A chemical and petrochemical plant at sunrise

19. mars 202411 min lesetid

Hvordan kan vi gjøre industrien mer klimavennlig?

Hydrogen til industrien - den klimavennlige måten

Industrien trenger store mengder hydrogen. Dessverre slipper dagens metoder for hydrogenproduksjon ut klimagassen karbondioksid. For å produsere hydrogen på en mer klima-vennlig måte, trenger vi høyt spesialiserte pumper.

Pie chart showing the use of hydrogen in the German chemical industry

Et viktig grunnmateriale i industrien

Uten hydrogen ville det ikke skjedd mye i industrien: Hydrogen er nødvendig for produksjon av ammoniakk, som er et råmateriale for gjødsel. Det er også nødvendig for produksjon av metanol, som er grunnlaget for kjemikalier som formaldehyd eller eddiksyre. Raffinering av råolje bruker hydrogen til å rense mineralolje eller til produksjon av syntetiske drivstoff.

Bruk av hydrogen kan også være en mulighet for stålindustrien til å produsere råjern uten karbondioksidutslipp. Denne sektoren står faktisk for en stor del av klimagassutslippene i industrien: Omtrent 30 prosent av Tysklands industrielle utslipp og cirka seks prosent av landets totale utslipp kommer fra stålindustrien.

Dessverre produserer også produksjonen av hydrogen store mengder karbondioksid. Dette slipper ut i atmosfæren og bidrar til global oppvarming. Hva er grunnen til at det slippes ut så mye CO₂ under hydrogenproduksjonen?

Naturgass er den viktigste kilden til hydrogen

Rundt 95 prosent av hydrogenet som brukes i industrien i dag, er såkalt «grått» hydrogen. Det utvinnes fra naturgass - kjemisk referert til som «metan» - ved hjelp av dampmetanreformering (SMR). Her blandes varm vanndamp med naturgass under høyt trykk og i nærvær av en katalysator. En kjede av reaksjoner resulterer i hydrogen og karbondioksid.

Infographic on the process of hydrogen production from natural gas

Dampreformering har blitt videreutviklet til autotermisk reformering (ATR).Denne prosessen genererer den nødvendige varmen for delvis oksidasjon direkte i reaksjonskammeret. Det er ikke nødvendig med en separat naturgassbrenner som brenner metan kun for å generere varme. Dette gjør ATR-metoden mer energieffektiv enn konvensjonell dampmetanreformering (SMR).
Begge disse metodene produserer imidlertid store mengder karbondioksid - omtrent ti tonn for hvert tonn hydrogen som genereres. Hvordan kan hydrogen produseres på en mer miljøvennlig måte?

Strøm og vann produserer grønt hydrogen

Den mest bærekraftige måten å generere hydrogen på er ved hjelp av elektrolyse. I denne metoden spalter en elektrolysør vann (H₂O) ved hjelp av elektrisk kraft i elementene hydrogen (H₂) og oksygen (O₂). Hvis strømmen som brukes, kommer fra fornybare kilder, er hydrogenet som genereres på denne måten, klimanøytralt. Det er derfor det kalles «grønt hydrogen».

Infographic on the process of gaining hydrogen by electrolysis

En ulempe med vannelektrolyse er det høye energiforbruket. Sammenlignet med dampreformering, som krever rundt 15 megawattimer for å produsere ett tonn hydrogen, bruker elektrolyse 50 megawattimer. Denne energien må komme fra fornybare kilder for at hydrogenproduksjonen virkelig skal bli klimanøytral.

Infografik mit einem Vergleich von Bedarf und Produktion von Wasserstoff

Grønt hydrogen trenger fortsatt litt tid

Grønt hydrogen ville vært den ideelle løsningen. Dessverre er det ikke tilgjengelig i tilstrekkelige mengder - og det vil det heller ikke være i nær fremtid. I Tyskland, for eksempel, skal det ifølge koalisjonsavtalen installeres elektrolysører med en samlet kapasitet på 10 gigawatt innen 2030.

Mengden hydrogen som genereres på denne måten, vil inneholde 30 terawattimer (TWh) energi. Det tilsvarer strømforbruket til rundt 300 000 tyske husholdninger per år. Det er foreløpig uklart om dette ekspansjonsmålet vil bli nådd.

For 2030 anslås et behov på minimum 50 TWh og maksimum 250 TWh i Hydrogenkompasset til Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V. (acatech) [Nasjonalt akademi for vitenskap og ingeniørfag] og Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e. V. (DECHEMA) [samfunn for kjemisk teknologi og bioteknologi]. Dette er et gap som må tas tak i.

Blått hydrogen er en realistisk mellomløsning

Inntil elektrolyse for grønt hydrogen blir mer avansert og kapasiteten øker, kan «blått» hydrogen være en midlertidig løsning. Det genereres på samme måte som konvensjonelt grått hydrogen ved dampreformering av naturgass. Forskjellen er at CO₂-en som produseres i denne prosessen, skilles ut ved hjelp av CCS-teknologi (karbonfangst og -lagring) i stedet for å slippes ut i atmosfæren. CO₂-en kan deretter transporteres om bord på et fartøy eller gjennom en rørledning til underjordiske lagringsanlegg.

Infographic on the process of generating blue hydrogen

Tomme gass- og oljereservoirer i Nordsjøen kan brukes til lagring av CO₂. Her kan CO₂ komprimeres og presses ned i dype, porøse sandsteinslag, hvor det vil reagere med bergarten og mineraliseres over tid. Et dekklag av bergarter med en tykkelse på flere kilometer vil sikre at karbondioksidet ikke slipper ut fra lagringsreservoirene.

Blått hydrogen, som er tilgjengelig for industrien i løpet av kort tid, har dratt nytte av mange års erfaring med CO₂-lagring, noe Sleipner-prosjektet, 250 kilometer utenfor norskekysten, er et eksempel på.

Denne teknologien kan fungere som en midlertidig løsning for å nå klimamålene raskere, parallelt med infrastrukturen for grønt hydrogen som er under utvikling.

Infographic comparing the CO₂ emission per kilogram of hydrogen generated using different methods

Hvor bærekraftig er blått hydrogen?

Hvor klimavennlig er blått hydrogen? Studier har vist at det kan være nesten like bærekraftig som grønt hydrogen, så lenge to betingelser er oppfylt: For det første må teknologien som brukes til å reformere naturgassen, gjøre det mulig å skille ut mer enn 90 prosent av karbondioksidet.

Studier har vist at blått hydrogen kan være nesten like bærekraftig som grønt hydrogen, så lenge to betingelser er oppfylt. For det første må teknologien som brukes for reformering av naturgass, gjøre det mulig å separere mer enn 90 prosent av karbondioksidet.

Slike høye separasjonsrater er lettere å oppnå med ATR-prosessen enn med SMR-prosessen, ettersom det ikke kreves noen ekstra brenner for å generere varme.

For det andre må lekkasjer forhindres ved håndtering og transport av naturgass. På grunn av det høye globale oppvarmingspotensialet må ikke mer enn én prosent av metanet som brukes, slippes ut.

Ifølge data fra International Energy Agency er dette allerede tilfelle i land som Norge, Storbritannia og Nederland. Under disse forholdene produserer produksjonen av blått hydrogen 2 til 3,5 kilo CO₂-ekvivalenter per kilo hydrogen - verdier som er sammenlignbare med verdiene for produksjon av grønt hydrogen.

KSB har flere tiårs erfaring med produksjon av hydrogen

For produksjon av hydrogen, samt for innsamling, transport og lagring av CO₂, er det behov for høyt spesialiserte pumper og ventiler. Disse håndterer ikke bare det trykksatte, flytende karbondioksidet, men pumper også absorberende løsninger som aminløsninger, som binder gassen – på samme måte som kullsyrevann. I tillegg krever CCS-systemer prosessvann og inneholder en rekke kjølekretser der vann sirkuleres. Lekkasjer må forebygges, og systemene må være korrosjonsbestandige, ettersom oppløst karbondioksid og aminløsninger kan være korrosive. Det er også viktig å hindre dannelse av lavtrykkssoner i systemene, hvor karbondioksid kan endre seg fra væske til gass. Dette krever mye praktisk erfaring.

KSB har fordelen av å kjenne prosessene i kjemisk industri svært godt. Vi har flere tiårs erfaring med å produsere grått hydrogen. Dette kommer oss også til gode når vi produserer blått hydrogen. På en midlertidig teststand i Frankenthal undersøkte vi i detalj hvilke faktorer som påvirker aggregeringstilstanden til karbondioksid. På denne måten kunne vi finne den mest effektive pumpen og det riktige driftsområdet for den aktuelle oppgaven i CCS-prosessen, og gi kundene våre råd om dette.

Denne kunnskapen gir resultater: "Vår unike kompetanse innen pumpe-teknologi og vårt globale samarbeid med lokale salgskontorer har resultert i et ekstraordinært år 2023 med prosjekter for blå deskarbonisering for KSB," rapporterer Renato Schioser Fragnani, Markedsutviklingssjef i KSBs markedsområde for petrokjemikalier/kjemikalier.

"Våre kunder ser verdien i våre innovative tekniske løsninger som gir konkrete, bærekraftige bidrag til industriens fremgang mot netto nullutslipp."

Allsidige pumper for ekstreme forhold

Hvilke pumper brukes vanligvis i CCS-systemer? I mindre systemer som behandler mellom 10 000 og 100 000 tonn CO₂ per år, bruker industribedrifter ofte Magnochems tetningsløse spiralhuspumpe.

Den roterende akselen går ikke gjennom pumpehuset og trenger derfor ikke å tettes, noe som utelukker risikoen for lekkasje ved tetningen. En magnetkobling overfører dreiemomentet fra motoren til innsiden av pumpehuset uten kontakt. Dette betyr at den standardiserte kjemikaliepumpen er hermetisk forseglet, noe som gir beskyttelse mot lekkasje.

Pumpen oppfyller de høyeste kvalitetsstandardene i henhold til ISO 5199. Den er tilgjengelig i et bredt utvalg av materialvarianter, og dens robuste design tåler trykk opptil 40 bar. En versjon i henhold til API 685 er også tilgjengelig. Med et stort utvalg av hydrauliske systemstørrelser og magnetiske koblinger gir den maksimal fleksibilitet.

Seal-less volute casing pump of the Magnochem type series

CHTR multistage high-pressure barrel-type pump to API 610 | KSB

Servicevennlig og pålitelig

I store systemer som behandler rundt en million tonn CO₂ per år, brukes pumper i henhold til industristandarden API 610 / ISO 13709. For eksempel flertrinnspumper mellom lagrene som CHTR (type BB5).

Dette pumpsettet er designet med lagre på begge sider av impellerne for å fordele belastningen jevnt ved høyt trykk eller større strømningshastigheter.

Sterke rullelager eller radiallager holder impelleren i aksial posisjon og tar opp de gjenværende aksialkreftene. Den mekaniske akseltetningen og lageret kan byttes uten at pumpen må åpnes.

Sikre ventiler for optimal strømningskontroll

Ventiler er like viktige som pumper for produksjon av blått hydrogen. Mange selskaper velger dobbelt-offset spjeldventil med plastomer-sete, som DANAÏS 150. Plastomer-materialer er kjemisk motstandsdyktige, forbedrer tetningsegenskapene og reduserer slitasje sammenlignet med konvensjonelle setematerialer.

Brukerne av CCS-systemer bruker ofte også burstyrte ensete reguleringsventiler, som er utstyrt med en enkelt ventilskive som støttes av et bur eller en ramme. Denne ventiltypen brukes ofte i industrianlegg når det er behov for presis styring av en væskestrøm.

For kondensering av karbondioksid bruker de metallsete ventiler av rustfritt stål. Metallkontakten mellom ventilskiven og seteoverflaten gir en tett avstengning og minimerer risikoen for lekkasje.