2020-10-13
Vid en första anblick framstår vätgas – universums vanligaste och lättaste grundämne – som svaret på alla energifrågor. Vätgas kan produceras överallt där det finns elektricitet och vatten. Den kan användas för att producera elektricitet eller värme. Den ger inga utsläpp av koldioxid och låga utsläpp av luftföroreningar vid förbränning i en motor eller i en bränslecell. Vätgas innehåller tre gånger så mycket energi som bensin eller diesel per viktenhet.
Dessa positiva egenskaper har gjort att den hamnat högt på agendan bland klimatåtgärder. Först som en lösning för att minska utsläppen inom industriella processer och inom sektorer där det är både bråttom och svårt att åstadkomma utsläppsminskningar. Därefter har vätgas dykt upp inom allt fler områden och EU har under sommaren antagit två strategidokument; en strategi för integrering av energisystemet och en vätgas-strategi för ett klimatneutralt Europa.
Det europeiska vätgasprojektet är baserat på att produktionskostnaden för fossilfri vätgas ska minska från mellan 2,5 och 5,5 euro per kg vätgas idag till mellan 1,1 och 2,5 euro per kg vätgas till 2030. Detta genom att elektrolyskapaciteten inom EU ska öka från dagens 60 MW till 6 GW år 2024 och därefter till 40 GW fram till år 2030. Kostnaden för elektrolyskapaciteten beräknas till mellan 24 och 42 miljarder euro. Totalt förväntas vätgasplanerna komma att kosta någonstans mellan 320 och 458 miljarder euro.
Flera länder förespråkar en ”vätgasekonomi” och ser en stor potential för vätgas som energibärare. Ett flertal länder, däribland Nederländerna, Spanien, Tyskland och Danmark, har redan antagit ambitiösa planer motsvarande flera GW elektrolyskapacitet. Nederländerna är det land som hittills annonserat de mest omfattande planerna med 12,9 GW.
Samtidigt har vätgas flera nackdelar. Den förekommer inte fritt i naturen och därför krävs energi för att separera. Det krävs avsevärda tryck på uppemot 700 gånger atmosfärstryck eller nedkylning till minus 253 °C för att lagra någorlunda effektivt. Vätgas innehåller endast en fjärdedel så mycket energi per volym som fossil metangas. Vätgas kan orsaka försprödning av metaller, läcker genom minsta tänkbara spricka och är både explosivt och lättantändligt.
Klimatkontext
FN:s klimatpanel IPCC uppskattade att antropogena utsläpp av växthusgaser behöver minska med hälften till 2030 för att sedan nå nettonoll utsläpp till 2050 för att begränsa den globala uppvärmningen till under 1,5 °C under detta århundrade. För att istället begränsa uppvärmningen till under 2 °C krävs nettonoll utsläpp till 2070. Ett annat sätt att utrycka målsättningen är i termer av hur mycket koldioxid som kan släppas ut, en koldioxidbudget. För att klara 1,5 °C-målet kvarstod år 2017 ungefär 420 miljarder ton i koldioxidbudgeten. Med nuvarande utsläpp om cirka 42 miljarder ton koldioxid per år kommer alltså koldioxidbudgeten vara förbrukad innan årtiondet är över.
I ett antal scenarion återstår vid år 2050 fortfarande utsläpp motsvarande ungefär 20 miljarder ton koldioxid per år. Detta inkluderar endast de sektorer som anses vara svåra att minska utsläppen inom. Övriga sektorer, som elproduktion, anses redan ha minskat utsläppen till noll till år 2050.
Avsaknaden av en direkt strategi för dessa svårare sektorer har lett till omfattande tillit till teknologier för negativa utsläpp. Det är alltså här som vätgas, producerad från fossilfria källor, har dykt upp som ett alternativ för att minska koldioxidutsläppen. Sektorer som kan nyttja vätgas för att kraftigt minska utsläppen är bland annat flygtransporter, fartygstransporter, bil- och lastbilstransporter samt stålproduktion och andra industriprocesser. Vätgas kan antingen förbrännas direkt i motorer, användas i bränsleceller eller användas för att producera elektrobränslen, till exempel syntetiska kolvätekedjor eller ammoniak.
Vätgas ingår även i vissa länders strategier för att minska utsläppen från uppvärmning. I länder som Storbritannien, där fossil metangas (även kallad ”naturgas”) står för över 60 procent av hushållens energianvändning, undersöker man möjligheten att ersätta den med vätgas. Ett annat alternativ är blanda in vätgas med naturgas för att minska utsläppen, men tester visar på en praktisk gräns runt 20 procent vid inblandning vilket endast skulle ge blygsamma utsläppsminskningar. Ett annat problem med vätgas är att dagens gasledningar för metan (fossil eller biobaserad) ofta inte klarar en allt för hög inblandning av vätgas.
Vätgas idag
I dagsläget förbrukas ungefär 70 miljoner ton vätgas per år, nästan uteslutande producerat från fossil metangas och från fossilt kol. Av denna vätgas används ungefär hälften till raffinering av oljeprodukter, 40 procent till produktion av ammoniak (för gödselmedel) och resterande del till andra processer, främst produktion av metanol och för stålproduktion. Även om det går att använda infångning av koldioxid för att begränsa utsläppen av koldioxid vid produktionen är infångningen begränsad till omkring 95 procent för de mest effektiva teknikerna.
Vätgas produceras idag till stor del lokalt, antingen för lokala ändamål eller som en biprodukt av olika industriprocesser. Den internationella handeln med vätgas är mycket begränsad. Det leder till varierande kostnader för vätgasproduktion som i dagsläget inte är särskilt konkurrensutsatt.
För att kunna börja konkurrera med vätgas producerad från fossila bränslen där kostnaden är högst krävs att den fossilfria vätgasen kostar ungefär 2 USD/kg vätgas. För att fossilfri vätgas fullständigt ska konkurrera ut fossil vätgas krävs att den fossilfria kostar 0,90 USD/kg vätgas eller mindre.
Vätgasproduktion i framtiden
Den mest lovande tekniken för att producera vätgas utan koldioxidutsläpp är spjälkning av vatten till vätgas och syrgas. Detta kan göras genom elektrolys och termolys. Elektrolys innebär att vattnet spjälkas på elektrokemisk väg och det finns flera olika tekniker. Termolys innebär att vattnet spjälkas på termokemisk väg. Båda tekniker har funnits sedan en längre tid. Till exempel hade Norge ett flertal stora elektrolysanläggningar (runt 150 MW) redan under mitten av 1900-talet, bland annat i Rjukan och Glomfjord. Norrmännen producerade även tungt vatten som sedan koncentrerades med hjälp av elektrolys. Under den tyska ockupationen under andra världskriget saboterades och bombades flera anläggningar av norska och brittiska styrkor. De största elektrolysanläggningarna idag har en installerad effekt omkring 10 MW och det finns förslag på anläggningar inom en nära framtid på upp till 100 MW.
Termolys kräver istället höga temperaturer, nära 1 000 °C, för att spjälka vattnet till vätgas och syrgas. Utan katalysatorer krävs mycket höga temperaturer för att åstadkomma fullständig termolys, uppemot 4 000 °C, men av flera skäl är detta inte praktiskt. Ett mer realistiskt alternativ är en kombination, alltså högtemperaturelektrolys. Där hettas vattnet upp vilket ökar effektiviteten i elektrolysprocessen. En lämplig temperatur för detta ändamål är ungefär 500 °C.
Förväntningarna från många, vind- och solkraft såväl som kärnkraft, är att vätgasproduktionen ska möjliggöra högre nyttjandegrad och flexibilitet vad gäller kraftproduktion till marknaden. Det finns dock en del hinder. Bland annat att vätgasproduktion leder till jämförelsevis stora omvandlingsförluster, särskilt vid så kallad Power-to-Gas-to-Power där omvandlingen används för att lagra elektrisk energi i form av vätgas.
Vätgasproduktion från kärnkraft
För vanlig elektrolys krävs endast utrustningen, vatten och elektricitet. Därför går det alltså att tillverka vätgas oavsett hur elektriciteten produceras. Flera rapporter visar att den främsta faktorn som styr kostnaden för att producera vätgas med elektrolysörer är kapacitetsfaktorn, alltså antalet fullasttimmar. Anledningen till detta är att elektrolysörer med kringutrustning är kapitalintensiva investeringar, som därmed bör nyttjas i hög grad. Därför krävs antingen ett högt antal fullasttimmar, eller ett extremt lågt elpris.
Enligt en ny rapport, Missing Link to a Livable Climate från konsultbyrån Lucid Catalyst, leder en fördubbling av kapacitetsfaktorn till en halvering av kostnaden för den producerade vätgasen. Denna effekt är större än effekten av en minskning av kapitalkostnaden – vilket alltså betyder att ett kärnkraftverk som kostar 5 500 USD/kW att bygga och producerar 90 procent av tiden kommer att producera vätgas till samma pris som ett en vindkraftpark som kostar 1 500 USD/kW att bygga och producerar 45 procent av tiden. Båda dessa anläggningar skulle, enligt rapporten, producera vätgas för ungefär 4 USD/kg. Rapporten påpekar att vätgas från nya kärnkraftverk som byggs i Asien redan idag skulle kunna nå 2 USD/kg vätgas.
För att sänka kostnaderna ytterligare krävs tillskott av värme. Detta eftersom värme dramatiskt förbättrar elektrolysens effektivitet. Genom att tillföra höggradig värme på runt 500 °C från nya reaktorer, som högtemperaturreaktorer, kan man öka effektiviteten från 60 procent till över 90 procent. Detta resulterar i en minskning av kostnaderna med ungefär en tredjedel – motsvarande från 3 USD/kg vätgas till 2 USD/kg vätgas vid 90 procent kapacitetsfaktor.
Rapporten visar också hur lägre kostnader för både elektrolysörer och reaktorer i framtiden kan möjliggöra produktion av vätgas för lägre kostnader, ända ned till det som anses vara den magiska gränsen på 0,90 USD/kg vätgas.
Vätgas och elektrobränslen från kärnkraft i framtiden
Med optimistiska antaganden för kostnadsutvecklingen för nya högtemperaturreaktorer och elektrolysörer kan det enligt rapporten bli lönsamt att bygga storskaliga fabriker för produktion av elektrobränslen, främst ammoniak.
Rapporten räknar därefter på ett ambitiöst framtida scenario där avancerade reaktorer massproduceras i fabriker som liknar skeppsvarv. Genom att placera flera små avancerade reaktorer på ett stort fartyg har man sedan en plattform som är färdig för att fungera som terminal för tankerfartyg att tanka ammoniak från. Ett stort antal avancerade reaktorer tillsammans på de platser där det idag finns befintliga raffinaderier skulle kunna ersätta den fossila drivmedelsproduktionen.
Kärnkraft, vätgas och elektrobränslen idag
Redan idag görs dock framsteg. Ett mycket stort antal avancerade reaktorer är i olika stadier av utformande, licensiering eller uppförande. I Kina konstrueras just nu HTR-PM, en gaskyld högtemperaturreaktor vid Shidao Bay. Reaktorn beräknas ska stå klar under 2021 eller 2022.
Vätgasproduktion planeras vid flera kärnkraftverk runt om i Världen. I USA finansierar den amerikanska energimyndigheten, DOE, två projekt för vätgasproduktion med drygt 26 miljoner dollar, ungefär 230 miljoner kronor. DOE har tidigare annonserat satsningar på drygt 7 miljoner dollar, se även artikeln om stora amerikanska satsningar från 2020-08-21.
Även i Storbritannien pågår satsningar på vätgasproduktion från kärnkraft. Där är det EdF som annonserat satsningar på vätgas från det föreslagna kraftverket Sizewell C, där EdF vill bygga två EPR. Genom initiativet Hydrogen to Heysham (H2H) har EdF planerat för ett elektrolyssystem om 2 MW till en början för testning. Därefter planeras det för en möjlig framtida expansion till 550 MW elektrolysörer, fördelade över EdF:s flotta av kärnkraftverk.
Även elektrobränslen är på gång. Flera tillverkare av gasturbiner har meddelat att de kör storskaliga tester med vätgasturbiner. Dessutom har de första större testfrakterna av ammoniak börjat genomföras. Samtidigt har ett flertal tillverkare av stora motorer meddelat att de både kan tillverka nya motorer och konvertera befintliga motorer för att använda ammoniak. Airbus har annonserat att de satsar på vätgasdrivna flygplan som ska börja tas i drift från 2035. Ett potentiellt problem, som särskilt kan ställa till det för flyget, är att förbränning av vätgas leder till höga utsläpp av NOx till följd av de höga förbränningstemperaturerna.
Oviss framtid
Inför framtiden ser optimismen och ambitionerna ut att vara nästan lika stora som utmaningen man står inför att lösa. Tekniska förutsättningar finns på plats, politisk vilja och omställningsbehovet likaså. Trots detta är utmaningarna stora, bland annat med att lyckas skala upp systemen och att lyckas rikta dem till de sektorer där de verkligen kan göra skillnad. Framtiden för vätgas är oviss, men en sak står helt klar – det kommer produceras mer vätgas framöver.