Ren vätgas – flera vägar, mycket olika prislappar

Den dominerande etablerade vägen från naturgas är ångreformering. Först avlägsnas ämnen, exempelvis svavelföreningar, som kan skada katalysatorerna. Därefter reagerar metan med vattenånga vid hög temperatur och bildar bland annat vätgas och kolmonoxid.

I nästa steg reagerar kolmonoxid med mer vattenånga. Då bildas ytterligare vätgas samt koldioxid. Slutligen separeras vätgasen från blandningen. En vanlig teknik är tryckväxlingsadsorption, PSA, där olika ämnen fastnar olika starkt på ett adsorbentmaterial. Genom att växla trycket kan bäddarna användas och regenereras omväxlande.

Resultatet kan bli mycket ren vätgas. Men reningen har en kostnad och återvinner inte automatiskt all vätgas i gasblandningen. Restgas används ofta som bränsle i processen. Hela anläggningens värmeintegration är därför viktig för ekonomin.

Varför är detta ofta billigare än elektrolys? Naturgasen fungerar både som råvara och energikälla, processen är väl utvecklad och stora anläggningar kan utnyttjas många timmar per år. Där gas är billig blir det svårt för elbaserad produktion att konkurrera enbart på tillverkningskostnad.

IEA redovisade 2019 ungefär 1–2 amerikanska dollar per kilogram för naturgasbaserad produktion utan separat avskiljning av koldioxid, jämfört med omkring 3–8 dollar för elektrolys i dåtidens kostnadsunderlag. Intervallen är historiska referenser, inte offerter för en svensk anläggning i dag. Gaspriser, elpriser, räntor, skala och systemgränser kan flytta resultaten kraftigt.

Ett alternativ till ångreformering är autoterm reformering. Där tillförs även syrgas så att en del av råvaran reagerar och ger värme inne i processen. Det förändrar anläggningens utformning, men kräver också syrgasförsörjning. Vilken lösning som är bäst beror bland annat på skala och hur den passar ihop med övrig industri.

Metanpyrolys är en särskilt intressant utmanare. I stället för att reagera metan med vattenånga spjälkas metanet till vätgas och fast kol. Reaktionen kräver energi, men ger en annan produktblandning än reformering.

Den enkla reaktionsformeln döljer ett besvärligt ingenjörsproblem: det fasta kolet måste kunna tas ut kontinuerligt utan att täppa igen reaktorn eller försämra värmeöverföringen. Forskare och företag undersöker bland annat plasma, katalysatorer och smälta medier som sätt att genomföra processen.

För varje kilogram vätgas bildas teoretiskt ungefär tre kilogram kol. Om kolet håller en kvalitet som kunder betalar för kan det förbättra kalkylen. Men man kan inte förutsätta att allt sådant kol säljs som en dyr specialprodukt. Renhet, partikelstruktur, efterbehandling och marknadens storlek avgör värdet. Pyrolysens ekonomi måste därför tåla realistiska antaganden om biprodukten.

En annan möjlighet är att ta vara på vätgas som redan uppstår i industriella processer, exempelvis vid kloralkalitillverkning. Där kan rening och kompression vara billigare än att bygga helt ny vätgasproduktion. Tillgången begränsas dock av huvudprocessens omfattning och av hur gasen redan används.

Förgasning av kol, biomassa eller vissa avfallsströmmar kan också ge en syntesgas som vidarebehandlas till vätgas. Tekniken kräver ofta omfattande gasrening. Tjära, partiklar och andra föroreningar gör råvarans kvalitet viktig. En billig råvara innebär alltså inte självklart billig slutprodukt.

Högtemperaturelektrolys använder i stället het vattenånga, ofta i fastoxidceller. En del av energibehovet kan då tillföras som värme snarare än elektricitet. Det är särskilt intressant där lämplig värme finns tillgänglig. Utmaningarna är bland annat materialens livslängd och hur cellerna klarar temperaturväxlingar. Lägre elförbrukning måste vägas mot värmeförsörjning och framtida cellbyten.

På kort sikt ligger mycket av förbättringen i mindre spektakulära framsteg: standardiserade anläggningar, bättre tillverkning, längre komponentlivslängd och färre driftstopp. Att sänka priset på själva elektrolysörstacken hjälper, men stacken är bara en del av den installerade anläggningen. Kraftelektronik, rörsystem, byggarbete och säkerhetssystem kostar också pengar.

Anjonutbytesmembran, AEM, är ett utvecklingsspår som försöker kombinera membranteknik med möjligheten att använda billigare katalysatormaterial. Potentialen är intressant, men lång livslängd vid praktiskt användbara driftförhållanden måste visas. Lovande laboratorieresultat är inte samma sak som en kostnadsgaranti för en fabrik.

Direkt soldriven vattenklyvning, med exempelvis fotoelektrokemiska material, undersöks också. Där är förhoppningen att integrera ljusinfångning och kemisk produktion. Effektivitet, hållbarhet och säker separation av gaserna återstår som centrala hinder innan tekniken kan räknas som ett brett kommersiellt alternativ.

Även placeringen kan väga tyngre än ett nytt katalysatormaterial. Produktion nära användaren kan minska transportbehovet. Samordning med industri kan ge tillgång till värme eller avsättning för syrgas. Men sådana intäkter ska bara räknas om det finns en verklig kund, rätt kvalitet och en fungerande leveranslösning.

Slutsatsen är därför villkorad. Billig naturgas och stor, jämn efterfrågan gynnar etablerad reformering. Billig el under många timmar stärker elektrolysens kalkyl. Befintliga restströmmar kan vara mycket attraktiva lokalt. Nya processer kan förbättra ekonomin, men det avgörande provet är uthållig drift: rätt renhet, avtalad mängd och ett pris som håller även när anläggningen behöver underhåll.