Framställning av blå vätgas för att möta industrins efterfrågan

När klimatförändringar och globala mål för minskade koldioxidutsläpp driver på utforskningen av vätgasenergi dyker många nya framställningstekniker upp, var och en med sina egna fördelar och utmaningar. Samtidigt som grön vätgas – helt och hållet framställd från förnybara källor – förkroppsligar idealet om en hållbar framtid, kräver dess nuvarande begränsningar gällande ekonomi, teknik och skalbarhet att framställningen av vätgas av andra färger ökar för att det ska vara möjligt att utöka detta bränsles bärkraft.

Grå och blå vätgas utgör för närvarande merparten av den vätgas som framställs globalt. Båda framställs genom lättillgänglig ångreformering av metan (SMR) eller autotermisk reformering (ATR), som normalt sett nyttjar naturgas som råvara. Även om båda färgerna förlitar sig på samma framställningsmetoder går blå vätgas ett steg längre än grå genom att fånga in och lagra de koldioxidutsläpp som genereras utöver den framställda vätgasen för att förhindra att koldioxiden släpps ut i atmosfären. Av denna anledning betraktas den som koldioxidsnål vätgas.

SMR är en termokemisk process i vilken en metankälla – som naturgas – reagerar med ånga med hög temperatur vid 3–25 bar (43,5–363 psi) i närvaro av en katalysator. Den har länge använts inom branscher som raffinering, gödseltillverkning och metanoltillverkning.

Vid denna reaktion bildas syntesgas, en blandning av vätgas och kolmonoxid. En efterföljande vattengas-skift-reaktion (WGS) omvandlar sedan kolmonoxiden till ytterligare vätgas och genererar koldioxid och en liten mängd kolmonoxid som biprodukter.

ATR är en nyare metod som är särskilt lämpad för storskalig vätgasframställning. Även om den utrustning som används för att inducera de reaktioner som krävs innebär en större kapitalinvestering, ger denna metod mer effektiv koldioxidinfångning. Detta är ett resultat av kontrollerad dosering av syrgas i reformatorn, vilket minskar mängden kolmonoxid som produceras. Detta ger i sin tur en renare ström av koldioxid än SMR.

Eftersom ATR delvis oxiderar metan med syre för att producera syntesgas krävs dessutom ingen extern värmekälla. Precis som med SMR maximerar en WGS-reaktion mängden vätgas.

Beslutet att välja SMR eller ATR för framställning av blå vätgas handlar i slutändan om att göra en omfattande bedömning av flera olika faktorer, inbegripet men inte begränsat till:

• önskad skala på framställningen
• den vätgasrenhet som krävs
• den tillgängliga naturgasens sammansättning
• tillgång till kapital
• beräknade driftskostnader
• globalt eller regionalt ekonomiskt landskap.

SMR av blå vätgas kräver tre primära reaktioner och ett valfritt fjärde steg.

1. Ångreformering av metan
I denna primära reaktion reagerar metan (CH₄) – normalt sett från naturgas – med ånga (H₂O) vid en hög temperatur (700–1 100 °C/1 300–2 000 °F) och högt tryck (3–25 bar/43,5–363 psi) i närvaro av en nickelbaserad katalysator. Denna reaktion genererar syntesgas, en blandning av vätgas (H₂) och kolmonoxid (CO). Den är endoterm, vilket innebär att den kräver värme.

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

2. Vattengas-skift-reaktion
Syntesgasen genomgår sedan en WGS-reaktion, i vilken kolmonoxid reagerar ytterligare med ånga i närvaro av en katalysator, vanligtvis järnoxid- eller kopparbaserad, för att producera mer vätgas och koldioxid (CO₂). Denna reaktion är exoterm, vilket innebär att den avger värme.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Avlägsnande av koldioxid
Den resulterande gasblandningen i detta skede består främst av vätgas, koldioxid och lite oreagerat metan. Koldioxid avlägsnas oftast genom aminbehandling, vilket innefattar att sönderdela koldioxid i aminlösningar. Detta ger en renad vätgasström.

CO₂ + aminlösning ⇌ amin-CO₂-komplex (förenklad reaktionsformel)

4. Vätgasrening (valfritt)
Beroende på önskad renhetsnivå kan ytterligare reningssteg utföras. Tryckväxlingsadsorption (PSA) – där man använder adsorberande material för att selektivt fånga in koldioxid – och membranseparation, där man använder specialmembran som endast släpper igenom vätgas, är de två vanligaste metoderna.

Katalysatorer är avgörande för SMR för att påskynda reaktionerna, men de bryts ner med tiden och måste regenereras eller bytas ut. Den endoterma processen för ångreformering av metan och den exoterma WGS-reaktionen kräver noggrann värmehantering för effektiv drift.

Den främsta fördelen med ATR i förhållande till SMR är att ATR ger lägre koldioxidutsläpp och därmed mer effektiv koldioxidinfångning – 95 % i motsats till endast 60 %. ATR för blå vätgas kräver följande kritiska steg.

1. Förvärmning och blandning av råvara
Naturgas – främst metan – och ånga förvärms och kontrollerade mängder syrgas (O₂) tillsätts till blandningen.

2. Förbränning
En del av metanet reagerar med den tillsatta syrgasen i en kraftig exoterm förbränningsreaktion som genererar värme till den efterföljande reformeringsreaktionen.

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

3. Reformering
Den värme som genereras under förbränningen sätter igång de endoterma reformeringsreaktionerna.

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

4. Vattengas-skift-reaktion
Precis som vid SMR reagerar kolmonoxiden som har bildats i reformeringsreaktionerna ytterligare med ånga i närvaro av en katalysator för att producera mer vätgas och koldioxid:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Avlägsnande av koldioxid
Precis som vid SMR avlägsnas koldioxid från gasblandningen, oftast genom aminbehandling, vilket ger en renad vätgasström.

6. Vätgasrening (valfritt)
Ytterligare reningssteg, som tryckväxlingsadsorption eller membranseparation, kan utföras för att uppnå ökad vätgasrenhet vid behov.

SMR är enklare och billigare att genomföra än ATR eftersom den förstnämnda processen inte kräver en konstant syrekälla. ATR är dock självunderhållande när det gäller värme tack vare den integrerade förbränningsreaktionen. När processen väl är igång behöver den ingen extern värmekälla, vilket gör den mer energieffektiv än SMR.

ATR ger dessutom i regel en högre kvot vätgas i förhållande till kolmonoxid i syntesgasen, vilket kan vara fördelaktigt för vissa nedströmsapplikationer. ATR-system kan ofta också svara snabbare på förändringar i efterfrågan. Av dessa och andra anledningar använder nya anläggningar för blå vätgas i regel ATR.

En diskussion om blå vätgas kräver att man tar upp infångning, användning och lagring av koldioxid (CCUS). Dessa komplexa processer börjar med att man separerar koldioxid från andra gaser som finns i en avgasström. Här används ofta absorptionsbaserade tekniker som använder t.ex. aminer som selektivt fångar in koldioxid.

När koldioxiden har fångats in genomgår den komprimering och kondensering till ett superkritiskt tillstånd, vilket möjliggör effektiv transport – i regel via rörledningar – till lämpliga geologiska formationer för långtidslagring. Potentiella lagringsanläggningar kan vara tomma olje- och gasreservoarer, djupa salthaltiga grundvattenmagasin och saltdomer.

Även om anläggningar för infångning och lagring av koldioxid (CCS) är ett sätt att hantera utsläpp finns det frågetecken kring hur säkra de är på lång sikt. Även små läckor skulle kunna påverka närliggande ekosystem och grundvattnet.

Det finns en pågående diskussion kring vilken miljöpåverkan blå vätgas har jämfört med grön vätgas, som framställs med hjälp av förnybar energi. Vissa menar att fokuset på blå vätgas kan fördröja övergången till förnybar energi och grön vätgas.

Ur ett ekonomiskt perspektiv kan de kostnader som är förknippade med CCS göra blå vätgas dyrare än grå vätgas. Dessa kostnader minskar dock gradvis. Dessutom kan faktorer som koldioxidskatt på grå vätgas, statliga incitament avseende blå vätgas och system med utsläppstak och handel med utsläppsrätter göra blå – eller till och med grön – vätgas mer ekonomiskt bärkraftig.

Utöver miljömässiga och ekonomiska överväganden är framgångsrik implementering av blå vätgasframställning beroende av ett sofistikerat nätverk av instrumentering och kontrollsystem som arbetar tillsammans för att säkerställa tillförlitliga, effektiva och säkra processer. SMR och ATR kräver stora uppsättningar sensorer som konstant övervakar processparametrar och skickar realtidsdata till sofistikerade kontrollsystem för att optimera framställningen, minska mängden avfall och minimera risker.

Temperatursensorer, som är avgörande för att upprätthålla optimala reaktionsförhållanden och förhindra att katalysatorer försämras, arbetar tillsammans med trycksensorer som säkerställer säkra förhållanden i reaktorer och rörledningar. Flödesmätare dokumenterar tillförlitligt hur gas och vätska rör sig genom hela processen, vilket möjliggör exakt kontroll av reaktantförhållanden och produktflöden. Flödesmätare är också avgörande i alla skeden i custody transfer.

Samtidigt ger gasanalysatorer – som Raman och absorptionsspektroskopi med avstämbara laserdioder (TDLAS) – information om flödets sammansättning och övervakar processen på olika punkter, vilket gör att operatörer kan validera processeffektiviteten, upptäcka problem och säkerställa vätgasrenhet.

När vätgasinfrastrukturen fortsätter att byggas ut har blå vätgas en kritisk roll i att möjliggöra ytterligare forskning och förbättrad effektivitet i väntan på att grön vätgas ska komma upp i de nivåer som krävs. SMR och ATR anses vara de mest bärkraftiga metoderna för vätgasframställning överlag eftersom de utgör en medelväg mellan ekonomiska och miljömässiga överväganden och har en teknisk mognadsgrad. Även om framsteg inom CCUS-teknik innebär bättre infångning och säkrare långtidslagring är det fortfarande långt kvar innan det är realistiskt att framställning av blå vätgas går om grå vätgas.

När världen nu brottas med ett komplext och föränderligt energilandskap är en balanserad approach som tar hänsyn till flera olika tillgängliga varianter – en som väger de många fördelarna med varje vätgasfärg mot varandra och prioriterar långsiktig hållbarhet – avgörande för att vi ska kunna gå framåt. Det kommer att kräva vätgas med olika färger, förnybara energikällor, ökad elektrifiering och till och med olika sätt att använda fossila bränslen, om än med utsläppsbegränsande åtgärder. För att gå vinnande ur energirevolutionen måste vi använda varje pil i det metaforiska kogret och utnyttja de lösningar som är mest rimliga för varje tillämpning.