Hydrogen og energi

Industrielt

Det meste hydrogen blir i dag produsert fra naturgass og damp ved den såkalte "steam reforming process". Det finnes mange variasjoner, men typisk foregår prosessen som følger: Hydrokarboner og vanndamp varmes til mellom 800 og 870ºC, før det med et trykk på 2 til 2,5 mPa ledes over en nikkelbasert katalysator:

CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g)

(Her vist med metan)

Blandingsproduktet som dannes inneholder ca 77% H2 og kalles ofte syntesegass, fordi den blir brukt direkte til f.eks. produksjonen av metanol. Om det er ønskelig kan karbonmonoksidet reageres videre til karbondioksid, som så kan fjernes:

CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)

ved ca. 370ºC og bruk av katalysator.

Hydrogen produseres også ved partiell oksidering av hydrokarboner. F.eks. kan ufullstendig forbrenning av naturgass eller olje skrives:

CnH2n(g) + n/2O2(g) = nCO(g) + nH2(g)

For å få svært ren hydrogengass (99,999 %) kan den "filtreres" gjennom et metall. Hydrogenatomene er så små at de lett kan bevege seg gjennom enkelte metaller. Benytter man et rør av palladium (eller enda bedre er en legering av palladium med 23 vekt-% sølv) vil H2-molekylene spaltes når de treffer metalloverflaten, og hydrogenatomene bevege seg inn i metallet. Når gassen ledes gjennom røret vil derfor hydrogen diffundere ut gjennom metallet mens forurensningene blir holdt tilbake. Temperaturen man bruker er typisk 300 – 400ºC.

Deuterium kan anrikes ved elektrolyse av vann, men industriellt er dette dyrt. Istedet benyttes ofte kjemiske utbyttingsreaksjoner. Mest brukt er den mellom H2O og H2S. Likevekten HDO(g) + H2S(g) = H2O(g) + HDS(g) er forskjøvet mot høyre, så deuterium vil anrikes i hydrogensulfidet. For videre oppkonsentrerin benyttes fraksjonert vakumdestillering.

Tritium fremstilles i reaktorer ved: 6Li + 1n = 4He + 3T. Oppbevares enklest som UT3, som vil frigi tritium ved oppvarming.

I laboratoriet

Små mengder kan lett produseres ved reaksjon mellom metaller som f.eks. sink og fortynnet saltsyre eller svovelsyre:

Zn(s) + 2H+(aq) = H2(g) + Zn2+(aq)

eller ved bruk av metallisk natrium, kalium eller lignende:

2Na(s) + 2H2O = H2(g) + 2Na+(aq) + OH-(aq)

eller man kan benytte seg av elektrolyse av vann. Elektrolyse av vandig bariumhydroksid ved hjelp av nikkelelektroder kan gi 99,99 % H2:

Anode: 4OH– + 2H2O + O2 + 4e–

Katode: 4H2O + 4e– + 2H2 + 4OH–

I Norge

Ved Norsk Hydro Rjukan ble hydrogen fram 1928 fremstilt ved elektrolyse ved bruk av vannkraft.

Norge har et spesielt forhold til hydrogen. Vi var tidlig ute med å produsere hydrogen ved bruk av vannkraft og elektrolyse fra vann (eller egentlig en vandig løsning av alkalihydroksider). Ved Norsk Hydro i Rjukan ble hydrogen fra 1928 fremstilt slik i hovedsak for å brukes i produksjon av ammoniakk til kunstgjødsel, med hydrogengass til andre formål og tungtvann som biprodukt. Nå produseres hydrogen industrielt billigere fra damp-reformering av naturgass, og bare 4 % av verdens hydrogen kommer fra elektrolyse – mest der det trengs spesielt rent hydrogen eller der det er naturlig å bruke elektrisitet lokalt for å fremstille hydrogen. Det siste er aktuelt i fremtiden når hydrogen kanskje blir et vanlig drivstoff og brukt til mellomlagring av solenergi; Hydrogen Technologies (tidligere Norsk Hydro Electrolyzers) viderefører i dag Hydros teknologi på området og er blant verdens ledende produsenter av elektrolysører.

Norge har også vært langt fremme innen forskning på hydrogenlagringsmaterialer, takket være tidlig satsing på forskningsreaktoren på institutt for Energiteknikk (IFE) på Kjeller, der norske materialvitere i mange tiår har kunnet studere bl.a. metallhydrider: Mens tyngre atomer i faste stoffer kan studeres med røntgen- eller elektrondiffraksjon er hydrogen nesten ”gjennomsiktig” for disse typer stråling; nøytroner derimot har stor interaksjon med hydrogenkjerner, og atomreaktoren er derfor viktig for utviklingen av hydrogenlagringsmaterialer.

Hydrogen er viktig for Norge fordi vi ønsker å forbindes med en ren, miljø- og klimavennlig energibærer som kan fremstilles fra vann med fornybar energi. Og vi ønsker å levere hydrogenteknologi til beste for verdens klima og – må det vel innrømmes - vår egen industri og velferd. Vi har de siste årene hatt mange offentlige utvalg for utredninger, strategier og handling omkring hydrogen. Norges Forskningsråd har opprettet en plattform – Hydrogenplattformen – for å samle norsk forskning og utvikling på området. Norsk Hydrogenforum er en annen organisasjon som har arbeidet godt og lenge for å fremme interesse for og kunnskap om hydrogenteknologi. Norske og internasjonale miljøvernorganisasjoner støtter opp med kompetanse på høyt faglig nivå. HyNor – hydrogenveien som skal gjøre det mulig å fylle hydrogen og kjøre hydrogendrevet bil fra Stavanger til Oslo er blant ledende prosjekter på verdensbasis for å fremme hydrogendrevet transport. Den skal etter hvert inkludere Bergen og Romerike og knyttes til Sverige og resten av Europa.

Publisert 20. jan. 2019 08:56 - Sist endret 18. feb. 2019 20:44