Även om vätgas ofta talas om som ett framtida föroreningsfritt bränsle, särskilt för användning i bränslecells elektriska fordon, väte kan användas till mycket mer än nollutsläppsbilar. Faktiskt, från att öka flexibiliteten i nätet till grönare jordbruk, väte kan spela en stor roll i ett rent och fjädrande energisystem.

I ett försök att förverkliga den visionen, Department of Energy (DOE) har lanserat "Hydrogen in Scale, "eller H2@Scale, ett initiativ som undersöker potentialen för storskalig vätgasproduktion och -utnyttjande i USA för att gynna många sektorer i ekonomin. Till stöd för initiativet har forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) alltmer riktat sin uppmärksamhet mot väteproduktion.

"Väte är en mycket trevlig mellanliggande energibärare" sa Berkeley Lab -forskaren Adam Weber. "Det finns ett stort fokus nu att använda väte för andra slutanvändningar, inte bara bränsleceller och fordon. "

Problemet med väte är, medan det är det vanligaste elementet på vår planet, den finns inte någonstans i ren form. Det betyder att det måste framställas från andra föreningar. För närvarande, de allra flesta väte produceras genom att utvinna det från naturgas, en process som kallas ångmetanreformering. Även om det är billigt frigör det stora mängder koldioxid i processen.

För väteproduktion som är billigare, mer effektiv, och mindre förorenande Berkeley Lab -forskare driver flera alternativa tekniker, utnyttja deras förmåga i bränsleceller, material, och andra områden. Dessa inkluderar elektrolys, som använder elektricitet för att dela vatten till väte och syre, och fotoelektrokemiska (PEC) celler, som använder solljus för att göra samma sak.

Om elen genereras av förnybar energi är elektrolysen i huvudsak fri från föroreningar. "Vi tror att om du tittar på hur solen och vinden går, elpriserna kommer att bli mycket lägre i framtiden, och i lågtider, priset kan till och med bli negativt, "Weber sa." Om vi ​​kan använda den elen i en intermittent elektrolysenhet, vi kan börja producera mycket billigt väte. "

När användningen av vind och sol växer, ett elöverskott kommer att bli ett problem för företag. "Elektrolys blir ett bra sätt att använda överskottsel - det har visat sig vara ett mycket billigt sätt att göra lastutjämning, "sa Berkeley Lab -forskaren Nem Danilovic.

Som ledare för Energy Conversion Group på Berkeley Lab och biträdande direktör för HydroGEN, ett DOE -konsortium av nationella laboratorier med fokus på avancerade vattensplittande material, Weber övervakar ett antal projekt för både lågtemperatur- och högtemperaturelektrolysatorer. Elektrolys är i kommersiellt bruk idag, men utmaningen är att göra det mer effektivt och mindre kapitalkrävande.

Som bränsleceller, elektrolysatorer består av en anod och en katod separerade med en elektrolyt. "Vi har stor erfarenhet av att undersöka bränsleceller, och vi utnyttjar det också för elektrolys, "sa Danilovic." Många av samma verktyg och tekniker som utvecklades för att förstå membran, katalysatorer, modellering utnyttjas för att gälla elektrolysatorer och förhoppningsvis kan vi snabbt sänka kostnaden för väteproduktion. "

Berkeley Labs forskning om vätegenerering får också ett uppsving från de möjligheter som utvecklats vid Joint Center for Artificial Photosynthesis, (JCAP), ett DOE Energy Innovation Hub som inrättades 2010 för att främja forskning om solbränsle. På grundval av arbete som JCAP -forskare vid Berkeley Lab gjorde på PEC -celler - splittring av vatten i väte på en elektrod och syre på den andra - förfinar Weber och hans team ytterligare cellerna för att sänka kostnaden och integrera dem i enheter.

"JCAP visade hög effektivitet för att ta solljus och få bubblor av väte och syre, "Weber sa." Vi måste fortfarande arbeta med hållbarhet och kostnad, men vi byggde upp mycket kapacitet inom ytvetenskap, katalys, integration, och elektrokatalys. Många av dessa funktioner har överförts till vårt vätgasarbete. "

Andra forskningsprojekt inkluderar en perovskit-sol-till-vätegenerator, en fastoxid högtemperaturelektrolysator, samt mer grundläggande materialforskning som en del av HydroGEN Advanced Water Splitting Materials -konsortiet, som leds av National Renewable Energy Laboratory. "Materialen - det är där vi tror att det kan finnas innovation, när det gäller effektivitet och kostnad, "sa Weber." Vi arbetar med allt från ab initio -beräkningar av katalysatorer till multiskala modellering på cellnivå, analys av membran, gör ytfunktionalisering och ytegenskaper, till benchmarking. "

Dessutom utvecklar Berkeley Lab -forskare verktyg och analyser för att påskynda forsknings- och utvecklingsprocessen, inklusive att göra teknikekonomisk analys för nätintegration, benchmarking teknikerna mot varandra för att ha gemensamma mått och mål, och utveckla ett arkiv med materialdata som forskare kan använda som ett forskningsverktyg.

Berkeley Lab är också en del av ett annat DOE -konsortium, Hydrogen Materials - Advanced Research Consortium (HyMARC), ledd av Sandia National Laboratories, som arbetar med säker och kostnadseffektiv vätelagring. Forskare från Berkeley Labs Molecular Foundry, ett DOE Nanoscale Science Research Center, arbetar med flera HyMARC -projekt och ledde nyligen en studie om magnesium nanokristaller insvept i ett lager grafen, som visade stort löfte för att lagra väte säkert och vid höga densiteter. Forskaren Jeff Urban leder HyMARC för Berkeley Lab.

Även om det fortfarande finns vetenskapliga problem att övervinna Weber och Danilovic, både i Berkeley Labs energiteknikområde, se stort löfte för väte att spela en roll i industrier från transport till uppvärmning till livsmedelsproduktion. Modernt jordbruk, till exempel, är starkt beroende av gödselmedel, varav ammoniak, eller NH3, är en nyckelkomponent. "Väte för ammoniak härrör från naturgas, "Danilovic sa." Att använda lågkostnadsväte från elektrolys kan ge marknadsmöjligheter för strandade tillgångar som begränsad vind och industrier som gödselproduktion. "

Genom att möjliggöra storskalig produktion och användning av rent väte, H2@Scale tar upp viktiga frågor, såsom nätresistens, energisäkerhet, och utsläppsminskningar.

"För att möta flera energi- och transportbehov, väte är en möjliggörare eftersom vi kan göra det från olika ingångar, inklusive kärnkraft eller förnybar energi som solljus eller vindkraft, "Danilovic sa." Vi kan ta ren el och använda den för att göra väte, en ganska flexibel vara som sedan kan användas i olika branscher, och i processen, möjliggöra energisäkerhet, elasticitet, och ekonomisk tillväxt. "