Forskere stræber efter lave omkostninger, effektive teknologier til brintproduktion

Mens brint ofte omtales som fremtidens forureningsfrie brændstof, især til brug i brændselscelle elektriske køretøjer, brint kan bruges til meget mere end nul-emissionsbiler. Faktisk, fra at øge nettets fleksibilitet til at gøre landbruget grønnere, brint kan spille en stor rolle i et rent og robust energisystem.

I et forsøg på at føre denne vision ud i livet, Department of Energy (DOE) har lanceret "Hydrogen at Scale, " eller H2@Scale, et initiativ, der udforsker potentialet for bredskala produktion og udnyttelse af brint i USA til gavn for mange sektorer af økonomien. Til støtte for initiativet har forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i stigende grad rettet deres opmærksomhed mod brintgenerering.

"Brint er en meget flot mellemenergibærer," sagde Berkeley Lab-forsker Adam Weber. "Der er et stort fokus nu på at bruge brint til andre slutformål, ikke kun brændselsceller og køretøjer."

Problemet med brint er, mens det er det mest almindeligt forekommende element på vores planet, den findes ikke nogen steder i ren form. Det betyder, at det skal være fremstillet af andre forbindelser. I øjeblikket, langt størstedelen af ​​brint produceres ved at udvinde det fra naturgas, en proces kaldet damp metan reformering. Selvom det er billigt, frigiver det store mængder kuldioxid i processen.

For brintproduktion, der er billigere, mere effektivt, og mindre forurenende Berkeley Lab-forskere forfølger flere alternative teknologier, udnytte deres muligheder inden for brændselsceller, materialer, og andre områder. Disse omfatter elektrolyse, som bruger elektricitet til at spalte vand til brint og ilt, og fotoelektrokemiske (PEC) celler, som bruger sollys til at gøre det samme.

Hvis elektriciteten er genereret af vedvarende energi, er elektrolyse i det væsentlige fri for forurening. "Vi tror, ​​at hvis du ser på, hvordan sol og vind går, elpriserne vil være meget lavere i fremtiden, og i lavsæsonen, prisen kan endda blive negativ, " sagde Weber. "Hvis vi kan bruge den elektricitet i en intermitterende elektrolyseenhed, vi kan begynde at producere noget meget billigt brint."

Efterhånden som brugen af ​​vind og sol vokser, et eloverskud bliver et problem for forsyningsselskaberne. "Elektrolyse bliver en god måde at bruge overskydende elektricitet på - det har vist sig at være en meget billig måde at lave belastningsudjævning på, " sagde Berkeley Lab-forsker Nem Danilovic.

Som leder af Energy Conversion Group på Berkeley Lab og vicedirektør for HydroGEN, et DOE-konsortium af nationale laboratorier fokuseret på avancerede vandopdelingsmaterialer, Weber fører tilsyn med en række projekter for både lavtemperatur- og højtemperaturelektrolysatorer. Elektrolyse er i kommerciel brug i dag, men udfordringen er at gøre det mere effektivt og mindre kapitalkrævende.

Ligesom brændselsceller, elektrolysatorer består af en anode og en katode adskilt af en elektrolyt. "Vi har stor erfaring med at forske i brændselsceller, og det udnytter vi også til elektrolyse, " sagde Danilovic. "Mange af de samme værktøjer og teknikker, som blev udviklet til at forstå membraner, katalysatorer, modellering bliver udnyttet til at gælde for elektrolysatorer, og forhåbentlig kan vi hurtigt reducere omkostningerne ved brintproduktion."

Berkeley Labs forskning i brintgenerering får også et løft fra de muligheder, der er udviklet på Joint Center for Artificial Photosynthesis, (JCAP), en DOE Energy Innovation Hub etableret i 2010 for at fremme forskning i solenergi. Bygger på arbejde, som JCAP-forskere ved Berkeley Lab udførte på PEC-celler - spaltning af vand til brint på den ene elektrode og oxygen på den anden - Weber og hans team raffinerer cellerne yderligere for at nedbringe omkostningerne og integrere dem i enheder.

"JCAP demonstrerede høj effektivitet til at tage sollys og få bobler af brint og ilt, " sagde Weber. "Vi mangler stadig at arbejde på holdbarhed og omkostninger, men vi opbyggede en masse kapaciteter inden for overfladevidenskab, katalyse, integration, og elektrokatalyse. Mange af disse muligheder er blevet overført til vores brintarbejde."

Andre forskningsprojekter omfatter en perovskit sol-til-brint generator, en højtemperaturelektrolysator med fast oxid, samt mere grundlæggende materialeforskning som en del af HydroGEN Advanced Water Splitting Materials-konsortiet, som ledes af National Renewable Energy Laboratory. "Materialerne – det er der, vi tror, ​​der kan være innovation, med hensyn til effektivitet og også omkostninger, " sagde Weber. "Vi arbejder på alt fra ab initio beregninger af katalysatorer til multiskala modellering på celleniveau, analysere membraner, udfører overfladefunktionalisering og overfladeegenskaber, til benchmarking."

Derudover udvikler Berkeley Lab-forskere værktøjer og analyser for at accelerere forsknings- og udviklingsprocessen, herunder lave tekno-økonomiske analyser for netintegration, benchmarking af teknologierne mod hinanden for at have fælles målinger og mål, og udvikling af et lager af materialedata, som videnskabsmænd kan bruge som et forskningsværktøj.

Berkeley Lab er også en del af et andet DOE-konsortium, Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium (HyMARC), ledet af Sandia National Laboratories, som arbejder på sikker og omkostningseffektiv brintlagring. Forskere fra Berkeley Labs Molecular Foundry, et DOE Nanoscale Science Research Center, arbejder på adskillige HyMARC-projekter og har for nylig ledet en undersøgelse af magnesium nanokrystaller pakket ind i et lag af grafen, som viste store løfter om at opbevare brint sikkert og ved høje tætheder. Forsker Jeff Urban leder HyMARC for Berkeley Lab.

Mens der stadig er videnskabelige problemer for at overvinde Weber og Danilovic, både i Berkeley Labs energiteknologiområde, ser store løfter for brint til at spille en rolle i industrier fra transport til opvarmning til fødevareproduktion. Moderne landbrug, for eksempel, er stærkt afhængig af gødning, heraf ammoniak, eller NH3, er en nøglekomponent. "Brinten til ammoniak er afledt af naturgas, "Danilovic sagde. "Brug af billig brint fra elektrolyse kan give markedsmuligheder for strandede aktiver som begrænset vind og industrier såsom gødningsproduktion."

Ved at muliggøre bredskala produktion og udnyttelse af rent brint, H2@Scale adresserer nøgleproblemer, såsom netresiliens, energisikkerhed, og emissionsreduktioner.

"For at imødekomme flere energi- og transportbehov, brint er en muliggører, fordi vi kan lave det fra forskellige input, herunder atomkraft eller vedvarende energi såsom sollys eller vindkraft, " sagde Danilovic. "Vi kan tage ren elektricitet og bruge den til at lave brint, en ret fleksibel vare, der derefter kan bruges i forskellige industrier, og i processen, muliggør energisikkerhed, modstandsdygtighed, og økonomisk vækst."