Hvordan produceres hydrogen?

Som industrien tilføjer vedvarende energikilder i den globale kamp mod klimaforandring, træder hydrogen frem som et rent og alsidigt alternativ til fossile brændstoffer. Realiseringen af dette brændstofs potentiale er dog afhængig af udvikling og anvendelse af effektive, omkostningseffektive og miljømæssige ansvarlige produktionsmetoder. 

Hydrogens ikke-konkurrecedygtige pris per enhed af genereret energi sammenlignet med konventionelle fossile brændstoffer forbliver en af de mest betydelige ulemper, som forhindrer en bred adoption. Som et resultat er skattelettelser og andre statslige incitamenter i stort omfang ansvarlige for hydrogenøkonomiens evolution, da disse hjælper med at udligne omkostninger forbundet med produktion og udnyttelse. 

Der findes en bred vifte tilgængelige produktionsmetoder til hydrogen, som alle varierer i forhold til teknisk, økonomisk og miljømæssig bæredygtighed. Denne side giver dig et overblik over almindelige produktionsmetoder sammen med et par eksperimentelle metoder, som stadig er under udvikling. 

Hydrogen som energibærer leverer et positivt udvalg af tekniske fordele inklusive:

• Højt energiindhold per masseenhed sammenlignet med konventionelle brændstoffer 
• Potentiale for kulstofneutralitet ved brugspunktet når forbrugt i en brændselscelle 
• Mangel på energidegradering ved langsigtet lagring, en væsentlig fordel sammenlignet med batterier 
• Alsidighed på tværs af forskellige anvendelser inklusive transport og energilagring

Der er dog fortsat udfordringer i forbindelse med bred adoption i industrien, primært centreret omkring tilgængelig infrastruktur og omkostninger.

Sammenlignet med blyfri benzin er hydrogen energitæt efter masse men ikke i volumen. Efter masse viser det en energitæthed, som er tre gange større end benzin, hvilket gør det attraktivt til anvendelser, hvor vægt er kritisk såsom langdistancetransport.

Dets lave volumentæthed kræver dog yderligere overvejelser med henblik på lagring, som ofte består af tryksætning af hydrogengas eller likvefaktion gennem kryogene teknikker. Selvom disse metoder øger densiteten, medfører de operationelle kompleksiteter og kræver energiforbrug til at ændre eller vedligeholde hydrogen i sin kontrollerede tilstand, og dertil skal anvendes specialiseret infrastruktur. Hydrogens brandbare egenskab - og tilbøjelighed til lækage på grund af den lille molekylestørrelse - nødvendiggør dog stringente sikkerhedsprotokoller gennem hele værdikæden. 

Gråt hydrogen, som er den mest almindelige type i industrien, er afhængig af en af disse to termokemiske processer: Dampmetanreformering (SMR) og autotermisk reformering (ATR).

Både SMR og ATR indledes med en karbonhybrid råvare, typisk naturgas,som primært består af metan (CH₄). I SMR forvarmes denne metan og kombineres med højtemperaturdamp (H₂O) med montering af en katalysator i en reformerenhed. ATR introducerer både damp og en kontrolleret volumen af oxygengas (O₂) i reformerenheden, hvilket skaber udstødning. Modsat SMR kræver ATR ikke ekstern varme til metanreformeringsprocessen. 

Under ekstreme temperaturforhold i begge processer, faciliterer katalysatoren adskillelse af metan- og vandmolekylerne i reformerenheden, som nedbryder de kemiske bindinger. Denne termiske adskillelsesproces resulterer i et en produktgasstrøm, som indeholder den ønskede hydrogen sammen med kulilte og spormængder af kuldioxid. Kulstofgasserne bliver typisk tilbageholdt af absorptionsmiddel nedstrøms for reformeren, mens hydrogen løber gennem kammeret, hvor det kan lagres og anvendes ved senere behov. 

I anvendelser, hvor kuldioxid frigives til atmosfæren, produceres hydrogenet som såkaldt “gråt hydrogen.” Hvis CO₂ i stedet for adskilles, bliver hydrogenet “blåt.”

ATR er mere energieffektivt end SMR, da det ikke kræver en ekstern varmekilde. Derudover reducerer den kontrollerede dosering af oxygen i reformerenheden en betydelig mængde kuldioxidudledning, hvilket producerer en rene strøm af kuldioxid end SMR. Dette gør det ideelt til blå hydrogenproduktion. ATR er dog mere kompleks at monitorere og kontrollere særligt med hensyn til forbrænding, der er en proces med betydelige sikkerhedsudfordringer. 

Blå hydrogens miljømæssige levedygtighed er afhængig af effektiviteten og skalerbarheden af CCS-teknologier, der fortsat undergår forskning og udvikling.

Turkist hydrogen produceres ved anvendelse af metanpyrolyse, hvor naturgas opvarmes direkte til ekstreme temperaturer - over 900°C (1652 °F) - på hvilket punkt det nedbrydes til hydrogengas og fast kulstof. Kulstofbiproduktet i fast form fanges nemmere end i gasfasen.

Når varmen, der kræves til pyrolyse, generes fra genanvendelige kilder såsom sol eller geotermisk, bliver turkist hydrogen renere. Selvom denne produktionsmetode tegner lovende, er den stadig i de indledende stadier og kræver demonstrationer på en større skala for at bevise dets levedygtighed og sikrer, at det indfangede kulstof kan lagres permanent.

Grønt hydrogen anses som den gyldne standard for bæredygtigt hydrogen, der produceres fra genanvendelige kilder - såsom sol, vind og hydro - via vandelektrolyse.

Elektrolyse er en proces, som splitter vandmolekyler (H₂O) til hydrogen (H₂) og oxygen (O₂) ved brug af elektrisk energi. En elektrolysator består af to elektroder - en anode og katode- og en elektrolyt, som er en konduktiv løsning, der faciliterer flowet af ioner mellem elektroderne. 

Når direkte elektricitet løber gennem systemet, sker der en reduktion på katoden, som fanger elektroder. Dette tiltrækker negativt ladede anioner fra elektrolytten til udfyldning af tomrummet fra de katodetiltrukne elektroner. Oxidering sker ved anoden, som frigiver elektroner og skaber positivt ladede kationer fra elektrolytten og dertilhørende migration. 

Ved katoden samler positivt ladede hydrogenatomer (H+) elektroner og danner hydrogengas, og ved anoden mister vandmolekyler elektroner, frigiver oxygengas og fylder op med hydrogenioner, der bevæger sig imod katoden. 

Nettoresultater er separation af vand til hydrogen og oxygengasmolekyler. Det grønne hydrogen lagres, men oxygenet på uskadelig vis kan frigives til atmosfæren. 

Når overflødig energi er tilgængelig, leverer grønt hydrogen en bæredygtig metode til at høste energi, som på et senere tidspunkt ved behov kan anvendes til netforsyning. Modsat strøm lagret i batterier, nedbrydes lagret hydrogenstrøm ikke over tid, hvilket gør det praktisk særligt til sæsonbaseret eller langvarig lagring.

Termodynamikkens lov dikterer dog, at den krævede energi til at drive elektrolyse til hydrogenproduktion er større end produktets tilgængelige energi. Aktuelle estimater fra National Renewable Energy Laboratory indikerer, at elektrolyse har en omtrentlig effektivitetsgrad på 70-80%, som betyder, at portionen af det vedvarende enrgiinput til udførelse af processen er tilgængelig som potentiel energi i det resulterende hydrogen.

Derudover er elektrolysatorinfrastruktur i det indledende stadier og kræver yderlige udvikling og effektivitetsforbedringer, før det kan anvendes i stort format. 

Der findes få mindre almindelige metoder til hydrogenproduktion inklusive kernekraftassisteret, fotokatalytisk vandsplittelse og biologiske og biokemiske metoder.

Kernekraftassisteret hydrogenproduktion
Kernekraftdrevet elektrolyse er en potentiel indgangsvej kulstoffri hydrogenproduktion i stor skala - betegnet “pink hydrogen” - selvom denne metode stadig er under udvikling. Da kernekraftanlæg betjenes kontinuerligt, yder de en stabil energikilde til hydrogenproduktion, hvilket adresserer de afvekslende udfordringer, der er forbundet med vedvarende energi. Offentlighedens bekymring vedrørende kernekraftsikkerhed, affaldsbortskaffelse og spredningspotentialet skaber dog barrierer i forhold til adoption.

Fotokatalytisk vandsplittelse
Fotokatalytisk vandsplittelse udnytter solens energi direkte og anvender semiledermateriale, som absorberer sollyset, til at splitte vandmolekyler i hydrogen og oxygen uden elektricitet. Når fotoner rammer en fotokatalytisk semileder, aktiverer det elektronerne, som leverer energien til at drive en kemisk reaktion, hvilket er en gengivelse af planters fotosyntese.

Denne metode er langt fra klar til masseudrulning, og yderligere forskning kræves for at udvikle omkostningseffektive fotokatalytiske materialer. De første forsøg indikerer dog, at effektiviteten er meget større end elektrisk drevet elektrolyse. 

Biologisk og biokemisk hydrogenproduktion 
En anden nicheproduktionsmulighed til fremtidig anvendeligt hydrogen er biofotolyse, som udnytter de fotosyntetiske egenskaber hos alger og cyanobakterier i naturen til hydrogenproduktion fra vandmasser. Derudover kan enzymatiske reaktioner være i stand til at katalysere hydrogenproduktion fra biomasse eller vand. 

Disse metoder er i dag kun på det eksperimentelle stadie, men udforskning af grænserne og mulighederne for hydrogenproduktion er vigtigt til vækst af hydrogenøkonomien som en effektiv og levedygtig hjørnesten til reducering af industrigenererede drivhusgasser. 

Effektiv fremstilling og anvendelse af hydrogen kræver afvejelse af finansielle, tekniske og miljømæssige faktorer til at drive beslutningstagning. Forfinelse af og en øgning af forskellige hydrogenproduktionsmetoder vil forbedre hydrogens levedygtighed i mange forskellige anvendelser. 

Selvom grå hydrogenproduktion anvender SMR eller ATR på nuværende tidspunkt er mest dominerende på nuværende tidspunkt, øger statslige skatteincitamenter blå hydrogenproduktion, som anvender kulstoffangstteknologier til afbødning af miljømæssige påvirkninger. Grønt hydrogen, som produceres via genanvendelig energidrevet elektrolyse, præsenterer en mere bæredygtig løsning, men dets skalerbarhed og omkostningseffektivitet kræver yderligere teknologiske fremskridt. 

Nye metoder såsom metanpyrolyse og fotokatalytisk vandsplittelse tilbyder lovende alternativer, men disse er stadig i de begyndende stadier og kræver derfor yderligere forskning og udvikling. En multifacetteret tilgang, som omfatter en blandet portefølje af produktionsmetoder, i kombination med understøttende politikker og kontinuerlig innovation er afgørende for at drive hydrogen mod sit potentiale som en bæredygtig energihjørnesten.