Czy ta nowozelandzka technologia pomoże uczynić ekologiczny, przyjazny dla klimatu wodór globalną rzeczywistością?

Reklamowano ją jako przyjazny dla klimatu sposób wytwarzania energii elektrycznej, zasilania silników i produkcji nawozów — a teraz nowo wyodrębniona firma Kiwi przenosi technologię ekologicznego wodoru na świat.

czystość
Źródło energii staje się coraz bardziej przedmiotem zainteresowania „sprawiedliwej transformacji” Nowej Zelandii, polegającej na odejściu od ropy i gazu, ponieważ można je wytwarzać w sposób zrównoważony, wykorzystując energię odnawialną lub biomasę.

Chociaż wodór jest produkowany na całym świecie, prawie w całości pochodzi z „brunatnego” wodoru – lub z węgla i gazu ziemnego, i jest źródłem setek milionów ton emisji dwutlenku węgla każdego roku.

Ale zielony wodór można wytwarzać za pomocą elektrolizy z odnawialnych źródeł energii, pozostawiając niewielki ślad węglowy.

Ale wraz z tą obietnicą pojawiają się problemy: problemy z łańcuchem dostaw, rosnące koszty i niedobory rudy, które utrudniają jej przystępność cenową i dostępność.

To są wyzwania, którym ma sprostać pierwszy w Nowej Zelandii startup technologii głębokiego wodoru – i pierwsza spółka zależna GNS Science należąca do Crown.

Sheena Thomas, dyrektor ds. partnerstw biznesowych i biznesowych w GNS, powiedziała, że ​​według Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) zapotrzebowanie na zielony wodór ma wzrosnąć prawie dwukrotnie do 180 megaton do 2030 r.

„Obecnie każdego roku zużywa się około 100 milionów ton wodoru wytwarzanego z paliw kopalnych, więc jest to pilna kwestia, którą należy się zająć”.

W sercu nowej firmy z dubbingiem SQL wspierany przez inkubator projekty WNTto technologia opracowana w kraju, która umożliwiła wyprodukowanie wystarczającej ilości elektrolitu, aby zaspokoić popyt.

„Otwiera to ogromny potencjał dekarbonizacji kluczowych gałęzi przemysłu, takich jak lotnictwo, transport morski i stal, które są bardzo trudne do zelektryfikowania”.

Jak więc działała nowa technologia?

Dr Jerome Levinour, dyrektor techniczny Bspkl, wyjaśnił, że prawie cały wodór na świecie został wyprodukowany w procesie zwanym krakingiem metanowym, który sam odpowiada za około 2 procent globalnej emisji dwutlenku węgla.

„Wodór odgrywa naprawdę ważną rolę we wspieraniu naszego codziennego życia, ale musimy znaleźć sposób, aby uczynić go czystym i zrównoważonym” – powiedział Levinor, naukowiec zajmujący się materiałami promieni jonowych w GNS.

Dzięki elektrolizie wodór można wytwarzać z wody za pomocą energii elektrycznej – a proces ten może być całkowicie odnawialny po podłączeniu do źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa i geotermalna.

Możemy myśleć o samym elektrolizerze jak o cebuli, z wieloma warstwami części ułożonych razem.

Jedno ugruntowane podejście zwane elektrolizą z membraną do wymiany protonów (PEM) opiera się na membranie, anodzie i katodzie.

„Na anodzie cząsteczki wody dzielą się na dodatnio naładowane jony wodoru, a atomy tlenu łączą się ponownie w cząsteczkę O₂, czyli tlenu, którym oddychamy” – powiedział Levinor.

„Jony wodoru przechodzą przez membranę i łączą się z elektronami na katodzie, tworząc gazowy wodór”.

Chociaż elektrolizery PEM są powszechnie uznawane za najbardziej wydajną metodę produkcji zrównoważonego wodoru, ich zależność od rzadkich i skończonych pierwiastków pozostaje główną przeszkodą w zwiększaniu skali technologii.

Aby pomóc pokonać tę przeszkodę, firma Bspkl wprowadziła innowację zapoczątkowaną przez firmę Leveneur — ulepszony wariant kluczowego elementu elektrolizerów PEM, zwany membraną pokrytą katalizatorem (CCM).

„Membrana jest pokryta z obu stron cienką warstwą cząstek katalizatora, zwykle platyny i irydu” – wyjaśnił.

„Cząsteczki katalizatora muszą rozproszyć się i równomiernie związać na powierzchni membrany wymiany protonów, umożliwiając szybkie i wydajne reakcje elektrochemiczne.

„Bez katalizatora elektrolizer potrzebowałby dużo energii elektrycznej do wytworzenia wodoru”.

Powiedział, że do produkcji CCM do elektrolizerów potrzeba wielu katalizatorów, takich jak platyna i iryd.

„Podczas gdy platyna jest droga, problemem z elektrolizerem PEM jest iryd” – powiedział.

„Iryd nie jest łatwo dostępny, ponieważ jest wytwarzany jako produkt uboczny rafinacji innych metali”.

Szacuje się, że na całym świecie rocznie produkuje się tylko siedem ton.

„Aby wyprodukować wystarczającą ilość czystego wodoru, aby nie tylko zastąpić nasze obecne zużycie wodoru, ale także przygotować się na nowe zastosowania wodoru, takie jak transport i ciepło przemysłowe, musimy być w stanie wyprodukować około 26 gigawatów elektrolizera PEM rocznie”, Levinor powiedział.

„Patrząc na to z perspektywy, odkąd elektrolizer został wynaleziony na początku XX wieku, na całym świecie wyprodukowano tylko około ośmiu gigawatów”.

Osiągnięcie celu 26 gigawatów prawdopodobnie wymagałoby około 30 do 40 ton irydu rocznie.

„Przy obecnych metodach produkcji CCM ta ilość nie jest zrównoważona”.

Technika produkcyjna Bspkl umożliwiła wyprodukowanie CCM z najniższym znanym ładunkiem irydu, przy jednoczesnym zachowaniu wydajności.

„Zmniejszenie ładunków irydu i platyny osiągnięte przez Bspkl następuje poprzez implantację jonów” – powiedział.

W skrócie oznacza to, że katalizator jest „nakrapiany” na materiale membrany, stąd nazwa Bspkl – wymawiana jako „bespeckle”.

Przed 2020 rokiem produkcja wodoru przy użyciu elektrolizy nie była postrzegana jako opłacalna komercyjnie, ponieważ produkcja wodoru przy użyciu gazu ziemnego była znacznie tańsza.

Ale wraz z ogłoszeniem Europejskiego Zielonego Ładu, amerykańskiej ustawy o inflacji i wojny rosyjsko-ukraińskiej, potrzeba wykorzystania czystego wodoru jako zrównoważonego źródła paliwa „eksplodowała”.

„Wpływ tego szybkiego wzrostu czystego wodoru na producentów elektrolizerów był znaczący”.

W dawnym przemyśle chałupniczym na całym świecie powstają obecnie „superfabryki” produkujące elektrolizery.

„Oznacza to, że istnieje ogromna potrzeba automatyzacji i produkcji na dużą skalę, która nie istniała trzy lata temu” – powiedział Levinor.

„Kiedy łączysz skrajne potrzeby z dużymi możliwościami rynkowymi i wsparciem rządowym, napędzasz innowacje”.

Podejście Bspkl do produkcji jest stworzone z myślą o wolumenie, z możliwością masowej produkcji CCM.

„Innowacje, takie jak Bspkl, są ważne dla stworzenia nowej, czystej energii w przyszłości” — powiedział Thomas.

„Zespół materiałoznawczy w GNS Science, w skład którego wchodził Jerome, był i nadal jest zaangażowany w wieloletni program mający na celu uczynienie produkcji, magazynowania i transportu ekologicznego wodoru tańszym i bardziej wydajnym”.

Uruchomienie firmy następuje po otwarciu pierwszej zielonej elektrowni wodorowej Halcyon Power w Nowej Zelandii w pobliżu Taupō pod koniec 2021 roku, a ostatecznym celem jest ukończenie łańcucha dostaw, w tym transportu, magazynowania na miejscu i infrastruktury do tankowania.

Badanie horyzontalne 2019 Mapa drogowa H2 Taranaki Przewidział już, że wodór będzie coraz częściej produkowany przy użyciu energii elektrycznej do rozdzielania wody, a jedyną emisją będzie tlen.

W raporcie stwierdzono, że wodór może być wykorzystywany jako paliwo, zwłaszcza w ciężkich pojazdach, jako surowiec do produktów takich jak mocznik lub metanol lub do magazynowania energii elektrycznej przez długi czas, od tygodni do lat.

Powiedziała, że ​​nowa sieć może obejmować magazynowanie wodoru lub syntetycznego gazu ziemnego na wyczerpanych polach gazowych oraz wytwarzanie energii elektrycznej przy użyciu zielonego wodoru w elektrowniach opalanych gazem maksymalnym w Taranaki.