Framställning av hållbar grön vätgas

Bland de olika framställningsmetoderna för vätgas är grön vätgas den hållbara standarden. Framställningen av grön vätgas drivs helt av förnybara energikällor – som solkraft, vindkraft och vattenkraft – vilket gör grön vätgas till ett koldioxidneutralt bränsle från framställning till förbränning. Det skiljer den från andra typer av vätgas, däribland grå vätgas som utvinns från fossila bränslen.

Elektrolys utgör grunden för framställning av grön vätgas och använder elektricitet för att klyva vattenmolekyler till beståndsdelarna väte och syre. Begränsningar gällande kapacitet, verkningsgrad och kostnader utgör dock utmaningar för att kunna trappa upp framställningen snabbt.

Elektrolys är en process med elektrokemiska reaktioner och jontransport som äger rum i en elektrolysör. Elektrolysörer är utrustade med två elektroder – en anod och en katod – som separeras av en elektrolyt. Denna elektrolyt, en flytande lösning (för alkalisk elektrolys) eller ett protonutbytesmembran (för PEM), underlättar jonernas passage samtidigt som elektronernas flöde begränsas. Elektrolyten måste väljas noggrant utifrån faktorer som jonledning, kemisk stabilitet och kompatibilitet med elektrodmaterialen.

När flytande vatten i elektrolysören utsätts för likström uppstår en elektrisk potentialskillnad mellan anoden och katoden. Vid anoden, som har positiv potential, genomgår vattenmolekylerna (H₂O) en oxidationsreaktion, vilket orsakar en förlust av elektroner. Detta gör att syrgas (O₂) och positivt laddade vätejoner (protoner, H+) bildas samt att elektroner frigörs i den externa kretsen. I elektrolysörer med protonutbytesmembran (PEM) skrivs reaktionsformeln enligt följande:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

H+-protonerna migrerar genom elektrolyten mot den negativt laddade katoden, drivna av potentialgradienten. Katoden främjar en reduktionsreaktion, där protonerna tar emot elektroder från den externa kretsen för att neutralisera deras laddning och bilda vätgas med två atomer (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

Reaktionsformeln för hela den elektrolytiska reaktionen, som består av anodisk oxidation och katodisk reduktion, skrivs som:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Hur effektiv denna process är spelar en stor roll i vilken ekonomisk bärkraft framställningen av grön vätgas har. Ett flertal faktorer påverkar verkningsgraden, bland annat:

• Arbetstemperatur, tryck och vattenrenhet i systemet. Dessa måste mätas exakt
• Den överspänning som krävs för att driva reaktionerna vid önskad hastighet 
• Resistiva förluster på grund av resistans vid jontransport i elektrolyten 
• Begränsningar i masstransport som styr tillgången till reaktanter på elektrodernas yta 

För att optimera dessa variabler krävs noggranna materialval, noggrann elektrodutformning samt mätning och kontroll av alla relevanta parametrar. Bland de många elektrolysörtekniker som finns tillgängliga för närvarande är PEM-elektrolysörer och alkaliska elektrolysörer de mest tekniskt mogna och implementerade.

PEM-elektrolysörer, som kännetecknas av att de använder ett fast polymermembran som elektrolyt, ger flera fördelar jämfört med tekniker som använder en flytande elektrolyt – bland annat högre energieffektivitet, snabbare svarstider på fluktuationer i ineffekt och en kompaktare konstruktion. Dessa egenskaper gör att PEM-elektrolysörer är lämpade för integrering med intermittenta förnybara energikällor som sol- och vindkraft, där uteffekten kan variera kraftigt. De används även ofta av laboratorier och andra verksamheter där slutanvändning med hög renhet är av stor vikt.

Alkaliska elektrolysörer med en flytande elektrolyt är inte lika effektiva, men de kostar mindre, har längre livslängd och klarar lägre vattenrenhet än PEM-varianterna. Dessa faktorer gör dem attraktiva i större anläggningar för grön vätgasframställning där kostnad och skala är de viktigaste faktorerna. 

De finns andra tekniker under utveckling, som högtemperaturelektrolys eller fastoxidelektrolys samt anjonutbytesmembran. Var och en av dessa har konkurrenskraftiga egenskaper – beroende av tillämpningsområde – i kapplöpningen om teknik för vätgasframställning.

Trots vätgasens dragningskraft som ett hållbart bränsle genom hela värdekedjan medför framställning av grön vätgas flera utmaningar.

Först och främst är framställning genom elektrolys – särskilt med PEM-elektrolysörer – dyrare än framställning av grå och blå vätgas genom ångreformering av metan eller autotermisk reformering. Dessutom är vätgas mindre energität än naturgas och andra fossila bränslen, och kostnaden för att driva processer med vätgas överstiger kostnaderna för drift med fossila bränslen per energienhet.

Elektrolysörens verkningsgrad vid stackarna är hög – ungefär 70 % med nyare tekniska lösningar som fastoxidelektrolysceller (Solid Oxide Electrolyzer Cells – SOEC) beräknas de få ännu högre verkningsgrad. Precis som med alla system beror anläggningens övergripande verkningsgrad inte bara på vilken teknik som används, utan även på anläggningens balans mellan kylning, torkning, behandling och komprimering av vätgasen. Dessutom finns det för lite förnybar energi för att det ska vara möjligt att skala upp elektrolys på ett lönsamt sätt, vilket kräver ytterligare investeringar i infrastrukturen.

Det är även logistiskt komplicerat att transportera och lagra vätgas på grund av behovet av specialiserad infrastruktur, såsom rörledningar och lagringstankar som ät utformade specifikt för att kunna hantera denna lättantändliga förening. Den befintliga infrastrukturen är främst utformad för naturgas och tyvärr går det inte att omvandla den sömlöst på grund av vätgasens unika egenskaper. Väte är det grundämne som har de minsta atomerna, så tvåatomig vätgas kräver avancerade rörledningar, ventiler och packningstätningar som förhindrar läckage. Vätgas kan även försvaga många metaller eftersom atomerna fastnar i inneslutningens invändiga struktur, vilket sänker tröskeln för spänningsintensitet och orsakar sprickbildning i olämpliga material.

Att åtgärda dessa problem kräver strategisk planering, ekonomisk uppbackning från både nationer och privata intressenter samt fortlöpande teknisk innovation. Trots ekonomisk motvind börjar implementeringen av elektrolysörer att öka. I slutet av 2022 uppgick den globala elektrolysörkapaciteten för vätgasframställning till nästan 11 GW och kapaciteten väntas nå 170–365 GW till 2030.

Dessutom beräknas insatser för att optimera elektrolysörer driva ner kostnaderna med större omfattning, lärdomar och verkningsgrad under kommande årtionden som resultat. Detta innefattar att sträva efter högre utnyttjande av energi från förnybara källor tillsammans med återtagande av inneboende energiförluster under drift. Närliggande tekniker, som vätgasbränsleceller – vilka praktiskt taget är omvända elektrolysörer – kommer att surfa på vågen av framsteg och kunskap som förvärvas under denna övergång.

Förutom framställningen är det även avgörande med specifik vätgasinfrastruktur. Vätgasens växande bärkraft som en alternativ kraftkälla är beroende av att man kan skala upp de mekanismer som krävs för att distribuera och omvandla energin till användbara format.

Den globala efterfrågan på vätgas väntas växa de kommande 20–30 åren tack vare vätgasens mångsidighet som energibärare och dess potential att minska koldioxidutsläpp i sektorer som annars har svårt att minska utsläppen. Särskilt transportbranschen och elproduktionssektorn väntas implementera grön vätgas som ett rent alternativ till fossila bränslen.

I transportbranschen är bränsleceller som drivs med grön vätgas en lovande lösning för koldioxidneutral kommersiell transport, såsom lastbilar, bussar och till och med flygplan. Det gäller särskilt långväga transporter där batteridrivna elfordon står inför begränsningar gällande räckvidd, elproduktion och vikt.

Inom industrin kan vätgas ersätta fossila bränslen i energiintensiva processer som tillverkning av stål, cement och ammoniak, vilket minskar koldioxidavtrycket. Dessutom förväntas energisektorn i större utsträckning utnyttja grön vätgas för att lagra energi från expanderande förnybar infrastruktur, vilket kan lösa dilemmat med intermittenta energikällor som sol- och vindkraft, utan de problem med energitäthet och nedbrytning som batterier medför.

Vätgas blandas till och med in i distributionssystemet för naturgas för att minska koldioxidutsläpp i atmosfären. Gasspisar, värmesystem, torktumlare och andra apparater kan bränna naturgas med upp till 20 % inblandad vätgas, vilket oftast enbart begränsas av tröskelvärden för gasinfrastrukturen. Nyare gasturbiner och gasmotorer kan nu drivas med upp till 50 % vätgas inblandad i naturgas som bränslekälla i kraftverk, och vissa mindre turbiner upp till 100 % vätgas utan att någon naturgas krävs.

Iberdrola – ett spanskt, multinationellt elbolag – visar sin tilltro till vätgasekonomin med över 60 globala projekt för grön vätgas som är under utveckling. Dessa projekt löper över olika sektorer – bland annat gödselproduktion, syntes av grön ammoniak och tung transport – och visar tydlig hur mångsidig grön vätgas är som en lösning för ren energi.

Bland annat bygger Iberdrola Europas största anläggning för grön vätgas. Denna kommer främst att användas för att framställa ammoniak till gödsel, vilket minskar denna koldioxidintensiva industris ekologiska påverkan. Detta banbrytande projekt framhäver den potential grön vätgas har när det gäller att minska koldioxidutsläppen även i de mest utmanande sektorerna.

Regeringsinitiativ spelar också en stor roll i att påskynda implementeringen av grön vätgas. USA:s energidepartements HyBlend-initiativ främjar användningen av grön vätgas genom att forska på hur vätgas på ett säkert sätt kan blandas med naturgas och transporteras genom befintliga rörledningar. Det fokuserar på rörledningars kompatibilitet, materialsäkerhet och kostnadsminskningar och syftar till att göra distributionen av grön vätgas billigare och mer skalbar.

Grön vätgas är en hörnsten i revolutionen för ren energi och kommer att spela en allt större roll i takt med att tekniken utvecklas. Att förstå dess potential kräver dock att man hanterar utmaningar avseende framställning, transport och infrastruktur. Det innebär ytterligare investeringar i forskning och utveckling, strategiska samarbeten mellan offentliga och privata organ samt politiskt stöd på statlig nivå.

I takt med att infrastrukturen för förnybar energi och vätgas utvecklas, elektrolys blir effektivare och politiken utvecklas bör kostnaderna för grön vätgasframställning minska, vilket i sin tur bidrar till bred bärkraft. Det kräver att fler framtidsdrivna företag och initiativ av högre prioritet banar vägen för vätgasekonomin med ambitiösa projekt och innovativa lösningar som minskar de globala koldioxidutsläppen – för en mer hållbar framtid.