Hvordan produseres hydrogen?

I takt med at industrien legger til bærekraftige energikilder i den globale kampen mot klimaendringene, fremstår hydrogen som et rent og allsidig alternativ til fossilt brensel. For å realisere potensialet i dette drivstoffet er man imidlertid avhengig av å utvikle og ta i bruk effektive, kostnadseffektive og miljøvennlige produksjonsmetoder.

En av de største ulempene med hydrogen er at prisen per produsert energienhet ikke er konkurransedyktig sammenlignet med konvensjonelle fossile brensler, noe som hindrer utbredt bruk av hydrogen. Derfor er det i stor grad skattefradrag og andre statlige insentiver som har bidratt til utviklingen av hydrogenøkonomien, ettersom disse bidrar til å kompensere for kostnadene forbundet med produksjon og utnyttelse.

Det finnes et bredt spekter av produksjonsmetoder for hydrogen, som alle varierer med hensyn til teknisk, økonomisk og miljømessig levedyktighet. Denne siden gir en oversikt over vanlige produksjonsmetoder, sammen med noen eksperimentelle metoder som fortsatt er under utvikling.

Hydrogen gir en rekke overbevisende tekniske fordeler som energibærer, blant annet:

• Høyt energiinnhold per massenhet sammenlignet med konvensjonelle drivstoff
• Potensialet for null karbonutslipp ved bruk i en brenselcelle
• Ingen energitap ved langtidslagring, noe som er en betydelig fordel sammenlignet med batterier
• Allsidighet på tvers av ulike bruksområder, inkludert transport og energilagring

Det gjenstår imidlertid fortsatt utfordringer når det gjelder utbredt bruk i industrien, først og fremst knyttet til tilgjengelig infrastruktur og kostnader.

Sammenlignet med blyfri bensin er hydrogen energitett i masse, men ikke i volum. I masse har hydrogen en energitetthet som er rundt tre ganger så høy som for bensin, noe som gjør det attraktivt for bruksområder der vekten er kritisk, for eksempel langdistansetransport.

Den lave volumetriske tettheten gjør det imidlertid nødvendig å ta ytterligere hensyn til lagring, som ofte består av trykksetting for hydrogen i gassform eller kondensering ved hjelp av kryogeniske teknikker. Selv om disse metodene øker tettheten, medfører de driftskompleksitet og krever energiforbruk for å endre og opprettholde hydrogen i kontrollert tilstand, noe som krever spesialisert infrastruktur. I tillegg er hydrogen brannfarlig - og har en tendens til å lekke på grunn av den lille molekylstørrelsen - noe som krever strenge sikkerhetsprotokoller gjennom hele verdikjeden.

Grått hydrogen, som er den vanligste typen hydrogen i industrien i dag, baserer seg på en av to termokjemiske prosesser: dampmetanreformering (SMR) og autotermisk reformering (ATR).

Både SMR og ATR tar utgangspunkt i et hydrokarbonråstoff, vanligvis naturgass, som hovedsakelig består av metan (CH4). I SMR forvarmes metanet og kombineres med høytemperaturdamp (H2O) i nærvær av en katalysator i en reformerenhet. Ved ATR tilføres både damp og et kontrollert volum oksygengass (O2) i reformerenheten, noe som fører til forbrenning. I motsetning til SMR krever ikke ATR ekstern varme til metanreformeringsprosessen.

Under ekstreme temperaturforhold i begge prosessene bidrar katalysatoren til at metan- og vannmolekylene i reformerenheten dissosieres, slik at de kjemiske bindingene brytes. Denne termiske krakkingsprosessen resulterer i en produktgassstrøm som inneholder det ønskede hydrogenet, sammen med karbonmonoksid og spormengder av karbondioksid. Karbongassene blir vanligvis holdt tilbake av adsorbentsenger like nedstrøms reformeren, mens hydrogenet strømmer gjennom kammeret, der det kan lagres og brukes ved behov senere.

I anvendelser der karbondioksid slippes ut i atmosfæren, kalles hydrogenet som produseres for «grått hydrogen». Hvis CO₂ i stedet bindes, blir hydrogenet «blått».

ATR er mer energieffektivt enn SMR fordi det ikke krever en ekstern varmekilde. I tillegg reduserer den kontrollerte doseringen av oksygen i reformerenheten karbonmonoksidproduksjonen betydelig, noe som gir en renere strøm av karbondioksid enn SMR. Dette gjør den ideell for produksjon av blått hydrogen. ATR er imidlertid mer komplisert å overvåke og kontrollere, særlig når det gjelder forbrenning, en prosess med betydelige sikkerhetsproblemer.

Den miljømessige levedyktigheten til blått hydrogen avhenger av effektiviteten og skalerbarheten til CCS-teknologiene, som det fortsatt forskes og utvikles på.

Turkis hydrogen produseres ved hjelp av metanpyrolyse, der naturgass varmes opp direkte til ekstreme temperaturer - over 900 °C (1652 °F) - og brytes ned til hydrogengass og fast karbon. Biproduktet karbon i fast form fanges lettere opp enn i gassform.

Når varmen som kreves for pyrolyse, genereres fra fornybare kilder, for eksempel solenergi eller jordvarme, blir turkis hydrogen renere. Selv om denne produksjonsmetoden er lovende, er den fortastt i startfasen, og det kreves demostrasjoner i større skala for å bevise at den er levedyktig, og sikre at det innfangede karbonet kan lagres permanent.

Grønt hydrogen regnes som gullstandarden for bærekraftig hydrogen, produsert av fornybar energi - som sol-, vind- eller vannkraft - ved hjelp av vannelektrolyse.

Elektrolyse er en prosess som spalter vannmolekyler (H2O) i hydrogen (H2) og oksygen (O2) ved hjelp av elektrisk energi. En elektrolysator består av to elektroder - en anode og en katode - og en elektrolytt, som er en ledende løsning som gjør det lettere for ioner å strømme mellom elektrodene.

Når likestrøm strømmer gjennom systemet, skjer det en reduksjon ved katoden, som tar opp elektroner. Dette tiltrekker seg negativt ladede anioner fra elektrolytten for å fylle tomrommet etter de elektronene som er tiltrukket av katoden. Oksidasjon skjer ved anoden, som frigjør elektroner og får positivt ladede kationer fra elektrolytten til å vandre mot den.

Ved katoden får positivt ladede hydrogenatomer (H+) elektroner og danner hydrogengass, mens vannmolekyler mister elektroner ved anoden, noe som frigjør oksygengass og etterfyller hydrogenioner som beveger seg mot katoden.

Nettoresultatet er at vann separeres i hydrogen- og oksygengassmolekyler. Dette grønne hydrogenet lagres, mens oksygenet kan slippes ut i atmosfæren uten å gjøre skade.

Når det er overskudd av fornybar energi tilgjengelig, er grønt hydrogen en bærekraftig måte å høste denne energien på, slik at den kan forsyne strømnettet når det trengs. I motsetning til strøm lagret i batterier, forringes ikke lagret hydrogenenergi over tid, noe som gjør den spesielt nyttig for sesongbasert eller langsiktig energilagring.

Termodynamikkens lover tilsier imidlertid at energien som kreves for å drive elektrolyse for produksjon av hydrogen, er større enn den energien som er tilgjengelig fra produktet. Ifølge estimater fra National Renewable Energy Laboratory er elektrolyse ca. 70-80 % effektiv, noe som betyr at en del av den fornybare energien som går med til å gjennomføre prosessen, er tilgjengelig som potensiell energi i det resulterende hydrogenet.

I tillegg er infrastrukturen for elektrolyseanlegg i sin spede begynnelse, og det kreves ytterligere utvikling og effektivitetsforbedringer før bruken kan bli utbredt.

Det finnes noen mindre vanlige metoder for å produsere hydrogen, blant annet kjernekraftassistert, fotokatalytisk vannspalting og biologiske og biokjemiske metoder.

Kjernekraftassistert hydrogenproduksjon
Kjernekraftdrevet elektrolyse er en potensiell vei til storskala og karbonfri hydrogenproduksjon - også kalt «rosa hydrogen» - selv om denne metoden fortsatt er under utvikling. Fordi kjernekraftverk er i kontinuerlig drift, er de en stabil energikilde for hydrogenproduksjon, noe som løser utfordringene knyttet til ustabiliteten ved fornybar energi. Men offentligheten er bekymret for atomsikkerhet, avfallshåndtering og potensialet for spredning av atomkraftverk.

Fotokatalytisk vannspalting
Fotokatalytisk vannspalting utnytter solens kraft direkte ved hjelp av halvledermaterialer som absorberer sollys for å spalte vannmolekyler i hydrogen og oksygen uten bruk av elektrisitet. Når fotoner treffer en fotokatalysatorhalvleder, eksiteres elektroner, som gir energi til å drive en kjemisk reaksjon som etterligner fotosyntesen i planter.

Metoden er langt fra klar for massedistribusjon, og det kreves ytterligere forskning for å utvikle kostnadseffektive fotokatalytiske materialer. De første forsøkene tyder imidlertid på at effektiviteten er mye høyere enn ved elektrisk drevet elektrolyse.

Biologisk og biokjemisk hydrogenproduksjon
En annen nisjeproduksjon som kan gi hydrogen som kan brukes i fremtiden, er biofotolyse, som utnytter fotosyntetiske evner hos alger og cyanobakterier i naturen til å produsere hydrogen fra vannmasser. I tillegg kan enzymatiske reaksjoner kanskje katalysere hydrogenproduksjon fra biomasse eller vann.

I dag er disse metodene helt eksperimentelle, men å utforske grensene og mulighetene for hydrogenproduksjon er viktig for å utvikle hydrogenøkonomien som en effektiv og levedyktig hjørnestein i arbeidet med å redusere klimagassutslippene fra industrien.

For å kunne produsere og bruke hydrogen på en effektiv måte må man veie økonomiske, tekniske og miljømessige faktorer mot hverandre i beslutningsprosessen. Forbedring av og en økning i ulike hydrogenproduksjonsmetoder vil gjøre hydrogen mer levedyktig i mange ulike bruksområder.  

Selv om produksjon av grått hydrogen ved hjelp av SMR eller ATR er mest utbredt for tiden, øker statlige skatteinsentiver produksjonen av blått hydrogen, som benytter karbonfangstteknologi for å redusere miljøpåvirkningen. Grønt hydrogen, som produseres ved hjelp av elektrolyse drevet av fornybar energi, er en mer bærekraftig løsning, men skalerbarheten og kostnadseffektiviteten krever ytterligere teknologiske fremskritt.

Nye metoder som metanpyrolyse og fotokatalytisk vannspalting er lovende alternativer, men de er fortsatt i startfasen og krever mer forskning og utvikling. En mangefasettert tilnærming som omfatter en mangfoldig portefølje av produksjonsmetoder, kombinert med støttende politikk og kontinuerlig innovasjon, er avgjørende for å gjøre hydrogen til en bærekraftig hjørnestein i energiproduksjonen.