få vindkraft i gassform 

Brenselceller basert på PEM-teknologi har to katalysatorbelegg som begge består av platina. PEM-elektrolysører har ett belegg som består av platina og ett av iridium. Begge er dyre edelmetaller som det er knapphet på.

Denne avhengigheten av knappe og dyre ressurser blir det slutt på, om nyvinningen AEM-membraner slår til.

Fra platina til nikkel

Mens PEM-membraner leder positivt ladde hydrogenioner (kalles kationer), leder AEM-teknologiens plastmaterialer i stedet negativt ladde oksygen-hydrogen-ioner (kalles anioner).

De nye materialene er interessante av to grunner:

Ikke bare er de billigere enn materialene i PEM-membraner. Bruk av den nye plasten i brenselceller og elektrolysører endrer også miljøet for hydrogen- og oksygenreaksjonene. AEM-teknologien åpner dermed for at dyre katalysatorer av platina og iridium, kan erstattes av billigere materialer som nikkel.

Les også: Klarsignal for hydrogendrevne hurtigbåter

Nettopp utvikling av katalysatorer for AEM-membraner står i fokus for forskning som SINTEF og NTNU nå utfører sammen med de mest framstående gruppene i verden innenfor den nye membranteknologien (kanadiske Simon Fraser University og britiske Surrey University).

Gjennom denne forskningen framstiller vi nanostrukterte katalysatorer som ikke er basert på edelmetaller. Disse skal testes på AEM-membraner, ved det nasjonale senteret som Forskningsrådet har etablert for forskning på brenselceller og hydrogen.

Målet vårt er å gjøre det billigere både å produsere og bruke grønt hydrogen. Lykkes vi, vil verden ha tatt et viktig skritt på veien mot en mer bærekraftig framtid.

Les også: God klimapolitikk er god næringspolitikk 

Artikkelen sto første gang i Teknisk Ukeblad i augustutgaven, 2018 og gjengis her med TUs tillatelse.