Dette røret kan være et stort skritt fremover for blått hydrogen

– Dette blir den mest effektive prosessen man kjenner i dag for å ekstrahere hydrogen fra naturgass med CO₂-fangst, sier professor Truls Norby ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo (UiO).

Han snakker om en keramisk membran som kan lede protoner, altså hydrogen, til den ene siden av membranen samtidig som CO₂fanges på den andre siden. Det er dette som kalles «blått hydrogen».

– Energieffektivitet er nøkkelen til hydrogenets fremtid, sier Irene Yuste-Tirados.

Hun tar doktorgraden ved UiO, men jobber også ved CoorsTek Membrane Sciences, et selskap som sprang ut fra Norbys forskergruppe for 15 år siden. Det er CoorsTek som utvikler membranen, og som i dag publiserer nye fremskritt i tidsskriftet Science.

– Vårt arbeid viser at protonmembraner kan lage hydrogen fra ammoniakk, naturgass eller biogass så effektivt at hydrogenbiler kan ha lavere karbonavtrykk enn elbiler ladet fra strømnettet, sier Yuste-Tirados.

Fra liten til litt større skala

Tidligere har denne membranen vist at den virker på liten skala, i individuelle membranceller. Nå har teknologien tatt et skritt videre og det er for første gang vist at en protonmembran fungerer i en seriekobling, det forskerne kaller en stakk, med slike celler.

– Vi viser nå at vi kan ta dette fra en skala på ti kvadratcentimeter til en skala på 500 kvadratcentimeter, sier Norby til Titan.uio.no.

Det er fortsatt en betydelig vei til industriell skala, og det høres kanskje ikke ut som et veldig stort skritt, men det er et viktig skritt.

– Derfra kan den skaleres opp uten så veldig mye mer innsats. Ingeniører som vil bygge store anlegg, har alle spesifikasjoner, sier han.

Hver membrancelle består av et ti centimeter langt rør. En stakk vil i denne sammenhengen si at mange rør er koblet sammen til ett langt rør som foldes frem og tilbake inne i en liten container som holder gassene under høyt trykk.

Trenger varme og produserer varme

Hemmeligheten ligger i materialene. Membranen er et protonledende keram, mens det materialet som kobler rørene sammen består av en spesiell blanding av glass og keramiske stoffer, såkalte glasskeram.

– Du kan forme det som glass, men når det er ferdig, er det stivt som et keram. I tillegg blander vi inn et metallpulver som gjør at det også kan lede elektrisk strøm, forklarer Norby.

Når naturgass sendes inn i dette røret sammen med vanndamp, pumpes hydrogen gjennom og til utsiden av membranen. Med andre teknologier trenger denne prosessen tilførsel av varme. Her kommer den av seg selv fordi det avgis varme når protoner pumpes gjennom membranen.

– Det vakre med denne teknologien er at varmen utvikles på samme sted som du trenger den. Du trenger ikke tilføre varme, og det blir ikke varmt. Du kan kjøre denne prosessen veldig hardt uten at det blir varmt eller kaldt. Det er deilig når du skal jobbe med keramer, for de er ikke glade i temperaturforskjeller, sier Norby.

Fra klassisk mekanikk til kvantemekanikk

Norby har forsket på hydrogen i flere tiår. Det er et møysommelig arbeid å bygge den kunnskapen som ligger bak for eksempel den protonmembranen som nå utvikles av CoorsTek.

– Man sier gjerne at det tar 30 år fra man gjør et gjennombrudd til ideen er moden for markedet. Dette er jo lengre tid enn man skulle ønske, sier professoren.

Hydrogen trekkes ofte frem som en viktig bidragsyter til en renere energifremtid. Da trenger vi enda mer kunnskap.

– Vi må finne ut hvordan vi kan lagre, transportere og bruke hydrogen bedre. Vi må forstå dette ned til minste detalj, og det betyr kvantemekanisk, sier Norby.

Et hydrogenatom er nemlig noe for seg selv. Tar du bort det ene elektronet det har, blir det 100 000 ganger mindre. I sammenligning med alle andre kjemiske atomer og ioner er det ingenting.

– I dag behandler vi elektronene kvantemekanisk mens vi behandler protonene med klassisk mekanikk. Vi vet at vi egentlig må se på protonet kvantemekanisk, men det koster veldig mye mer beregningskapasitet.

– Det er én av de mange tingene vi har å gjøre i forskningen fremover, sier Norby.

Vitenskapelig artikkel:
Daniel Clark, Irene Yuste-Tirados, Per K. Vestre, Truls Norby, Christian Kjølseth mfl: Single-step hydrogen production from NH₃, CH₄, and biogas in stacked proton ceramic reactors, Science, mars 2022.

Tekst: Eivind Torgersen, Titan.uio.no