Vätgasproduktion: Hur tillverkas vätgas och vad är det?

Vätgas blir allt viktigare som en lovande bärare av ren energi – särskilt om vi vill ha en mer klimatvänlig framtid. Men har du tänkt på vad vätgas faktiskt är och hur det produceras? I den här artikeln tittar vi närmare på grunderna och den teknik som används för att producera vätgas, och vad som gör vätgasen till ett så speciellt ämne.

Enkelt uttryckt så är vätgas en färglös, luktfri och smakfri gas. Det är det enklaste och vanligast förekommande kemiska grundämnet i universum. Väte består av små partiklar, protoner och elektroner.

Det är extremt reaktivt och kan kombineras med andra grundämnen för att bilda föreningar som vatten. Det är ett kraftfullt bränsle och kan användas till att generera elektricitet, driva fordon och generera värme. Som bärare av ren energi har väte potential att minska vår miljöpåverkan och bidra till en hållbar energiförsörjning

Det finns flera tekniker för vätgasproduktion som kan användas beroende de specifika kraven och vilka resurser som är tillgängliga. Här är några vanliga metoder:
 

• Ångbildning från naturgas: Det här är för närvarande den teknik som används mest inom vätgasproduktionen. I den här processen värms naturgas, som huvudsakligen består av metan, upp med hjälp av vattenånga i närvaro av en katalysator. Bildligt talat kan du tänka dig ångbildningen som att naturgasen "bryts upp".
  
  I den här processen reagerar metanet i naturgasen med vattenånga, och då produceras vätgas (H2) och kolmonoxid (CO). Den vätgas som erhålls renas och kan sedan användas som bränsle i fordon, till att generera elektricitet i bränsleceller eller i olika industriella tillämpningar. Den här processen är billig, men har även nackdelar. Det frigörs koldioxid som en biprodukt, och det påverkar miljön.

• Elektrolys av vatten: I elektrolys delas vatten upp i vätgas och syre med hjälp av en elektrisk ström. Utrustning som kallas elektrolysorer utför elektrolysprocessen.

• Vätgasproduktion med solenergi: I den här metoden används solenergi i stället för elektrisk energi för elektrolysprocessen. Det här kan göras antingen med direkt solljus eller genom att koncentrera solstrålning via solspeglar eller uppfångare. Den här nya tekniken kan användas i länder där det finns tillräckligt med solsken och möjliggör en väldigt kostnadseffektiv vätgasproduktion.

• Termokemisk vätgasproduktion (biologisk vätgasproduktion): Vissa mikroorganismer, till exempel vissa bakterier eller alger, kan producera vätgas via fermentering eller fotosyntes. Den här metoden är fortfarande under utveckling, men den har potential som en hållbar och miljövänlig vätgaskälla. Nackdelen med den här typen av produktion är dock de begränsade resurserna.

Alla sätt att producera vätgas är inte lika hållbara eller miljövänliga. Vätgasproduktionens hållbarhet beror på vilken energikälla som används och på CO2-utsläppen under produktionsprocessen. För att vätgasen ska bli en ren energikälla är det viktigt att använda förnybara energikällor i produktionen.

Användning av förnybara energikällor som solenergi, vindkraft eller vattenkraft kan minska CO2-utsläppen i vätgasproduktionen betydligt så att den blir mer hållbar. Det produceras miljövänlig vätgas. Det här är ett viktigt steg mot en framtid med låga koldioxidutsläpp och mindre klimatförändringar.

Elektrolys är den mest lovande processen. Elektrolysprocessen möjliggör en miljövänlig produktion av vätgas, särskilt om elektriciteten som används kommer från förnybara energikällor. Den här tekniken är mycket viktig om ren vätgas ska kunna användas som hållbar energi i olika tillämpningar. Vi har tittat närmare på de olika teknikerna samt deras fördelar och nackdelar.

PEM-elektrolys, som även kallas membranelektrolys med protonutbyte, delar upp vatten i vätgas och syre med hjälp av ett polymermembran och elektrisk ström.

Fördelar:

• Snabb start och snabb anpassning till olika belastningar
• Effektiv vid varierande belastning
• Låg driftstemperatur (50–80 °C), vilket minskar förbrukningen av dyra material
• Kompakt storlek och enkel att integrera med befintliga system
• Teknisk mognad (TRL 7-8)

Nackdelar:

• Känslig för föroreningar i vattnet, som måste förbehandlas
• Begränsad livslängd för PEM-bränslecellen (cirka 10 000 driftstimmar)
• Högre kostnader jämfört med alkalisk elektrolys

Vid alkalisk elektrolys delas vatten upp i beståndsdelarna vätgas och syre via en alkalisk elektrolyt, vanligtvis kaliumhydroxid löst i vatten.

Fördelar:

• Lägre kostnad jämfört med PEM-elektrolys
• Klarar föroreningar i vattnet
• Lång livslängd för elektrolytcellen (cirka 40 000–80 000 drifttimmar)
• Stor teknisk mognad (TRL 8-9)

Nackdelar:

• Långsammare reaktion jämfört med PEM-elektrolys
• Högre driftstemperatur (70–100 °C) vilket ger högre energiförbrukning
• Svårare att integrera i befintliga system på grund av driftsparametrarna

SOEC står för Solid Oxide Electrolysis Cell och här omvandlar en mycket varm elektrolytisk cell vatten till vätgas och syre där fasta oxider är elektrolyten.

Fördelar:

• Hög effektivitet och värmeåtervinning tack vare den höga driftstemperaturen (800–1 000 °C)
• Flexibilitet eftersom olika bränslen kan användas (till exempel vattenånga eller CO2)

Nackdelar:

• Höga driftstemperaturer vilket gör att det behövs dyra material och speciell värmeisolering
• Långsam start och sämre anpassning till varierande belastningar
• Större dimensioner och komplex systemintegrering
• Mindre erfarenhet av storskalig drift

AEM står för Anion Exchange Membrane, och det här är en elektrolysorteknik med ett särskilt membran som släpper igenom negativt laddade joner och delar upp vatten i vätgas och syre med hjälp av elektrisk ström.

Fördelar:

• Lägre kostnad jämfört med PEM-elektrolys
• Klarar föroreningar i vattnet
• Drift vid lägre temperaturer (cirka 60–80 °C)

Nackdelar:

• Begränsad utveckling och kommersialisering jämfört med PEM och alkalisk elektrolys
• Membranets långsiktiga stabilitet kan ifrågasättas
• Inga storskaliga installationer. Låg teknisk mognad.