Hvordan redusere kostnadene ved produksjon av grønt hydrogen?

Grønt hydrogen er regnet å spille en viktig rolle for å løse vår tids miljøutfordringer. Kostnaden for grønn hydrogenproduksjon i dag er imidlertid for høy.  Nå viser forskning at neste-generasjons, innovative membraner og design av brenselceller kan være tilnærmingen for å møte dette problemet.

Grønt hydrogen fremstilles ved elektrolyse der fornybar elektrisitet, for eksempel fra vindturbiner eller solceller, kombineres med vann for å produsere hydrogengass. Hydrogengassen kan deretter lagres, transporteres og brukes i en brenselcelle for å produsere elektrisitet der det eneste biproduktet er vanndamp.

Det er lett å se hvordan ideen om et nullutslippsdrivstoff skapt av fornybare ressurser med ubegrensede forsyninger, dvs. sol, vind og vann, har generert så mye «hype» nylig. Så, hvorfor tar ikke hele verdens energiinfrastruktur grønt hydrogen inn som erstatning for fossile brensler? Det korte svaret er kostnad. Prisen på produksjon av grønt hydrogen er i dag rett og slett for høy til at den kan være konkurransedyktig med konvensjonelle energikilder. Kostnadene knyttet til fornybar elektrisitet og til elektrolysørene/brenselcellene er store.

Dyre materialer

Elektrolysører og brenselceller er komplekse teknologier som for tiden er avhengige av dyre komponenter, spesielt katalysatorer av edelt metall, for eksempel platina og iridium, og fluorerte ioneutvekslingsmembraner. International Renewable Energy Agency (IRENA) utførte en kostnadsfordelingsanalyse for et typisk protonutvekslingsmembran (PEM) elektrolysørsystem og fant at katalysatorene og membranen til sammen utgjør 24% av de totale kostnadene for en elektrolyse-cellestabel.

Utvikling av giftfri, safe-by-design membraner

Ionutvekslingsmembranene er en spesielt interessant kandidat for potensiell kostnadsreduksjon, da alle kommersielt tilgjengelige PEM-elektrolysør- og brenselcellesystemer for tiden bruker én type membran, kjent som perfluorerte sulfonsyre (PFSA) membraner. Disse membranene syntetiseres ved hjelp av dyr fluorkjemi, og som et resultat representerer de en betydelig del av kostnaden, for eksempel 5% av den totale kostnaden for elektrolysecellestabelen i eksemplet nedenfor. For PEM-brenselceller har DoE utført en kostnadsanalyse av en Mirai brenselcellepersonbil og fant ut at PFSA-membranen utgjorde 14% – 19% av den totale brenselcellestabelkostnaden, avhengig av antall cellestabler produsert per år.[1]

I tillegg til de høye kostnadene ved PFSA-membraner, gir bruken av disse fluorerte polymerene alvorlige helse- og miljøutfordringer, da produksjon, nedbrytning og avhending resulterer i utslipp av farlige perfluorerte forbindelser som har vist seg å akkumulere i miljøet og er giftige for levende organismer. [2]^,[3] Utvikling av giftfrie, safe-by-design membraner er derfor avgjørende for å sikre at fornybare teknologier, som er avhengige av protonutvekslingsmembraner, forblir en miljøvennlig løsning.

To strategier

Cellestabelen er hjertet og sjelen til alle elektrolysør- og brenselcelleteknologier. Det er her de viktigste elektrokjemiske prosessene finner sted og hvor systemets generelle ytelse og levetid vil bli bestemt. Det er derfor viktig å undersøke nye cellestabelmaterialer som kan gi kostnadsbesparelser, samtidig som de oppfyller målene for ytelse, levetid og sirkularitet.

Det finnes generelt to strategier når det gjelder materialutvikling av elektrolysør- og brenselcellestabelkomponenter:

Den første strategien er å finne nye materialer som direkte kan erstatte de eldre materialene som brukes i PEM- elektrolysører og -brenselceller. Siden PEM-elektrolysører og -brenselceller er modne teknologier som implementeres i verden nå, vil nye materialer for bruk i PEM-teknologier oppnå rask fremgang og umiddelbare kostnadsreduksjonsfordeler. Utfordringen ved denne tilnærmingen ligger i det faktum at PEM-teknologier opererer i et surt miljø og derfor krever korrosjonsbestandige komponenter. Materialer som er billige og stabile i det sure driftsmiljøet, og som viser høy ytelse, er svært vanskelig å finne.

Den andre strategien er å endre driftsmiljøet til elektrolysøren/brenselcellen slik at den ikke lenger opererer i et surt miljø. I denne strategien drives elektrolysør- og brenselcelleteknologier under alkaliske forhold, noe som åpner for muligheten til å bruke helt nye klasser av materialer som har forskjellige fordeler og ulemper i forhold til det sure PEM-systemet. Disse systemene som opererer under alkaliske forhold kalles anionutvekslingsmembran (AEM) elektrolysører og brenselceller.  AEM-baserte systemer kan derfor utformes ved hjelp av rimeligere katalysatormaterialer (f.eks. Ni vs. Pt) og komponentmaterialer (f.eks. rustfritt stål vs. titan), samtidig som fordelene ved et membranbasert system, som rask respons for dynamisk drift og høy selektivitet, opprettholdes. Den potensielle bruken av AEM-er på tvers av et bredt spekter av bærekraftige energiteknologier har resultert i en bølge av interesse og kommersialisering av flere nye AEM-materialer. Til tross for dette forblir de fleste anionutvekslingsmembraner begrenset av enten lav stabilitet i et alkalisk miljø eller lave ioniske ledningsevner. For å overvinne disse utfordringene er det nødvendig med innovative design av polymermembraner der det kreves nøye vurdering av den kjemiske strukturen til både polymerkjeden og den ionledende funksjonelle gruppen.

LOCOMOTION-prosjektet – erstatte PFSA-membraner i PEM-brenselceller

SINTEF har nylig fått støtte gjennom Era.NET MarTERA-programmet til å utforske utviklingen av hydrokarbonbaserte blokk-kopolymerer til erstatning for PFSA-membraner i PEM-brenselceller. Prosjektet har tittelen «Highly durable, low-cost membrane electrode assemblies for maritime fuel cell applications (LOCOMOTION)».  Mer informasjon om prosjektet finner du her.

Denne potensielle løsningen tar sikte på å erstatte PFSA-membranen i PEM-teknologier med hydrokarbonbaserte protonutvekslingsmembraner (HC-PEM). Disse ikke-fluorerte membranene kan syntetiseres fra billige råvarer for å gi betydelige kostnadsbesparelser og reduserte miljøutfordringer. Den største ulempen med HC-PEM er at de krever en mye større tetthet av sulfonsyregrupper for å oppnå lignende protonledningsevner som PFSA-baserte membraner. Dette gir til større vannopptak og overdreven hevelse som til slutt fører til redusert mekanisk stabilitet av HC-membraner.

LOCOMOTION foreslår bruk av en blokk-kopolymer for å begrense vannopptaket og hevelsen av HC-PEM, samtidig som god ionisk ledningsevne opprettholdes. Ettersom membranens ion-, væske- og gasstransportegenskaper i stor grad tilskrives de hydrofile blokkene (dvs. med sulfonsyregrupper) og den mekaniske, kjemiske og termiske stabiliteten til den resulterende membranen bestemmes av de hydrofobe blokkene (dvs. uten sulfonsyregrupper), kan de resulterende membranegenskapene justeres ved å variere fraksjonen av hydrofile/hydrofobe blokker. I tillegg kan mikrofaseseparasjon og sammenkobling av de ioniske domenene, som er viktige for å fremme god ionisk ledningsevne, justeres ved å variere de enkelte blokklengdene.

De forventede forskningsresultatene vil ha en direkte innvirkning på komponentutvikling for PEM-brenselceller og nullutslippstransport. Når det gjelder utviklingen av neste-generasjons protonutvekslingsmembraner, vil større innsikt rundt påvirkningen av strukturen av de hydrokarbonbaserte blokk-kopolymerene på nanoskalafaseseparasjon være avgjørende for å overvinne begrensningene til ikke-fluorerte membraner, nemlig å oppnå tilstrekkelig høye protonledningsevner samtidig som man unngår overdreven vannopptak og hevelse. Resultatene fra LOCOMOTION-prosjektet vil bidra direkte til å redusere ytelsesgapet mellom hydrokarbon- og PFSA-baserte PEMs, og fremheve levedyktigheten til miljøvennlige og billige ikke-fluorerte alternativer. Et viktig resultat av dette prosjektet vil være potensialet for en trinnvis endring i utviklingen av protonutvekslingsmembraner med potensial til å skape endring i det nåværende markedet, som utelukkende er avhengig av perfluorerte membraner som er dyre å syntetisere og utgjør helsemessige/miljømessige bekymringer.

COFFEE-prosjektet – innovative anionbyttemembraner

På AEM-siden har SINTEF gjennom det m-era.net programmet fått midler til å utforske utviklingen av innovative anionutvekslingsmembraner. Prosjektet heter «Cationic Covalent Organic Frameworks as Anion Exchange Membranes for Electrochemical Energy Applications (COFFEE)». Mer informasjon om prosjektet finner du her.

Dette innovative prosjektet benytter en «bottom-up» tilnærming til membrandesign, som tar sikte på å drastisk endre de tradisjonelle AEM-designene, som utelukkende er baserte på lineære kationiske polymerer, og i stedet utvikle en helt ny type membraner basert på kovalente organiske rammeverk (COFer). COFs er sykliske molekyler som gjennomgår selvmontering for å danne svært ordnede nanokanaler. Hovedideen bak COFFEE-prosjektet er å dra nytte av den supramolekylære CLOF-strukturen for å muliggjøre ultrarask iontransport gjennom CLOF-nettverket, ved å funksjonalisere innsiden av COFer med anion-ledende grupper. Disse svært ordnede CLOF-strukturene vil da bli innebygd i en polymermatrise og gi membraner med en optimal balanse mellom ionisk ledningsevne og mekanisk stabilitet.

Den vellykkede bruken av kationiske COFer i en polymermatrise vil bane vei for den første demonstrasjonen av COF-baserte AEM-er i elektrokjemiske energikonverterings- og lagringsenheter.  Det planlagte gjennombruddet man ser for seg å få ved utvikling en helt ny klasse av anionutvekslingsmembraner, vil presse utviklingen av AEM-baserte elektrokjemiske energikonverterings- og lagringsteknologier nærmere kommersiell levedyktighet. COFFEE-prosjektet vil derfor bidra direkte til å sikre fremtidig suksess for bærekraftig energiforsyning i Europa. Vellykket kommersialisering av AEM-elektrolysører og -brenselceller har potensial til å redusere produksjonskostnadene for grønt hydrogen, og dermed legge til rette for utbredt bruk av fornybart drivstoff og støtte de europeiske strategiske og politiske målene for reduksjon av klimagassutslipp.

Mål om å være i forkant av en revolusjon for grønt hydrogen

Den nåværende produksjonskostnaden for grønt hydrogen er en stor barriere for stortskala produksjon. Forskningsinnsats mot innovative elektrolysør- og brenselcellekomponenter representerer en av veiene mot å oppnå rimelige elektrolysør- og brenselcellesystemer. Mer spesifikt gir utviklingen av nye ionutvekslingsmembraner en mulighet for økte kostnadsbesparelser og redusert miljøpåvirkning. SINTEF er for tiden aktiv i utviklingen av innovative membraner for både PEM- og AEM-teknologier i håp om å bidra med løsninger til en revolusjon for grønt hydrogen.

[1] Amerikansk DoE-rapport (2018), Mass Production Cost Estimation of Direct H₂ PEM Fuel Cell Systems for Transportation Applications.[2] Feng, M.; Wang, Z. m.fl. Sci. Rep.2015, 5, 9859.[3] https://www.eea.europa.eu/themes/human/chemicals/emerging-chemical-risks-in-europe