Grön väteproduktionslösning

Generellt sett kan väte användas som bränsle på två huvudsakliga sätt. Det kan brännas för att producera värme, eller det kan matas in i en vätebränslecell för att generera elektricitet. Den goda nyheten är att när blått eller grönt väte har producerats har det en mängd olika tillämpningar:
Transporter:Vätgas används redan för att driva bussar och andra former av kollektivtrafik, särskilt i Japan. Det kan också användas för att driva lastbilar och tåg, medan vätebaserade bränslen som ammoniak kan användas inom flyg och sjöfart. En mer utbredd användning av väte för att driva fordon kommer att bero på att priset på vätgasbränsleceller blir billigare och vätgastankstationer blir vanligare.

Kraftgenerering:Vätgas kan användas för att omvandla förnybara energikällor till ett bränsle som sedan kan lagras och transporteras över långa avstånd. Väte och ammoniak kan också användas i gasturbiner och koleldade kraftverk för att minska utsläppen.

Uppvärmning av byggnader:Vätgas har enorm potential att ersätta naturgas för uppvärmning av hushålls- och kommersiella byggnader via befintlig naturgasinfrastruktur. Vätepannor och inhemska vätebränsleceller kräver vidareutveckling men kan spela en viktig roll i framtiden.

Industri:Väte används för närvarande i en lång rad viktiga industriella processer. Dessa inkluderar raffinering av bensin, tillverkning av stål, behandling av metaller och tillverkning av en rad kemikalier.

Till skillnad från grått väte är grönt väte helt förnybart i både sitt källmaterial och sin energiförsörjning. För källmaterial genereras grönt väte idag vanligtvis från vatten genom en process som kallas elektrolys, som använder en elektrisk ström för att dela upp vatten i dess beståndsdelar av väte och syre. Detta görs med hjälp av en anordning som kallas en elektrolysör, som använder en katod och en anod (positivt och negativt laddade elektroder). Denna process producerar endast syre – eller ånga – som en biprodukt. När det gäller energiförsörjning, för att kvalificera sig som "grönt väte", måste elkällan som används för elektrolys härröra från förnybar energi, såsom vind- eller solenergi.

Det finns tre huvudtyper av elektrolysörer:Alkaliskt, protonbytesmembran (PEM) och fast oxid. Dessa varierar i typen av det använda elektrolytmaterialet. Alkaliska elektrolysörer använder en vattenlösning med ett alkaliliknande salt för att möjliggöra elektrisk ledningsförmåga, medan PEM-elektrolysatorer använder ett fast polymermembran (elektrolyt). Elektrolysatorer med fast oxid använder fast keramiskt material som elektrolyt, vilket gör att de kan arbeta med högre elektrisk effektivitet och mycket högre temperaturer. Detta tillåter användning av ånga och extern värme som energikällor snarare än att förlita sig på elektricitet. Elektrolys av fast oxid möjliggör således betydligt lägre driftskostnader, eftersom värme vanligtvis är billigare och ibland naturligt produceras som en biprodukt av vissa industriella processer.

För år sedan sågs väte bara som en lösning för utvecklingen av miljövänligare fordon. I takt med att elfordon har fått mer dragkraft ses väte alltmer som en lösning för andra industrier.

Efterfrågan på väte fortsätter att öka när dess användning expanderar över industri- och tillverkningsindustrier för en mängd olika ändamål, inklusive oljeraffinering, ståltillverkning och cementproduktion. Men när vätgas popularitet växer, kan vikten av grönt väte inte överskattas. Oroväckande nog är 98 % av vätgas tillverkad av fossila bränslen utan några regler eller regler för koldioxidutsläpp. Men grönt väte har potential att ändra det – för gott.

Från kommersiell växtproduktionsrök till bensin- och dieseldrivna bilavgaser, produktion av grönt väte minskar eller eliminerar behovet av fossila energikällor som släpper ut stora mängder koldioxid i luften. I datacenterindustrin, när lagringssystem utvecklar vätgas, kan det användas istället för dieseldrivna backup-generatorer för att ge framtida datacenter energi. Som ett resultat är fördelarna med grönt väte i överflöd, vilket gör att regeringar och organisationer kan stärka den nationella energisäkerheten, spara bränsle, minska de totala utsläppen och diversifiera alternativen för transportenergi från bilar till expansiva kollektivtrafiksystem.

Grön väteteknik kunde inte ha introducerats vid en bättre tidpunkt. Den amerikanska energiinformationsmyndigheten förutspår att den globala energiefterfrågan kommer att öka med 47 % till 2050. Det enda sättet att kompensera den efterfrågan i form av olje- och kolenergiproduktion är genom att anta grönare metoder, som grönt väte.

Och tack vare de tekniska genombrotten som i huvudsak har minskat koldioxidproduktionen av väte, vänder sig många företag till koldioxidkompensationer som utnyttjar grönt väte för att minska sitt koldioxidavtryck och uppfylla aggressiva ESG-mål.

Processen att generera grönt väte kommer med fördelar. International Energy Agency (IEA) uppger att grönt väte sparar cirka 830 miljoner ton koldioxid som släpps ut årligen jämfört med när gasen produceras med traditionella fossila bränslemetoder. Det motsvarar ett helt års utsläpp från Storbritannien och Indonesien tillsammans!

Precis som med all ny teknik finns det vissa utmaningar att övervinna när den gröna väteboomen tar fäste. Några frågor att överväga är processeffektivitet och produktionskostnader i stor skala, förutom att etablera långsiktiga trycksatta lagringslösningar. Åsidosatta utmaningar är grönt väte en spännande ny teknik som kan bidra till att balansera den välbehövliga storskaliga produktionen av grön energi.

En stor del av övergången från fossila bränslen innebär att elektrifiera några av de vardagsmaskiner vi använder som drivs av olja och gas – till exempel bilar och lokala transporter och uppvärmning av bostäder i vissa länder. För dem som redan är elektrifierade, som datorer och hushållsapparater, ersätter el från kärnkraft och förnybara energikällor som vind och sol kol.

Men det finns vissa industrier som kräver så mycket energi att traditionella förnybara energikällor inte kan möta deras efterfrågan. Det är ett problem, eftersom dessa industrier är bland de största utsläpparna av växthusgaser.

Det är här experter säger att grönt väte har enorm potential.
"El från källor som vind, sol och kärnkraft är avgörande för att minska koldioxidutsläppen i vårt energisystem – men det kan inte göra det ensamt, och långdistanstransporter och tung industri är hem för de svåraste utsläppen att minska", säger en energianalytiker på Internationella energibyrån.

"Väte är tillräckligt mångsidig för att fylla några av dessa kritiska luckor – genom att tillhandahålla viktiga råvaror för kemi- och stålindustrin eller avgörande ingredienser för bränslen med låga koldioxidutsläpp för flygplan och fartyg," sa Remme till CNN.

Att driva ett flygplan eller ett stort fartyg, till exempel, kräver så mycket energi att alla batterier som används för att lagra el från sol eller vind förmodligen skulle vara för stora och tunga för fartyget. Grönt väte, å andra sidan, kan komma i flytande form och är lättare. Enligt Airbus, som utvecklar ett kommersiellt flygplan med nollutsläpp, är energitätheten för grönt väte tre gånger högre än flygbränslen vi använder idag.

Medan flytande grönt väte skulle släppa ut noll kol, har det vissa begränsningar. När den förbränns i den öppna atmosfären frigörs en liten mängd dikväveoxid, som är en potent växthusgas. Om vätet matas genom en bränslecell kommer det dock bara att avge vatten och varm luft.

Vissa småplan har lyckats flyga med vätematade bränsleceller, även om tekniken ännu inte har skalats upp kommersiellt.

För närvarande är allt händer på däck för att nå klimatmålen. Energiomställningen behöver verkligen ett stort lyft. Vätgas kan ge ett viktigt bidrag till detta. Samarbete är väsentligt för att framgångsrikt kunna använda vätgas för att till exempel bidra till CO2-minskning inom industrin, e-bränslen för flygplan och användning i byggd miljö. Men det behövs investeringar och det finns frågor.

Vad är väte?
Väte är det vanligaste grundämnet i vårt universum. Under normala omständigheter är den gasformig och vi talar om vätgas (H2). Väte är också den lättaste gasen vi känner till och har därför låg energitäthet per volymenhet (i m3). Per vikt (i kg) har väte en hög energitäthet på 120 megajoule (MJ) per kg. Det är nästan tre gånger så mycket som naturgas (45 MJ per kg). Väte är ofta trycksatt. Att trycksätta (komprimera) vätgas kräver emellertid också den nödvändiga energin (cirka 10%).

Vad är grått och blått väte?
Nästan allt väte som för närvarande produceras i världen är så kallat "grå väte". Tillverkningen sker för närvarande via Steam Methane Reforming (SMR). Här reagerar högtrycksånga (H2O) med naturgas (CH4) vilket resulterar i väte (H2) och växthusgasen CO2. I Nederländerna produceras cirka 0,8 miljoner ton H2 på detta sätt, med fyra miljarder kubikmeter naturgas och genererar CO2-utsläpp på 12,5 miljoner ton.
Termen "blått väte" eller "väte med låg kolhalt" används när den CO2 som frigörs vid produktion av grå väte till stor del fångas upp och lagras (80-90%). Detta kallas även CCS: Carbon Capture & Storage. Detta kan hända i tomma gasfält under Nordsjön. Ingen annanstans i världen produceras blått väte i stor skala.

Vad är grönt väte?
Grönt väte, även känt som "förnybart väte", är väte som produceras med hållbar energi. Den mest kända är elektrolys, där vatten (H2O) delas upp till väte (H2) och syre (O2) via grön el. Ett stort antal parter i Nederländerna experimenterar med dessa elektrolysörer i megawattskala. Väte frigörs även vid högtemperaturförgasning av biomassa.

Vad är turkost väte?
Väte som framställs av naturgas med hjälp av den så kallade smältmetallpyrolystekniken kallas "turkost väte" eller "väte med låg kolhalt". Naturgas leds genom en smält metall som frigör såväl vätgas som fast kol. Det senare kan hitta en användbar tillämpning i till exempel bildäck. Denna teknik är fortfarande i laboratoriefasen och det kommer att ta minst tio år för den första pilotanläggningen att realiseras.

Vilka är de ytterligare grundläggande skillnaderna mellan blått och grönt?
Förutom produktionsmetoden finns det ett antal andra viktiga skillnader:
Endast grönt väte som produceras via elektrolys säkerställer att stora mängder hållbar el som produceras till havs och på land kan integreras ordentligt i vårt energisystem. Endast elektrolys kan omvandla el till väte flexibelt (på begäran) och sedan lagra den.
Dessutom kommer utvecklingen av storskalig elektrolys att bidra till att tillgodose den ökande efterfrågan på el och därmed stimulera tillväxten av hållbar energi.
Det är också en skillnad i kvalitet. Grönt väte har en högre renhetsgrad och kan användas direkt, till exempel i ett fordons bränslecell. Blått väte har en lägre renhetsnivå, tillräckligt för industriell tillämpning.
Produktionen av blått väte är ett sätt att "dekarbonaisera" industrin, dvs minska koldioxidutsläppen, i stor skala och till relativt låg kostnad.

Vitt väte från marken framtidens rena energikälla?
Vi känner redan till grått, blått och grönt väte, men det verkar nu som att det också finns vitt eller naturligt väte. Det kommer från jorden, precis som naturgas. När väte förbränns med syre frigörs bara vatten. Vitt väte är ett naturligt väte från underytan som har potential att bli en viktig energikälla för framtiden om det tillverkas genom elektrolys av vatten med vind- eller solkraft (grön).
Den är då inte gjord av naturlig aska eller kol (grå), inte ens genom att först fånga upp CO2 (blått). Gasen används främst för att värma processer inom den kemiska industrin och vid tillverkning av stål och gödningsmedel. I omställningen från fossil till grön energi kan den fungera som lagringsbuffert för el under perioder utan sol och vind.

Vilken roll spelar väte i energiomställningen?
I vår nuvarande energimix levereras cirka 20 % i form av el och 80 % i form av naturgas eller flytande fossilt bränsle (bensin, diesel). Våra klimatmål kommer att förändra denna situation avsevärt inom en snar framtid. Andelen el som genereras av vind- och solkraft kommer att öka kraftigt. För en rad applikationer som tunga transporter, högtemperaturprocesser inom industri och flyg saknas fortfarande en bra elektrisk lösning och det finns fortfarande ett behov av en hållbar gas. Väte kan spela en användbar roll här. Dessutom är väte viktigt i form av storskalig lagring för de stunder det är vindstilla och molnigt.

Vilka länder arbetar också med vätgas?
Länder som Norge, Australien, Marocko, Chile, Saudiarabien, Kina och Japan är mycket aktiva med grönt väte, främst för att det finns en stor (potentiell) tillgång på billig förnybar energi från vind-, sol- eller vattenkraft för att producera grönt väte. Ett undantag från detta är dock Japan, som till stor del är beroende av import för sin energiförsörjning och har utvecklat en strategi för att importera (grönt) väte i stor skala. Dess nyckelroll ligger i teknikutveckling. Nederländerna ligger bra till, bland annat tack vare vår kunskap om gas- och elektrolysteknik, den stora potentialen för vindenergi i Nordsjön och den energiintensiva industrin som behöver engagera sig starkt för hållbarhet.

Vad ska vi använda väte till?
Väte är särskilt viktigt för processindustrin. Det används numera huvudsakligen för produktion av gödningsmedel men kan i framtiden även användas för högtemperaturprocesser som stålproduktion där naturgas eller kol nu används. Dessutom kommer vätgas att spela en roll för mobiliteten, till exempel för linjetrafikbussar som måste köra längre sträckor och där elkörning inte är en lösning.

Vad betyder väte för medborgaren?
På kort sikt kommer inte mycket att synas. Användningen av vätgas i till exempel bostäder kommer att vara efterlängtad om det alls händer. För de flesta hem erbjuder ett kollektivt värmenät eller en elektrisk värmepump en bättre lösning. I trafiken kommer antalet vätgasbilar (för närvarande mindre än hundra) och antalet vätgastankstationer (2018: 3) sakta att öka.

Vilka är riskerna?
Väte är en mycket lätt gas, mycket brandfarlig och används i mobilitet under tryck upp till 700 bar. Precis som all annan gas är det viktigt att hantera den med försiktighet under produktion, transport och användning och att uteslutande överlåta den till professionella företag. Om väte ska användas i befintliga gasledningar är det viktigt att ytterligare undersöka hur väte faktiskt "beter sig" i praktiken. Vätgas är lättare än naturgas och kan lättare komma ut från ventiler och tätningar.

Vad gör TNO när det gäller vätgasforskning?
TNO är en oberoende organisation som bedriver avancerad tillämpad forskning. Dess forskning om väte fokuserar på produktion, infrastruktur och tillämpningar (konvertering och slutanvändning). Under 2020 genomförde TNO mer än 50 projekt med anknytning till dessa teman. Länkar till ett urval av dessa projekt finns nedan (punkt 15).

Hur långt är utvecklingen av grönt väte på väg?
Cirka 230 elektrolysprojekt togs i drift mellan 2000 och 2018 med en total kapacitet på cirka 100 MW (källa: IEA 2019, The Future of Hydrogen). År 2020 var den globala installerade kapaciteten 200 MW och cirka 2 400 MW i slutet av 2023. Dessa siffror visar att vi bara är igång och att vi behöver utveckla en helt ny försörjningskedja.
Vi behöver nya företag, nya leverantörer och nya tillverkare för att utveckla material och komponenter för större och nästa generations elektrolyssystem. Detta är ett gyllene tillfälle för den holländska högteknologiska industrin. Europeiska unionens mål är att installera 40 GW elektrolyskapacitet i unionen till 2030 och ytterligare 40 GW i Nordafrika. För att uppnå detta mål kommer det att krävas av oss att accelerera takten för både teknisk innovation och de faktiska projekten.

Vilka är de största tekniska utmaningarna med elektrolys?
När det gäller vattenelektrolys finns det för närvarande fyra teknologier tillgängliga (AEM, SOE, PEM och Alkaline), var och en med sina specifika fördelar, nackdelar och mognadsnivå. Ta en titt på vår video om produktion av väte med hjälp av elektrolys (öppnas i ett nytt fönster eller flik) (hänvisar till en annan webbplats). För alla fyra teknologierna är de tre huvudsakliga forskningsutmaningarna:
att minska de kapitalutgifter som är förknippade med systemet
för att förbättra systemets effektivitet
att övervinna hinder för storskalig produktion så att en årlig världsomspännande produktionskapacitet för elektrolysörer på 30 GW kan uppnås till 2030.

Produkterna säljs i alla regioner i Kina och exporteras till länder runt om i världen. De har sålts i mer än 20 länder och regioner inklusive USA, Tyskland, Marocko, Kenya, Saudiarabien, Vietnam, Algeriet, Indien, Tanzania och Taiwan. Framgångsrikt tillhandahållit välkända företag som China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group och andra välkända företag. Det finns många gröna vätevätehydreringsstationer som Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. tillhandahåller gröna och väteproducerande projekt.