Hydrogenproduktion: Hvordan produceres hydrogen, og hvad er det?

Hydrogen bliver stadig vigtigere som en lovende ren energibærer – især med henblik på en mere klimavenlig fremtid. Men har du nogensinde tænkt over, hvad hydrogen egentlig er, og hvordan det produceres? I denne artikel ser vi på de grundlæggende principper og teknologier, der bruges til at producere hydrogen, og hvad der gør hydrogen til et særligt element.

Hydrogen er ganske enkelt en farveløs, lugtfri og smagløs gas. Det har et ry som det enkleste og mest rigelige kemiske element i universet. Hydrogen består af bittesmå partikler, protoner og elektroner.

Det reagerer ekstremt hurtigt og kan i kombination med andre elementer danne forbindelser som f.eks. vand. Det fungerer som et kraftigt brændstof og kan bruges til at producere elektricitet, skabe fremdrift i køretøjer og producere varme. Som en ren energibærer har hydrogen potentiale til at reducere miljøpåvirkningen og bidrage til en bæredygtig energiforsyning

Der findes flere forskellige teknologier til produktion af hydrogen, som kan anvendes afhængigt af de specifikke krav og de tilgængelige ressourcer. Her er nogle almindelige metoder:
 

• Dampreformering af naturgas: Dette er i øjeblikket den mest udbredte teknologi til produktion af hydrogen. I denne proces opvarmes naturgas, som hovedsagelig består af metan, med vanddamp ved tilstedeværelsen af en katalysator. På en måde kan dampreformering betragtes som "nedbrydning" af naturgas.
  
  I denne proces reagerer metan i naturgas med vanddamp og danner hydrogen (H2) og kulilte (CO). Det producerede hydrogen renses og kan derefter bruges som brændstof i køretøjer, til at producere elektricitet i brændselsceller eller i forskellige industrielle anvendelser. Denne proces er billig, men den har også ulemper. Kuldioxid frigives som et biprodukt, der har indvirkning på miljøet.

• Elektrolyse af vand: Ved elektrolyse opdeles vand i hydrogen og oxygen ved hjælp af en elektrisk strøm. Udstyr kaldet elektrolysatorer udfører elektrolyseprocessen for at gøre dette.

• Hydrogenproduktion vha. solenergi: Ved denne metode anvendes solenergi i stedet for elektrisk energi til at udføre elektrolyseprocessen. Dette kan gøres enten ved direkte sollys eller ved at koncentrere solstrålingen ved hjælp af solspejle eller -fangere. Denne nye teknologi kan anvendes i lande, hvor der er tilstrækkelig sol til rådighed, og gøre det muligt at producere hydrogen særligt omkostningseffektivt.

• Termokemisk hydrogenproduktion (biologisk hydrogenproduktion): Nogle mikroorganismer, f.eks. visse bakterier eller alger, kan producere hydrogen gennem fermentering eller fotosyntese. Denne metode er stadig under udvikling, men har potentiale til at blive en bæredygtig og miljøvenlig hydrogenkilde. Ulempen ved denne type produktion er dog de begrænsede ressourcer.

Det skal bemærkes, at ikke alle hydrogenproduktionsprocesser er lige så bæredygtige eller miljøvenlige. Bæredygtigheden af hydrogenproduktion afhænger af den anvendte energikilde og CO2-udledningen under produktionsprocessen. For at få mest muligt ud af fordelene ved hydrogen som en ren energikilde er det meget vigtigt at bruge vedvarende energikilder til produktion af hydrogen.

Brugen af vedvarende energi som solenergi, vindenergi eller vandkraft kan reducere CO2-udledningen i hydrogenproduktionen betydeligt, hvilket gør den meget mere bæredygtig. Der produceres miljøvenligt hydrogen. Dette er et vigtigt skridt i retning af at opnå en fremtid med lav CO2-udledning og imødegå klimaforandringerne.

Elektrolyse er den mest lovende proces. Elektrolyseprocessen muliggør miljøvenlig produktion af hydrogen, især hvis den elektricitet, der anvendes til den, kommer fra vedvarende energikilder. Disse teknologier spiller en vigtig rolle i muligheden for, at rent hydrogen kan fremkomme som en bæredygtig energibærer til forskellige anvendelser. Vi har taget et detaljeret kig på de forskellige teknologier og udledt fordelene og ulemperne ved dem alle hver især.

PEM-elektrolyse, også kendt som protonudvekslingsmembranelektrolyse, opdeler vand i hydrogen og oxygen ved hjælp af en polymermembran og elektrisk strøm.

Fordele:

• Hurtig opstart og hurtig tilpasning til variable belastninger
• Høj effektivitet ved drift med delvis belastning
• Lav driftstemperatur (50-80 °C), hvilket reducerer brugen af dyre materialer
• Kompakt størrelse og nem integration i eksisterende systemer
• Højt teknologisk modenhedsniveau (TRL 7-8)

Ulemper:

• Følsom over for urenheder i vandet, og kræver derfor forbehandling af vandet
• PEM-brændselscellen har en begrænset levetid (ca. 10.000 driftstimer)
• Højere omkostninger sammenlignet med alkalisk elektrolyse

Ved alkalisk elektrolyse opdeles vand i dets bestanddele, hydrogen og oxygen, ved hjælp af en alkalisk elektrolyt, typisk en vandig opløsning af kaliumhydroxid.

Fordele:

• Lavere omkostninger sammenlignet med PEM-elektrolyse
• Robust over for urenheder i vandet
• Elektrolysecellen har en lang levetid (ca. 40.000-80.000 driftstimer)
• Højeste teknologiske modenhedsniveau (TRL 8-9)

Ulemper:

• Langsommere reaktionshastighed sammenlignet med PEM-elektrolyse
• Højere driftstemperaturer (70-100 °C) fører til større energiforbrug
• Mere vanskelig integration i eksisterende systemer på grund af forskellige driftsparametre

SOEC står for elektrolysecelle i fast oxid og henviser til en elektrolysecelle med høj temperatur, der omdanner vand til hydrogen og oxygen ved høje temperaturer og med faste oxider som elektrolyt.

Fordele:

• Høj effektivitet og varmegenvinding takket være høje driftstemperaturer (800-1000 °C)
• Fleksibilitet i brugen af forskellige brændstoffer (f.eks. damp, CO2)

Ulemper:

• Høje driftstemperaturer kræver dyre materialer og særlig varmeisolering
• Langsom start og tilpasning til variable belastninger
• Større dimensioner og kompleks systemintegration
• Mindre driftserfaring i stor skala

AEM står for anion-udvekslingsmembran og henviser til en elektrolyseteknologi, der anvender en særlig membran, der tillader gennemtrængelighed af negativt ladede ioner og opdeler vand i hydrogen og oxygen ved hjælp af elektrisk strøm.

Fordele:

• Lavere omkostninger sammenlignet med PEM-elektrolyse
• Robust over for urenheder i vandet
• Drift ved lavere temperaturer (ca. 60-80 °C)

Ulemper:

• Begrænset udvikling og kommercialisering sammenlignet med PEM-elektrolyse og alkalisk elektrolyse
• Potentielle udfordringer i forhold til langvarig membranstabilitet
• Der findes ingen installationer i stor skala. Lavt teknologisk modenhedsniveau.