Danske forskere i Science: Fastoxid-elektrolyse kan vinde teknologikampen om power-to-x

Illustration: A. Hauch m.fl./Science

Power-to-x er blevet et begreb, der tales om selv på de politiske gange i forbindelse med den grønne omstilling.

For vi bliver simpelthen nødt til at kunne omsætte elektrisk energi fra sol eller vind til kemisk energi i form af brint, som så senere kan bruges i en lang række forskellige anvendelser (‘x’-et), hvis vi skal komme i mål med den grønne omstilling.

Kort fortalt skal vi bruge den elektriske energi til spalte H2O og CO2 for at få H2 og CO, som vi kan udnytte i energiforsyningen eller til at fremstille kemikalier.

Der findes tre forskellige teknologier, hvormed det kan lade sig gøre: alkalisk elektrolyse, polymer elektrolyt membran (PEM) eller fastoxid-elektrolyse (SOEC efter solid oxide electrolysis cell).

Bad om en rettelse og fik en opfordring til at skrive en stor artikel

I en oversigtsartikel i Science i denne uge redegør forskere fra DTU, Aalborg Universitet og Haldor Topsøe med Anne Hauch fra DTU Energi som førsteforfatter for de seneste 10-15 års betydelige fremskridt inden for SOEC-teknologien. Det gør nu denne teknologi interessant for opskalering og industriel brug i større omfang.

Anne Hauch fortæller, at det er en artikel, som de blev opfordret til at skrive af en af redaktørerne på Science, da de henvendte sig for at skrive en kommentar som respons på en anden artikel sidste år i Science fra en amerikansk-canadisk forskningsgruppe med titlen What would it take for renewably powered electrosynthesis to displace petrochemical processes?

Den henvendelse førte til en rettelse til den amerikansk-canadiske artikel, men også invitationen til at skrive en helt ny artikel.

»Og hvem siger nej til en sådan opfordring,« siger Anne Hauch.

Her tæller det med, at Science er et af de mest prestigefyldte tidsskrifter for forskere at publicere i.

Eksperter i 2017: PEM vinder 6-3 over SOEC

I Danmark og enkelte steder som f.eks. Tyskland er meget fokus på SOEC, men andre steder er der mere fokus på alkalisk elektrolyse og PEM.

I artikel fra 2017 i International Journal of Hydrogen Energy beskrev forskere fra Imperial College i London resultatet af en undersøgelse blandt 10 førende eksperter inden for katalyse, heraf var de to fra DTU, om hvilken katalyseteknologi, der ville være mest interessant i henholdsvis 2020 og 2030.

På den korte bane holdt flertallet på alkalisk elektrolyse, som er den mest modne teknologi, mens kun en holdt fast i alkalisk elektrolyse i 2030. Seks vurderede PEM som mest interessant på dette tidspunkt og tre holdt på SOEC.

De britiske forskere konkluderede i denne artikel, at »eksperterne, der angiver, at SOEC-systemer vil være at foretrække i 2030, forventer, at denne teknologi vil nå samme niveau for omkostninger og levetid som for alkalisk elektrolyse og PEM, om end det er forbundet med høj usikkerhed.«

Anne Hauch erkender, at netop omkostningerne og levetiden har været og til dels er et problem for SOEC, men formålet med den nye oversigtsartikel er netop at fremhæve de mange forskningsresultater, der viser, at der er sket en enorm udvikling inden for de seneste 10-15 år.

SOEC har hele pakken

Brian Vad Mathiesen fra Aalborg Universitet, der er en af medforfatterne til den nye artikel, oplyser, at han har »svært ved at se, at PEM skulle være teknologien med størst potentiale.« Det vurderer han ud fra prisen og afhængigheden af ædelmetaller i denne proces.

Haldor Topsøe har udsendt en pressemeddelelse, hvori Rainer Küngas, der også er medforfatter til artiklen bl.a. udtaler:

»Den høje driftstemperatur for SOEC giver anledning til de to vigtigste fordele i forhold til alkaliske og PEM- elektrolysatorer: Gunstigere termodynamik og hurtigere kinetik. Det er også vigtigt, at SOEC-teknologien er baseret på skalerbare produktionsmetoder og rigelige råmaterialer såsom nikkel, zirconiumoxid og stål.«

Haldor Topsøe hører til de absolut førende virksomheder inden for SOEC, men de står ikke alene. Også det tyske firma Sunfire satser eksempelvis på denne teknologi.

Derudover har SOEC den fordel at kunne termisk integreres med produktion af bl.a. methanol, diethylether, syntetiske brændstoffer og ammoniak.

Selvom Anne Hauch tror på, at der i princippet kan godt være plads til alle tre teknologier i fremtiden, er det disse fordele, der får hende til at sige, at »SOEC kan det hele«.

Fra forskning til demonstration, men stadig brug for forskning

Hovedbudskabet i artiklen er, at fokus omkring SOEC nu er skiftet fra at dreje sig om forskning og udvikling til opskalering.

Det er noget, som Haldor Topsøe og DTU Energi samarbejder om i et projekt støttet af Innovationsfonden, og som bl.a. er omtalt af Ingeniørens PRO-medie Gridtech. Dette projekt er målrettet SOEC i forbindelse med ammoniakproduktion.

Men der er stadig meget at forske i, hvis SOEC skal opnå sit fulde potentiale.

I Science-artiklen peger Anne Hauch og Co. ikke mindst på, at selvom der er sket markante forbedringer på celleniveau, er der behov for at udvikle endnu mere robuste og stabile elektroder i cellerne herunder løse problemet med nikkel migration

På stak-niveauet (se tegningen øverst i denne artikel) kan SOEC operere under meget forskellige betingelser, der gør det meningsløst blot at fokusere på levetiden. I stedet bør man have fokus på den samlede gasmængde, der kan produceres i stakkens levetid, lyder det fra forskergruppen.

Selv om artiklen påviser, at der er sket betydelige fremskridt for SOEC, og at udviklingen fremover ser lovende ud, skal man dog huske på, at de konkurrerende teknologier også kan forbedres.

Så det er værd at fremhæve forskernes udgangsreplik i deres artikel om, at SOEC ikke vil blive det foretrukne valg, medmindre de totale omkostninger for produktion af et kilogram H2 bringes under det, som vil være tilfældet for den alkaliske og PEM-teknologien.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Man bør måske også vurdere følgende?:

September 8, 2020, Breakthrough Electrocatalyst Turns Carbon Dioxide Into Ethanol: Citat: "... The team’s catalyst consists of atomically dispersed copper on a carbon-powder support. By an electrochemical reaction, this catalyst breaks down carbon dioxide and water molecules and selectively reassembles the broken molecules into ethanol under an external electric field. ... But the electrocatalytic selectivity, or “Faradaic efficiency,” of the new method is over 90%—much higher than any other reported process. What’s more, the catalyst operates stably over extended operation at low voltage. ... Because the process runs at low temperature and pressure, it can start and stop rapidly in response to the intermittent supply of the renewable electricity. ..." https://doi.org/10.1038/s41560-020-0666-x

  • 1
  • 0

Hej Glenn Den review artikel DTU energi forfatterne og mine kollegaer fra Topsoe skrev en kommentar til handler om CO2 til CxHyOz men kun for electrolyse processer ved lave temperaturer (under 100 grader celsius). Det er et stort og aktivt felt i den akademiske forskning (og danske forskere er blandt verdens ledende) og der er også forskellige virksomheder, der har aktiviteter. Den artikel du citerer er derfor en ud af utroligt mange som prøver at få især Cu baserede electrokatalysatorer til at danne kemikalier med mere end et kul atom. Cu kan noget særligt specielt når man gerne vil danne højere kulbrinter. Det er sådan set kendt siden engang i slut 80erne. Forståelsen på atomart niveau af hvorfor har tilgengæld flyttet sig rigtigt meget de sidste 10år. Det er desvære svært at få de Cu baserede systemer til at være stabile over lang tid, hvilket kan lede både til tab af reaktivet og selektivitet. De Cu baserede systemer har også udfordringer med at kunne nå høj reaktivitet (strømtæthed) uden at miste energi effektivitet og selektivitet. Endelig er der også en del forskningsaktiviteter som handler om at indlejere Cu katalysatorerne i elektrode/membransystemer. Venlig hilsen Poul Georg

  • 2
  • 0

Hej Poul Georg

Tak for svar.

Er følgende også kendt viden?:

October 8, 2020, Switching Voltage of an Electrode Alone Can Fine-Tune the Reactivity of a Molecule. One Electrode Fits All Functional Groups: Citat: "... Many atoms can form ‘functional groups’ that either donate or withdraw electrons and control the electron density distribution of a molecule. These functional groups can vary the electronic property of the molecule to speed up the intended chemical reaction. Commonly referred to as “inductive effect,” the electron-donating group pushes electrons to increase the electron density at the site where the reaction takes place. Conversely, electron-withdrawing group removes electrons and reduces the electron density of the reaction site. ... Employing a gold electrode, the researchers attached the target molecules onto the electrode. “Just like functional groups generate diverse electronic effects, we wished to change the properties of the immobilized molecules using different voltages. The beauty of our discovery is that one electrode fits all reactions as the single electrode can behave like multiple functional groups just with the switch of applied voltage,” notes professor Mu-Hyun Baik. ..."

  • 0
  • 0

Hej Glenn, Det var nu bare det generelle omkring Cu der var kendt, den specifikke artikel må have flyttet forskningsfronten på en eller anden måde, ellers ville den formentligt ikke være nået igennem nåleøjet til til Nature Energy.

Den artikel du referer bagefter, er så vidt jeg kan se en elegant måde at studere organisk kemiske reactioner på. De skriver specifikt, at det nye er, at de ikke laver redox kemi, det vil sige fjerne eller tilføjer elektroner. Den fremstår som grundvidenskab i langt højere grad end artiklen omkring Cu som elektrokatalysator. Venlig hilsen Poul Georg

  • 0
  • 0

citat:

"For vi bliver simpelthen nødt til at kunne omsætte elektrisk energi fra sol eller vind til kemisk energi i form af brint, som så senere kan bruges i en lang række forskellige anvendelser (‘x’-et), hvis vi skal komme i mål med den grønne omstilling.

Kort fortalt skal vi bruge den elektriske energi til spalte H2O og CO2 for at få H2 og CO, som vi kan udnytte i energiforsyningen eller til at fremstille kemikalier.

Der findes tre forskellige teknologier, hvormed det kan lade sig gøre: alkalisk elektrolyse, polymer elektrolyt membran (PEM) eller fastoxid-elektrolyse (SOEC efter solid oxide electrolysis cell)."

Hvorofr kan man ikke nævne den "korrekte løsning", som er baseret på direkte omdannelse af vand til brint og ilt i højtemperaturreaktorer?

Det er en meget simpel proces, hvor man bruger en katalysator f. eks baseret på Zirconia keramik) - og som påpeget andetsteds i Ingeniøren af Jesper Ørsted kan man snildt lade en sådan reaktor fungere som grundlast. Uden behov for de dyre og besværlige fluktuerende systemer man har i tankerne. Hvis elbehovet svinger kan man lave brint, hvis den fulde kapacitet ikke er nødvendig ! Keine Hexerei - nur Behändigkeit!I øvrigt kan man få billig procesvarme til fremstilling af stål etc i sådan en reaktor.

Det er en meget billigere måde at lave PtX brændstof på da Atomkraft jo kan bygges til en pris på ca 15 øre per kWh når det gælder om at tibagebetale kapitalinvesteringen. Vedligehold , drift og nedrivning mv. er ikke store udgifter i den forbindelse - anslået nok 30% af disse. Vindkraft etc kan slet ikke konkurrere med denne løsning.

  • 4
  • 4

Det er en meget billigere måde at lave PtX brændstof på da Atomkraft jo kan bygges til en pris på ca 15 øre per kWh når det gælder om at tibagebetale kapitalinvesteringen. Vedligehold , drift og nedrivning mv. er ikke store udgifter i den forbindelse - anslået nok 30% af disse. Vindkraft etc kan slet ikke konkurrere med denne løsning.

Lol,

Nu er fordelene ved PtX jo at det er til at opbevare og transporterer. Så hvorfor er det at Frankrig (som A-krift venligt og kompetent land) f.eks. ikke opfører værker, eller ombygger deres værker til dette, hvis det er så let og billigt? Ve de priser du beskriver, så er det jo nærmest konkurrencedygtigt med de fossile brændstoffer på det frie marked - kunne det måske være fordi Jeres tal ikke holder?

Lige præcis PtX produktion skal jo ikke ligge nær forbrugeren - det kan ligge hvor som helst.

  • 7
  • 1

Nu er fordelene ved PtX jo at det er til at opbevare og transporterer. Så hvorfor er det at Frankrig (som A-krift venligt og kompetent land) f.eks. ikke opfører værker, eller ombygger deres værker til dette, hvis det er så let og billigt? Ve de priser du beskriver, så er det jo nærmest konkurrencedygtigt med de fossile brændstoffer på det frie marked - kunne det måske være fordi Jeres tal ikke holder?

Er det så billigt? Jeg citerer blot Jesper Ørsteds fremragende kommentarer i en anden tråd, som jo tydeligt viser at el fra atomkraft er billigere end el fra vindkraft. Spørg andre lande med billig el hvorfor de ikke partout laver PtX brændstoffer, hvis det forholder sig som du antager ar brændstof vil kune fremstilles billigt med el til atomkraftprisen jeg citerede Jesper Ørsted for. i øvrigt er løsningen, hvis man absolut vil lave brændstof, nok at gå vejen over højtemperaturreaktorer i den nære fremtid, hvor man kan bruge keramiske materialer som katalysatorer i direkte produktion af brint. Det vil være eneegieffektivt.

  • 0
  • 2
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten