Med 300 millioner kroner i ryggen: Pionercenter skal frigøre PtX af sjældne metaller

Nutidens elektrokemiske elektrolyseprocesser er ofte baseret på de sjældne metaller platin og iridium, der risikerer at skabe en flaskehals for en global udrulning af Power-to-X (PtX).

Der er med andre ord brug for alternative materialer, hvis teknologien skal udbredes kloden rundt til terawatt-skala.

De alternativer vil være centrum for det spritnye forskningscenter CAPeX, der bliver præsenteret på en reception i dag på DTU.

Der er tale om et af Danmarks Grundforskningsfonds såkaldte pionercentre, der med en samlet bevilling på 300 millioner kroner skal accelerere udviklingen af nye materialer til PtX-processer som eksempelvis alternativer til nutidens brug af platinmetaller i katalysatorer.

»Materialer som iridium, platin og ruthenium er ikke skalerbare til de globale udfordringer, vi står overfor. Derfor vil vi på centret afsøge mere bæredygtige og skalerbare materialer,« siger Tejs Vegge, professor på DTU Energy og nyudnævnt leder af CAPeX.

»Det dur ikke, at vi finder verdens bedste løsninger inden for PtX, hvis de kun kan skaleres til at levere bæredygtige flybrændstoffer til dig og mig.«

Fremtidens PtX-eksperter

Som to af Tejs Vegges forskerkolleger fra DTU har peget på i en kommentar i Nature Energy for tre år siden, vil en skalering til en global elektrolysekapacitet på en TW kræve mellem 100 og 8.000 ton iridium afhængig af valg af elektrolyseteknologi.

Til sammenligning så udvindes der 10 ton årligt.

Af samme grund var Nature-kommentaren også en klar opfordring til fagfæller verden over om at sætte ind på forskningen i alternative PtX-materialer.

»Der er tale om udfordringer, som ikke kan løses af en enkelt forsker, gruppe eller universitet, men kræver helt nye måder at samarbejde på,« som Tejs Vegge siger.

Med CAPeX vil et bredt udsnit af disse internationale eksperter i materialeforskning og PtX-processer samle deres viden.

Derfor er det også oplagt, at centret fysisk skal være forankret på DTU på en hel etage i den kommende og nyetablerede bygning Climate Challenge Laboratory, som i sig selv samler forskning på tværs af computer-simuleringer, testbænke og syntese- og analysefaciliteter til materialeforskning.

Herfra vil CAPeX sprede sine aktiviteter ud til fire andre danske og tre udenlandske samarbejdsuniversiteter og forskere inden for alt fra machine learning og kemisk syntese til robotter og generelle PtX-processer.

Og så har Aalborg Universitet som centrets medvært særlige faciliteter indenfor brint-produktion, pålidelig effektelektronik og robot-teknologi, der vil blive udnyttet med professor Frede Blaabjerg fra AAU Energi i spidsen.

»Vi har meget stort fokus på at uddanne fremtidens eksperter eller ‘power-to-Xperts'. Af samme grund forventer vi at kunne uddanne 50-60 Ph.d.er og tilsvarende antal postdocs i løbet af centrets 13 års levetid,« siger Tejs Vegge og forklarer, hvordan der eksempelvis skal udarbejdes fellowshipprogrammer på samarbejdsuniversiteterne Stanford University, University of Toronto og Utrecht University.

Ikke slås tilbage i PtX-ludo

Når der skal samles eksperter inden for vidt forskellige forskningsfelter, skyldes det, at centret ifølge Tejs Vegge vil lægge vægt på metoderne til at udvikle nye materialer.

Han forklarer, hvordan materialeudviklingen i dag skal gennem mange og langvarige procestrin, fra én gruppe opdager et nyt materiale i laboratoriet, som en anden gruppe så efterprøver og dokumenterer, til én tredje gruppe skal eftervise opskalering.

Nogle gange med fejlslagne trin undervejs, så udviklingen må starte forfra på lab-niveau.

I CAPeX vil man gå anderledes til det, så man kan undgå, at det tager 20 år fra forståelse til kommercialisering af et nyt PtX-materiale eller -device.

»Vi skal blandt andet lave en materiale-accelerationsplatform, hvor alle dele af en udviklingsproces skal kunne udveksle data med hinanden på sømløs vis,« siger Tejs Vegge.

Det betyder, at man eksempelvis kan tage resultaterne fra materiale-simuleringer og bruge modellernes output til at styre en autonom synteserobot, der kan stå i et helt andet
laboratorie, til at producere materialet, som sidenhen kan testes og analyseres automatisk ved hjælp af kunstig intelligens.

På den vis kan man ændre samtidig på materialesammensætningen og på betingelser som temperatur og tryk og sætte nye parallelle forsøg og simuleringer over.

»Vi vil udvikle en måde til at undgå sekventielle PtX-ludo, hvor man følger den samme vej, men hele tiden kan blive slået tilbage,« siger Tejs Vegge.

Digital kobling fra atom til energiø

For at sikre at alle dele af udviklingsprocessen taler sammen, skal platformen blandt andet inkludere en avanceret digital tvilling, der kan følge materialer helt fra laboratorie- til anvendelsesskala. Herunder at undersøge, hvordan den bedst styres af blandt andet effektelektronikken.

»Vi får koblet en digital tvilling på hele processen. Helt ned på atomar niveau, men også på systemniveau. Hvordan udnytter vi bedst energien fra sol og vind på fremtidens energiøer med givne materialer,« siger Tejs Vegge.

Netop den del af CAPeX er med-leder af centret AAU-professor Frede Blaabjerg ekspert i.

Ved hjælp af digitale tvillinger vil man på centret kunne designe, teste og analysere nye materialer, elektrolyseceller og hele PtX-systemer i et computersimuleret, virtuelt univers, inden de fremstilles.

I sidste ende vil centret forhåbentlig kunne byde ind med både optimerede og mere bæredygtige, skalérbare PtX-processer, der kan bruges til alt fra flydende brændstoffer og avancerede kemikalier til plast, medicin eller proteiner til supplering af fødevarer.

Centret åbner efter planen i løbet af foråret, men præsenteres altså officielt til en reception på DTU i dag.