Denne artikkelen er produsert og finansiert av Sintef - les mer.

Ragnar Strandbakke (til venstre) og Einar Vøllestad er de første som har fått til å produsere hydrogen i industriell skala med vanndamp under høyt trykk. (Foto: Georg Mathisen).
Ragnar Strandbakke (til venstre) og Einar Vøllestad er de første som har fått til å produsere hydrogen i industriell skala med vanndamp under høyt trykk. (Foto: Georg Mathisen).

Nyutviklet materiale gjør hydrogenproduksjon mer effektiv

Materialet kan lage hydrogen ut fra vanndamp i stedet for flytende vann. Det lønner seg, fordi varme er billigere enn strøm.

Publisert

De er de 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.

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.

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.

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

Elektrolyse ved lav temperatur er den vanligste måten å bruke for å produsere hydrogen. 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.

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

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. 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 Vøllestad.

Unngår edle metaller

Det at forskerne jobber med høyere temperaturer, har også en annen fordel. De 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.

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 det tålte ikke vanndamptrykket. Da gikk vi inn for å se nærmere 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 slik at systemet er skalerbart. En siste fordel er at med denne type teknologi og dette designet, så får du helt tørt hydrogen ut. 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 forskerne har tatt i bruk består av barium, lantan, gadolinium, kobolt og oksygen. De har døpt det BGLC.

– 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, sier 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 Vøllestad.

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

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. 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, ble publisert i juni. Publisering i et tidsskrift kan ta 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 Ragnar Strandbakke.

Referanse:

Einar Vøllestad, m.fl.: «Mixed proton and electron conducting double perovskite anodes for stable and efficient tubular proton ceramic electrolysers». Nature Materials, 3. juni 2019. Sammendrag.