Produktion af blå brint for at imødekomme industriens efterspørgsel

I takt med at klimaforandringerne og de globale mål for CO₂-reduktion tilskynder til udforskning af brintenergi, opstår der mange produktionsmetoder, som hver især har forskellige fordele og udfordringer. Mens grøn brint – der udelukkende produceres af vedvarende kilder – repræsenterer idealet om en bæredygtig fremtid, kræver de nuværende økonomiske, teknologiske og skaleringsmæssige begrænsninger en betydelig udvidelse af andre former for brintproduktion for fortsat at fremme dette brændstofs levedygtighed.

Grå og blå brint udgør i øjeblikket størstedelen af den brint, der produceres på verdensplan, og begge fremstilles via lettilgængelig steamreforming af metan (SMR) eller autotermisk reforming (ATR), der typisk udnytter naturgas som råmateriale. Mens begge brinttyper er afhængige af de samme produktionsmetoder, går blå brint et skridt videre end grå ved at indfange og lagre de CO₂-emissioner, der genereres sammen med den producerede brint, for at forhindre, at førstnævnte slipper ud i atmosfæren. Derfor betragtes det som kulstoffattig brint.

Steamreforming af metan (SMR) er en gennemprøvet, termokemisk proces, hvor en metankilde – som f.eks. naturgas – omsættes med højtemperaturdamp ved 3-25 bar med hjælp fra en katalysator. Processen har været anvendt længe inden for brancher som raffinering, gødningsproduktion og metanolproduktion.

Denne reaktion giver syntesegas, en blanding af brint og kulilte. En efterfølgende "water-gas shift"-proces (WGS) omdanner derefter kulilten til yderligere brint og genererer kuldioxid og en lille mængde kulilte som biprodukter.

ATR (autotermisk reforming) er en nyere metode, som er særligt velegnet til brintproduktion i stor skala. Selv om udstyret til at fremkalde de nødvendige reaktioner kræver større kapitalinvesteringer, fremmer denne metode en mere effektiv CO₂-fangst. Det er et resultat af den kontrollerede dosering af ilt i reforminganlægget, som reducerer kulilteudledningen og dermed producerer en renere strøm af kuldioxid end SMR.

Og fordi metan ved autotermisk reforming (ATR) delvist iltes for at producere syntesegas, kræver det ikke en ekstern varmekilde. Ligesom med steamreforming af metan (SMR) maksimerer en "water-gas-shift"-proces brintudbyttet.

Beslutningen om, hvorvidt man skal satse på steamreforming af metan eller autotermisk reforming til produktion af blå brint, kommer an på en omfattende vurdering af flere faktorer, herunder, men ikke begrænset til:

• Ønsket produktionsskala
• Brintens påkrævede renhed
• Den tilgængelige naturgasråvares sammensætning
• Adgang til kapital
• Forventede driftsomkostninger
• Global eller regional økonomisk situation

Steamreforming af metan (SMR) til blå brint kræver tre vigtige reaktioner og et valgfrit fjerde trin.

1. Reforming af metan
I denne primære reaktion omsættes metan (CH₄) – typisk fra naturgas – med damp (H₂O) ved høj temperatur (700-1.100 °C) og tryk (3-25 bar) og med hjælp fra en nikkelbaseret katalysator. Denne reaktion giver syntesegas, en blanding af brint (H₂) og kulilte (CO). Den er endoterm, hvilket betyder, at den kræver tilførsel af varme.

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

2. "Water-gas shift"-proces
Syntesegassen gennemgår derefter en "water-gas-shift"-proces, hvor kulilte reagerer yderligere med damp med hjælp fra en katalysator, normalt jernoxid eller kobberbaseret, for at producere mere brint og kuldioxid (CO₂). Denne reaktion er eksoterm, hvilket betyder, at den frigiver varme.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Fjernelse af kuldioxid
Den dannede gasblanding består i denne fase primært af brint, kuldioxid og noget ureageret metan. Kuldioxid fjernes oftest ved hjælp af aminbehandling, som indebærer, at kuldioxid opløses i aminopløsninger, hvilket efterlader en renset brintstrøm.

CO₂ + aminopløsning ⇌ amin-CO₂-kompleks (forenklet kemisk fremstilling)

4. Rensning af brint (valgfri)
Afhængigt af det ønskede renhedsniveau kan der anvendes yderligere rensningstrin. De to mest almindelige metoder er tryksvingningsadsorption (PSA) – som bruger adsorberende materialer til selektivt at indfange kuldioxid – og membranseparation, som bruger særlige membraner, der kun lader brint passere.

Katalysatorer er vigtige for steamreforming af metan (SMR) for at fremskynde reaktioner, men de bliver opbrugt med tiden og skal regenereres eller skiftes. Den endoterme metanreformingproces og den eksoterme "water-gas-shift"-proces kræver omhyggelig varmestyring for at fungere effektivt.

Autotermisk reformings primære fordel i forhold til steamreforming af metan er den reducerede kulilteemission og dermed den større effektivitet i kuldioxidfangsten – 95 % i forhold til kun 60 %. Blå brint med autotermisk reforming kræver følgende vigtige trin.

1. Forvarmning og blanding af råmateriale
Naturgas – primært metan – og damp forvarmes, og der tilsættes kontrollerede mængder ilt (O₂) til blandingen.

2. Forbrænding
En del af metanen reagerer med den tilsatte ilt i en meget eksoterm forbrændingsreaktion, der genererer varme til den efterfølgende reformingproces.

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

3. Reforming
Den varme, der genereres under forbrændingen, driver de endoterme reformingprocesser.

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

4. "Water-gas shift"-proces
Ligesom ved steamreforming af metan reagerer kulilte yderligere med damp med hjælp fra en katalysator for at producere mere brint og kuldioxid:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Fjernelse af kuldioxid
Ligesom ved steamreforming af metan (SMR) fjernes der kuldioxid fra gasblandingen, oftest ved hjælp af aminbehandling, hvilket efterlader en renset brintstrøm.

6. Brintrensning (valgfrit)
Flere rensningstrin, såsom tryksvingningsadsorption (PSA) eller membranseparation, kan anvendes for at gøre brinten renere, hvis det er nødvendigt.

Steamreforming af metan er enklere og billigere at implementere end autotermisk reforming, fordi førstnævnte ikke kræver en konstant iltkilde. Til gengæld er autotermisk reforming selvforsynende med varme på grund af den interne forbrændingsreaktion, så den har ikke brug for en ekstern varmekilde, når den først er i gang, hvilket gør den mere energieffektiv end steamreforming af metan.

Derudover producerer autotermisk reforming typisk et højere forhold af brint i syntesegassen i forhold til kulilte, hvilket kan være en fordel for nogle downstream-applikationer. Systemer med autotermisk reforming er normalt også i stand til at reagere hurtigere på ændringer i kravene til produktionen. Af disse og andre årsager anvender nye anlæg til blå brint typisk autotermisk reforming.

En diskussion om blå brint er ufuldstændig, hvis den ikke omfatter fangst, anvendelse og lagring af kulstof (CCUS). Disse komplekse processer begynder med at adskille kuldioxid fra andre gasser i en emissionsstrøm, hvilket ofte er baseret på absorptionsbaserede teknologier, der f.eks. bruger aminer, som selektivt indfanger kulstof.

Når kuldioxiden er indfanget, bliver den komprimeret og gjort flydende til en superkritisk tilstand, hvilket muliggør effektiv transport – typisk via rørledninger – frem til egnede geologiske formationer med henblik på langtidsopbevaring. Potentielle lagringssteder er f.eks. udtømte olie- og gasreservoirer, dybe saltvandsmagasiner og salthorste.

Selv om anlæg til fangst og lagring af kulstof (CCS) er en måde at håndtere emissioner på, stilles der spørgsmål om deres sikkerhed på langt sigt. Selv små lækager kan potentielt påvirke økosystemer og grundvand i nærheden.

Der er løbende diskussion om miljøpåvirkningen fra blå brint sammenlignet med grøn brint, som produceres ved hjælp af vedvarende energi. Nogle mener, at fokus på blå brint kan forsinke overgangen til vedvarende energi og grøn brint.

Set fra et økonomisk perspektiv kan omkostningerne forbundet med fangst og lagring af kulstof gøre blå brint dyrere end grå brint. Disse omkostninger falder dog gradvist. Derudover kan faktorer som kulstofafgifter på grå brint, statslige incitamenter til blå brint og cap-and-trade-systemer gøre blå – eller endda grøn – brint mere økonomisk rentabel.

Ud over miljømæssige og økonomiske overvejelser afhænger en vellykket implementering af produktion af blå brint af et avanceret netværk af udstyr og kontrolsystemer, der arbejder sammen for at sikre processens pålidelighed, effektivitet og sikkerhed. Steamreforming af metan og autotermisk reforming (SMR og ATR) kræver et stort antal sensorer, der konstant overvåger procesparametre og sender data i realtid til avancerede kontrolsystemer for at optimere produktionen, minimere spild og mindske risici.

Temperatursensorer, der er afgørende for at bevare optimale procesforhold og forhindre katalysatornedbrydning, fungerer sammen med tryksensorer, der sørger for sikre forhold i reaktorer og rørledninger. Flowmålere dokumenterer pålideligt gassers og væskers bevægelse gennem hele processen, hvilket muliggør præcis kontrol af reaktantforhold og produktstrømme. Flowmålere er også vigtige på alle overførselspunkter.

Samtidig giver gasanalyse – som f.eks. Raman- og TDLAS-spektroskopi (tunable diode laser absorption spectroscopy) – løbende oplysninger om gasstrømmens sammensætning og andre relevante parametre på forskellige punkter i processen. Det gør det muligt for operatører at verificere proceseffektiviteten, opdage problemer mens de udvikler sig, og sikre, at brinten opfylder de ønskede krav til renhed.

Mens infrastrukturen for brint fortsætter med at udvikle sig, spiller blå brint stadig en vigtig rolle. Den muliggør yderligere forskning og forbedring af effektiviteten, samtidig med at det afventes, at grøn brint når de nødvendige produktionsmængder. Steamreforming af metan (SMR) og autotermisk reforming (ATR) betragtes generelt som de mest levedygtige metoder til brintproduktion. De udgør en god balance mellem økonomiske og miljømæssige hensyn og er teknisk gennemprøvede processer. Mens fremskridt inden for CCUS-teknologi forbedrer fangstmængderne og opbevaringssikkerheden på langt sigt, er der stadig lang vej igen, før produktionen af blå brint realistisk set kan overhale den grå brint.

Mens verden kæmper med kompleksiteten i en energisituation under udvikling, er en afbalanceret tilgang, der tager højde for flere mulige varianter – en tilgang, der vejer hver brinttypes fordele og ulemper op mod hinanden og prioriterer langsigtet bæredygtighed – afgørende for fremskridtet. Det vil kræve flere forskellige brinttyper, vedvarende energikilder, øget elektrificering og sågar effektive måder at bruge fossile brændstoffer på, om end med emissionsdæmpende foranstaltninger. For at lykkes med den grønne omstilling er det afgørende, at vi udnytter alle tilgængelige teknologier og vælger de løsninger, der giver mest mening for hver enkelt anvendelse.