Et team av forskere fra CoorsTek Membrane Sciences og SINTEF i Norge, og Universitat Politècnica de València i Spania, har demonstrert en velbalansert 36-cellers protonkeramisk reaktorstabel muliggjort av en ny sammenkobling som oppnår fullstendig metankonvertering med over 99 % utvinning til trykksatt hydrogen, og etterlater en konsentrert strøm av karbondioksid. Teamet demonstrerte også at prosessen kan skaleres opp for kommersiell bruk.

En artikkel om arbeidet er publisert i tidsskriftet Vitenskap.

Protonkeramiske elektrokjemiske reaktorer kan trekke ut rent hydrogen fra gassblandinger ved å elektrolytisk pumpe protoner gjennom membranen ved 800°C. Etter hvert som utvinningen skrider frem, fører imidlertid temperaturgradienter og entropiske effekter til effektivitetsfall. Den nye nikkelbaserte glasskeramiske komposittforbindelsen muliggjorde utformingen av en mer kompleks reaktorbane. Motstrømmene balanserte varmefluksene og opprettholdt stabile driftsforhold som muliggjorde 99 % hydrogengjenvinningseffektivitet.

Denne figuren viser prinsippene for den nye keramiske membranen som brukes i produksjonen av hydrogen. Figur gjengitt med vennlig tillatelse fra CoorsTek Membrane Sciences.

For tiden etablerte metoder har energieffektivitetsvurderinger mellom 70 og 75 %, men vår tilnærming har en potensiell effektivitet på 90 %. Sluttproduktet er komprimert hydrogen med høy renhetsgrad. Den keramiske membranreaktoren separerer også karbondioksid mer effektivt, slik at drivhusgassen lett kan transporteres og sekvestreres.

Dette er et viktig skritt på veien for å gjøre hydrogen mye mer praktisk som drivstoff. Prosessen har også et lavt karbonavtrykk.

—Harald Malerød-Fjeld fra CoorsTek Membrane Sciences

Det forskes ved SINTEFs anlegg og laboratorier i Oslo, som er samlokalisert med lokalene til CoorsTek Membrane Sciences.

Dampreformeringsteknologien som brukes til å produsere hydrogen fra naturgass er velkjent. Et stort problem knyttet til dampreformering er at prosessen er energikrevende og foregår i flere stadier. Den inneholder også CO₂ som et biprodukt. Den nye teknologien krever derimot ingen ekstern varme for å drive dampreformeringsprosessen. En av nøklene til den nye prosessen er at varme genereres automatisk når hydrogen pumpes gjennom den keramiske membranen. På denne måten genereres varmen akkurat der det trengs.

Den minste byggesteinen som brukes i den nye metoden er en elektrokjemisk brenselcelle som består av en seks centimeter lang keramisk sylinder. Den utvidede membranreaktoren måler 4 x 40 centimeter. Den består av 36 slike celler som er koblet sammen for å danne en kontinuerlig elektrisk krets.

Materialet som forbinder cellene er laget av en glasskeramikk som, som navnet antyder, er en kompositt av glass og keramiske materialer, som porselen. Dette materialet blandes deretter med et elektrisk ledende metallpulver.

I følge CoorsTek Membrane Sciences var utviklingen av dette materialet nøkkelen til å gjøre skaleringsprosessen mulig. Reaktormembranen legges deretter i et stålrør som holder gassene under høyt trykk.

Ved møte med metan (CH₄), bryter den protonkeramiske membranen ned de individuelle atomene til deres konstituerende protoner og elektroner. Positivt ladede protoner passerer gjennom membranen, mens elektroner fanges opp på elektrodene og transporteres rundt i membranen via en ekstern elektrisk krets. Når protoner og elektroner bringes sammen på den andre siden av membranen, er produktet rent, komprimert hydrogen.

Teknologien bak denne nye keramiske membranreaktoren for hydrogenproduksjon er utviklet av forskere fra CoorsTek Membrane Sciences, Universitetet i Oslo og Instituto de Tecnologica Quimica i Valencia, Spania. SINTEFs rolle i prosjektet har vært å teste reaktorene og undersøke hvordan dette nye konseptet for hydrogenproduksjon kan integreres i et større energisystem.

Neste trinn i utviklingen av denne teknologien er allerede godt i gang. Et pilotanlegg er etablert i Dhahran i Saudi-Arabia. Generatoren installert i denne installasjonen, som er fem ganger større enn den som er beskrevet i Vitenskap papir, har også bevist seg.

Vi er sikre på at denne teknologien fortsatt kan utvides. Vårt håp er at den første industrielle installasjonen av et kommersielt hydrogenproduksjonssystem kan finne sted i løpet av de neste to til tre årene.

—Harald Malerod-Fjeld

SINTEF fortsetter å samarbeide med CoorsTek Membrane Sciences om utvikling av større membranreaktorer, og de to organisasjonene jobber med andre materialteknologirelaterte prosjekter.

Forskningen er finansiert av ENGIE, ExxonMobil, Equinor, Saudi Aramco, Shell og Total Energies. Prosjektet er også finansiert av Gassnova som en del av CLIMIT CO₂ ledelsesforskningsprogram. Forskningen gjennomføres etter Open Innovation-modellen, hvor alle prosjektpartnere har full tilgang til all data som genereres i løpet av prosjektet.

Ressurser

• ClarkDaniel et al. (2022) «Ettrinns hydrogenproduksjon fra NH3, CH4 og biogass i stablede protonkeramiske reaktorer» Vitenskap gjør jeg: 10.1126/science.abj3951