Artikkel

Nye materialer produserer hydrogen mer effektivt og klimavennlig

Teamet som har utviklet den nye elektrolysemodulen
Einar Vøllestad og Ragnar Strandbakke (til høyre) fra UiO var med i EU-teamet som har bidratt til utvikling av den nye teknologien. Foto: Truls Norby, UiO. Bruk bildet.

Nye materialer produserer hydrogen mer effektivt og klimavennlig

Professor Truls Norby og partnere har utviklet en ny elektrolyse-metode som kan brukes til flere lure ting, som å omdanne en blanding av metan og vanndamp til komprimert hydrogen og ren CO2-gass. Ren CO2 kan lagres i Nordsjøen og berge klimaet, mens hydrogenet kan brukes som drivstoff.
Truls Norby
– Vi tenker oss til og med at den nye metoden kan brukes til storskala eksport av hydrogen basert på naturgass, sier professor Truls Norby. Foto: Ola Sæther/UiO Bruk bildet.

– Potensielle bruksområder for denne nye elektrolyse-metoden er at vi kan bruke metan som råstoff og produsere komprimert hydrogen som for eksempel kan brukes til å drive større personbiler og lastebiler med brenselceller. Hydrogenet kan også brukes til fremdrift av skip, forteller professor Truls Norby ved Kjemisk institutt på UiO.

Men perspektivene stopper ikke der: – Vi tenker oss til og med at metoden kan stå for storskala norsk eksport av hydrogen basert på naturgass. Samtidig blir CO2-gassen skilt ut i ren form i elektrolysen, slik at denne klimagassen kan deponeres offshore, tilføyer Norby.

Metan blir til hydrogen og CO2

Tidsskriftet Nature Energy publiserte mandag 13. november en vitenskapelig artikkel som presenterer den nye metoden for det som kalles termoelektrisk produksjon av separert CO2-gass og komprimert hydrogen, med metangass og vanndamp som utgangspunkt.

Viktige deler av teknologien ble utviklet i et EU-finansiert prosjekt som gikk ut på å produsere hydrogengass med kun vanndamp og billig elektrisitet som utgangspunkt.

– I EU-prosjektet utviklet vi det vi kaller en proton-keramisk elektrolysemodul (PCE) som fungerer ved høye temperaturer og som bruker vanndamp som råstoff og produserer helt rent hydrogen. Mange kjemiske industribedrifter kjøper store mengder hydrogen som de bruker som råvare, mens de samtidig slipper ut store mengder overskuddsvarme. Høytemperatur-elektrolyse med keramiske celler gjør at bedriftene isteden kan utnytte overskuddsvarmen til å produsere sitt eget hydrogen mer økonomisk, forteller Norby.

Hydrogenproduksjonen i verden foregår i dag med olje, kull eller naturgass som råstoff. I et klimaperspektiv er det opplagt en fordel hvis hydrogenprodusentene isteden kan bruke vann som råstoff og elektrisitet som energikilde, tilføyer Norby.

Banebrytende teknologi

Truls Norby var leder for det EU-finansierte prosjektet Electra, som ble avsluttet i juni 2017. EUs program for utvikling og kommersialisering av hydrogen og brenselcelleteknologi (FCH-JU) har allerede bevilget penger til et prosjekt som skal videreutvikle teknologien, som blir ansett som banebrytende – eller «game changing», som det heter i EU-språket. Det etterfølgende prosjektet heter GAMER og ledes av seniorforsker Marie-Laure Fontaine ved Sintef Materialer og kjemi i Oslo.

– Den europeiske industrien etterspør høytemperatur elektrolyseteknologi, men i dag er det ingen som klarer å levere konkurransedyktige løsninger. Men dette er et industristyrt program, og den europeiske industrien tror – og forventer – at dette skal bli konkurransedyktig, forteller Norby.

Karbonfangst og -lagring

Den vitenskapelige artikkelen som er publisert i Nature, beskriver en videreutvikling som har foregått i samarbeid mellom professor Norbys forskningsgruppe og forskere i bedriften Coorstek Membrane Sciences AS, som tidligere het Protia AS. Coorstek Mebrane Sciences holder til i Forskningsparken i Oslo, vegg i vegg med Norbys forskningsgruppe.

De to gruppene har i fellesskap dokumentert hvordan den keramiske teknologien som ble studert i EU-prosjektet, også kan brukes til å reformere naturgass. Da blir det dannet rent hydrogen på den ene siden av en membran i elektrolysemodulen og ren CO2 på den andre siden av membranen.

– Dette er opplagt interessant for alle som tenker på en fremtid hvor karbonfangst og -lagring blir viktig, påpeker Norby.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg oss på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt.

Konkurransedyktig innen fem år

PCE-modulen som er produsert i Electra-prosjektet kan produsere en hydrogenstrøm med et elektrisk energiforbruk på 1 kilowatt (1 kW). Modulen inneholder 18 utskiftbare rør hvor veggen inneholder en membran som består av det keramiske stoffet bariumzirkonat. Dette stoffet tar opp protoner fra vanndamp som tilføres på utsiden av rørene, og på vei gjennom membranen reagerer protonene med elektroner og blir til hydrogenmolekyler. Resultatet er at rørene fylles med hydrogen under høyt trykk.

– I oppfølgingsprosjektet har vi satt som mål at vi skal demonstrere en PCE-enhet på 10 kilowatt innen tre år, forteller Norby.

– I løpet av de neste fem årene skal teknologien bli kommersielt konkurransedyktig innenfor visse markeder, og deretter skal teknologien utvikles til masseproduksjon.

Teknologi med mange fordeler

Elektrolysen i den nye PCE-modulen foregår ved temperaturer opp mot 700 °C. Ideen om å bruke protonledende keramiske materialer til elektrolyse ved høye temperaturer er snart 30 år gammel, men er ennå ikke utviklet så langt at den kan brukes kommersielt. Norby og samarbeidspartnerne er derfor stolte av at de har levert den mest omfattende demonstrasjonen av teknologien til nå.

Professor Norby mener at den nye høytemperatur-elektrolysen byr på en rekke fordeler når den er ferdig utviklet.

– De store kjemiske og petrokjemiske industribedriftene som både har overskuddsvarme og kjøper eller lager store mengder hydrogen som de bruker i prosessene, kan være egnede markeder å starte med. Vår teknologi gjør at de kan produsere sitt eget hydrogen istedenfor å kjøpe det, eller billigere og mer klimavennlig enn de kunne tidligere. De vil kunne bruke overskuddsvarme, istedenfor å slippe ut varmen, til å minske elektrisitetsforbruket. Dermed blir det god økonomi i produksjonen, og så er det bra for klimaet at hydrogenet produseres med vanndamp istedenfor naturgass som råstoff, sier Norby. Vann gir nemlig ingen CO2-utslipp.

Kan også produsere syntesegass

Truls Norby og kollegene i Electra-prosjektet har også vist at teknologien kan brukes til å elektrolysere en blanding av CO2 og vanndamp.

– Resultatet av den prosessen er syntesegass, som består av karbonmonoksid og hydrogen og er et viktig råstoff i den kjemiske industrien. Syntesegass kan brukes til å fremstille metanol, og fra metanol går veien til plast. Den dagen vi klarer dette i stor skala, kan vi altså bruke CO2 istedenfor olje og gass til å produsere plast. Dette er et skritt mot en fossil-fri produksjon av alt vi i dag er vant til å få fra olje og gass og dermed mot et stabilt klima, mener Norby.

Det er tidligere blitt skissert PCE-moduler som bruker vanndamp som råstoff og leverer oksygen på den andre siden av membranen, mens hydrogenet utvikles der vanndampen kommer inn.

– Da må du etterpå «tørke» hydrogenet for å bli kvitt vanndampen, og dessuten sitter du igjen med rent oksygen i den andre enden av reaksjonen. Vår metode fungerer isteden slik at hydrogenet kommer ut i ren form, mens oksygenet forblir blandet med vanndampen. Rent oksygen ved høye trykk og temperaturer kan reagere eksplosivt med omtrent absolutt alt mulig, unntatt gull og platina. Hydrogen er til sammenlikning mye lettere å håndtere, og derfor kan vår teknologi på sikt være bedre, mener Norby.

Kontakt:

Professor Truls Norby, Kjemisk institutt

Vitenskapelig artikkel i Nature Energy:

H. Malerød-Fjeld, D. Clark, I. Yuste-Tirados, R. Zanón, D. Catalán-Martinez, D. Beeaff, S.H. Morejudo, P.K. Vestre, T. Norby, R. Haugsrud, J.M. Serra, C. Kjølseth, Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss. Nature Energy November 13 2017, http://dx.doi.org/10.1038/s41560-017-0029-4. 

Mer informasjon:

FCH-JU-prosjektet Electra

Les mer på Titan:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Henrik Svensen

Steinbra formidler

Henrik Svensen ble tidlig bergtatt av steiner og Jordens eldgamle mysterier. Nå er han hedret for sitt arbeid med å bringe denne kunnskapen ut til folk.