Väte som energibärare kan hjälpa oss att gå bort från fossila bränslen, men bara om det skapas effektivt. Ett sätt att förbättra effektiviteten är att använda spillvärme som finns kvar från andra industriella processer.

I juni, International Energy Agency bekräftade vad de flesta experter redan vet:att världen borde arbeta hårdare för att öka användningen av rent väte som en utsläppsfri energikälla.

En av utmaningarna med att skapa väte, dock, är att det tar energi – mycket energi. IEA säger att det skulle krävas 3600 TWh för att producera allt dagens väte bara med el. vilket är mer än vad som genereras årligen av Europeiska unionen.

Men tänk om du kunde använda en befintlig källa till bortkastad energi för att hjälpa till med väteproduktion? Ett nytt tillvägagångssätt utvecklat av forskare vid Norges tekniska universitet gör just detta - genom att använda spillvärme från andra industriella processer.

"Vi har hittat ett sätt att använda värme som annars inte är värt mycket, sa Kjersti Wergeland Krakhella, den första författaren till en artikel om processen som publicerades i akademiska tidskriften MDPI Energies. "Det är låggradigt, lågtemperaturvärme - men den kan användas för att göra väte."

En sjundedel av Norges elproduktion

Spillvärme är precis vad det låter som – värme som produceras som en biprodukt av en industriell process. Allt från en industripanna till en avfallsenergianläggning producerar spillvärme.

Fler gånger än inte, denna överskottsvärme måste släppas ut i miljön. Energiexperter säger att spillvärmen från Norges företag och industrier motsvarar 20 TWh energi.

För att sätta detta i perspektiv, Hela Norges vattenkraftsystem producerar 140 TWh el per år. Det betyder att det finns mycket spillvärme där ute som potentiellt kan sättas igång.

Membran och salter

Forskarna använde en teknik som kallas omvänd elektrodialys (RED), som förlitar sig på saltlösningar och två varianter av jonbytarmembran.

För att förstå vad forskarna faktiskt gjorde, du måste först förstå hur RED-tekniken fungerar.

I rött, ett membran, kallas anjonbytarmembranet, eller AEM, låter negativt laddade elektroner (anjoner) röra sig genom membranet, medan ett andra membran, kallas katjonbytarmembranet, eller CEM, tillåter positivt laddade elektroner (katjoner) att strömma genom membranet.

Membranen separerar en utspädd saltlösning från en koncentrerad saltlösning. Jonerna migrerar från den koncentrerade till den utspädda lösningen, och eftersom de två olika typerna av membran är alternerade, de tvingar anjonerna och katjonerna att migrera i motsatta riktningar.

När dessa alternerande kolonner är placerade mellan två elektroder kan stapeln generera tillräckligt med energi för att dela vatten i väte (på katodsidan) och syre (på anodsidan).

Detta tillvägagångssätt utvecklades på 1950-talet och använde först saltvatten och flodvatten.

Vad Krakhella och hennes kollegor gjorde, dock, var att använda en annan sorts salt som kallas kaliumnitrat. Användningen av denna sorts salt gjorde det möjligt för dem att använda spillvärme som en del av processen.

Återanvändning av salterna med spillvärme

Om du kör de RÖDA stackarna som beskrivs ovan, vid någon tidpunkt blir koncentratet och de utspädda saltlösningarna mer och mer lika varandra, så de måste fräschas upp.

Det betyder att du måste hitta ett sätt att öka koncentrationen av saltet i den koncentrerade lösningen och ta bort salt från den utspädda lösningen. Det är där spillvärmen kommer in.

Forskarna testade två system.

Den första var där spillvärme användes för att förånga vatten från den koncentrerade lösningen för att göra den mer koncentrerad.

Det andra systemet använde spillvärme för att få salt att fälla ut ur den utspädda lösningen (så att den blir mindre salt).

"Om du hittar ett sätt att ta bort vattnet eller ta bort saltet, du har gjort jobbet, "Sa Krakhella.

Båda hade fördelar

När forskarna tittade på deras resultat, de såg att genom att använda befintlig membranteknik och spillvärme för att förånga vatten från deras system producerade mer väte per membranarea än nederbördsmetoden.

Produktionen av väte var fyra gånger högre för avdunstningssystemet som drivs vid 25 C och två gånger högre för ett system som drivs vid 40 C jämfört med deras utfällningssystem.

Det gjorde det till en bättre kandidat ur ett kostnadsperspektiv.

Dock, nederbördsprocessen var bättre när det gäller energibehov, fann forskarna. Till exempel, energin som behövs för att producera en kubikmeter väte med utfällningsprocessen var bara 8,2 kWh, jämfört med 55 kWh för förångningsprocessen.

Nytt system med många möjligheter

Medan Krakhellas arbete bevisar att konceptet kommer att fungera, hon har mestadels arbetat med en labbbänksmodell och massor av datorberäkningar. Det finns fortfarande mycket att göra, speciellt med avseende på den typ av salt som används i processen.

Forskarna valde kaliumnitrat för sitt saltsystem, men andra salter kan också fungera, Hon sa.

"Det är ett helt nytt system, " sa hon. "Vi måste göra fler tester med andra salter i andra koncentrationer."

Membranpriserna är begränsande faktor

En annan fråga som fortsätter att begränsa väteproduktionen är att själva membranen förblir extremt dyra.

Krakhella hoppas att när samhällen vill gå bort från fossila bränslen, ökad efterfrågan kommer att driva ned priset på membran, samt att förbättra egenskaperna hos själva membranen.

"Membranen är den dyraste delen av vårt system, ", sa Krakhella. "Men alla vet att vi måste göra något åt ​​miljön, och priset är potentiellt mycket högre för samhället om vi inte utvecklar föroreningsfri energi."