Hoewel vaak wordt gesproken over waterstof als de brandstof van de toekomst zonder vervuiling, speciaal voor gebruik in brandstofcel elektrische voertuigen, waterstof kan voor veel meer worden gebruikt dan emissievrije auto's. In feite, van het vergroten van de flexibiliteit van het net tot het vergroenen van de landbouw, waterstof kan een grote rol spelen in een schoon en veerkrachtig energiesysteem.

In een poging om die visie te verwezenlijken, het Department of Energy (DOE) heeft "Hydrogen at Scale, " of H2@Scale, een initiatief dat het potentieel voor grootschalige waterstofproductie en -gebruik in de Verenigde Staten onderzoekt ten gunste van vele sectoren van de economie. Ter ondersteuning van het initiatief hebben wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hun aandacht steeds meer gericht op het genereren van waterstof.

"Waterstof is een zeer mooie tussenliggende energiedrager", zegt Berkeley Lab-onderzoeker Adam Weber. "Er is nu een grote focus om waterstof te gebruiken voor ander eindgebruik, niet alleen brandstofcellen en voertuigen."

Het probleem met waterstof is terwijl het het meest voorkomende element op onze planeet is, het bestaat nergens in zuivere vorm. Dat betekent dat het uit andere verbindingen moet worden geproduceerd. Momenteel, het overgrote deel van waterstof wordt geproduceerd door het uit aardgas te winnen, een proces dat stoommethaanreforming wordt genoemd. Hoewel het goedkoop is, komen er tijdens het proces grote hoeveelheden koolstofdioxide vrij.

Voor waterstofopwekking is dat goedkoper, efficiënter, en minder vervuilende Berkeley Lab-onderzoekers streven naar verschillende alternatieve technologieën, gebruik te maken van hun capaciteiten op het gebied van brandstofcellen, materialen, en andere gebieden. Deze omvatten elektrolyse, die elektriciteit gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof, en foto-elektrochemische (PEC) cellen, die zonlicht gebruiken om hetzelfde te doen.

Als de elektriciteit wordt opgewekt door hernieuwbare energie, is elektrolyse in wezen vrij van vervuiling. "Wij geloven dat als je kijkt naar de manier waarop zon en wind gaan, elektriciteitsprijzen zullen in de toekomst veel lager zijn, en in de daluren, de prijs kan zelfs negatief worden, Weber zei. "Als we die elektriciteit kunnen gebruiken in een intermitterende elektrolyse-eenheid, we kunnen beginnen met de productie van zeer goedkope waterstof."

Naarmate het gebruik van wind en zon toeneemt, een elektriciteitsoverschot wordt een probleem voor nutsbedrijven. "Elektrolyse wordt een goede manier om overtollige elektriciteit te gebruiken - het is aangetoond dat het een zeer goedkope manier is om belasting te nivelleren, ", zegt Berkeley Lab-onderzoeker Nem Danilovic.

Als leider van de Energy Conversion Group bij Berkeley Lab en adjunct-directeur van HydroGEN, een DOE-consortium van nationale laboratoria gericht op geavanceerde watersplitsende materialen, Weber houdt toezicht op een aantal projecten voor zowel lage-temperatuur- als hoge-temperatuur-elektrolyzers. Elektrolyse wordt tegenwoordig commercieel gebruikt, maar de uitdaging is om het efficiënter en minder kapitaalintensief te maken.

Zoals brandstofcellen, elektrolyzers bestaan ​​uit een anode en een kathode gescheiden door een elektrolyt. "We hebben uitgebreide ervaring in het onderzoeken van brandstofcellen, en dat gebruiken we ook voor elektrolyse, " zei Danilovic. "Veel van dezelfde tools en technieken die werden ontwikkeld voor het begrijpen van membranen, katalysatoren, modellering wordt gebruikt om toe te passen op elektrolyzers en hopelijk kunnen we snel de kosten van waterstofopwekking verlagen."

Het onderzoek naar waterstofgeneratie van Berkeley Lab krijgt ook een boost van de mogelijkheden die zijn ontwikkeld in het Joint Center for Artificial Photosynthesis, (JCAP), een DOE Energy Innovation Hub opgericht in 2010 om onderzoek naar zonnebrandstof te bevorderen. Voortbouwend op het werk dat JCAP-onderzoekers van Berkeley Lab deden aan PEC-cellen - water splitsen in waterstof op de ene elektrode en zuurstof op de andere - verfijnen Weber en zijn team de cellen verder om de kosten te verlagen en ze in apparaten te integreren.

"JCAP toonde hoge efficiënties voor het opnemen van zonlicht en het krijgen van bellen van waterstof en zuurstof, Weber zei. "We moeten nog werken aan duurzaamheid en kosten, maar we hebben veel capaciteiten opgebouwd in oppervlaktewetenschap, katalyse, integratie, en elektrokatalyse. Veel van die mogelijkheden zijn overgebracht naar ons waterstofwerk."

Andere onderzoeksprojecten omvatten een perovskiet-generator van zonne-naar-waterstof, een vaste oxide hoge temperatuur elektrolysator, evenals meer basismateriaalonderzoek als onderdeel van het HydroGEN Advanced Water Splitting Materials-consortium, die wordt geleid door het National Renewable Energy Laboratory. "De materialen - dat is waar we denken dat er innovatie kan zijn, in termen van efficiëntie en ook kosten, " zei Weber. "We werken aan alles, van ab initio berekeningen van katalysatoren tot multischaalmodellering op celniveau, analyseren van membranen, het doen van oppervlaktefunctionalisering en oppervlakte-eigenschappen, benchmarken."

Daarnaast ontwikkelen wetenschappers van Berkeley Lab tools en analyses om het onderzoeks- en ontwikkelingsproces te versnellen, inclusief het doen van techno-economische analyse voor netintegratie, het vergelijken van de technologieën met elkaar om gemeenschappelijke meetwaarden en doelen te hebben, en het ontwikkelen van een opslagplaats van materiaalgegevens die wetenschappers kunnen gebruiken als onderzoeksinstrument.

Berkeley Lab maakt ook deel uit van een ander DOE-consortium, Waterstofmaterialen—Advanced Research Consortium (HyMARC), geleid door Sandia National Laboratories, die werkt aan veilige en kosteneffectieve waterstofopslag. Wetenschappers van de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een DOE Nanoscale Science Research Center, werken aan verschillende HyMARC-projecten en leidden onlangs een onderzoek naar magnesium nanokristallen verpakt in een laag grafeen, die veelbelovend was voor het veilig en met hoge dichtheden opslaan van waterstof. Onderzoeker Jeff Urban leidt HyMARC voor Berkeley Lab.

Hoewel er nog steeds wetenschappelijke problemen zijn om Weber en Danilovic te overwinnen, beide in Berkeley Lab's Energy Technologies Area, zien grote belofte voor waterstof om een ​​rol te spelen in industrieën van transport tot verwarming tot voedselproductie. moderne landbouw, bijvoorbeeld, is sterk afhankelijk van kunstmest, waarvan ammoniak, of NH3, is een belangrijk onderdeel. "De waterstof voor ammoniak is afgeleid van aardgas, "Zei Danilovic. "Het gebruik van goedkope waterstof uit elektrolyse zou marktkansen kunnen bieden voor gestrande activa zoals ingeperkte wind en industrieën zoals de productie van kunstmest."

Door grootschalige productie en benutting van schone waterstof mogelijk te maken, H2@Scale pakt de belangrijkste problemen aan, zoals de veerkracht van het net, energieveiligheid, en emissiereducties.

"Om tegemoet te komen aan meerdere energie- en transportbehoeften, waterstof is een enabler omdat we het kunnen maken van verschillende inputs, met inbegrip van kernenergie of hernieuwbare energie zoals zonlicht of windenergie, " zei Danilovic. "We kunnen schone elektriciteit nemen en gebruiken om waterstof te maken, een vrij flexibel goed dat vervolgens in verschillende industrieën kan worden gebruikt, en in het proces, energiezekerheid mogelijk maken, veerkracht, en economische groei."