Produksjon av blått hydrogen for å møte industriens etterspørsel

Etter hvert som klimaendringer og globale karbonreduksjonsmål driver utforskningen av hydrogenenergi, dukker det opp mange produksjonsmetoder, hver med sine unike fordeler og utfordringer. Selv om grønt hydrogen -  produsert utelukkende fra fornybare kilder - legemliggjør idealet om en bærekraftig fremtid, krever dets nåværende økonomiske, teknologiske og begrensninger innen skalerbarhet betydelig støtte fra andre typer hydrogenproduksjon for å fortsette å fremme dette drivstoffets levedyktighet.

Grått og blått hydrogen utgjør for tiden majoriteten av hydrogen produsert globalt, begge skapt via lett tilgjengelig dampmetanreformering (SMR) eller autotermisk reformering (ATR), vanligvis ved bruk av naturgass som råstoff. Selv om begge typer er avhengige av disse samme produksjonsmetodene, går blått hydrogen et skritt videre enn grått ved å fange og lagre karbonutslippene som genereres sammen med produsert hydrogen for å forhindre at de slippes ut i atmosfæren. Av denne grunn anses det som lavkarbonhydrogen.

SMR er en moden termokjemisk prosess, der en metankilde - som naturgass - reagerer med høytemperaturdamp ved 3-25 bar (43,5-363 psi) i nærvær av en katalysator. Den har en lang historie i industrier som raffinering, gjødselproduksjon og metanolproduksjon.

Denne reaksjonen gir syngass, en blanding av hydrogen og karbonmonoksid. En påfølgende vann-gass-skift (WGS) reaksjon konverterer deretter karbonmonoksidet til ytterligere hydrogen, og genererer karbondioksid og en liten mengde karbonmonoksid som biprodukter.

ATR er en nyere metode, spesielt godt egnet for storskala hydrogenproduksjon. Selv om utstyret for å indusere de nødvendige reaksjonene krever større kapitalinvesteringer, fremmer denne metoden mer effektiv karbonfangst. Dette er et resultat av kontrollert oksygengassdosering i reformerenheten, som reduserer karbonmonoksidutslipp, og dermed produserer en renere strøm av karbondioksid enn SMR.

I tillegg, fordi ATR delvis oksiderer metan med oksygen for å produsere syngass, krever det ikke en ekstern varmekilde. Som med SMR, maksimerer en WGS-reaksjon hydrogenutbyttet.

Beslutningen om å velge SMR eller ATR for produksjon av blått hydrogen koker ned til en omfattende vurdering av flere faktorer, inkludert, men ikke begrenset til:

• Ønsket produksjonsskala
• Krav til hydrogenrenhet
• Sammensetning av tilgjengelig naturgassråstoff
• Tilgang til kapital
• Forventede driftskostnader
• Globalt eller regionalt økonomisk landskap

Blått hydrogen SMR krever tre nøkkelreaksjoner og et valgfritt fjerde trinn.

1. Metanreformering
I denne primærreaksjonen reagerer metan (CH4) - vanligvis fra naturgass - med damp (H2O) ved høy temperatur (700-1 100 °C/1 300-2 000 °F) og trykk (3-25 bar/43,5-363 psi) i nærvær av en nikkelbasert katalysator. Denne reaksjonen produserer syngass, en blanding av hydrogen (H2) og karbonmonoksid (CO). Den er endoterm, noe som betyr at den krever varmeinput.

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. Vann-gass-skiftreaksjon
Syngassen gjennomgår deretter en WGS-reaksjon, hvor karbonmonoksid reagerer videre med damp i nærvær av en katalysator, vanligvis jernoksid eller kobberbasert, for å produsere mer hydrogen og karbondioksid (CO2). Denne reaksjonen er eksoterm, noe som betyr at den frigjør varme.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Fjerning av karbondioksid
Den resulterende gassblandingen på dette stadiet består hovedsakelig av hydrogen, karbondioksid og noe ureaktert metan. Karbondioksid fjernes for det meste via aminbehandling, som innebærer å løse opp karbondioksid i aminløsninger, og etterlater en renset hydrogenstrøm.

CO₂ + Aminløsning ⇌ Amine-CO₂ kompleks (forenklet kjemisk representasjon)

4. Hydrogenrensing (valgfritt)
Avhengig av ønsket renhetsnivå kan ytterligere rensetrinn benyttes. Trykksvingadsorpsjon (PSA) - som bruker adsorpsjonsmaterialer for selektivt å fange karbondioksid - og membranseparasjon, som bruker spesialiserte membraner som bare tillater hydrogen å passere gjennom, er de to vanligste metodene.

Katalysatorer er essensielle for SMR for å akselerere reaksjonene, men de blir utarmet over tid og må regenereres eller erstattes. Den endoterme metanreformeringsprosessen og den eksoterme WGS-reaksjonen krever nøye varmestyring for effektiv drift.

ATRs primære fordel over SMR er redusert karbonmonoksidutslipp og dermed høyere karbondioksidfangsteffektivitet - 95 % i motsetning til kun 60 %. Blått hydrogen ATR krever følgende kritiske trinn:

1. Forvarming og blanding av råstoff
Naturgass - hovedsakelig metan - og damp forvarmes, og kontrollerte mengder oksygen (O2) tilsettes blandingen.

2. Forbrenning
En del av metanet reagerer med det tilsatte oksygenet i en sterkt eksoterm forbrenningsreaksjon, og genererer varme for den påfølgende reformeringsreaksjonen.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. Reformering
Varme generert under forbrenningen driver de endoterme reformeringsreaksjonene.

Dampreformering:  CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)
Delvis oksidasjon: 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. Vann-gass-skiftreaksjon
Som SMR, reagerer karbonmonoksidet produsert i reformeringsreaksjonene videre med damp i nærvær av en katalysator for å produsere mer hydrogen og karbondioksid:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Fjerning av karbondioksid
Som i SMR, fjernes karbondioksid fra gassblandingen, oftest ved bruk av aminbehandling, som etterlater en renset hydrogenstrøm.

6. Hydrogenrensing (valgfritt)
Ytterligere rensetrinn, som PSA eller membranseparasjon, kan implementeres for å oppnå økt hydrogenrenhet når det er nødvendig.

SMR er enklere og billigere å implementere enn ATR fordi førstnevnte ikke krever en konstant oksygentilførsel. Imidlertid er ATR selvforsynt med hensyn til varme på grunn av den integrerte forbrenningsreaksjonen, så det trenger ikke en ekstern varmekilde når det er i gang, noe som gjør det mer energieffektivt enn SMR.

I tillegg produserer ATR vanligvis et høyere forhold mellom hydrogen og karbonmonoksid i syngassen, noe som kan være fordelaktig for noen nedstrømsapplikasjoner. ATR-systemer er også vanligvis i stand til raskere responser på endringer i produksjonsbehov. Av disse og andre grunner bruker nye blå hydrogenanlegg vanligvis ATR.

En diskusjon om blått hydrogen er ufullstendig uten å dekke karbonfangst, utnyttelse og lagring (CCUS). Disse komplekse prosessene begynner med å skille karbondioksid fra andre gasser som er til stede i en eksosstrøm, som ofte er avhengig av absorpsjonsbaserte teknologier som bruker for eksempel aminer som selektivt fanger karbon.

Når det er fanget, gjennomgår karbondioksidet kompresjon og flytning til en superkritisk tilstand, noe som muliggjør effektiv transport - vanligvis via rørledning - til egnede geologiske formasjoner for langtidslagring. Potensielle lagringssteder inkluderer utarmede olje- og gassreservoarer, dype salinakviferer og saltdomer.

Selv om karbonfangst- og lagringssteder (CCS) tilbyr en måte å håndtere utslipp på, er det noen spørsmål om deres langsiktige sikkerhet. Selv små lekkasjer kan potensielt påvirke nærliggende økosystemer og grunnvann.

Det pågår en diskusjon om miljøpåvirkningen av blått hydrogen sammenlignet med grønt hydrogen, som produseres ved bruk av fornybar energi. Noen antyder at fokus på blått hydrogen kan forsinke overgangen til fornybar energi og grønt hydrogen.

Fra et økonomisk perspektiv kan kostnadene forbundet med CCS gjøre blått hydrogen dyrere enn grått hydrogen. Imidlertid reduseres disse kostnadene gradvis. I tillegg kan faktorer som karbonskatter på grått hydrogen, statlige insentiver for blått hydrogen og cap-and-trade-systemer gjøre blått - eller til og med grønt - hydrogen mer økonomisk levedyktig.

Instrumenteringens rolle for blått H2 Utover miljømessige og økonomiske hensyn, avhenger vellykket implementering av blå hydrogenproduksjon av et sofistikert nettverk av instrumenterings- og kontrollsystemer som jobber sammen for å sikre prosessens pålitelighet, effektivitet og sikkerhet. SMR og ATR krever store mengder sensorer for kontinuerlig å overvåke prosessparametere og mate sanntidsdata inn i sofistikerte kontrollsystemer for å optimalisere produksjonen, minimere avfall og redusere risiko.

Temperatursensorer, som er avgjørende for å opprettholde optimale reaksjonsforhold og forhindre nedbrytning av katalysatorer, fungerer sammen med trykksensorer som sørger for trygge forhold i reaktorer og rørledninger. Strømningsmålere dokumenterer på en pålitelig måte bevegelsen av gasser og væsker gjennom hele prosessen, noe som muliggjør nøyaktig kontroll av reaktantforhold og produktstrømmer. Flowmålere er også avgjørende ved alle punkter for custody transfer.

I mellomtiden gir gassanalysatorer - som Raman- og TDLAS-spektroskopi (tunable diode laser absorption spectroscopy) - overvåking av strømsammensetningen og annen overvåking på ulike punkter, slik at operatørene kan validere prosesseffektiviteten, oppdage problemer etter hvert som de utvikler seg og sikre hydrogenets renhet.

Etter hvert som hydrogeninfrastrukturen fortsetter å utvikle seg, har blått hydrogen en viktig rolle å spille, noe som muliggjør videre forskning og forbedret effektivitet, i påvente av at grønt hydrogen når de nødvendige nivåene. SMR og ATR anses generelt som de mest levedyktige metodene for hydrogenproduksjon, da de befinner seg i en mellomposisjon mellom økonomiske og miljømessige hensyn og viser teknologisk modenhet. Selv om fremskritt innen CCUS-teknologien forbedrer fangstratene og den langsiktige lagringssikkerheten, er det fortsatt en lang vei å gå før produksjonen av blått hydrogen realistisk sett kan overgå grå hydrogenproduksjon.

Etter hvert som verden sliter med kompleksiteten i et energibilde i utvikling, er en balansert tilnærming som tar hensyn til flere tilgjengelige varianter - en tilnærming som veier de mange avveiningene mellom de ulike hydrogenfargene og prioriterer langsiktig bærekraft - avgjørende for å komme videre. Det vil kreve flere forskjellige hydrogenfarger, fornybare energikilder, økt elektrifisering og til og med effektive måter å bruke fossilt brensel på, om enn med utslippsreduserende tiltak. For å gå seirende ut av energirevolusjonen må vi dra full nytte av alle pilene i det metaforiske koggeret, og bruke de løsningene som gir mest mening for hvert enkelt bruksområde.