Att förstå andra vätgasfärger än grön

Med sin potential att revolutionera branscher som transport och elproduktion är vätgas en i hög grad outnyttjad källa till exploatering av energi som hela tiden utvecklas. Trots att vätgasförbränning inte producerar några växthusgasutsläpp är vätgasens livscykels klimatavtryck ett resultat av alla processer som leder fram till framställningen och förbrukningen, något som varierar mycket beroende på de energikällor som används längs vägen.

Dessa variationer gav upphov till det färgkodade klassificeringssystemet som möjliggör differentiering mellan de olika färgerna på vätgas och deras inverkan på nettohållbarhet. Grön vätgas är den globala standarden för netto noll, men dess skalbarhet innebär betydande utmaningar med avseende på infrastruktur och effektivitet. Vattenelektrolys som drivs av kärnenergi producerar rosa vätgas som har en koldioxidneutral livscykel, men dess beroende av kärnenergi innebär andra problem. Framställningsmetoderna för blå och turkos vätgas innebär en avvägning mellan ekonomisk bärkraft och hållbarhet. Svart, brun och grå vätgas har fördelen att de är mer förmånliga än de andra, och utgör ett kostnadseffektivt alternativ till miljövänligare varianter.

Svart och brun vätgas utvinns i första hand från kol och båda typerna framställs genom kolförgasning, en process i flera steg där kol reagerar med syrgas och ånga vid höga temperaturer för att producera syntesgas. Syntesgas är en blandning av gaser, varav en är vätgas. 

Svart vätgas bildas genom förbränning av stenkol, som har hög kolhalt och anses vara högvärdigt. Brun vätgas framställs i stället av brunkol, en yngre och mindre sammanpressad version med högre fukthalt och lägre energitäthet. 

När det gäller miljöpåverkan är framställningen av svart och brun vätgas ganska likartad och båda metoderna är relativt effektiva. Deras beroende av fossila bränslen utan koldioxidinfångning kan dock innebära att vissa av de hållbarhetsfördelar som förknippas med vätgasenergi försvinner.

Kolförgasning inleds med pulvrisering och rening av kol för att avlägsna orenheter, och fortsätter sedan med nedanstående steg.

1. Torkning och pyrolys (avgasning)

Detta inledande steg kräver uppvärmning av kolet för att avlägsna fukt och flyktiga ämnen och för att separera kolet i andra grundämnen och material. Torkning utförs vid runt 200 °C (392 °F), följt av pyrolys vid temperaturer på mellan 300 °C (572 °F) och 700 °C (1 292 °F). Under pyrolysen sönderdelas större kolmolekyler i mindre, gasformiga ämnen – främst metan (CH₄), vätgas (H₂), kolmonoxid (CO), koldioxid (CO₂) – och tjära.

2. Förbränning

En del av kolet (C) är träkol, den fasta restprodukten av pyrolys, som reagerar med flyktiga gaser och syrgas (O₂) i en kontrollerad förbränningsreaktion. Denna exoterma reaktion genererar den värme som krävs för de efterföljande förgasningsreaktionerna. Både fullständig förbränning och partiell förbränning uppstår, vilket gör att gaserna koldioxid och kolmonoxid bildas.

C + O₂ → CO₂ (Fullständig förbränning)
2C + O₂ → CO (Partiell förbränning)

3. Förgasningsreaktioner

Vid förgasningen reagerar det kvarvarande träkolet med ånga (H₂O) och syrgas vid höga temperaturer på 1 200–1 500 °C (2 192–2 732 °F) i en reducerande miljö, och vätgas och andra gaser bildas. De primära förgasningsreaktionerna är: 

Vatten-gas-reaktion: C + H₂O ⇌ CO + H₂ (endoterm)
Boudouard-reaktion: C + CO₂ ⇌ 2CO (endoterm)   

Dessa reaktioner producerar syntesgas, en blandning som främst består av kolmonoxid och vätgas tillsammans med koldioxid och andra spårgaser.

4. Metanjäsning

I vissa fall utförs ytterligare ett steg som kallas metanjäsning för att öka syntesgasens metanhalt. Detta kallas ibland e-metan om grön vätgas och återvunnen CO₂ eller CO₂ från direkt infångning av koldioxid från atmosfären (DAC) används. Detta kräver att kolmonoxid reagerar med vätgas i närvaro av en katalysator:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (exoterm)

5. Rengöring och förädling av syntesgas

Rå syntesgas innehåller orenheter som måste avlägsnas innan gasen kan användas. Denna rengöringsprocess innefattar vanligtvis:

• Avlägsnande av stoft, där fysiska separeringstekniker används för att avlägsna partikulärt material. 
• Avlägsnade av svavel, där föreningar som vätesulfid (H₂S) avlägsnas genom aminskrubbning eller liknande processer. 
• Avlägsnande av koldioxid, där CO₂ fångas in och lagras eller används i andra industriprocesser.

6. Separering och rening av vätgas

Det sista steget är att separera vätgasen från den renade syntesgasblandningen. Detta kan göras med hjälp av olika metoder, varav de två vanligaste är:

• Tryckväxlingsadsorption, som använder adsorberande material för att selektivt fånga in kolmonoxid och efterlämnar renad vätgas. 
• Membranseparation, som använder specialmembran som endast släpper igenom vätgas medan andra gaser hålls kvar.

Grå vätgas är den vanligaste typen av vätgas som används i industrin i nuläget. Den framställs antingen genom ångreformering av metan (SMR) eller autotermisk reformering (ATR). Båda dessa metoder kräver kolväteråvaror som främst består av metan, där naturgas är den vanligaste källan.

Anskaffa naturgas och extrahera vätgas

Naturgas är en luktfri och färglös gas som främst hittas under jordytan, i närheten av oljefyndigheter. Naturgas har bildats under miljontals år genom nedbrytning av organiskt material under intensiv värme och högt tryck. Denna mångsidiga energikälla är en hörnsten i det moderna samhället och används för att värma upp bostäder, driva industrier och producera el. Det är dessutom en råvara i flera föreningar som så småningom blir till produkter, till exempel syntetfiber, frysskyddsmedel, färg, förpackningsmaterial, schampo, hudkräm och gödsel.

Den här gasen kan hittas i porösa och genomträngliga bergartsformationer som kallas reservoarer. De är ofta täckta av lager av ogenomtränglig bergart som förhindrar att gasen läcker ut. Dessa reservoarer kan hittas under torrmark på land eller under havsbottnen. Undersökning av naturgas kräver sofistikerade geologiska undersökningar, seismisk avbildning och provborrning för att lokalisera dolda reserver. När en potentiell reservoar identifieras påbörjas utvinningsprocessen, ofta genom en kombination av tekniker som är skräddarsydda efter de specifika geologiska förhållandena.

Den vanligaste utvinningsmetoden innefattar borrning av ett borrhål i reservoaren, som bildar en kanal där gasen kan flöda till ytan. Detta flöde drivs ofta av det naturliga trycket i själva reservoaren. När gasen utvinns minskar trycket i regel, vilket innebär att man måste använda konstgjorda tekniker för att upprätthålla produktionen, till exempel pumpar eller kompressorer.

När den utvunna naturgasen når ytan – ofta tillsammans med orenheter som vattenånga, sand och andra gaser – genomgår den en serie bearbetningssteg. Dessa steg är avgörande för att avlägsna orenheter, separera värdefulla beståndsdelar och förbereda själva gasen för användning. Den bearbetade naturgasen transporteras sedan via rörledningar eller i komprimerat (CNG) eller flytande (LNG) format av särskilda tankfartyg, till konsumenter över hela världen. 

Den grå vätgasens utbredning beror främst på det globala överflödet av naturgas. SMR och ATR är dessutom mindre koldioxidintensiva än kolförgasning, vilket gör att grå vätgas föredras framför svart och brun vätgas. Blå vätgas tar SMR och ATR ett steg längre genom att införliva infångning, transport och lagring av koldioxid, men detta innebär signifikanta driftskostnader. 

Även om en övergång till fullt förnybara energisystem är det slutgiltiga målet i värdekedjan för vätgas är en tillfällig lösning att blanda vätgas med naturgas i befintliga kraftverk. För att detta ska vara framgångsrikt krävs flödesmätning med hög precision och instrumentering för gasanalys i realtid för att säkerställa en konsekvent gasblandning. Vätgas kan också blandas in i naturgas för bostäder och kommersiellt bruk i koncentrationer på upp till 20 % beroende på landets lagar.

Detta minskar utsläppen eftersom vätgas är renare än naturgas när det bränns. Även om förbränningspannor i hushåll endast kan bränna blandningar med upp till 20 % vätgas inblandad i naturgas, kan gasturbiner i kraftverk bränna en blandning med mycket högre andel vätgas, upp till 100 % med nyare modeller.

Att använda blandningar möjliggör en gradvis övergång till renare energikällor utan att befintlig infrastruktur måste bytas ut helt och omgående, vilket gör att behovet av stora kapitalinvesteringar i nya kraftverk och rörledningar minskar.

Det är till stor del vätgaskällan som avgör om denna strategi är framgångsrik. Att använda blandningar med grå, brun eller svart vätgas har begränsad miljönytta på grund av utsläppen från framställningen, men att använda grön vätgas som framställs från förnybara källor sänker de totala växthusgasutsläppen avsevärt och bidrar till nettonollmål.

När vätgasrevolutionen fortsätter att utvecklas är det avgörande att förstå de olika typerna – inklusive framställningsmetoder och miljöpåverkan. Även om grön vätgas är det bästa alternativet för att uppnå nettonollmål är koldioxidsnål vätgas, tillsammans med svart, brun och grå vätgas, avgörande för att driva infrastruktur, forskning och energidiversifiering framåt.

När mänskligheten ska hantera klimatförändringar de kommande årtiondena kommer olika energikällor att krävas för att säkerställa kontinuerlig och hållbar kraftförsörjning. Trots att det finns många hinder att övervinna är vätgas en lovande energibärare som är ren, mångsidig och hållbar.