Forstå de ulike fargene av hydrogen

Hydrogen har potensial til å revolusjonere sektorer som transport og kraftproduksjon, og er en energikilde i utvikling som i stor grad er uutnyttet. Selv om forbrenning av hydrogen ikke gir noen utslipp av klimagasser, er hydrogenets miljøavtrykk gjennom hele livssyklusen et resultat av alle prosessene som leder frem til produksjon og forbruk, og dette varierer dramatisk avhengig av energikildene som brukes underveis.

Disse variasjonene ga opphav til det fargekodede klassifiseringssystemet, som gjør det mulig å skille mellom de ulike nyansene av hydrogen og deres implikasjoner for netto bærekraft. Grønt hydrogen er den globale standarden for netto nullutslipp, men det er betydelige utfordringer knyttet til infrastruktur og effektivitet når det gjelder skalerbarhet. Kjernekraftdrevet vannelektrolyse skaper rosa hydrogen og opprettholder en karbonnøytral livssyklus, men avhengigheten av kjernekraft skaper andre problemer. Blå og turkise produksjonsmetoder balanserer mellom økonomisk levedyktighet og bærekraft. Svart, brunt og grått hydrogen er et kostnadseffektivt alternativ til mer miljøvennlige alternativer, og gir en balansegang i favør av overkommelig pris.

Svart og brunt hydrogen utvinnes hovedsakelig fra kull, og begge produseres via forgassing av kull, en flertrinnsprosess der kull reagerer med oksygen og damp ved høye temperaturer for å produsere syntesegass. Dette er en blanding av gasser, der én av dem er hydrogen.

Svart hydrogen dannes ved forbrenning av bituminøst kull, som er tett og regnes som høyverdig. Brunt hydrogen produseres derimot av brunkull, som er en yngre og mindre kompakt versjon med høyere fuktighetsinnhold og lavere energitetthet.

Når det gjelder miljøpåvirkning, er produksjon av svart og brunt hydrogen ganske like, og begge metodene er relativt effektive. Men fordi de er avhengige av fossilt brensel uten karbonfangst, kan de oppveie noen av bærekraftsfordelene forbundet med hydrogenenergi.

Forgassing av kull begynner med pulverisering og behandling av kullet for å fjerne urenheter, og deretter følger følgende trinn:

1. Tørking og pyrolyse (devolatilisering)

I dette første trinnet må kullet varmes opp for å fjerne fuktighet og flyktige stoffer, og for å separere kullet i andre elementer og materialer. Tørkingen foregår ved rundt 200 °C, etterfulgt av pyrolyse ved temperaturer mellom 300 °C og 700 °C. Under pyrolysen spaltes større kullmolekyler til mindre gassformige produkter - først og fremst metan (CH4), hydrogen (H2), karbonmonoksid (CO), karbondioksid (CO2) - og tjære.

2. Forbrenning

En del av kullet (C) er trekull, det faste restproduktet fra pyrolysen, og det reagerer med flyktige gasser og oksygen (O2) i en kontrollert forbrenningsreaksjon. Denne eksoterme reaksjonen gir den varmen som kreves for de påfølgende forgassingsreaksjonene. Det skjer både fullstendig og delvis forbrenning, og det dannes karbondioksid og karbonmonoksid.

C + O₂ → CO₂ (fullstendig forbrenning)
2C + O₂ → CO (delvis forbrenning)

3. Forgassingsreaksjoner

Ved Forgassing reagerer den gjenværende forkullingen med damp (H2O) og oksygen ved høye temperaturer på 1200-1500 °C i et reduserende miljø, noe som genererer hydrogen og andre gasser. De primære forgassingsreaksjonene er:  

Vann-gass-reaksjon: C + H2O ⇌ CO + H2 (endoterm)
Boudouard-reaksjon: C + CO2 ⇌ 2CO (endoterm)

Disse reaksjonene produserer syngass, en blanding som hovedsakelig består av karbonmonoksid og hydrogen, sammen med karbondioksid og andre sporgasser.

4. Metanisering

I noen tilfeller brukes et ekstra trinn kalt metanisering for å øke metaninnholdet i syntesegassen. Noen ganger kalles dette e-metan hvis det brukes grønt hydrogen og resirkulert CO2 eller CO2 fra direkte luftfangst (DAC). Dette krever at karbonmonoksid reagerer med hydrogen i nærvær av en katalysator:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (Eksoterm)

5. Rensing og oppgradering av syntesegass

Syngassen inneholder urenheter som må fjernes før videre bruk. Denne renseprosessen innebærer vanligvis:

• Støvfjerning, der fysiske separasjonsteknikker brukes for å fjerne partikler.
• Svovelfjerning, der forbindelser som hydrogensulfid (H2S) fjernes ved hjelp av amineskrubbing eller lignende prosesser. 
• Fjerning av karbondioksid, der CO2 fanges opp og lagres eller brukes i andre industriprosesser.

6. Separasjon og behandling av hydrogen

Det siste trinnet er å separere hydrogenet fra den rensede syngassblandingen. Dette kan gjøres ved hjelp av ulike metoder, hvorav de to vanligste er:

• Trykkendringsadsorpsjon (Pressure swing adsorption (PSA)) , som bruker adsorbentmaterialer til selektivt å fange opp karbonmonoksid og etterlate renset hydrogen. 
• Membranseparasjon, der man bruker spesialiserte membraner som slipper hydrogenet gjennom, mens andre gasser holdes tilbake.

Grått hydrogen er den vanligste typen som for tiden brukes i industrien, og produseres enten via dampmetanreformering (SMR) eller autotermal reformering (ATR). Begge disse metodene krever et hydrokarbonråstoff som hovedsakelig består av metan, med naturgass som den mest brukte kilden.

Innhenting av naturgass og utvinning av hydrogen

Naturgass er en luktfri og fargeløs gass, hovedsakelig funnet under jordens overflate i nærheten av petroleumsforekomster. Dannet over millioner av år fra nedbrytning av organisk materiale under intens varme og trykk, er denne allsidige energikilden en hjørnestein i det moderne samfunnet, brukt til å varme opp hjem, drive industrier og produsere elektrisitet. I tillegg er det et råmateriale i flere forbindelser som til slutt blir til produkter som syntetiske stoffer, frostvæske, maling, emballasjematerialer, sjampo, kremer og gjødsel.

Denne gassen finnes i porøse og permeable bergformasjoner kalt reservoarer, ofte fanget under lag av ugjennomtrengelig berg som hindrer dens flukt. Disse reservoarene kan være plassert under tørt land på land eller offshore under havbunnen. Utforskning av naturgass krever sofistikerte geologiske undersøkelser, seismisk avbildning og leteboring for å lokalisere skjulte reserver. Når et potensielt reservoar er identifisert, begynner utvinningsprosessen, ofte ved en kombinasjon av teknologier tilpasset de spesifikke geologiske forholdene.

Den vanligste utvinningsmetoden innebærer boring av en brønn inn i reservoaret, som skaper en kanal for den fangede gassen til å strømme til overflaten. Denne strømmen drives ofte av det naturlige trykket i reservoaret selv. Etter hvert som gassen utvinnes, synker trykket vanligvis, noe som fører til bruk av kunstige løfteteknikker for å opprettholde produksjonen, som pumper eller kompressorer.

Når den utvunnede naturgassen når overflaten, gjennomgår den - ofte sammen med urenheter som vanndamp, sand og andre gasser - en rekke prosesseringstrinn. Disse trinnene er avgjørende for å fjerne urenheter, skille ut verdifulle komponenter og klargjøre selve gassen for bruk. Den bearbeidede naturgassen transporteres deretter via rørledninger, eller i komprimert (CNG) eller flytende (LNG) form med spesialiserte tankskip, til forbrukere over hele verden.

Grått hydrogen er først og fremst utbredt på grunn av den globale overfloden av naturgass. I tillegg er SMR og ATR mindre karbonintensive enn kullgassifisering, noe som gjør at de foretrekkes fremfor svart og brunt hydrogen. Blått hydrogen tar SMR og ATR et skritt videre ved å inkludere karbonfangst, -transport og -lagring, men dette krever betydelige driftskostnader.

Selv om overgangen til helt fornybare energisystemer er det endelige målet i hydrogenverdikjeden, er det å blande hydrogen med naturgass i eksisterende kraftverk en midlertidig løsning. For å lykkes med dette kreves det svært presise flow-målinger og gassanalyseinstrumenter i sanntid, noe som sikrer en konsistent gassblanding. Hydrogen kan også blandes inn i naturgassforsyningen til boliger og næringsbygg i konsentrasjoner på opptil 20 %, avhengig av landets regelverk.

Dette reduserer utslippene fordi hydrogen brenner renere enn naturgass. Mens husholdningsapparater bare kan forbrenne opptil 20 % hydrogen blandet med naturgass, kan gassturbinene som brukes i kraftverk forbrenne en mye høyere blanding, opp til 100 % hydrogen i nyere modeller.

Blandingstilnærminger muliggjør en gradvis overgang til renere energikilder uten å kreve umiddelbar og fullstendig utskifting av eksisterende infrastruktur, noe som letter behovet for betydelige kapitalinvesteringer i nye kraftverk og rørledninger.

Suksessen til denne strategien avhenger i stor grad av hydrogenskilden. Mens blanding av grått, brunt eller svart hydrogen har begrenset miljøpåvirkning på grunn av utslipp fra produksjonen, reduserer bruk av grønt hydrogen produsert fra fornybare kilder betydelig de totale klimagassutslippene, og støtter mål om netto nullutslipp.

Etter hvert som hydrogenenergi-revolusjonen utfolder seg, er det avgjørende å forstå de ulike typene - inkludert produksjonsmetoder og miljøpåvirkninger. Mens grønt hydrogen er målet for netto nullutslipp, er lavkarbonhydrogen, sammen med svart, brunt og grått hydrogen, essensielt for å fremme infrastruktur, forskning og energidiversifisering.

Når menneskeheten navigerer klimaendringene i de kommende tiårene, vil sikring av kontinuitet og bærekraft i energiforsyningen kreve varierte energikilder. Selv om det fortsatt er flere hindringer å overvinne, har hydrogen et lovende potensial som en ren, allsidig og bærekraftig energibærer.