Är vätgas framtidens energibärare för att klara energiförsörjningen och klimatet?

Figur 1: Överskottsel från vindkraftsverk kan konverteras och lagras som vätgas.
foto: Pixabay

Artikelförfattare:  Johnny Kellner, Enrergi- och klimatstrateg.

Världen har haft en lång epok med en stabil och trygg energiförsörjning genom den energi/bränsle som lagras i jordskorpan av kol, olja, uran och naturgas/metangas. Andra och nya lösningar måste tas fram ifall vi ska begränsa den globala temperaturökningen. Att enbart minska andelen utsläpp av koldioxid (CO₂) är relativt enkelt. Att däremot minska utsläppen av CO2 samtidigt som det säkerställer ekonomiskt tillväxt är svårare. Vätgas kan vara en lösning för att både producera och lagra el. Vätgas som är det vanligaste och lättaste grundämnet vi har på jorden med beteckning H2 och har flera egenskaper som gör det intressant i energisammanhang. Vätgas är i likhet med el en energibärare. Men till skillnad från el kan vätgas lagras. Energilösningar med vätgas genererar inte några utsläpp av CO₂, utan enbart vatten. Vätgas finns naturligt i atmosfären, ett läckage är därför biologiskt ofarligt. Vätgas är däremot explosivt när det blandas med syre i ett begränsat utrymme och är klassat som brandfarlig och ska hanteras därefter.

Varje nation kan inte lösa klimatfrågorna enbart inom sitt lands gränser. Huvuddelen av världens länder har inte de gynnsamma förutsättningar som Sverige med vår vindkraft, kärnkraft, biokraftvärme och vattenkraft. Sol som energikälla har världen oändligt gott om, inte minst i den fattigare delen av världen. Framställning och lagring av vätgas genom till exempel solkraftverk är i dag en tillgänglig tekniken. Tekniken är fortfarande dyr. Konsultföretaget Bloomberg New Energy Finance gör bedömningen (20 april 2020) att förnyelsebar vätgas kan kosta 20 SEK/kg år 2030 inklusive produktion, distribution och lagring. Ifall kostnaden skulle vara cirka 10 SEK/kg är det ungefär samma nivå som naturgas har idag.

Figur 2: Bränsleceller omvandlar vätgas till el.
Illustration: Elforsk.

Lokala och storskaliga vind- och solkraftsanläggningar för framställning av vätgas

Framställning av vätgas genom sol- och vindkraft är intressant både lokalt och storskaligt. Lokalt i Sverige främst för större elslukande industrier och energibolag. Storskaliga solkraftanläggningar för vätgasframställning borde kunna förläggas till länder där tillgången på sol nästan är oändlig, som hos de oljeproducerande länderna i de tempererande klimatzonerna.

Lokala väderberoende solcells- och vindkraftsanläggningar i Sverige, men även i norra Europa, visar på stora variationer ur driftsynpunkt, inte bara mellan natt och dag, årstid utan även mellan flera dagar beroende på stiltje och molnighet, vilket utgör ett problem ur el-effektsynpunkt. Under sommarhalvåret produceras det periodvis mer el via solceller och vindkraft i Sverige än vad el-nätet kan ta emot, det vill säga det blir ett el-överskott som inte kan utnyttjas och som går förlorat. Exempel där detta är vanligt är i Tyskland och Danmark. Överskott av el skulle med fördel kunna nyttiggöras för produktion av vätgas som kan lagras och konverteras till el för senare användning för att klara el-effekttoppar, speciellt för de södra delarna av Sverige. Överskottselen kan även direkt användas för att producera vätgas som sedan kan användas i industriella processer eller som bränsle. För många industrigrenar är leveranssäkerhet av el helt nödvändig. Det är det ekonomiska värdet av driftsäkerhet som sätter priset. Effektbehovet kan i vissa fall säkras med byggnadsknutna el-lager med vätgas.

De nackdelar som finns med vätgas är att omvandling och komprimering el-vätgas-el ger omvandlingsförluster. Vid storskalig solkraftsel i till exempel Af-rika kan den stora soltillgången göra att teknikens sämre verkningsgrad inte behöver få någon avgörande betydelse vid omvandlingen till vätgas. Vid kraft-värmeverk i Sverige går det utnyttja den värme som bildas vid el-generering och använda den till fjärrvärmenätet och därigenom uppnå upp till 95 procent verkningsgrad. För vätgasbilar kan spillvärmen utnyttjas till att värma kupén.

Figur 3: Solkraftverk i tempererade zoner kan omvandla sol till vätgas.
foto: Pixabay.

Teknisk framställning och lagring av vätgas

Vätgas har en stor potential i ett energisystem. Vätgas kan även användas som fordonsbränsle via bränsleceller eller som lagring för senare konvertering till el. Ett kilo vätgas innehåller ungefär lika mycket energi som tre kilo bensin men volymen är mycket större.

Vätgas kan produceras via elektrolys av vatten men måste lagras under högt tryck. Väte kan lagras i flytande form eller trycksatt i gasform i behållare eller bergrum. För att få väte flytande måste det kylas ner till -253 ºC, vilket är mycket energikrävande och dyrt. För att lagra vätgas effektivt i större lagringsutrymmen krävs höga tryck 200-700 bar. Vätgas som lagras kan sedan transporteras via fartyg och pipelines och nå stora delar av Europa. Vid behov kan vätgasen även förbrännas i en kraftvärmeprocess och generera både elektricitet och värme. Det finns förhoppningar att det kommer gå att utvinna vätgas genom fotolys, termolys och fotoelektrolys med hjälp av solenergi. Den teknik som det finns stora förväntningar på är fotolysteknik (solljus som kan sönderdela vatten direkt) vilken är en teknik som efterliknar processen från fotosyntesen hos växter.

Flera storskaliga solkraftanläggningar är i dag i drift runt om i världen. Att framställa rent sötvatten för vätgasproduktion är dyrt där sötvatten inte är tillgänglig. En forskargrupp vid Stanforduniversitetet har visat med praktiska studier och med goda resultat att det även går att använda elektrolys med saltvatten.

Satsningar med vätgas för el-effektutjämning

El-systemet måste ständigt vara i balans, det vill säga el-produktion och elbehov måste matchas i varje sekund. Både sol- och vindkraft, speciellt i norra Europa, är väderberoende till naturen och därmed ej stabila ur effektsynpunkt. I Sverige är det vattenkraft, kärnkraft, kraftvärme och i viss mån importerad fossilbaserad el som används för att balansera elnätet. Svenska Kraftnäts effektreserv i Karlshamn drivs med fossila bränslen. Om de fossilfria energikällorna ska få någon verklig betydelse i ett energisystem krävs det metoder för el-mellanlagring. Genom att sommartid kunna lagra den överskottsel som annars går förlorad med vätgas, för att senare användas då behovet är större än utbudet, kan energisystemet hållas i balans utan ständig passning av produktion och konsumtion. Här kan vätgas fungera som effektutjämnare. Vätgas har en hög energitäthet och lagring kan ske över längre perioder. Behovet av att kunna lagra elektricitet ökar i takt med att utbyggnaden av väderkänsliga förnybara energikällor växer och när kärnkraften av ekonomiska- och åldersskäl planeras att fasas ut speciellt för södra Sverige. Detta skulle göra energisystem baserade på vindkraft och även solceller mer flexibla och bidra till att öka takten för utbyggnaden av förnybar energi.

Ny exportvara

Det borde ligga i de oljeproducerande staternas i de tempererade zonernas intresse att kunna leverera en helt ny exportvara för att ersätta sin inom tid tynande oljeindustri med avancerad solkraftsteknik för framställning av el till vätgas. Tekniken är förnärvarande inte ekonomisk lönsam, men i dag finns de ekonomiska resurserna tillgängliga att utveckla vätgastekniken. Världssamfundet via FN men även internationella banker och finansieringsinstitut måste initialt kunna bidra med ekonomiskt stöd även till oljestaterna inom ramen för gröna fonder men då med öronmärkta finansieringar till projekt med storskalig solkraftsteknik. Klimatförändringarna berör ju alla stater, även länder med god tillgång av fossilenergi. Väntar världs-samfundet för länge så kan det vara för sent även om viljan sedan skulle finnas, men då ekonomin saknas. Det är i dag som möjligheter, tid och ekonomiska resurser finns att tillgå även om en del av miljöarbetet tillfälligt har tvingats till en kortare paus på grund av covid-19. I spåren av covid-19 har efterfrågan på olja sjunkit kraftigt. Tendensen är att fossila bränslen sannolikt kommer få allt svårare att konkurrera med förnybara alternativ.

Ett av hindren för storskalig energilagring är det svenska regelverket. Elnäts-företagen får äga energilager, men enbart för att täcka nätförluster eller tillfälligt ersätta utebliven el vid elavbrott. Det vill säga energilager får bara användas i nödfall. El-lagen bör därför ses över om energilager ska bli en framtida intressant affär för nätbolagen. Energimarknadsinspektionen har på regeringens uppdrag lagt ett förslag (EI R2020:02) om vissa undantagsbestämmelser som en del utifrån EU:s nya elmarknadslagstiftning.

Figur 4: Hybrid förenklad illustration.
Bild: SSAB.

Exempel på några pågående större utvecklingsprojekt med vätgas

För industrin kan vätgas ersätta kol vid tillverkning av stål. I Sverige utvecklas förnärvarande ett lokalt storskaligt industriellt projekt kallat Hybrit, (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) som är ett samverkansprojekt mellan SSAB, Vattenfall och LKAB. Hybrit-projektet bygger nu världens första pilotanläggning baserad på direktreduktion av järnmalm med vätgas, i anläggningarna i Luleå. Målet är att SSAB ska kunna erbjuda det första fossilfria stålet till marknaden redan år 2026. Projektet har redan fått internationell uppmärksamhet. Den totala kostnaden för pilotfasen beräknas uppgå till cirka 2,0 miljarder kronor. Ener-gimyndigheten finansierar projekten med sammanlagt 599 miljoner kronor.

Hybritprojektet ska utvärderas hur vätgas kan användas i den kemiska processen inom den del av stålindustrin som använder masugnar. Det handlar om att ersätta kokskolet, som traditionellt behövs för malmbaserad stålframställning, med fossilfri el via vätgas vid framställningen av stål. Fördelen är att ingen CO₂ bildas som restprodukt. Projektet ses som nästa avgörande steg för järn- och stålindustrins omställning mot minskade utsläpp av växthusgaser och är av vikt för att bidra till Sveriges mål om nettonollutsläpp av växthusgaser år 2045. Om förväntningarna uppfylls skulle det innebära att Sveriges totala årliga utsläpp av CO₂ motsvarande cirka 50 miljoner ton CO₂ ekv från en enskild industrigren kan minskas med 10 procent. Potentialen kan bli stor och intressant även för andra stålindustrier i världen.

I Norge pågår ett mindre projekt med en vätgasdriven bilfärja med en kapacitet för 80 bilar och cirka 300 passagerare. Färjan byggs av varvet Westcon och tas i trafik år 2021.

I Fukushima i Japan ska elenergi från solpaneler omvandlas till vätgas. Produktionsanläggningen på 10 MW är störst i världen. Området är känt för kärnkraftsolyckan år 2011. Fukushimaregionen har byggt upp en stor anläggning som ska producera vätgas med förnybar elenergi från sol. I England pågår ett större utvecklingsprojekt där företaget ITM Power med finansiellt stöd av brittiska staten kommer att testa massproduktion av nya, stora elektrolysstacksmoduler.

Figur 5: Vätgasbil är en annan form av elbil.
foto: Anders Myrdal.

Skattemedel och subventioner måste prioriteras till rätt ändamål

Samtidigt visar Hybritprojektet hur väsentligt det är att även lokalt satsa på storskalighet inom industrin som ger stor inverkan på klimatet och inte lägga politiskt populistiska skattemedel i Sverige på att subventionera till exempel elcyklar som inte ens ger någon mätbar effekt. Ska även elbilar i ett internationellt globalt perspektiv ha en framtid inte bara i Sverige och Norge kan elen i andra länder i världen inte i fortsättning framställas med fossila bränslen. En stor del av Europas stater använder koleldade kraftverk för att framställa el. Som exempel så sker 80 procent av Polens elförsörjning med smutsig brunkol och 38 procent av Tysklands el-försörjning baseras med kol. De svenska utsläppen från elproduktion ger små klimatavtryck, cirka 20 g CO₂/kWh, medan EU genomsnittet ligger på 340 g CO₂/kWh enligt Energiföretagen. EU släpper med andra ord ut i genomsnitt cirka 17 gånger mer CO₂ än Sverige. Vätgas kommer sannolikt att bli en allt viktigare energibärare för att säkra el-effektbehovet för industrin.

Elanvändning och därmed el-effekt-behovet i Sverige kommer att öka bland annat på grund av befolkningsutveckling-en som år 2030 beräknas ha växt med en miljon till 11 miljoner invånare. Till detta kommer industrins behov men även att antalet elbilar ökar vilket kommer att medföra periodvis större behov av import från kontinenten av fossilbaserad el ur effektsynpunkt. I detta perspektiv är det intressant med vätgasbilar med bränsleceller som inte ger några utsläpp av växthusgaser. Det är en utveckling som är på frammarsch i Japan, Sydkorea, Norge, Tyskland och även Sverige. Till exempel har Volvo och tyska Daimler inlett ett samarbete med bränslecellsdrivna lastbilar med vätgas. Förhoppningen att under andra halvan av 2020-talet kanske få igång en serieproduktion. Satsningen ligger på 6,5 miljarder kronor. Vätgasbilen är en annan form av elbil som kommer att konkurrera med traditionell batteri-teknik. Dessutom tar det bara minuter att fylla full tank med gas.

Motstånd från Energimyndigheten

Energimyndigheten anser märkligt nog inte att det finns behov av att göra vätgas av överskottsel från sol- och vindkraft som man sen sparar i lager tills man behöver omvandla den till el igen. Det är en lösning som planeras i en del andra länder. Motivet är att vi har så mycket svensk vattenkraft som fungerar som stora energimagasin och reglerkraft. Det Energimyndigheten missar är att det är turbinernas kapacitet som styr och begränsar effektkapaciteten, den så kallade svängmassan, och inte enbart hur mycket vatten som det finns i magasinen och distributionen till södra Sverige. Dessutom händer det att vi har torrår även i Sverige vilket kan påverka leveranssäkerheten när kärnkraften av-vecklas.

Konklusion

El från vindkraft och solceller är väderberonde framförallt ur el-effektsynpunkt. Enligt Kungliga ingenjörsvetenskapsakademien (IVA) beräknas också elbehovet att öka från dagens 145 MWh till mer än 200 TWh till år 2045. Det kommer därför periodvis bli nödvändigt att importera el från kol- eller gaskondens från kontinenten för att klara Sveriges el-effektbehov under vissa perioder under vintern framförallt för södra Sverige. För att hantera effektbehov kan Sverige i ett längre perspektiv behöva lagra el med vätgas genom att utnyttja överproduktion av el från solceller- och vindkraft under delar av sommarhalvåret som annars skulle gå förlorad. Även storskalig solkraftproduktion för fram-ställning av vätgas i länder med mycket sol till exempel i Afrika och Mellanöstern är intressanta lösningar som bör studeras i ett större globalt perspektiv. Sahara skulle kunna förse Europa med all el som behövs. Det skulle räcka med en yta som motsvarar ett mindre europeiskt land, till exempel Belgien. Sahara har över 4300 soltimmar årligen, nära det maximalt möjliga som är 4450 timmar. När stora mängder elektricitet ska distribueras över längre avstånd görs detta i form av högspänd likström (HVDC). Ett problem med dessa kablar har hittills varit energiförlusterna när avståndet ökar.

Det är fortfarande en väg kvar så länge världssamfundet ställs inför staters protektionism, brist på engagemang och insikt från flera av världens ledande politiker, vilket klimatmötet i Madrid i december 2019 tydligt visade. Exempelvis planerar Kina att bygga 700 kolkraftverk den närmaste tiden enligt Global Coal Plan Tracker. Totalt sett planeras 1600 nya kolkraftverk i 62 länder. Avvecklingen av kolkraft går med andra ord trögt. Vi får acceptera att Sveriges inflytande i ett internationellt perspektiv är ganska begränsat. Politikerna vid FN:s klimatmöten måste förhoppningsvis börja förstå att det går att förhandla med var-andra men inte med klimatet. Utsläpp av växthusgaser känner som bekant inte av några nationsgränser.

Referenser:

[1] David Wadst, Gustav Lindberg. Vätgassystem visioner och realism, Lunds Tekniska Högskola.
[2] Pär Östberg. Vätgas som energilager, Lunds universitet.
[3] Tobias Persson, Tillväxtanalys. Vätgas kan bli stort.
[4] Johan Lesser, Vätgasproduktion med elektrolysör, Umeå Universitet.
[5] Vätgas Sverige, Vätgas som energilager.
[6] Felix Björklund, John Edgren, Linda Nohrstedt, Ny Teknik, olika artiklar.
[7] Så når Sverige klimatmålen syntensrapport, IVA projektet Vägval el från IVA.
[8] Licheng Sun, Viktigt genombrott för förnyelsebara energikällor, organisk kemi KTH.