Grønn hydrogenproduksjonsløsning

Generelt kan hydrogen brukes som drivstoff på to hovedmåter. Det kan brennes for å produsere varme, eller det kan mates inn i en hydrogen brenselcelle for å generere elektrisitet. Den gode nyheten er at når blått eller grønt hydrogen er produsert, har det en rekke forskjellige bruksområder:
Transportere:Hydrogen brukes allerede til drivstoff for busser og andre former for offentlig transport, spesielt i Japan. Den kan også brukes til å drive godsbiler og tog, mens hydrogenbasert drivstoff som ammoniakk kan brukes i luftfart og skipsfart. En mer utbredt bruk av hydrogen til å drive kjøretøy vil avhenge av at prisen på hydrogenbrenselceller blir billigere og hydrogenstasjoner blir mer vanlig.

Kraftproduksjon:Hydrogen kan brukes til å gjøre fornybare energikilder til et drivstoff som deretter kan lagres og transporteres over lange avstander. Hydrogen og ammoniakk kan også brukes i gassturbiner og kullkraftverk for å redusere utslippene.

Oppvarming av bygninger:Hydrogen har et stort potensial til å erstatte naturgass for oppvarming av bolig- og næringsbygg via eksisterende naturgassinfrastruktur. Hydrogenkjeler og innenlandske hydrogenbrenselceller krever videre utvikling, men kan spille en viktig rolle i fremtiden.

Industri:Hydrogen brukes i dag i en lang rekke viktige industrielle prosesser. Disse inkluderer raffinering av bensin, produksjon av stål, behandling av metaller og produksjon av en rekke kjemikalier.

I motsetning til grå hydrogen er grønt hydrogen fullt fornybart både i kildematerialet og energiforsyningen. For kildemateriale genereres grønt hydrogen i dag vanligvis fra vann gjennom en prosess kjent som elektrolyse, som bruker en elektrisk strøm til å splitte vann i dets komponentmolekyler av hydrogen og oksygen. Dette gjøres ved hjelp av en enhet kalt en elektrolysator, som bruker en katode og en anode (positivt og negativt ladede elektroder). Denne prosessen produserer bare oksygen - eller damp - som et biprodukt. Når det gjelder energiforsyning, for å kvalifisere som "grønt hydrogen", må elektrisitetskilden som brukes til elektrolyse komme fra fornybar kraft, for eksempel vind- eller solenergi.

Det er tre hovedtyper elektrolysatorer:Alkalisk, protonutvekslingsmembran (PEM) og fast oksid. Disse varierer i arten av elektrolyttmaterialet som brukes. Alkaliske elektrolysører bruker en vandig løsning med et alkalisk-lignende salt for å muliggjøre elektrisk ledningsevne, mens PEM-elektrolysatorer bruker en solid polymermembran (elektrolytt). Solid oksid elektrolysatorer bruker solid keramisk materiale som elektrolytt, noe som gjør dem i stand til å operere med høyere elektrisk effektivitet og mye høyere temperaturer. Dette tillater bruk av damp og ekstern varme som energikilder i stedet for å stole på elektrisitet. Således muliggjør elektrolyse av fast oksid betydelig lavere driftskostnader, siden varme vanligvis er rimeligere og noen ganger produseres naturlig som et biprodukt av visse industrielle prosesser.

For mange år siden ble hydrogen bare sett på som en løsning for utviklingen av grønnere kjøretøy. Etter hvert som elektriske kjøretøy har fått mer trekkraft, blir hydrogen i økende grad sett på som en løsning for andre industrier.

Etterspørselen etter hydrogen fortsetter å øke ettersom bruken utvides på tvers av industri- og produksjonsindustrier for en rekke formål, inkludert oljeraffinering, stålproduksjon og sementproduksjon. Men etter hvert som hydrogens popularitet vokser, kan viktigheten av grønt hydrogen ikke overvurderes. Alarmerende nok er 98 % av hydrogen laget av fossilt brensel uten kontroll eller forskrifter for karbondioksidutslipp. Men grønt hydrogen har potensial til å endre det – for godt.

Fra kommersiell planteproduksjonsrøyk til bensin- og dieseldrevne bileksosgasser, grønn hydrogenproduksjon reduserer eller eliminerer behovet for fossile energikilder som frigjør store mengder karbondioksid til luften. I datasenterindustrien, når lagringssystemer utvikler hydrogen, kan det brukes i stedet for dieseldrevne backup-generatorer for å gi energi til fremtidige datasentre. Som et resultat, florerer fordelene med grønt hydrogen, slik at regjeringer og organisasjoner kan styrke nasjonal energisikkerhet, spare drivstoff, redusere totale utslipp og diversifisere energialternativer for transport fra biler til ekspansive kollektivtransportsystemer.

Grønn hydrogenteknologi kunne ikke vært introdusert på et bedre tidspunkt. US Energy Information Administration spår den globale energietterspørselen vil øke med 47 % innen 2050. Den eneste måten å kompensere for denne etterspørselen i form av olje- og kullenergiproduksjon er ved å ta i bruk grønnere metoder, som grønt hydrogen.

Og takket være de teknologiske gjennombruddene som i hovedsak har dekarbonisert produksjonen av hydrogen, tyr mange selskaper til karbonkompensasjon som utnytter grønt hydrogen for å redusere karbonavtrykket og møte aggressive ESG-mål.

Prosessen med å generere grønt hydrogen kommer med fordeler. Det internasjonale energibyrået (IEA) opplyser at grønt hydrogen sparer cirka 830 millioner tonn karbondioksid som slippes ut årlig sammenlignet med når gassen produseres ved bruk av tradisjonelle metoder for fossilt brensel. Det tilsvarer et helt års utslipp fra Storbritannia og Indonesia til sammen!

Akkurat som med all ny teknologi, er det noen utfordringer å overvinne når den grønne hydrogenboomen tar tak. Noen problemstillinger å vurdere inkluderer prosesseffektivitet og produksjonskostnader i stor skala, i tillegg til etablering av langsiktige trykkbaserte lagringsløsninger. Utfordringer til side, grønt hydrogen er en spennende ny teknologi som kan bidra til å balansere den sårt tiltrengte storskalaproduksjonen av grønn energi.

En stor del av skiftet bort fra fossilt brensel innebærer å elektrifisere noen av hverdagsmaskinene vi bruker som drives av olje og gass – for eksempel biler og lokal transport, og oppvarming av boliger i enkelte land. For de som allerede er elektrifisert, som datamaskiner og husholdningsapparater, erstatter elektrisitet fra atomkraft og fornybare energikilder som vind og sol kull.

Men det er noen bransjer som krever så mye energi at tradisjonell fornybar energi ikke kan møte etterspørselen deres. Det er et problem, fordi disse næringene er blant de største utslippene av klimagasser.

Det er her eksperter sier at grønt hydrogen har et stort potensial.
"Elektrisitet fra kilder som vind, sol og kjernekraft er avgjørende for å dekarbonisere energisystemet vårt - men det kan ikke gjøre det alene, og langdistansetransport og tung industri er hjemsted for de vanskeligste utslippene å redusere," sa en energianalytiker ved Det internasjonale energibyrået.

"Hydrogen er allsidig nok til å fylle noen av disse kritiske hullene - i å gi viktige råvarer til kjemikalier og stålindustri eller avgjørende ingredienser for lavkarbondrivstoff til fly og skip," sa Remme til CNN.

Å operere et fly eller et stort skip, for eksempel, krever så mye energi at ethvert batteri som brukes til å lagre elektrisitet fra sol eller vind sannsynligvis vil være for stort og tungt for fartøyet. Grønt hydrogen, derimot, kan komme i flytende form og er lettere. Ifølge Airbus, som utvikler et nullutslipps kommersiell fly, er energitettheten til grønt hydrogen tre ganger høyere enn jetdrivstoff vi bruker i dag.

Mens flytende grønt hydrogen ville slippe ut null karbon, har det noen begrensninger. Når den brennes i den åpne atmosfæren frigjør den en liten mengde lystgass, som er en kraftig drivhusgass. Hvis hydrogenet føres gjennom en brenselcelle, vil det imidlertid kun avgi vann og varm luft.

Noen småfly har klart å fly med hydrogenmatede brenselceller, selv om teknologien ennå ikke er oppskalert kommersielt.

Det er foreløpig alle hender på dekk for å nå klimamålene. Energiomstillingen trenger virkelig et stort løft. Hydrogen kan gi et viktig bidrag til dette. Samarbeid er essensielt for å kunne bruke hydrogen med suksess, for eksempel for å bidra til CO2-reduksjon i industri, e-drivstoff til fly og bruk i det bygde miljøet. Men det trengs investeringer og det er spørsmål.

Hva er hydrogen?
Hydrogen er det vanligste grunnstoffet i universet vårt. Under normale omstendigheter er den gassformig og vi snakker om hydrogengass (H2). Hydrogen er også den letteste gassen vi kjenner til og har derfor lav energitetthet per volumenhet (i m3). Per vekt (i kg) har hydrogen en høy energitetthet på 120 megajoule (MJ) per kg. Det er nesten tre ganger så mye som naturgass (45 MJ per kg). Hydrogen er ofte under trykk. Trykksetting (komprimering) av hydrogengass krever imidlertid også nødvendig energi (ca. 10%).

Hva er grått og blått hydrogen?
Nesten alt av hydrogen som produseres på verdensbasis i dag er såkalt "grå hydrogen". Produksjonen foregår for tiden via Steam Methane Reforming (SMR). Her reagerer høytrykksdamp (H2O) med naturgass (CH4) og resulterer i hydrogen (H2) og klimagassen CO2. I Nederland produseres omtrent 0,8 millioner tonn H2 på denne måten, ved å bruke fire milliarder kubikkmeter naturgass og generere CO2-utslipp på 12,5 millioner tonn.
Begrepet "blått hydrogen" eller "lavkarbonhydrogen" brukes når CO2 som frigjøres i prosessen med produksjon av grå hydrogen i stor grad (80-90%) fanges og lagres. Dette kalles også CCS: Carbon Capture & Storage. Dette kan skje i tomme gassfelt under Nordsjøen. Ingen andre steder i verden produseres blått hydrogen i stor skala.

Hva er grønt hydrogen?
Grønt hydrogen, også kjent som 'fornybart hydrogen', er hydrogen som produseres med bærekraftig energi. Den mest kjente er elektrolyse, der vann (H2O) spaltes til hydrogen (H2) og oksygen (O2) via grønn strøm. Et stort antall partier i Nederland eksperimenterer med disse megawatt-skala elektrolysørene. Hydrogen frigjøres også ved høytemperaturgassifisering av biomasse.

Hva er turkis hydrogen?
Hydrogen produsert fra naturgass ved hjelp av den såkalte smeltede metallpyrolyseteknologien kalles "turkis hydrogen" eller "lavkarbonhydrogen". Naturgass ledes gjennom et smeltet metall som frigjør både hydrogengass og fast karbon. Sistnevnte kan finne en nyttig anvendelse i for eksempel bildekk. Denne teknologien er fortsatt i laboratoriefasen og det vil ta minst ti år før det første pilotanlegget blir realisert.

Hva er de ytterligere grunnleggende forskjellene mellom blått og grønt?
I tillegg til produksjonsmetoden er det en rekke andre viktige forskjeller:
Kun grønt hydrogen produsert via elektrolyse sørger for at store mengder bærekraftig elektrisitet produsert til havs og på land kan integreres ordentlig i energisystemet vårt. Bare elektrolyse kan konvertere elektrisitet til hydrogen fleksibelt (på forespørsel) og deretter lagre den.
I tillegg vil utviklingen av storskala elektrolyse bidra til å imøtekomme den økende etterspørselen etter elektrisitet og dermed stimulere veksten av bærekraftig energi.
Det er også forskjell i kvalitet. Grønt hydrogen har høyere renhetsgrad og kan brukes umiddelbart, for eksempel i brenselcellen til et kjøretøy. Blått hydrogen har et lavere renhetsnivå, tilstrekkelig for industriell bruk.
Produksjon av blått hydrogen er en måte å "dekarbonisere" industri, dvs. redusere CO2, i stor skala og til relativt lave kostnader.

Hvitt hydrogen fra jorda fremtidens rene energikilde?
Vi kjenner allerede grått, blått og grønt hydrogen, men det ser nå ut til at hvitt eller naturlig hydrogen også er tilgjengelig. Det kommer fra jorda, akkurat som naturgass. Når hydrogen forbrennes med oksygen, frigjøres kun vann. Hvitt hydrogen er et naturlig hydrogen fra undergrunnen som har potensial til å bli en viktig energikilde for fremtiden dersom det lages ved elektrolyse av vann med vind- eller solkraft (grønn).
Den er da ikke laget av naturlig aske eller kull (grå), heller ikke ved først å fange opp CO2 (blå). Gassen brukes hovedsakelig til oppvarming av prosesser i kjemisk industri og i produksjon av stål og gjødsel. I overgangen fra fossil til grønn energi kan den fungere som en lagringsbuffer for strøm i perioder uten sol og vind.

Hvilken rolle spiller hydrogen i energiomstillingen?
I vår nåværende energimiks leveres cirka 20 % i form av elektrisitet og 80 % i form av naturgass eller flytende fossilt brensel (bensin, diesel). Våre klimamål kommer til å endre denne situasjonen betraktelig i nær fremtid. Andelen elektrisitet som genereres av vind- og solkraft vil øke kraftig. For en rekke bruksområder som tungtransport, høytemperaturprosesser i industri og luftfart mangler fortsatt en god elektrisk løsning og det er fortsatt behov for en bærekraftig gass. Hydrogen kan spille en nyttig rolle her. I tillegg er hydrogen viktig i form av storskala lagring for de øyeblikkene det er vindstille og overskyet.

Hvilke land jobber også med hydrogen?
Land som Norge, Australia, Marokko, Chile, Saudi-Arabia, Kina og Japan er svært aktive med grønt hydrogen, hovedsakelig fordi det er betydelig (potensiell) tilgjengelighet av billig fornybar energi fra vind, sol eller vannkraft for å produsere grønt hydrogen. Et unntak fra dette er imidlertid Japan, som i stor grad er avhengig av import for sin energiforsyning og har utviklet en strategi for å importere (grønt) hydrogen i stor skala. Dens nøkkelrolle ligger i teknologiutvikling. Nederland er i en god posisjon, blant annet takket være vår kunnskap om gass- og elektrolyseteknologi, det store potensialet for vindenergi i Nordsjøen og den energiintensive industrien som må satse sterkt på bærekraft.

Hva skal vi bruke hydrogen til?
Hydrogen er spesielt viktig for prosessindustrien. Det brukes nå hovedsakelig til produksjon av gjødsel, men i fremtiden kan det også brukes til høytemperaturprosesser som stålproduksjon som det nå brukes naturgass eller kull til. I tillegg vil hydrogen spille en rolle i mobiliteten, for eksempel for intercitybusser som skal kjøre lengre strekninger og hvor elektrisk kjøring ikke er en løsning.

Hva betyr hydrogen for innbyggeren?
På kort sikt vil ikke mye være tydelig. Bruk av hydrogen i boliger vil for eksempel være på tide dersom dette i det hele tatt skjer. For de fleste boliger gir et kollektivt varmenett eller en elektrisk varmepumpe en bedre løsning. I trafikken vil antallet hydrogenbiler (i dag under hundre) og antall hydrogenfyllestasjoner (i 2018: 3) sakte øke.

Hva er risikoen?
Hydrogen er en svært lett gass, svært brannfarlig og brukes i mobilitet under trykk opp til 700 bar. Akkurat som all annen gass er det viktig å håndtere den med forsiktighet under produksjon, transport og bruk, og å overlate den utelukkende til profesjonelle selskaper. Dersom hydrogen skal brukes i eksisterende gassrørledninger, er det viktig å undersøke nærmere hvordan hydrogen faktisk 'oppfører seg' i praksis. Hydrogen er lettere enn naturgass og kan unnslippe lettere fra ventiler og tetninger.

Hva gjør TNO når det gjelder forskning på hydrogen?
TNO er ​​en uavhengig organisasjon som driver banebrytende anvendt forskning. Forskningen på hydrogen fokuserer på produksjon, infrastruktur og applikasjoner (konvertering og sluttbruk). I 2020 gjennomførte TNO mer enn 50 prosjekter knyttet til disse temaene. Lenker til et utvalg av disse prosjektene finner du nedenfor (punkt 15).

Hvor langt er utviklingen av grønt hydrogen på vei?
Rundt 230 elektrolyseprosjekter ble satt i drift mellom 2000 og 2018 med en total kapasitet på rundt 100 MW (kilde: IEA 2019, The Future of Hydrogen). I 2020 var global installert kapasitet 200 MW og cirka 2400 MW innen utgangen av 2023. Disse tallene viser at vi bare er i gang og at vi må utvikle en helt ny forsyningskjede.
Vi trenger nye selskaper, nye leverandører og nye produsenter for å utvikle materialer og komponenter til større og neste generasjons elektrolysesystemer. Dette er en gylden mulighet for den nederlandske høyteknologiske industrien. Den europeiske unions mål er å installere 40 GW elektrolysekapasitet i unionen innen 2030 og ytterligere 40 GW i Nord-Afrika. For å nå dette målet vil det kreve at vi øker tempoet i både teknologisk innovasjon og de faktiske prosjektene.

Hva er de største tekniske utfordringene ved elektrolyse?
Når det gjelder vannelektrolyse, er det for tiden fire teknologier tilgjengelig (AEM, SOE, PEM og Alkaline), hver med sine spesifikke fordeler, ulemper og modenhetsnivå. Ta en titt på videoen vår om produksjon av hydrogen ved hjelp av elektrolyse (åpnes i et nytt vindu eller fane) (refererer til et annet nettsted). For alle fire teknologiene er de tre viktigste forskningsutfordringene:
å redusere kapitalutgiftene knyttet til systemet
å forbedre systemets effektivitet
å overvinne barrierer for storskala produksjon, slik at en årlig verdensomspennende produksjonskapasitet for elektrolysatorer på 30 GW kan oppnås innen 2030.

Produktene selges i alle regioner i Kina og eksporteres til land rundt om i verden. De har blitt solgt i mer enn 20 land og regioner, inkludert USA, Tyskland, Marokko, Kenya, Saudi-Arabia, Vietnam, Algerie, India, Tanzania og Taiwan. Vellykket levert velkjente virksomheter som China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group og andre kjente virksomheter. Det er mange grønne hydrogenhydrogeneringsstasjoner som Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. tilbyr grønne og hydrogenproduserende prosjekter.