Hur framställs väte?

Allteftersom industrin börjat använda hållbara energikällor i den globala kampen mot klimatförändringar stiger vätet fram som det rena och mångsidiga alternativet till fossila bränslen. Realiserande av dess fulla potential hänger dock på utvecklingen och införandet av effektiva framställningsmetoder som är kostnadseffektiva och miljömässigt ansvarstagande. 

Vätets icke-konkurrenskraftiga priser jämfört med konventionella fossila bränslen per producerad energienhet utgör ett av det största hindren för ett utbrett införande. Genom skattelättnader och andra statliga incitament underlättas väteekonomins utveckling i hög grad eftersom dessa hjälper till att sänka kostnader förknippade med framställning och användning. 

Det finns många metoder för att framställa väte, där var och en skiljer sig åt i sin tekniska, ekonomiska och miljömässiga hållbarhet. Den här sidan ger en översikt över vanliga framställningsmetoder och även ett par experimentella metoder som fortfarande är under utveckling. 

Väte som energibärare erbjuder en stor uppsättning tekniska fördelar, bland annat:

• Högt energiinnehåll per enhet och massa jämfört med konventionella bränslen 
• Ger nollutsläpp av koldioxid när det används i en bränslecell 
• Ingen nedbrytning av energi vid långtidsförvaring, en väsentlig fördel jämfört med batterier 
• Mångsidighet för åtskilliga applikationer, inklusive transporter och energilagring

Men ett utbrett införande inom industrin innebär utmaningar som kretsar kring befintlig infrastruktur och kostnader.

Jämfört med blyfritt bensin har väte hög energidensitet räknat i massa, men inte i volym. Räknat i massa har den en densitet omkring tre gånger större än bensin, vilket gör den attraktiv för användning där vikten utgör utmaningen, som t.ex. långvägstransporter.

Dess låga densitet i volym gör dock att det blir nödvändigt att ta extra hänsyn till lagringen, vilket ofta handlar om trycksättning för vätgas eller kondensering genom kryogenteknik. Även om dessa metoder ökar densiteten är de komplicerade i drift. För att förändra vätet och bibehålla det i ett hanterbart tillstånd kräver de både energi och särskild infrastruktur. Dessutom är det brandfarligt, och eftersom molekylerna är ytterst små finns risk för läckage vilket ställer krav på stränga säkerhetsrutiner genom hela värdekedjan. 

Grått väte, den för närvarande mest utbredda typen inom industrin, framställs antingen genom ångreformering av metan (SMR) eller autotermisk reformering (ATR).

Såväl SMR som ATR använder sig av kolväte som råmaterial, vanligen naturgas, som huvudsakligen består av metan (CH₄). Vid SMR värms metanet först upp och blandas sedan med het vattenånga (H₂O) i ett reformeringskärl där det finns en katalysator . Vid ATR leds både ånga och kontrollerade mängder syrgas (O₂) in i reformeringskärlet, vilket orsakar förbränning. Till skillnad från SMR behöver ATR inte någon extern värmekälla i reformeringsprocessen. 

Under extrema temperaturförhållanden i dessa processer separerar katalysatorn metanet och vattenmolekylerna i reformeringskärlet, och den kemiska föreningen bryts ned. Den termiska krackning som uppstår resulterar i en gasström som innehåller det önskade vätet tillsammans med kolmonoxid och spårmängder av koldioxid. De kolbaserade gaserna hindras typiskt av adsorbenter nedströms i reformeringskärlet, medan väte strömmar genom kammaren där det kan lagras och användas senare vid behov. 

Väte som framställs på ett sådant sätt att koldioxid släpps ut i atmosfären kallas för ”grått väte”. Om koldioxiden _{fångas in istället blir vätet ”blått”.}

ATR är energisnålare än SMR därför att det inte kräver en extern värmekälla. Dessutom minskas kolmonoxidhalten betydligt av den kontrollerade dosen av syrgas som finns i reformeringskärlet, vilket skapar en renare ström av koldioxid än SMR. Därför är metoden perfekt för att framställa blått väte. Däremot är ATR svårare att övervaka och kontrollera, speciellt när det gäller förbränningen som är en process som innebär säkerhetsmässiga risker. 

Det blåa vätets miljömässiga hållbarhet hänger på effektiviteten och skalbarheten hos CCS-teknik, som fortfarande är under forskning och utveckling.

Turkost väte framställs med hjälp av metanpyrolys där naturgas hettas upp till extremt höga temperaturer – över 900 °C (1 652 °F) – tills den bryts ned till vätgas och fast kol. Biprodukten kol i fast form fångas in lättare än i gasfasen.

När värmen som krävs för pyrolys genereras av förnybara källor, som solenergi eller geotermi, blir det turkosa vätet renare. Även om denna metod ser lovande ut är den fortfarande i startgroparna och kräver storskaliga tester för att bevisa sin hållbarhet och säkerställa att det infångade kolet kan förvaras permanent.

Grön väte betraktas som nummer ett bland hållbara väten, eftersom det framställs med förnybar energi som solenergi, vind- och vattenkraft genom elektrolys av vatten.

Elektrolys är en process som spjälkar vattenmolekyler (H₂O) i väte (H₂) och syrgas (O₂) med hjälp av elektrisk ström. En elektrolysör består av två elektroder – en anod och en katod – och en elektrolyt som är en konduktiv lösning som underlättar flödet av joner mellan elektroderna. 

När likström strömmar genom systemet sker en reducering vid katoden som drar till sig elektroner. Det attraherar elektrolytens anjoner (negativt laddade joner) som fyller tomrummet efter elektroderna som katoden dragit till sig. Oxideringen som sker vid anoden släpper ut elektroner och gör att positivt laddade katjoner från elektrolyten rör sig mot anoden. 

Vid katoden tar positivt laddade väteatomer (H+) upp elektroner och bildar vätgas, medan vattenmolekyler förlorar elektroner vid anoden och bildar syrgas samt nya vätejoner som rör sig mot katoden. 

Resultatet är vatten som spjälkas upp i väte och syrgasmolekyler. Det gröna vätet kan lagras, medan syrgasen kan släppas ut i atmosfären utan att miljön tar skada. 

När det finns överskott av förnybar energi kan det gröna vätet erbjuda hållbara sätt att samla upp den för att göra den tillgänglig för kraftnätet efter behov. Till skillnad från energi som lagras i batterier blir väteenergin inte sämre med tiden, vilket gör den särskilt väl lämpad för säsongsbunden eller långsiktig energilagring.

Termodynamikens lagar föreskriver dock att energin som krävs för att driva elektrolysen vid framställningen av väte är större än energin som kan utvinnas av produkten. Uppskattningar som nyligen gjorts av National Renewable Energy Laboratory visar att elektrolysens effektivitetsgrad ligger på mellan 70–80 %. Det betyder att motsvarande andel av den förnybara energi som tillförts för att utföra processen finns tillgänglig som potentiell energi i det framställda vätet.

Dessutom befinner sig infrastrukturen för elektrolysörer i sin linda, och kräver ytterligare utveckling och effektivitetsförbättringar innan den kan komma till storskalig användning. 

Det finns några mindre vanligt förekommande metoder för att framställa väte, däribland kärnkraftsdriven framställning, fotokatalytisk vattenspjälkning och biologiska och biokemiska metoder.

Framställning av väte med kärnkraft
Kärnkraftsdriven elektrolys är en möjlig väg till storskalig och koldioxidfri produktion av väte – så kallad ”rosa vätgas” – även om metoden fortfarande är under framväxt. Eftersom kärnkraftverk har kontinuerlig drift utgör de en stabil energikälla för framställning av väte som kan komma till rätta med förnybara energins produktionsvariationer. Men allmänhetens oro över kärnkraftens säkerhet, avfallshantering och risker för spridning utgör hinder för införande.

Fotokatalytisk vattenspjälkning
Genom att utnyttja direkt solenergi kan man genomföra fotokatalytisk vattenspjälkning med halvledarmaterial som absorberar solljus och spjälkar vattenmolekyler till vätgas och syrgas utan elektricitet. När fotonerna träffar en fotokatalytisk halvledare exciteras elektronerna. Det ger energi till att driva en kemisk reaktion som imiterar fotosyntesen hos växter.

Denna metod är långt ifrån redo för användning i någon större skala, dessutom krävs ytterligare forskning för att utveckla kostnadseffektiva fotokatalytiska material. Tidiga tester visar dock att metodens effektivitet är mycket högre än elektrolys som drivs av elektricitet. 

Biologisk och biokemisk väteproduktion
Ett annat möjligt sätt att framställa användbart väte i framtiden är biofotolys, som drar nytta av de fotosyntetiska egenskaperna hos alger och cyanobakterier för att framställa väte ur mängder av vatten. Dessutom kan enzymreaktioner eventuellt fungera som katalysatorer i produktionen av väte från biomassa eller vatten. 

Dessa metoder är för närvarande helt och hållet på experimentstadiet, men det är viktigt att tänja på gränserna och möjligheterna för väteproduktionen så att väteekonomin ska kunna växa till att bli en effektiv och livskraftig hörnsten i minskandet av industrins utsläpp av växthusgaser. 

Effektiv framställning och användning av väte kräver att beslut fattas utifrån en sammanvägning av finansiella, tekniska och miljömässiga faktorer. Förfining och ökning av olika metoder för väteproduktion kommer att förbättra vätets hållbarhet i många olika applikationer. 

Även om framställning av grått väte med SMR eller ATR är vanligast förekommande idag gör statliga skattelättnader att framställningen av blått väte ökar, där teknik för infångande av kol används för att mildra miljöpåverkan. Grönt väte som framställs via elektrolys med förnybara energikällor erbjuder en mer hållbar lösning, men för att det ska bli skalbart och kostnadseffektivt krävs ytterligare tekniska framsteg. 

Metoder under utveckling, som metanpyrolys och fotokatalytisk vattenspjälkning utgör lovande alternativ, men de är fortfarande i ett tidigt stadium och kräver ytterligare forskning och utveckling. Ett mångfasetterat förhållningssätt som omfattar ett brett utbud av metoder och tillvägagångssätt, tillsammans med stödjande regelverk och fortsatta innovationer är avgörande för att utveckla vätets fulla potential som en hörnsten inom hållbara energikällor.