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Harnessing the power of electrolysers to supercharge green hydrogen production.

 

In spite of the hard push to promote hydrogen as a clean energy solution, it’s always had somewhat of a ‘bad side’. That’s because 98% of world production comes from fossil fuels, mostly grey hydrogen made from natural gas, resulting in carbon emissions comparable to all of Japan’s.

 

Where, you may well ask, is all that grey hydrogen being used? Well, around 100 megatons are used per year, roughly equivalent to the weight of 2 million elephants, and it is a fundamental ingredient to feeding the world through fertiliser manufacturing but also many chemical processes.

 

If we ask ourselves the question of why so much grey hydrogen is used and how can that be made sustainable the plot thickens somewhat. The real answer is that when natural gas prices are low, grey hydrogen is cheap, often below $2/kg. There are challenges though as during the invasion of Ukraine when international energy markets were disrupted, the price of grey hydrogen exceeded the price of green hydrogen, produced by splitting water with an electrolyser. This highlights one of the two challenges of grey hydrogen, it is susceptible to price volatility and produces a large amount of CO2.

 

For those looking from the outside in – and for some within the industry even – it might be natural to question the point in advocating its use and pushing the growth of hydrogen technologies, if the hydrogen we’re producing and using is not significantly cleaner than conventional fossil fuels. And this is why we have to look at green hydrogen as the final goal.

 

Electrolysis: a key piece of the clean energy puzzle

 

Green hydrogen is generated through electrolysis, where electricity derived from renewable sources like wind, solar or hydropower is used to split water molecules into hydrogen and oxygen. There are a host of economic and societal benefits to utilising this method of hydrogen production that extend beyond the obvious environmental benefits.

 

The push for energy sovereignty, for example, which has been escalated by net zero ambitions, but also by events such as the Russia-Ukraine conflict, is one of the main benefits. Countries worldwide are increasingly recognising the need to make their economies less vulnerable to volatile international politics and external factors for energy security.

 

Here in the UK, we’re well placed to rely on substantial renewable energy, so the development of renewables in sufficient quantities that can be stored to protect against seasonal variability would mean we are no longer reliant on imported fuel sources, creating a stable market for ourselves. Green hydrogen, produced by electrolysis is key to unlocking this solution.

 

With other benefits including stimulating economic growth, grid stability and helping industry comply with emissions regulations, it’s not surprising that several countries have already set targets for deploying electrolyser capacity in their national hydrogen strategies, though a target is one thing, getting there is something completely different.

 

Various electrolysers either on the market or in development are available and choosing which to leverage involves considering several factors. Should technologies with a track record of successful deployments and established supply chains be favoured by governments, or should they prioritise electrolysers that offer higher efficiency, faster response times, hydrogen purity and operational flexibility?

 

Let’s recap on the four main types of electrolysers:

 

  • Alkaline Electrolyser: Using an alkaline solution (like soap), these are the most mature and widely used type of electrolysers having been an established technology for >50 years. They have a well-established supply chain and often have the lowest costs (due to the relatively low cost of materials used in their simple construction). However, they are usually massive units due to relatively low power density, are known for being less suitable when it comes to coupling with renewable power sources, and also have limitations related to operating pressure, hydrogen purity and production efficiency.

 

  • Proton Exchange Membrane Electrolyser (PEM): Using an acid based chemistry (think lemon juice), PEM electrolysers can operate at higher current densities, making them more compact and responsive to fluctuations in power supply –  ideal for coupling with intermittent renewable energy sources. Their modularity means they can be easily scaled up or down by adding or removing individual stack modules, and benefit from rapid response times. They do, however, tend to have higher upfront costs compared to other types of electrolysers – this is mainly because they use large quantities of expensive metals like platinum and iridium which limits the opportunities to substantially reduce costs.

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  • Anion exchange membrane Electrolyser (AEM): Often thought of as the best of both of the low temperature worlds, AEM utilises the chemistry of alkaline with the structure of a PEM electrolyser. They’re responsive to intermittent power sources, but don’t require an acidic environment. This allows for the use of non-precious metal catalysts, potentially significantly reduces costs and simplifies supply chains. Efficiency and response time are comparable to PEM, and they can produce high-purity hydrogen. However, compared to more established electrolyser technologies, AEMs are in the developmental and early commercial stages. This means that while they offer several advantages, they also need to essentially ‘prove themselves’ to gain widespread adoption and commercialisation.

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  • Solid Oxide Electrolyser (SOEC): An SOEC runs at a very high temperature, often above 600°C but also a high efficiency. As such it’s practical to use them in industrial scenarios where a plentiful supply of industrial waste heat is available and where the operating scenario is one of consistent long-term operation rather than anything more dynamic such as load following of renewable electricity generation technologies. Like AEM, SOEC is at an earlier stage of commercialisation when compared to Alkaline or PEM but a number of companies worldwide are pushing forward with this as an option particularly where they have successfully developed the fuel cell equivalent, a solid oxide fuel cell (SOFC) technology solution.

 

According to the IRENA’s 2022 patent insight report ‘Innovation trends in electrolysers for hydrogen production’, projections suggest that by 2030, global water electrolyser capacity will grow to around 213 GW. It’s a substantial increase from the current capacity of about 1.1 GW, but is critical for achieving economy-wide decarbonisation goals and still a drop in the ocean compared to the total estimated requirement to decarbonise and grow the hydrogen economy through Net Zero which would exceed 2000 GW.

 

To meet the rising demand for green hydrogen, there’s a pressing need to significantly increase the production and deployment of electrolysers – and for that, we need substantial technology innovation.

 

Supercharging electrolyser impact with technological innovation

 

The main way we can increase the production and deployment of electrolysis is to make it lower cost (especially compared to fossil-based hydrogen). But to do that, we need to make electrolysers lower cost too, which is why new technology is required.

 

According to IRENA, investment costs for electrolyser plants can be slashed by up to 40% in the short term and 80% in the long term through various strategies, including improved design, economies of scale, material substitution, enhanced efficiency, and operational flexibility. There’s also a need for advancements that increase both process efficiency and the lifespan of electrolyser technology.

 

Making the technology more competitive will trigger deployment, giving us important learnings and data, which enables lower cost, attracts private capital for R&D and drives further improvement.

 

Put simply, if we want to make sure that ultimately all hydrogen used is green, we have to use and invest in electrolysis more.

 

On the upside, IRENA’s patent data shows an increase in invention activity in technologies leading to reduced costs of electrolysers – thanks to innovators like Bramble Energy, for example. At Bramble Energy, we are currently working on integrating Printed Circuit Board (PCB) manufacturing techniques with AEM technology. The idea is that the modular nature of PCB designs could allow these integrated electrolysers to be easily scaled up or down depending on the required hydrogen production capacity, making it suitable for everything from small-scale mobile applications to larger, industrial-scale hydrogen production. It could also lead to a more compact, efficient, and less expensive electrolyser, while the precision of PCB manufacturing allows reliable manufacturing at scale.

 

Navigating challenges in electrolyser advancement

 

The integration of AEM and PCB technologies in electrolysers is just one example of how innovations in materials science and manufacturing techniques can potentially revolutionise energy technologies. But there are challenges ahead across all types of electrolysers. Take supply chain issues. PEMs constantly struggle with precious metals supply, seeing iridium prices quadruple during COVID, while even alkaline electrolysis relies on materials that may face constraints such as Nickel which has been volatile given its increasing use in battery supply.

 

There are significant issues with human resource constraints across the sector. If we are to navigate the complexities of electrolyser technology effectively, investment in talent, training, and skill development is crucial.

 

Given the limitations of off-the-shelf options, developing custom testing setups and standards tailored to electrolyser specifications is also key moving forwards. If we can ensure rigorous testing and validation of electrolyser performance, reliability, and safety, we can truly accelerate the development and deployment of efficient systems.

 

We need greater collaboration between academia, industry, and policymakers – we need academia to continue innovating, researching and developing; we need industry to take those innovations and put them into practice for blueprint and commercialisation purposes; and we need policymakers to support the other two with subsidisation policies for the use of green hydrogen, setting targets with investment funds, and keeping it at the forefront in climate action policy.

 

While these challenges may seem big, there is much optimism. When policymakers and researchers share a vision for an innovative, low-carbon hydrogen industry that can combat climate change, resources become available and innovation blossoms, this is what created Bramble Energy after all.

 

Source:Hydrogencentral

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Ceres has signed a global long-term licence agreement for the manufacture of its proprietary solid oxide electrolyser cell (SOEC) technology with a global original equipment manufacturer (OEM) headquartered in the Asia Pacific region. The agreement provides revenues for licence fees, engineering services and hardware over multiple years.

 

The agreement also provides for royalty payments to Ceres on future commercial production and sale of SOEC equipment to end customers by the partner.

 

Commenting on the new partnership, Phil Caldwell, CEO of Ceres, said: “We are making great commercial progress this year, and I am particularly excited by the advances in our highly efficient and differentiated SOEC electrolyser technology, which is now being adopted by several leading global companies with the manufacturing, supply chain and balance sheet strength to bring this technology to market at scale.

 

“This builds on Ceres’ strategy to establish partnerships in regions with strong manufacturing capability coupled with ambitious targets for the use of hydrogen for industrial decarbonisation. By licensing our best-in-class solid oxide technology, Ceres is establishing its clean energy technology as the industry standard and, through its partner network, is building towards delivering decarbonisation at the scale and pace needed globally for the energy transition.

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월간수소경제 = 이상현 기자 | UNIST(유니스트)는 수소생산 음이온교환막 방식에서 발생하는 이오노머의 열화와 산화 현상을 예방할 수 있는 원리를 최초로 구명했다. 이를 통해 수소생산장치의 성능과 내구성이 동시에 높아질 전망이다. 

UNIST는 신소재공학과 이승걸 교수팀이 저가의 비백금계 금속 촉매를 이용한 새로운 음이온교환막 수전해 기술을 제시했다고 24일 밝혔다. 칼륨이 촉매 표면에 붙게 만들어 이오노머와 직접적으로 닿는 것을 줄이는 방식으로 이오노머의 산화를 막을 수 있다. 이는 수소생산 비용 절감으로 이어진다. 

일반 수소생산장치의 경우 시간이 지나면서 이온 물질을 전달하는 이오노머의 성질이 변해 약해지기 쉽다. 다시 말해, 수소생산 효율 저하와 장치의 수명 단축을 불러올 수 있다. 

연구팀은 칼륨의 흡착 에너지가 유기 화합물보다 3배 이상 크다는 점을 활용해 수산화칼륨, 수산화나트륨 같은 물질이 음이온교환막 수전해 시스템의 성능과 안정성을 높일 수 있음을 밝혀냈다. 

양이온 물질이 촉매 표면에 흡착해 이오노머와 촉매의 직접적인 접촉을 줄였다. 이를 통해 이오노머의 산화를 막아 수소생산 성능을 유지할 수 있음을 물질의 전자 구조를 계산하는 밀도범함수이론(DFT)을 통해 입증했다.

이전에도 염기성이 강한 수산화칼륨과 수산화나트륨 수용액을 이용해 성능을 개선하려는 시도는 있었으나 구체적인 원리가 밝혀지지 않았다. 그러나 이번 연구에서 규명된 경쟁적 흡착 전략은 저가 촉매의 상용화 가능성을 한층 높일 것으로 기대된다. 

제1저자인 임지훈 연구원은 “경쟁적 흡착 전략이 촉매와의 접촉면에서 발생하는 이오노머 소재의 전기화학적 산화를 줄이는 데 효과적”이라고 강조했다.

이승걸 교수는 "이번 연구가 고성능 알칼리 음이온교환막 수전해 시스템을 비롯한 다양한 에너지 장치의 성능과 안정성을 개선하는 방향성을 제시할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 지난 달 2일 에너지 분야 학술지인 ‘ACS Energy Letters’에 온라인 게재됐다. 연구는 미국 로스 알라모스 국립연구소의 김유성 박사 연구팀, 미국 버클리대학과 버클리 랩의 Shannon Boettcher 교수와 공동으로 수행됐으며 미국 에너지부와 한국연구재단의 지원을 받았다.  

출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)

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월간수소경제 = 박상우 기자 | 제주 행원 그린수소 생산단지가 생산능력을 확대한다.

26일 한국가스공사는 제주 행원 그린수소 생산단지에 구축된 1MW급 PEM 수전해 시스템이 본격적으로 그린수소를 생산한다고 밝혔다. 1MW급 PEM 수전해 시스템은 SK플러그하이버스(SK Plug Hyverse)가 공급했다.

제주 행원 그린수소 생산단지는 제주도의 '그린수소 글로벌 허브 구축계획' 일환으로 구좌읍 행원리에 설치됐다. 

지난해 9월부터 2MW급 알칼라인 수전해 시스템(수소에너젠)과 0.3MW PEM 수전해 시스템(두산에너빌리티)을 가동해왔으며 이번에 1MW 수전해 시스템의 가동이 시작됨에 따라 목표한 3.3MW 구축을 완료했다. 이를 통해 하루 최대 1.3톤의 그린수소를 생산한다는 계획이다.

수전해 가동에 필요한 전기는 제주에너지공사가 운영 중인 행원 풍력·태양광발전단지에서 생산·공급한다. 이를 통해 생산된 그린수소는 조천읍 함덕리에 있는 ‘함덕그린수소충전소’에 공급된다.

제주도는 이곳에서 얻은 데이터를 동복·북촌풍력발전단지에서 진행할 12.5MW 그린수소 생산 실증 사업에 반영할 예정이다.

이 사업은 재생에너지 비율이 높은 제주지역 전력계통 특성을 활용해 그린수소 생산 실증을 진행하는 사업이다. 지난 2022년 4월에 시작된 이 사업은 오는 2026년 3월까지 총 48개월 동안 진행되며 사업비는 국비 296억 원, 민간 324억 원을 포함해 총 620억 원이다.

이 사업의 특징은 현존하는 수전해 시스템 4종(AEC, PEM, SOEC, AEM)이 모두 설치되는 것이다. PEM은 SK플러그하이버스(플러그파워 5MW)와 선보유니텍(엘켐텍 2MW), 알칼라인은 지필로스(수소에너젠 2MW), AEM은 예스티(인앱터 2MW), SOEC는 SK에코플랜트(블룸에너지 1.5MW)가 각각 구축한다. 이를 통해 총 12.5MW급 그린수소 생산 실증단지가 조성된다.

가동률 60%를 기준으로 연간 1,176톤의 그린수소 생산을 목표로 하고 있으며, 여기서 나온 그린수소는 생산단지와 연계한 온사이트 충전소를 통해 수소청소차와 수소버스에 우선 공급될 예정이다.

이와 함께 제주도는 산업통상자원부의 ‘30MW급 청정수소 생산을 위한 기반 기술개발실증사업’의 통합 실증시설을 구축하는 과제를 수행한다.

이 사업은 20MW(10MW 2기)급 알칼라인 수전해 시스템과 10MW(5MW 2기)급 PEM 수전해 시스템을 개발해 30MW급 그린수소 생산 실증 인프라를 구축하는 것으로, 예비타당성 심사 이후 2025년부터 2030년까지 총 6년간 진행된다. 총 사업비는 약 2,500억 원(국비 1,500억 원, 민자 1,000억 원)이다.

이에 따라 제주도는 2030년까지 세계적 수준인 50MW 규모의 그린수소 생산체계를 구축할 수 있게 된다. 이를 통해 2030년부터 3,800여 톤의 청정수소를 생산해 수소 혼전소 발전을 추진할 예정이다. 특히 국내 최초로 5MW급 전소터빈 실증사업도 추진한다.

 

제주 행원 그린수소 생산단지, 1MW PEM 수전해 가동 개시 < 기술 < NEWS < 기사본문 - 월간수소경제 (h2news.kr)

출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)

 

제주 행원 그린수소 생산단지, 1MW PEM 수전해 가동 개시

월간수소경제 = 박상우 기자 | 제주 행원 그린수소 생산단지가 생산능력을 확대한다.26일 한국가스공사는 제주 행원 그린수소 생산단지에 구축된 1MW급 PEM 수전해 시스템이 본격적으로 그린수소

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[수소뉴스 = 유재준 기자]한국가스공사(사장 최연혜)는 국내 최초로 제주 1MW PEM 수전해 시스템을 활용해 그린수소 생산에 성공했다고 26일 밝혔다.

그린수소는 풍력, 태양광 등 재생에너지 전력으로 물을 전기분해하여 생산한 수소로, 생산과정에서 이산화탄소가 배출되지 않는다.

정부의 탄소중립정책에 발맞춰 수소사업을 추진하고 있는 가스공사는 지난 2020년 제주에너지공사가 주관하는 ‘그린수소 생산 및 저장시스템 기술개발사업’ 컨소시엄에 참여했다.

2022년 당시 국내에는 40기압의 고압을 활용하는 PEM(Polymer Electrolyte Membrane: 고분자 전해질 막을 활용해 수소를 생산하는 방식으로, 생산효율이 높고 장치의 소형화가 가능해 차세대 수전해 설비로 주목받음) 수전해 시스템에 대한 안전성 평가방법이 부재함에 따라, 가스공사는 설비 제작사와 함께 정부의 규제특례를 적용받아 안전성을 확보했다.

올해 7월부터 국내 최초로 1MW급 ‘PEM 수전해 시스템’을 제주도 행원실증단지에 성공적으로 구축하고, 시간당 18kg의 수소(18kg은 수소버스 1대의 하루 사용량)를 생산해 ‘제주 함덕 그린수소 충전소’에 공급함으로써 ‘제주 탄소 없는 섬’ 실현에 적극 기여하고 있다.

가스공사는 이번 실증연구를 통해 MW급 PEM 수전해 시스템 운영 기술을 확보했으며, 실증단지 내 참여기업들과 함께 2025년 30대의 수소연료전지버스 실증사업에 필요한 수소공급 사업에 기여할 것으로 기대된다.

가스공사 관계자는 “가스공사는 정부의 2050 탄소중립정책에 적극 부응하기 위해 수소사업 기반을 단계적으로 구축하고 있다”며, “이번 사업을 통해 그린수소 생산에 대한 운영기술을 고도화하여 급변하는 에너지시장에서 지속가능한 성장을 추구해 나가겠다”고 말했다.

 

가스공사, 제주 1MW PEM 활용한 ‘그린수소’ 생산 성공 < 실시간 기사 < 종합 < 뉴스 < 기사본문 - 수소뉴스 (h2news.co.kr)

 

가스공사, 제주 1MW PEM 활용한 ‘그린수소’ 생산 성공 - 수소뉴스

[수소뉴스 = 유재준 기자]한국가스공사(사장 최연혜)는 국내 최초로 제주 1MW PEM 수전해 시스템을 활용해 그린수소 생산에 성공했다고 26일 밝혔다.그린수소는 풍력, 태양광 등 재생에너지 전력으

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