Hydrogenproduksjon: Hvordan produseres hydrogen, og hva er det?

Hydrogen blir stadig viktigere som en lovende ren energibærer – spesielt med tanke på en mer klimavennlig fremtid. Men har du noen gang lurt på hva hydrogen egentlig er og hvordan det produseres? I denne artikkelen ser vi på det grunnleggende, teknologier som brukes til å produsere hydrogen, og hva som gjør hydrogen til et spesielt grunnstoff.

Enkelt sagt er hydrogen en gass som er uten farge, lukt eller smak. Det er kjent som det enkleste og vanligste grunnstoffet i universet. Hydrogen består av ørsmå partikler, protoner og elektroner.

Det er ekstremt responsivt og kan kombineres med andre grunnstoff for å danne forbindelser som vann. Det fungerer som et kraftig drivstoff og kan brukes til å generere elektrisitet, drive kjøretøy og generere varme. Som en ren energibærer har hydrogen potensial til å redusere miljøpåvirkningen og bidra til en bærekraftig energiforsyning

Det finnes flere teknologier for hydrogenproduksjon, som kan brukes avhengig av spesifikke krav og tilgjengelige ressurser. Her er noen vanlige metoder:
 

• Dampreformering av naturgass: Dette er for tiden den mest brukte teknologien for hydrogenproduksjon. I denne prosessen oppvarmes naturgass, som hovedsakelig består av metan, med vanndamp med en katalysator. Man kan se på dampreformering som "oppbryting" av naturgass.
  
  I denne prosessen reagerer metan i naturgassen med vanndamp og produserer hydrogen (H2) og karbonmonoksid (CO). Hydrogenet som oppnås, er renset og kan da brukes som drivstoff i kjøretøy, for å generere elektrisitet i brenselceller eller i ulike industrielle bruksområder. Denne prosessen er billig, men den har også ulemper. Karbondioksid frigjøres som et biprodukt, noe som påvirker miljøet.

• Elektrolyse av vann: I elektrolyse splittes vann opp i hydrogen og oksygen ved hjelp av elektrisk strøm. Utstyr som kalles elektrolysører, utfører elektrolyseprosessen for å gjøre dette.

• Hydrogenproduksjon med solenergi: I denne metoden brukes solenergi i stedet for elektrisk energi til å utføre elektrolyseprosessen. Dette kan gjøres enten ved direkte sollys eller ved å konsentrere solstråling ved hjelp av solspeil eller -fangere. Denne nye teknologien kan brukes i land der det er tilstrekkelig sol, og gjør det mulig å produsere hydrogen ekstra kostnadseffektivt.

• Termokjemisk hydrogenproduksjon (biologisk hydrogenproduksjon): Noen mikroorganismer, for eksempel visse bakterier eller alger, kan produsere hydrogen gjennom gjæring eller fotosyntese. Denne metoden er fortsatt under utvikling, men har potensial som en bærekraftig og miljøvennlig hydrogenkilde. Ulempen med denne typen produksjon er imidlertid begrensede ressurser.

Det skal bemerkes at ikke alle hydrogenproduksjonsprosesser er like bærekraftige eller miljøvennlige. Bærekraften til hydrogenproduksjonen avhenger av energikilden som brukes, og CO2-utslippene under produksjonsprosessen. For å få mest mulig ut av fordelene med hydrogen som ren energikilde er det av stor betydning å bruke fornybare energikilder til produksjon av hydrogen.

Bruk av fornybare energikilder som solenergi, vindkraft eller vannkraft kan redusere CO2-utslippene i hydrogenproduksjonen betydelig, noe som gjør den mer bærekraftig. Miljøvennlig hydrogen blir produsert. Dette er et viktig skritt mot å oppnå en lavkarbonfremtid og takle klimaendringer.

Elektrolyse er den prosessen som er mest lovende. Elektrolyseprosessen gir mulighet for miljøvennlig produksjon av hydrogen, spesielt hvis elektrisiteten som brukes til den, kommer fra fornybare energikilder. Disse teknologiene spiller en viktig rolle i å gjøre det mulig for rent hydrogen å vokse frem som en bærekraftig energibærer for ulike bruksområder. Vi tok en detaljert titt på de forskjellige teknologiene og så på fordelene og ulempene ved hver av dem.

PEM-elektrolyse, også kjent som elektrolyse med protonutvekslingsmembran, splitter vann i hydrogen og oksygen ved hjelp av en polymermembran og elektrisk strøm.

Fordeler:

• Rask oppstart og rask tilpasning til variable belastninger
• Høy effektivitet ved delvis belastning
• Lav driftstemperatur (50–80 °C), som reduserer bruken av dyre materialer
• Kompakt størrelse og enkel integrering i eksisterende systemer
• Høyt nivå av teknologisk modenhet (TRL 7-8)

Ulemper:

• Følsom for urenheter i vannet, krever derfor forbehandling av vannet
• Begrenset levetid for PEM-brenselcellen (ca. 10 000 driftstimer)
• Høyere kostnader sammenlignet med alkalisk elektrolyse

I alkalisk elektrolyse splittes vann opp i sine bestanddeler hydrogen og oksygen ved hjelp av en alkalisk elektrolytt, vanligvis en vannløsning av kaliumhydroksid.

Fordeler:

• Lavere kostnader sammenlignet med PEM-elektrolyse
• Robust mot forurensninger i vannet
• Lang levetid for elektrolysecellen (ca. 40 000–80 000 driftstimer)
• Høyeste nivå av teknologiske modenhet (TRL 8-9)

Ulemper:

• Lavere reaksjonshastighet sammenlignet med PEM-elektrolyse
• Høyere driftstemperaturer (70–100 °C) fører til høyere energiforbruk
• Vanskeligere integrering i eksisterende systemer på grunn av forskjellige driftsparametere

SOEC står for Solid Oxide Electrolysis Cell (elektrolysecelle med fast oksid) og refererer til en elektrolysecelle med høy temperatur som omdanner vann til hydrogen og oksygen ved høye temperaturer og med faste oksider som elektrolytt.

Fordeler:

• Høy effektivitet og varmegjenvinning på grunn av høye driftstemperaturer (800–1000 °C)
• Fleksibilitet for bruk av ulike brensler (f.eks. damp, CO2)

Ulemper:

• Høye driftstemperaturer krever dyre materialer og spesiell varmeisolasjon
• Langsom start og tilpasning til variable belastninger
• Større dimensjoner og kompleks systemintegrasjon
• Liten driftserfaring i stor skala

AEM står for Anion Exchange Membrane (anionutvekslingsmembran) og refererer til en elektrolyseteknologi som bruker en spesiell membran som tillater permeabilitet for negativt ladede ioner og splitter vann i hydrogen og oksygen ved hjelp av elektrisk strøm.

Fordeler:

• Lavere kostnader sammenlignet med PEM-elektrolyse
• Robust mot forurensninger i vannet
• Drift ved lavere temperaturer (ca. 60–80 °C)

Ulemper:

• Begrenset utvikling og kommersialisering sammenlignet med PEM og alkalisk elektrolyse
• Potensielle utfordringer for membranens langsiktige stabilitet
• Ingen store installasjoner tilgjengelig. Lavt nivå av teknologisk modenhet.