Produktion af bæredygtig grøn brint

Blandt de forskellige produktionsmetoder, der bruges til brint, er grøn brint den bæredygtige standard. Produktion af grøn brint drives udelukkende af vedvarende energikilder – som f.eks. sol-, vind- og vandkraft – hvilket gør den til et CO₂-neutralt brændstof fra produktion til forbrænding. Det gør, at den adskiller sig fra andre brinttyper, herunder grå brint, der er baseret på fossile brændstoffer.

Elektrolyse danner grundlaget for produktionen af grøn brint, hvor elektricitet bruges til at spalte vandmolekyler i deres bestanddele af brint og ilt. En hurtig udvidelse af produktionen udfordres dog af kapacitets-, effektivitets- og omkostningsbegrænsninger.

Elektrolyse er en proces bestående af elektrokemiske reaktioner og iontransport, der finder sted i en elektrolysator. Elektrolysatorer er udstyret med to elektroder – en anode og en katode – adskilt af en elektrolyt. Denne elektrolyt, som er en flydende opløsning (til alkaliske elektrolysatorer) eller en faststofmembran (til PEM-elektrolysatorer), letter passagen af ioner, mens den begrænser strømmen af elektroner, og den skal vælges omhyggeligt ud fra faktorer som ionledningsevne, kemisk stabilitet og kompatibilitet med elektrodematerialerne.

Når der tilføres jævnstrøm til flydende vand i elektrolysatoren, opstår der en elektrisk potentialforskel mellem anoden og katoden. Ved anoden, der er kendetegnet ved et positivt potential, gennemgår vandmolekyler (H₂O) en oxidationsreaktion, der forårsager et tab af elektroner. Dette resulterer i dannelsen af iltgas (O₂), positivt ladede brintioner (protoner, H+) og frigivelse af elektroner til det eksterne kredsløb, hvilket er repræsenteret i elektrolysatorer med protonudvekslingsmembran (PEM) som følger:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

H+ protonerne migrerer gennem elektrolytten mod den negativt ladede katode, der drives af potentialgradienten. Katoden fremmer en reduktionsreaktion, hvor protonerne villigt accepterer elektroner fra det eksterne kredsløb for at neutralisere deres ladning og danne diatomisk brintgas (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

Den samlede elektrolytreaktion, en sammenlægning af anodisk oxidation og katodisk reduktion, er repræsenteret som:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Effektiviteten af denne proces har stor betydning for, at produktionen af grøn brint er økonomisk levedygtig. Adskillige faktorer påvirker denne effektivitet, herunder:

• Driftstemperatur, tryk og vandrenhed opretholdes i systemet, hvilket skal måles nøjagtigt
• Overspænding kræves for at drive reaktionerne ved en ønsket hastighed 
• Ohmske tab på grund af ionernes transportmodstand i elektrolytten 
• Begrænsninger ved massetransport, der styrer tilgængeligheden af reaktanter ved elektrodeoverfladerne 

Optimering af disse variabler kræver omhyggeligt materialevalg, design af elektrodearkitektur samt måling og kontrol af alle relevante parametre. Blandt de mange forskellige elektrolysatorteknologier, der er tilgængelige i dag, er PEM-elektrolysatorer og alkaliske elektrolysatorer de mest teknologisk udviklede og mest almindeligt anvendte.

PEM-elektrolysatorer, der er karakteriseret ved deres brug af en fast polymermembran som elektrolyt, giver flere fordele sammenlignet med teknologier, der bruger en flydende elektrolyt, herunder højere energieffektivitet, hurtigere responstider på udsving i strømtilførsel og et kompakt design. Disse egenskaber gør PEM-elektrolysatorer velegnede til integration med intermitterende vedvarende energikilder som sol- og vindkraft, hvor strømudbyttet kan variere betydeligt. De vælges også typisk af laboratorier og andre virksomheder, der har fokus på slutanvendelser med høj renhed.

Alkaliske elektrolysatorer med en flydende elektrolyt er ikke så effektive, men de koster mindre, har en længere driftslevetid og kan klare en lavere vandrenhed end PEM-varianterne. Disse faktorer gør dem attraktive i større anlæg, der producerer grøn brint, hvor omkostninger og målestok er de primære drivkræfter. 

Andre teknologier under udvikling inkluderer højtemperatur- eller fastoxidelektrolyse og anionudvekslingsmembran. De har hver især en anvendelsesafhængig konkurrencedynamik i kapløbet om brintproduktionsteknologi.

Til trods for at den er attraktiv i hele værdikæden som et bæredygtigt brændstof, er der flere udfordringer forbundet med produktionen af grøn brint.

For det første er produktion via elektrolyse – især med PEM-elektrolysatorer – dyrere end produktion af grå og blå brint via steamreforming af metan eller autotermisk reforming. Brint er desuden mindre energitæt end naturgas og andre fossile brændstoffer, og omkostningerne til at drive processer med brint er højere end omkostningerne til processer, der drives af fossile brændstoffer pr. energienhed.

Elektrolysatoreffektiviteten ved skorstenene er høj – ca. 70 % – med nyere teknologier som f.eks. fastoxid-elektrolyseceller (SOEC), der forventes at give endnu højere effektivitet. Som med ethvert andet system afhænger den overordnede anlægseffektivitet dog ikke kun af den anvendte teknologi, men også af anlægsbalancen i forhold til køling, tørring, behandling og komprimering af brinten. Desuden er der ikke tilstrækkelig forsyning af vedvarende energi til bæredygtigt at opskalere elektrolyse, hvilket kræver yderligere investeringer i infrastruktur.

Endvidere er transport og lagring af brint logistisk kompliceret på grund af behovet for specialiseret infrastruktur som f.eks. rørledninger og lagertanke, der er designet specifikt til at håndtere dette meget brandfarlige stof. Den nuværende infrastruktur er primært designet til naturgas og kan desværre ikke uden problemer konverteres på grund af brints unikke egenskaber. Brintatomer er de mindste af alle grundstoffer, så diatomisk brintgas kræver avancerede rørledninger, ventil- og pakningstætninger for at forhindre lækage. Brint kan også svække mange metaller, da atomerne sætter sig fast i indkapslingernes indre struktur, hvilket sænker stresstærsklen og fremskynder revnedannelse i uegnede materialer.

At håndtere disse problemer kræver strategisk planlægning, økonomisk støtte fra både nationalstater og private interessenter samt løbende teknologisk innovation. Til trods for økonomisk modvind er brugen af elektrolysatorer begyndt at tage fart. Ved udgangen af 2022 nåede den globale elektrolysatorkapacitet til brintproduktion næsten op på 11 GW, og kapaciteten forventes at nå en størrelsesorden på 170-365 GW i 2030.

Desuden forventes det, at indsatsen for at optimere elektrolysatorer vil sænke omkostningerne effektivt både i relation til omfang, læring og effektivitet i løbet af de kommende årtier. Dette omfatter mål for højere energiudnyttelse fra vedvarende energikilder samt genindvinding af iboende energitab under drift. Tilstødende teknologier, som f.eks. brintbrændselsceller – der reelt er det omvendte af elektrolysatorer – vil ride med på bølgen af de fremskridt og den knowhow, der opnås under denne overgang.

Ud over produktion er en dedikeret brintinfrastruktur også afgørende. Brints voksende bæredygtighed som alternativ energikilde afhænger af, at de mekanismer, der kræves for at distribuere og omdanne dens energi til nyttige formater, opskaleres.

Den globale efterspørgsel efter brint forventes at vokse i løbet af de næste 20-30 år på grund af dens alsidighed som energibærer og dens potentiale for at reducere CO₂-emissioner i sektorer, der er vanskelige at reducere. Især transport- og elproduktionsindustrien er klar til at indføre grøn brintenergi i deres porteføljer som et rent alternativ til fossile brændstoffer.

I transportsektoren er brændselsceller drevet af grøn brint en lovende løsning til CO₂-neutral kommerciel transport f.eks. på lastbiler, busser og endda fly. Dette er især brugbart inden for langdistancetransport, hvor batteridrevne elkøretøjer har udfordringer med begrænsninger i forhold til rækkevidde, generering af strøm samt vægt.

I den industrielle sektor kan brint erstatte fossile brændstoffer i energiintensive processer som f.eks. produktion af stål, cement og ammoniak og dermed reducere CO₂-aftrykket. Derudover forventes energisektoren i stadig stigende grad at udnytte grøn brint til lagring af energi fra den voksende infrastruktur for vedvarende energi og dermed adressere bekymringer relateret til ustabil sol- og vindenergi – uden problemerne med batteriers energitæthed og nedbrydning.

Brint blandes endda i naturgasdistributionssystemet for at reducere CO₂-emissionerne til atmosfæren. Gasfyrede komfurer, varmesystemer, tørretumblere og andre apparater kan forbrænde naturgas med en brintblanding på op til 20 %, der tit kun begrænses af tærskler defineret for gasinfrastruktur. Nye designløsninger inden for gasturbiner og gasmotorer kan nu blande op til 50 % brint i naturgas som brændstofkilde i kraftværker og visse små turbiner op til 100 % brint, uden at det er nødvendigt at blande naturgas i.

Med stor gejst demonstrerer det spanske multinationale forsyningsselskab Iberdrola sin tiltro til brintøkonomien med over 60 projekter inden for grøn brint under udvikling på verdensplan. Disse projekter spænder over forskellige sektorer, herunder gødningsproduktion, grøn ammoniaksyntese og sværtransport – og viser den grønne brints alsidighed som en løsning til ren energi.

Ikke mindst er Iberdrola i gang med at opføre Europas største anlæg til grøn brint, der primært vil blive brugt til at producere ammoniak til gødning, hvilket reducerer denne CO₂-intensive industris miljøpåvirkning. Dette skelsættende projekt fremhæver den grønne brints potentiale for at reducere CO₂ i selv de mest udfordrende sektorer.

Statslige initiativer spiller også en afgørende rolle for at fremskynde indførelsen af grøn brint. Det US-amerikanske energiministeriums HyBlend-initiativ fremmer grøn brint gennem forskning i, hvordan brint kan blandes med naturgas på en sikker måde og transporteres gennem eksisterende rørledninger. Det fokuserer på rørledningernes kompatibilitet, materialesikkerhed og nedbringelse af omkostninger, så distributionen af den grønne brint bliver mere prisoverkommelig og skalerbar.

Grøn brint er en hjørnesten i revolutionen inden for ren energi, og den vil spille en stadig vigtigere rolle i takt med den teknologiske udvikling. At realisere dens potentiale kræver imidlertid, at man løser de aktuelle udfordringer med produktion, opbevaring, transport og infrastruktur. Det indebærer yderligere investeringer i forskning og udvikling, strategisk samarbejde mellem offentlige og private enheder og understøttende regeringspolitikker.

Efterhånden som infrastrukturen for vedvarende energi og brint udvikler sig, elektrolysens effektivitet øges og politik udvikles, bør omkostningerne forbundet med produktionen af grøn brint falde og dermed fjerne endnu en primær barriere for udbredt levedygtighed. Dette vil kræve flere fremtidsorienterede virksomheder og højere rangerende initiativer, der baner vejen for brintøkonomien med ambitiøse projekter og innovative løsninger, så de globale CO₂-emissioner reduceres for en mere bæredygtig fremtid.