Nye elektrolyseceller baner vejen til billigere brint

Keramiske elektrolyseceller med nye elektroder viser gode resultater og ingen tegn på forringelse af elektroden efter 1.000 timers test på DTU. Elektrolyseceller spiller en central rolle i at omdanne grøn el fra vindmøller og solceller til brændstoffer som brint, metanol og ammoniak, der kan bidrage til at reducere CO₂-udledningen og fremme bæredygtig transport og industri.

Forskere på DTU har fremstillet og testet en ny type keramiske elektrolyseceller med brændselselektroder af Ni-GDC og påvist, at i stedet for at blive slidte forbedrer elektroderne ligefrem deres ydeevne. Professor på DTU Henrik Lund Frandsen vurderer, at den forøgede levetid på Ni-GDC-elektrolyseceller kan føre til store besparelser i materialeforbrug i kommende Power2X-anlæg og reducere prisen på grøn brint med op mod fem procent.

”Hvis vi kan få keramiske elektrolyseceller ud i power-to-x teknologi tilpas mange steder i verden, så betyder deres effektivitet, at man kan spare 25 pct. af al den strøm, der skal gå til at producere den samme mængde grønt brændstof og spare op imod ca. 20 pct. af brintens pris. Og hvis vi derudover forbedrer levetiden på teknologien, vil det give materialebesparelser, som vil betyde en yderligere prisreduktion på fem procent,” siger Henrik Lund Frandsen.

Tusind timers test
Forsøgene med at evaluere stabiliteten af Ni-GDC-elektroderne er udført af postdoc Morten Phan Klitkou m.fl. på DTU. Forsøgene blev udført ved forskellige strømstyrker i 1000 timer. Resultaterne viste, at modstanden i brændselselektroden kun blev let forringet ved ganske høje strømtræk. Forsøgene viste, at den primære degraderingsmekanisme i konventionelle keramiske elektrolyseceller kunne undgås, da nikkelen i cellerne ikke flyttede sig selv underhøje strømtræk. De celleteknologier, der anvendes i dag, ville ikke være i stand til at tolerere samme belastning.

Forskerne fandt dog, at der stadigvæk er nogle udfordringer med de nye elektrolyseceller, hvor de nye materialer har affødt et andet problem i elektrolytten. Trods denne nye komplikation vurderer forskerne, at testresultaterne med Ni-GDC-elektrolysecellerne er meget positive og viser en skalerbar vej til fremstilling af højeffektive og langtidsholdbare elektrolyseceller.

Grøn omstilling
Fremstilling af brint ved elektrolyse er et centralt led i den grønne omstilling, hvor første trin ved enhver power-to-x, PtX proces altid er fremstilling af brint ved elektrolyse. I fremtiden vil vi have store mængder af strøm til rådighed fra vindmøller og solceller bl.a. fra de to energiøer, som skal opføres i Nordsøen og ved Bornholm. En stor del af den grønne el fra øerne skal bruges til fremstilling af brændstoffer til de anvendelser, som er komplicerede at elektrificere, f.eks. tung vejtransport, fly, skibsfart og en række industriprocesser.

Produktion af elektrolyseceller
I Danmark er megen forskning og udvikling af keramiske elektrolyseceller sket i et samarbejde mellem virksomheden Topsøe og forskere på DTU. I 2014 indgik parterne en ikke-eksklusiv licensaftale, som gjorde det muligt at fremstille og udvikle keramiske elektrolyseceller (SOEC) i samarbejde med DTU Energi. Udviklingen førte i 2023 til at Topsøe startede byggeriet af verdens første storskalafabrik til produktion af højtemperatur elektrolyse-celler samlet i stort antal i såkaldte stakke i Herning. Når fabrikken står færdig i 2025, skal den kunne producere 500 MW elektrolyseenheder årligt, og i 2030 skal produktionen udvides til 5 GW årligt.

Henrik Lund Frandsen vurderer, at det vil gå op mod ti år, før Ni-GDC elektrolysecellerne bliver fuldt opskaleret og udnyttet i Power-to-X anlæg internationalt.

Fakta: Elektrolyseceller baseret på nikkel og ceriumoxid

Brændselselektroden af Ni-GDC og en række andre materialer spiller en afgørende rolle i en elektrolysecelle, der fra vand og elektricitet kan fremstille brint. Den anvendte elektrode består af nikkel (Ni) og cerium-oxid tilsat gadolinium (GDC). Cerium-oxid er et keramisk materiale, der kan fungere som transportkanal for elektricitet og ilt-ioner og sammen med Ni udgøre en såkaldt elektrode i disse celler, hvor den elektriske energi omdanner vand (H₂O) til brint (H₂) og ilt (O₂).

Ni-GDC-elektroden har flere vigtige funktioner med at sætte fart på en kemisk reaktion, hvor nikkelkatalysatoren på overfladen af elektroden hjælper med at nedbryde, vandmolekyler i brintioner (H⁺) og ilt ioner (O²⁻), så anvendes GDC til at transportere ilt-ionerne. Når processen har fremstillet grøn brint ved brug af elektricitet, kan den lagres eller bruges til videre syntese af andre power-to-x-produkter og bruges som et CO₂-neutralt flydende brændstof.