Sinisen vedyn tuotanto teollisuuden tarpeisiin

Kun ilmastonmuutos ja maailmanlaajuiset hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet vauhdittavat vetyenergian tutkimusta, on syntymässä monia tuotantomenetelmiä, joista jokaisella on omat etunsa ja haasteensa. Vaikka vihreä vety, joka tuotetaan kokonaan uusiutuvista energialähteistä, edustaa kestävän tulevaisuuden ihannetta, sen nykyiset taloudelliset, teknologiset ja skaalauvuuteen liittyvät rajoitukset edellyttävät muun värisen vedyn tuotannon lisäystä, jotta tämä polttoaine pysyisi kannattavana.

Harmaa ja sininen vety muodostavat tällä hetkellä suurimman osan maailmanlaajuisesti tuotetusta vedystä, ja molemmat tuotetaan helposti saatavilla olevalla höyrymetaanireformoinnilla (SMR) tai autotermisellä reformoinnilla (ATR), jotka tyypillisesti hyödyntävät maakaasua raaka-aineena. Vaikka molemmat värit perustuvat samoihin tuotantomenetelmiin, sininen vety menee harmaata pidemmälle ottamalla talteen ja varastoimalla tuotetun vedyn mukana syntyneet hiilidioksidipäästöt estääkseen niiden vapautumisen ilmakehään. Tästä syystä sitä pidetään vähähiilisenä vetynä.

SMR on kehittynyt termokemiallinen prosessi, jossa metaanilähde, kuten maakaasu, saatetaan reagoimaan korkean lämpötilan höyryn kanssa 3-25 baarin (43,5-363 psi) paineessa katalyytin läsnä ollessa. Sillä on pitkä historia eri aloilla, kuten jalostus, lannoitevalmistus ja metanolin tuotanto.

Tämä reaktio tuottaa synteesikaasua, vedyn ja hiilimonoksidin seosta. Seuraava vesi-kaasu-siirtymäreaktio (WGS) muuntaa sitten hiilimonoksidin lisävedyksi, jolloin syntyy hiilidioksidia ja pieni määrä hiilimonoksidia sivutuotteina.

ATR on uudempi menetelmä, joka sopii erityisen hyvin laajamittaiseen vedyn tuotantoon. Vaikka tarvittavien reaktioiden aikaansaaminen vaatii suurempia pääomasijoituksia, tämä menetelmä edistää tehokkaampaa hiilen talteenottoa. Tämä johtuu kontrolloidusta happikaasun annostelusta reformointiyksikössä, mikä vähentää hiilimonoksidin tuotantoa ja tuottaa siten puhtaamman hiilidioksidivirran kuin SMR.

Koska ATR hapettuu lisäksi osittain metaanin hapen kanssa synteesikaasun tuottamiseksi, se ei edellytä ulkoista lämmönlähdettä. Kuten SMR:ssä, WGS-reaktio maksimoi vedyn muodostumisen.

Päätös siitä, käytetäänkö sinisen vedyn tuotannossa SMR:tä vai ATR:ää, perustuu useiden tekijöiden kattavaan arviointiin, joihin kuuluvat muun muassa seuraavat tekijät:

• Haluttu tuotannon laajuus
• Edellytetty vedyn puhtaus
• Käytettävissä olevan maakaasun raaka-aineen koostumus
• Pääoman saatavuus
• Arvioidut käyttökustannukset
• Maailmanlaajuinen tai alueellinen talousympäristö

Sinisen vedyn SMR vaatii kolme keskeistä reaktiota ja valinnaisen neljännen vaiheen.

1. Metaanin reformointi
Tässä primaarisessa reaktiossa metaani (CH₄) - tyypillisesti maakaasusta - saatetaan reagoimaan höyryn (H₂O) kanssa korkeassa lämpötilassa (700 - 1100 °C / 1 300 - 2 000 °F) ja paineessa (3-25 bar / 43.5-363 psi) nikkelipohjaisen katalyytin läsnä ollessa. Tämä reaktio tuottaa synteesikaasua, vedyn (H₂) ja hiilimonoksidin (CO) seosta. Se on endoterminen, mikä tarkoittaa, että se edellyttää lämmönsyöttöä.

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. Vesi-kaasu vaihtoreaktio
Synteesikaasu käy sitten läpi WGS-reaktion, jossa hiilimonoksidi reagoi edelleen höyryn kanssa yleensä rautaoksidi- tai kuparipohjaisen katalyytin läsnä ollessa tuottaen lisää vetyä ja hiilidioksidia (CO₂). Tämä reaktio on eksoterminen, eli se vapauttaa lämpöä.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Hiilidioksidin poistaminen
Tuloksena oleva kaasuseos koostuu tässä vaiheessa pääasiassa vedystä, hiilidioksidista ja jonkinlaisesta määrästä reagoimatonta metaania. Hiilidioksidi poistetaan useimmiten amiinikaasukäsittelyllä, mikä tarkoittaa hiilidioksidin liuottamista amiiniliuoksiin, jolloin jäljelle jää puhdistettu vetyvirta.

CO₂ + Amiiniliuos ⇌ Amiini-CO₂ kompleksi (yksinkertaistettu kemiallinen esitys)

4. Vedyn puhdistaminen (valinnainen)
Halutusta puhtaustasosta riippuen voidaan käyttää muita puhdistusvaiheita. Paineenvaihteluadsorptio (PSA) - joka käyttää adsorbenttimateriaaleja hiilidioksidin selektiiviseen talteenottoon - ja kalvoerotus, jossa käytetään erityisiä vain vedyn läpi päästäviä kalvoja, ovat kaksi yleisintä menetelmää.

Katalyytit ovat välttämättömiä SMR:lle reaktioiden nopeuttamiseksi, mutta ne ehtyvät ajan myötä ja ne on regeneroitava tai vaihdettava. Endoterminen metaanin reformointiprosessi ja eksoterminen WGS-reaktio edellyttävät huolellista lämmönhallintaa tehokkaan toiminnan varmistamiseksi.

ATR:n tärkein ominaisuus SMR:ään verrattuna on sen pienemmät hiilimonoksidipäästöt ja siten korkeampi hiilidioksidin talteenottotehokkuus - 95 % vain 60 %:n sijaan. Sinisen vedyn ATR edellyttää seuraavia kriittisiä vaiheita.

1. Raaka-aineen esilämmitys ja sekoitus
Maakaasu - ensisijaisesti metaani - ja höyry esilämmitetään ja seokseen lisätään kontrolloituja määriä happea (O₂).

2. Palaminen
Osa metaanista reagoi lisätyn hapen kanssa erittäin eksotermisessä palamisreaktiossa, jolloin syntyy lämpöä seuraavaa reformointireaktiota varten.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. Reformointi
Palamisen aikana syntyvä lämpö ohjaa endotermisiä reformointireaktioita.

Höyryreformointi: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)
Osittainen hapetus: 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. Vesi-kaasu vaihtoreaktio
Kuten SMR:ssä, reformointireaktioissa syntyvä hiilimonoksidi reagoi edelleen höyryn kanssa katalyytin läsnä ollessa tuottaen enemmän vetyä ja hiilidioksidia:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Hiilidioksidin poistaminen
Kuten SMR:ssä, hiilidioksidi poistetaan kaasuseoksesta, useimmiten amiinikaasukäsittelyllä, jolloin jäljelle jää puhdistettu vetyvirta.

6. Vedyn puhdistaminen (valinnainen)
Muita puhdistusvaiheita, kuten PSA tai kalvoerotus, voidaan tarvittaessa toteuttaa vedyn puhtauden lisäämiseksi.

SMR on yksinkertaisempi ja halvempi toteuttaa kuin ATR, koska edellinen ei vaadi jatkuvaa happilähdettä. ATR on kuitenkin omavarainen lämmön suhteen integroidun palamisreaktion ansiosta, joten se ei tarvitse ulkoista lämmönlähdettä käynnistyessään, mikä tekee siitä energiatehokkaamman kuin SMR.

Lisäksi ATR tuottaa tyypillisesti suuremman vedyn ja hiilimonoksidin suhteen synteesikaasussa, mikä voi olla edullista joissakin jatkosovelluksissa. ATR-järjestelmät pystyvät yleensä myös reagoimaan nopeammin tuotantotarpeiden muutoksiin. Näistä ja muista syistä uusissa sinisen vedyn laitoksissa käytetään tyypillisesti ATR:ää.

Keskustelu sinisestä vedystä on puutteellista ilman hiilen talteenottoa, käyttöä ja varastointia (CCUS). Nämä monimutkaiset prosessit alkavat hiilidioksidin erottamisella muista pakokaasuvirrassa olevista kaasuista, mikä usein perustuu absorptioon perustuviin tekniikoihin, joissa käytetään esim. amiineja, jotka sitovat hiiltä valikoivasti.

Kun hiilidioksidi on otettu talteen, se puristuu ja nesteytyy ylikriittiseen tilaan, mikä mahdollistaa tehokkaan kuljetuksen - tyypillisesti putkilinjaa pitkin - sopiviin geologisiin muodostumiin pitkäaikaista varastointia varten. Mahdollisia varastointipaikkoja ovat tyhjentyneet öljy- ja kaasuvarastot, syvät suolaiset pohjavesikerrokset ja suolakuvut.

Vaikka hiilidioksidin talteenotto- ja varastointilaitokset (CCS) tarjoavat tavan hallita päästöjä, niiden pitkän aikavälin turvallisuuteen liittyy kysymyksiä. Pienetkin vuodot voivat mahdollisesti vaikuttaa läheisiin ekosysteemeihin ja pohjaveteen.

Parhaillaan käydään keskustelua sinisen vedyn ympäristövaikutuksista verrattuna vihreään vetyyn, jota tuotetaan uusiutuvalla energialla. Jotkut sanovat, että keskittyminen siniseen vetyyn saattaa viivästyttää siirtymistä uusiutuvaan energiaan ja vihreään vetyyn.

Taloudellisesta näkökulmasta CCS:ään liittyvät kustannukset voivat tehdä sinisestä vedystä kalliimpaa kuin harmaasta vedystä. Nämä kustannukset kuitenkin laskevat vähitellen. Lisäksi sellaiset seikat, kuten harmaan vedyn hiiliverot, hallituksen kannustimet siniselle vedylle ja cap-and-trade -järjestelmät, voivat tehdä sinisestä - tai jopa vihreästä - vedystä taloudellisesti kannattavampaa.

Ympäristö- ja talousnäkökohtien lisäksi sinisen vedyn tuotannon onnistunut käyttöönotto edellyttää kehittynyttä mittalaite- ja ohjausjärjestelmien verkostosta, joka toimii yhdessä prosessin luotettavuuden, tehokkuuden ja turvallisuuden varmistamiseksi. SMR- ja ATR-järjestelmät edellyttävät laajan valikoiman antureita valvomaan jatkuvasti prosessiparametreja ja syöttämään reaaliaikaista tietoa kehittyneisiin ohjausjärjestelmiin tuotannon optimoimiseksi, jätteen minimoimiseksi ja riskien vähentämiseksi.

Lämpötila-anturit, jotka ovat tärkeitä optimaalisten reaktio-olosuhteiden ylläpitämisessä ja katalyytin hajoamisen estämisessä, toimivat yhdessä paineantureiden kanssa, jotka puolestaan varmistavat turvalliset olosuhteet reaktoreissa ja putkistoissa. Virtausmittarit dokumentoivat luotettavasti kaasujen ja nesteiden liikkeen koko prosessin ajan, mikä mahdollistaa reagenssisuhteiden ja tuotevirtojen tarkan hallinnan. Virtausmittarit ovat myös kriittisiä kaikissa laskutusmittausjärjestelmissä.

Samaan aikaan kaasuanalysaattorit – kuten Raman ja säädettävä diodilaserabsorptiospektroskopia (TDLAS) – valvovat mm. virtauksen koostumusta eri kohdissa, jolloin käyttäjät voivat validoida prosessin tehokkuuden, havaita ongelmat jo niiden kehittyessä ja varmistaa vedyn puhtauden.

Vetyinfrastruktuurin kehittyessä sinisellä vedyllä on ratkaiseva rooli, sillä se mahdollistaa lisätutkimuksen ja tehokkuuden parantamisen samalla, kun vihreän vedyn odotetaan saavuttavan vaaditut tasot. SMR- ja ATR-menetelmiä pidetään yleisesti kaikkein kannattavimpina menetelminä vedyn tuotannossa, sillä ne ovat keskitie taloudellisten ja ympäristönäkökohtien välillä ja osoitus teknologisesta kehityksestä. Vaikka CCUS-tekniikan edistysaskeleet parantavat talteenottoastetta ja pitkäaikaisen varastoinnin turvallisuutta, menee vielä pitkään ennen kuin sinisen vedyn tuotanto voi realistisesti ohittaa harmaan vedyn tuotannon.

Kun maailma kamppailee kehittyvän energiatilanteen monimutkaisuuden kanssa, tasapainoinen lähestymistapa, jossa otetaan huomioon useita saatavilla olevia vaihtoehtoja - kuten punnitaan eriväristen vetyjen kompromisseja ja asetetaan etusijalle pitkän aikavälin kestävyys - on edistymisen kannalta välttämätöntä. Se edellyttää useita eri värisiä vetyä, uusiutuvia energialähteitä, lisää sähköistystä ja tehokkaita tapoja käyttää fossiilisia polttoaineita, vaikkakin päästöjä vähentävin toimenpitein. Selviytyäksemme energiavallankumouksesta voittajana meidän on hyödynnettävä kaikki mahdollisuudet ja sovellettava kuhunkin sovellukseen järkevimpiä ratkaisuja.