Produksjon av bærekraftig, grønt hydrogen

Blant de ulike produksjonsmetodene for hydrogen er grønt hydrogen den bærekraftige standarden. Grønn hydrogenproduksjon drives utelukkende av fornybare energikilder - som sol-, vind- og vannkraft - noe som gjør det til et karbonnøytralt drivstoff fra produksjon til forbrenning. Dette skiller det fra andre typer hydrogen, inkludert grått hydrogen, som utvinnes fra fossilt brensel.

Elektrolyse danner grunnlaget for grønn hydrogenproduksjon, der elektrisitet brukes til å spalte vannmolekyler i deres bestanddeler hydrogen og oksygen. Kapasitets-, effektivitets- og kostnadsbegrensninger gjør det imidlertid vanskelig å øke produksjonen raskt.

Elektrolyse er en prosess med elektrokjemiske reaksjoner og ionetransport som foregår i en elektrolysator. Elektrolysatorer er utstyrt med to elektroder - en anode og en katode - som er adskilt av en elektrolytt. Denne elektrolytten, en flytende løsning (for alkaliske elektrolytter) eller en faststoffmembran (for PEM-elektrolytter), gjør det lettere for ioner å passere mens elektronstrømmen begrenses, og den må velges med omhu ut fra faktorer som ionisk ledningsevne, kjemisk stabilitet og kompatibilitet med elektrodematerialene.

Når likestrøm tilføres flytende vann i elektrolysatoren, oppstår det en elektrisk potensialforskjell mellom anoden og katoden. Ved anoden, som er merket med et positivt potensial, gjennomgår vannmolekylene (H2O) en oksidasjonsreaksjon, noe som fører til tap av elektroner. Dette resulterer i dannelsen av oksygengass (O2), positivt ladede hydrogenioner (protoner, H+) og frigjøring av elektroner til den eksterne kretsen, som i protonutvekslingsmembranelektrolysatorer (PEM-elektrolysatorer) er representert på følgende måte:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

H+ protonene vandrer gjennom elektrolytten mot den negativt ladede katoden, drevet av potensialgradienten. Katoden fremmer en reduksjonsreaksjon, der protonene lett tar imot elektroner fra den eksterne kretsen for å nøytralisere ladningen sin og danne toatomig hydrogengass (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

Den samlede elektrolytiske reaksjonen, som er en sum av anodisk oksidasjon og katodisk reduksjon, kan fremstilles som:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Hvor effektiv denne prosessen er, har stor betydning for den økonomiske levedyktigheten til grønn hydrogenproduksjon. Flere faktorer påvirker denne effektiviteten, blant annet:

• Driftstemperatur, trykk og vannrenhet i systemet, som må måles nøyaktig
• Overpotensial som kreves for å drive reaksjonene med ønsket hastighet
• Ohmsk tap på grunn av motstand mot ionetransport i elektrolytten
• Begrensninger i massetransport som styrer tilgjengeligheten av reaktanter på elektrodeoverflatene

Optimalisering av disse variablene krever nøye materialvalg, utforming av elektrodearkitekturen samt måling og kontroll av alle relevante parametere. Blant de mange ulike elektrolyseteknologiene som er tilgjengelige i dag, er PEM- og alkaliske elektrolysører de mest teknologisk modne og mest brukte.

PEM-elektrolysatorer, som kjennetegnes ved at de bruker en fast polymermembran som elektrolytt, har flere fordeler sammenlignet med teknologier som bruker en flytende elektrolytt, blant annet høyere energieffektivitet, raskere responstid på svingninger i effekttilførselen og en kompakt design. Disse egenskapene gjør PEM-elektrolysatorer godt egnet for integrering med intermitterende fornybare energikilder som sol- og vindkraft, der kraftproduksjonen kan variere betydelig. De er også et typisk valg for laboratorier og andre virksomheter som legger vekt på sluttbruk med høy renhet.

Alkaliske elektrolysører med flytende elektrolytt er ikke like effektive, men de koster mindre, har lengre levetid og tåler lavere vannrenhet enn PEM-variantene. Disse faktorene gjør dem attraktive i større anlegg for grønn hydrogenproduksjon, der kostnad og skala er de viktigste drivkreftene.

Andre teknologier som er under utvikling, omfatter høytemperatur- eller fastoksidelektrolyse og anionbyttemembraner. Alle disse teknologiene har en applikasjonsavhengig konkurransedynamikk i kappløpet om hydrogenproduksjon.

Til tross for at det er attraktivt som et bærekraftig drivstoff i hele verdikjeden, byr grønn hydrogenproduksjon på flere utfordringer.

For det første er produksjon via elektrolyse - særlig med PEM-elektrolysatorer - dyrere enn produksjon av grått og blått hydrogen via dampmetanreformering eller autotermisk reformering. I tillegg er hydrogen mindre energitett enn naturgass og andre fossile brensler, og kostnadene for å drive prosesser med hydrogen er høyere enn for fossile brensler per energienhet.

Elektrolyseeffektiviteten i elektrolysørene er høy - ca 70 % - og nyere teknologier som SOEC (solid oxide electrolyzer cells) forventes å gi enda høyere effektivitet. Men som med alle andre systemer er den totale effektiviteten ikke bare avhengig av teknologien som brukes, men også av balansen i anlegget for kjøling, tørking, behandling og komprimering av hydrogenet. I tillegg mangler det fornybar energi som er nødvendig for å kunne skalere opp elektrolysen, noe som krever ytterligere investeringer i infrastruktur.

Transport og lagring av hydrogen er dessuten logistisk komplisert på grunn av behovet for spesialisert infrastruktur, som rørledninger og lagertanker, som er utviklet spesielt for å håndtere denne svært brannfarlige forbindelsen. Dagens infrastruktur er først og fremst utformet for naturgass, og den kan dessverre ikke konverteres sømløst på grunn av hydrogenets unike egenskaper. Hydrogenatomer er de minste av alle grunnstoffer, så diatomisk hydrogengass krever avanserte rørledninger, ventiler og pakninger for å hindre lekkasje. Hydrogengass kan også svekke mange metaller ettersom atomene setter seg fast i inneslutningens indre struktur, noe som senker spenningsterskelen og fremskynder sprekkdannelser i uegnede materialer.

For å løse disse problemene kreves det strategisk planlegging, finansiell støtte fra både nasjonalstater og private interessenter, samt kontinuerlig teknologisk innovasjon. Til tross for økonomisk motvind begynner utbyggingen av elektrolysører å skyte fart. Ved utgangen av 2022 nådde den globale elektrolysekapasiteten for hydrogenproduksjon nesten 11 GW og kapasiteten forventes å nå en størrelsesorden på 170-365 GW innen 2030.

I tillegg forventes det at arbeidet med å optimalisere elektrolysører vil føre til reduserte kostnader gjennom effektivisering av skala, læring og effektivitet de neste tiårene. Dette innebærer blant annet at man sikter mot høyere energigjenvinning fra fornybar energi og gjenvinning av energitap under drift. Tilstøtende teknologier, som hydrogenbrenselceller - som i praksis er elektrolysører i revers - vil ri på bølgen av fremskritt og kunnskap som oppnås i løpet av denne overgangen.

Utover produksjon er det også viktig med en dedikert hydrogeninfrastruktur. For at hydrogen skal kunne bli en alternativ energikilde, må mekanismene som kreves for å distribuere og omdanne energien til nyttige formater, skaleres opp.

Den globale etterspørselen etter hydrogen forventes å øke i løpet av de neste 20 til 30 årene, drevet av hydrogenets allsidighet som energibærer og dets potensial for å redusere karbonutslipp i sektorer som er vanskelige å redusere. Det er særlig transport- og kraftproduksjonsindustrien som er klar til å ta i bruk grønn hydrogenenergi som et rent alternativ til fossilt brensel.

I transportsektoren er grønne hydrogendrevne brenselceller en lovende løsning for karbonnøytral kommersiell transport, for eksempel på lastebiler, busser og til og med fly. Dette er spesielt aktuelt for langdistansetransport, der batteridrevne elektriske kjøretøy har begrensninger når det gjelder rekkevidde, kraftproduksjon og vekt.

I industrien kan hydrogen erstatte fossilt brensel i energikrevende prosesser som stål-, sement- og ammoniakproduksjon, noe som reduserer karbonfotavtrykket. I tillegg forventes det at kraftsektoren i økende grad vil benytte seg av grønt hydrogen for å lagre energi fra den voksende infrastrukturen for fornybar energi, noe som kan løse problemet med ustabiliteten i sol- og vindkraft, uten batterienes problemer med energitetthet og nedbrytning.

Hydrogen blandes til og med inn i distribusjonssystemet for naturgass for å redusere karbonutslippene til atmosfæren. Gassfyrte ovner, varmesystemer, tørketromler og andre apparater kan forbrenne naturgass med opptil 20 % hydrogeninnblanding, noe som ofte bare begrenses av terskler som er definert av gassinfrastrukturen. Nyere gassturbiner og gassmotorer kan nå blande opptil 50 % hydrogen inn i naturgass som drivstoffkilde i kraftverk, og noen mindre turbiner kan bruke opptil 100 % hydrogen uten at det er nødvendig å blande inn naturgass.

Det spanske multinasjonale energiselskapet Iberdrola demonstrerer sin tro på hydrogenøkonomien med over 60 grønne hydrogenprosjekter under utvikling over hele verden. Disse prosjektene spenner over ulike sektorer - inkludert gjødselproduksjon, grønn ammoniakksyntese og tungtransport - og viser hvor allsidig grønn hydrogen er som ren energiløsning.

Iberdrola bygger Europas største anlegg for grønn hydrogen, som først og fremst skal brukes til å lage ammoniakk til kunstgjødsel, noe som vil redusere miljøpåvirkningen fra denne karbonintensive industrien. Dette banebrytende prosjektet viser potensialet grønt hydrogen har for å avkarbonisere selv de mest utfordrende sektorene.

Offentlige initiativer spiller også en avgjørende rolle når det gjelder å få fart på innføringen av grønt hydrogen. Det amerikanske energidepartementets HyBlend-initiativ fremmer grønn hydrogen ved å forske på hvordan hydrogen trygt kan blandes med naturgass og transporteres gjennom eksisterende rørledninger. Det fokuserer på rørledningskompatibilitet, materialsikkerhet og kostnadsreduksjon, noe som gjør distribusjon av grønt hydrogen rimeligere og mer skalerbart.

Grønt hydrogen er en hjørnestein i revolusjonen for ren energi, og det vil spille en stadig viktigere rolle etter hvert som teknologien utvikler seg. For å realisere potensialet må man imidlertid ta tak i dagens utfordringer knyttet til produksjon, lagring, transport og infrastruktur. Dette innebærer ytterligere investeringer i forskning og utvikling, strategisk samarbeid mellom offentlige og private aktører og en støttende politikk fra myndighetenes side.

Etter hvert som infrastrukturen for fornybar energi og hydrogen utvikles, elektrolyseeffektiviteten øker og politikken utvikles, vil kostnadene ved produksjon av grønt hydrogen synke, noe som vil fjerne en annen viktig hindring for utbredelse. Det vil kreve flere fremtidsrettede selskaper og initiativer av høyere rang som baner vei for hydrogenøkonomien med ambisiøse prosjekter og innovative løsninger, og som reduserer de globale karbonutslippene for en mer bærekraftig fremtid.