Produksjon av hydrogen

Dampreformering

Utformingen av >membranreaktor for dampreformering

Dampreformering av naturgass er den vanligste metoden for produksjon av hydrogen i dag. Dampreformere finnes i mange størrelser fra små på 100Nm3H2/t til store anlegg på 140 000 Nm3/t. I denne prosessen varmes vanndamp og metan opp til høy temperatur (800-900?C) i en reaktor med katalysator (15-25 vekt % nikkeloksid). Trykket er oftest mellom 10-30 bar og man bruker et stort overskudd av vanndamp. Etter reformeringen går produktstrømmen inn i to trinns skiftreaksjon der CO reagerer med vanndamp for å øke hydrogenutbyttet. Reaksjonsligningen for hele prosessen er CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2.

Etter skiftreaksjonen blir produktgassen renset i et Pressure Sving Adsorption anlegg (PSA). Produktgassen ledes igjennom en adsorbent av aktivt kull som CO2 binder seg til. Når adsorbenten er mettet ledes produktstrømmen over til en annen adsorbentreaktor. Trykket senkes i reaktoren med mettet adsorbent og CO2 frigjøres. Antall reaktorer kan være to eller flere tilpasset gassmengdene i anlegget. Ved bruk av PSA kan også CO bindes, og det kan produseres H2 med renhet i kategori 5.0.

Totalt sett er et dampreformerningsanlegg varmekrevende og det brennes vanligvis ekstra naturgass for å skaffe varme til å drive reaksjonen. Virkningsgraden for et lite dampreformeringsanlegg for lokal hydrogenfremstilling kan være rundt 65-70%.

Realistisk sett bør et slikt anlegg gå jevnt uten mange stopp og start for å ikke utsette katalysatoren for stress, eventuelt kan man holde katalysatoren varm ved hjelp av en egen innretning. Variabel drift, for eksempel 50 prosent av full kapasitet er mulig, men er vanligvis ikke like enkelt som i et elektrolyseanlegg.

En annen prosess som kan være aktuell for å fremstille hydrogen fra hydrokarboner er partiell oksidasjon. Dette er en metode som ofte brukes ved storskala hydrogenproduksjon fra tyngre hydrokarboner, men prosessen kan også brukes med metan som føde. Konseptet er å brenne metan med redusert luft eller oksygentilgang slik at det ikke er nok oksygen til å få fullstendig reaksjon mellom metan og oksygen til CO2. Slike anlegg kan konstrueres mer kompakte enn en dampreformer, men krever rent oksygen for å lette rensingen av produktgassen. Vi går ikke nærmere inn på denne prosessen her.

Elektrolyse

Elektrolysør fra Hydro

Ved vannelektrolyse bruker man et elektrolyseapperat eller en elektrolysør til å spalte vann til hydrogen og oksygen ved hjelp av elektrisk energi. En elektrolysør består av flere elektrolyseceller. Hver celle har to elektroder (anoden og katoden) som er i kontakt med en ionisk leder - elektrolytten. Når likestrøm blir sendt gjennom en celle som inneholder vann blir vannmolekyl spaltet i oksygen og hydrogen. Ved anoden blir det produsert oksygen og ved katoden hydrogen. En membran mellom elektrodene holder produktgassene adskilt, men slipper ladde partikler i gjennom. Hydrogen og oksygen tappes fra uttak over elektrolytten.

Det forbrukes vann og elektrisk energi i prosessen. Rent vann tilsettes for å erstatte det spaltede vannet. Elektrolytten i en alkalisk elektrolysør er vanligvis en kaliumhydroksid eller natriumhydroksid løsning (typisk 25 prosent KOH) og har som oppgave å øke strømføringen og redusere energitapet. Elektrolytten blir ikke forbrukt i prosessen. Reaksjonsligningen kan vi skrive slik: H2O + energi ->H2 + 1/2 O2. I tillegg til de nevnte alkaliske elektrolysørene som har vært i bruk i mange tiår er det også kommet såkalte PEM elektrolysører på markedet. Dette er elektrolysører med en fast polymermembran som elektrolytt.

Disse elektrolysecellene har mange likhetstrekk med PEMFC. Fordelen med PEM elektrolysører er fraværet av en flytende og korrosiv elektrolytt, mulighet for en høyere virkningsgrad og mer kompakte anlegg enn for alkaliske elektrolysører. Ulempen er i dag høy pris og usikkerhet rundt levetid. Virkningsgrad for en alkalisk elektrolysør med energiforbruk på 4,0-4,4 kW/h/Nm3 er 68-75 prosent basert på lav H2-brennverdi.