Vedyn eri värien ymmärtäminen

Vety voi mullistaa liikenteen ja sähköntuotannon kaltaisia ​​aloja, joten se on kehittyvä ja vielä pitkälti hyödyntämätön energian lähde. Vaikka vedyn poltto ei tuota kasvihuonekaasupäästöjä (GHG), sen elinkaaren ympäristöjalanjälki on seurausta kaikista sen tuotantoon ja kulutukseen johtavista prosesseista, jotka vaihtelevat dramaattisesti prosessiin käytettyjen energialähteiden mukaan.

Nämä vaihtelut johtivat värikoodatun luokitusjärjestelmän luomiseen, mikä mahdollisti vedyn eri sävyjen erottamisen ja niiden vaikutuksen nettokestävyyteen. Vihreä vety on nollapäästöjen maailmanlaajuinen standardi, mutta sen skaalautuvuus kohtaa huomattavia infrastruktuuri- ja tehokkuushaasteita. Ydinvoimalla toimiva vesielektrolyysi tuottaa vaaleanpunaista vetyä ja ylläpitää hiilineutraalia elinkaarta, mutta sen riippuvuus ydinenergiasta aiheuttaa muita huolenaiheita. Siniset ja turkoosit tuotantomenetelmät muodostavat kompromissirajan taloudellisen kannattavuuden ja kestävyyden välillä. Musta, ruskea ja harmaa vety puolestaan ovat kohtuuhintaisia, mikä on kustannustehokas vaihtoehto ympäristöystävällisemmille vaihtoehdoille.

Musta ja ruskea vety ovat pääasiassa peräisin hiilestä, ja molempia tuotetaan hiilen kaasutuksella, monivaiheisella prosessilla, jossa kivihiili reagoi hapen ja höyryn kanssa korkeissa lämpötiloissa synteesikaasun tuottamiseksi. Syntyy kaasujen seos, joista yksi kaasu on vety. 

Mustaa vetyä syntyy polttamalla tiheää ja laadukkaana pidettyä bitumihiiltä. Ruskeaa vetyä sitä vastoin tuotetaan nuoremmasta ja vähemmän tiivistetystä versiosta, ruskohiilestä, jonka kosteuspitoisuus on korkeampi ja energiatiheys pienempi. 

Ympäristövaikutusten osalta mustan ja ruskean vedyn tuotanto ovat melko samanlaisia ​​ja molemmat menetelmät ovat suhteellisen tehokkaita. Niiden riippuvuus fossiilisista polttoaineista ilman hiilidioksidin talteenottoa voi kuitenkin mitätöidä joitain vetyenergian kestävyyteen liittyviä hyötyjä.

Hiilen kaasutus alkaa hiilen jauhamisesta ja käsittelystä epäpuhtauksien poistamiseksi ja sen jälkeen vuorossa ovat seuraavat vaiheet.

1. Kuivaus ja pyrolyysi (haihduttaminen)

Tämä alkuvaihe vaatii hiilen lämmittämistä kosteuden ja haihtuvien aineiden poistamiseksi ja hiilen erottamiseksi muihin alkuaineisiin ja materiaaleihin. Kuivaus suoritetaan noin 200 °C:ssa (392 °F), jota seuraa pyrolyysi lämpötiloissa 300 °C - 700 °C (572 °F -1 292 °F). Pyrolyysin aikana suuremmat kivihiilimolekyylit hajoavat pienemmiksi kaasumaisiksi tuotteiksi - pääasiassa metaaniksi (CH₄), (CH4), vedyksi (H₂), hiilimonoksidiksi (CO), hiilidioksidiksi (CO₂) - ja tervaksi.

2. Polttaminen

Osa hiilestä (C) on hiiltä, ​​pyrolyysin kiinteää jäännöstä, ja se reagoi haihtuvien kaasujen ja hapen (O₂) kanssa kontrolloidussa palamisreaktiossa. Tämä eksoterminen reaktio tuottaa lämpöä, joka tarvitaan seuraaviin kaasutusreaktioihin. Tapahtuu sekä täydellinen että osittainen palaminen, jolloin syntyy hiilidioksidi- ja hiilimonoksidikaasuja.

C + O₂ → CO₂ (täydellinen palaminen)
2C + O₂ → CO (osittainen palaminen)

3. Kaasutusreaktiot

Kaasutus reagoi jäljellä olevan hiilen kanssa höyryn (H2O) ja (H₂O) hapen kanssa korkeissa 1 200–1 500 °C:n (2 192–2 732 °F) lämpötiloissa pelkistävässä ympäristössä, jolloin syntyy vetyä ja muita kaasuja. Ensisijaiset kaasutusreaktiot ovat: 

Vesi-kaasu -reaktio: C + H₂O ⇌ CO + H₂ (tasalämpöinen)
Boudouard-reaktio: C + CO₂ ⇌ 2CO (tasalämpöinen)   

Nämä reaktiot tuottavat synteesikaasua, seosta, joka koostuu pääasiassa hiilimonoksidista ja vedystä sekä hiilidioksidista ja muista hivenkaasuista.

4. Metanaatio

Joissakin tapauksissa synteesikaasun metaanipitoisuutta lisätään käyttämällä metanaatioksi kutsuttua lisävaihetta. Joskus tätä kutsutaan E-Metaaniksi, jos käytetään vihreää vetyä ja kierrätettyä CO₂:ta tai suoraan ilmakehästä kaapattua CO₂:ta.Tämä edellyttää hiilimonoksidin reagoimista vedyn kanssa katalyytin läsnä ollessa:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (eksoterminen)

5. Synteesikaasun puhdistus ja päivitys

Raaka synteesikaasu sisältää epäpuhtauksia, jotka on poistettava ennen jatkokäyttöä. Tämä puhdistusprosessi sisältää tyypillisesti:

• Pölynpoisto, jossa hiukkasten poistamiseen käytetään fysikaalisia erotustekniikoita. 
• Rikinpoisto, jossa yhdisteet, kuten rikkivety (H₂S), poistetaan amiinipesulla tai vastaavilla prosesseilla. 
• Hiilidioksidin poisto, kun CO₂ kerätään ja varastoidaan tai hyödynnetään muissa teollisissa prosesseissa.

6. Vedyn erotus ja käsittely

Viimeinen vaihe on vedyn erottaminen puhdistetusta synteesikaasuseoksesta. Tämä voidaan saavuttaa useilla menetelmillä, joista kaksi yleisintä ovat:

• paineenvaihteluadsorptio, jossa adsorboivat materiaalit kaappaavat hiilimonoksidia selektiivisesti jättäen jälkeensä puhdistettua vetyä. 
• ja kalvoerotus, joka käyttää erityisiä, vedyn kauttakulun vahvistavia kalvoja, ja säilyttää samalla muut kaasut.

Harmaa vety on teollisuudessa tällä hetkellä tavallisin tyyppi, joka valmistetaan joko höyrymetaanireformoinnilla (SMR) tai autotermisellä reformoinnilla (ATR). Molemmat menetelmät vaativat hiilivetyraaka-aineen, joka koostuu pääasiassa metaanista maakaasun ollessa useimmin käytetty lähde.

Maakaasun saanti ja vedyn talteenotto

Maakaasu on hajuton ja väritön kaasu, jota esiintyy pääasiassa maan pinnan alla lähellä öljyesiintymiä. Tämä monipuolinen energialähde on muodostunut miljoonien vuosien aikana orgaanisen aineen hajoamisesta kovan kuumuuden ja paineen alaisena, ja se on modernin yhteiskunnan kulmakivi, jota käytetään kotien polttoaineena, energiateollisuudessa ja sähkön tuotannossa. Lisäksi se on raaka-aineena useissa yhdisteissä, joista lopulta muodostuu tuotteita, kuten synteettisiä kankaita, pakkasnestettä, maaleja, pakkausmateriaaleja, shampoita, voiteita ja lannoitteita.

Tätä kaasua löytyy huokoisista ja läpäisevistä kivimuodostelmista, joita kutsutaan varastoiksi. Ne jäävät usein loukkuun läpäisemättömien kivikerrosten alle, jotka estävät sen karkaamisen. Nämä säiliöt voivat sijaita kuivalla maalla rannikolla tai merenpohjan alapuolella. Maakaasun etsintä vaatii pitkälle kehitettyjä geologisia tutkimuksia, seismistä kuvantamista ja koeporausta piilossa olevien varojen paikantamiseksi. Kun mahdollinen varasto on tunnistettu, louhintaprosessi alkaa usein geologisiin olosuhteisiin räätälöityjä tekniikoita yhdistelemällä.

Yleisin louhintamenetelmä tarkoittaa kaivon poraamista varastoon. Se muodostaa kanavan loukkuun jääneen kaasun virtaamiseksi pintaan. Tätä virtausta ohjaa usein itse varaston luonnollinen paine. Kun kaasua poistetaan, paine tyypillisesti laskee, minkä vuoksi tuotannon ylläpitämiseksi tarvitaan lisää nostotekniikoita, kuten pumppuja tai kompressoreita.

Päästyään pintaan uutettu maakaasu - johon usein sekoittuu epäpuhtauksia, kuten vesihöyryä, hiekkaa ja muita kaasuja - käy läpi sarjan käsittelyvaiheita. Nämä vaiheet ovat tärkeitä epäpuhtauksien poistamiseksi, arvokkaiden komponenttien erottamiseksi ja itse kaasun valmistelemiseksi käyttöön. Jalostettu maakaasu kuljetetaan sitten putkistoa pitkin tai painetussa (CNG) tai nesteytetyssä (LNG) muodossa erikoistuneilla säiliöaluksilla kuluttajille kaikkialla maailmassa. 

Harmaan vedyn yleisyys johtuu ensisijaisesti maakaasun maailmanlaajuisesta runsaudesta. Lisäksi SMR ja ATR ovat vähemmän hiili-intensiivisiä kuin hiilen kaasutus, minkä vuoksi suositaan mustaa ja ruskeaa vetyä. Sinen vety vie SMR:n ja ATR:n askeleen pidemmälle yhdistämällä hiilidioksidin talteenoton, kuljetuksen ja varastoinnin. Tällä on kuitenkin huomattavat käyttökustannukset. 

Vaikka siirtyminen täysin uusiutuviin energiajärjestelmiin on perimmäinen tavoite vedyn arvoketjussa, vedyn sekoittaminen maakaasuun olemassa olevissa voimalaitoksissa on väliaikainen ratkaisu. Menestys edellyttää erittäin tarkkaa virtausmittausta ja reaaliaikaista kaasuanalyysimittalaitteita, mikä varmistaa kaasuseoksen tasaisuuden. Vetyä voidaan myös sekoittaa kotitalouksien ja kaupallisiin maakaasutoimituksiin jopa 20 %:n pitoisuuksina maan säännöksistä riippuen.

Tämä vähentää päästöjä, koska vety palaa puhtaammin kuin maakaasu. Kodinkoneet voivat polttaa vain 20 % vedyn ja maakaasun sekoituksesta, kun taas voimalaitoksissa käytetyt kaasuturbiinit voivat polttaa paljon korkeamman seoksen, jopa 100 % vetyä uudemmissa malleissa.

Sekoitusmenetelmät mahdollistavat asteittaisen siirtymisen puhtaampiin energialähteisiin ilman välitöntä ja täydellistä nykyisen infrastruktuurin vaihtamista, mikä vähentää merkittävien pääomainvestointien tarvetta uusia voimalaitoksia ja putkistoja.

Tämän strategian menestys riippuu suurelta osin vedyn lähteestä. Harmaan, ruskean tai mustan vedyn sekoittamisella on rajalliset ympäristövaikutukset tuotannon päästöistä johtuen, kun taas uusiutuvista lähteistä tuotetun vihreän vedyn käyttö alentaa merkittävästi kasvihuonekaasujen kokonaispäästöjä, mikä tukee nollapäästötavoitteita.

Vetyenergian vallankumouksen edetessä erilaisten - mukaan lukien tuotantomenetelmien ja ympäristövaikutusten - ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää. Vihreä vety on nollapäästötavoite, mutta vähähiilinen vety, musta, ruskea ja harmaa, ovat välttämättömiä infrastruktuurin, tutkimuksen ja energian monipuolistamisen edistämiseksi.

Ilmastonmuutoksen vaikutuksesta tulevina vuosikymmeninä energian jatkuvuuden ja kestävyyden varmistamisessa tarvitaan monipuolisia energialähteitä. Vaikka esteitä on voitettavana, vety on lupaava puhdas, monipuolinen ja kestävä energianlähde.