Vätgas och energilagring – nycklarna i framtidens energisystem?

Allt eftersom länder och företag ska minska sina koldioxidutsläpp och gå från fossila bränslen till mer hållbara alternativ blir det allt tydligare att nya lösningar krävs. Vätgas och energilagring har blivit två hörnstenar i klimatarbetet och intresset för de båda områdena är enormt.

Vätgas, som är universums vanligaste och lättaste grundämne, har en lång rad egenskaper som gör den attraktiv som ersättare till fossila bränslen – oavsett om det är för lagring av energi, som bränsle eller som insatsråvara i processindustrin. Den kan användas för att producera både elektricitet och värme utan att ge upphov till utsläpp av koldioxid och ger låga eller inga utsläpp av luftföroreningar vid förbränning i en motor eller bränslecell. Dessutom innehåller vätgas tre gånger så mycket energi som bensin eller diesel per viktenhet och den kan även användas i en rad industriprocesser, nya såväl som befintliga.

Det är alltså inte konstigt att vätgas har seglat upp som svaret på många energifrågor och högt upp på agendan bland klimatåtgärder. Samtidigt har den flera nackdelar. Mätt per volym innehåller vätgas endast en fjärdedel så mycket energi som metangas. Det krävs enorma tryck på uppemot 700 gånger atmosfärstryck eller nedkylning till strax över absoluta nollpunkten för att lagra och transportera den effektivt. Vätgas orsakar även försprödning av metaller, läcker genom den minsta sprickan samt är lättantändligt och explosivt.

Användningsområden

Elproduktionen i Sverige är i stort sett redan fossilfri sedan många årtionden, men det finns en rad sektorer som anses vara svårare att minska utsläppen inom. Det handlar till exempel om transporter med flyg och fartyg, samt industriprocesser som stålproduktion. Detta är nya områden där vätgas kan användas som bränsle eller insatsråvara för att ersätta dagens fossila bränslen. Vätgasen kan också användas för att lagra vind- och solkraft från perioder med hög produktion till perioder med stiltje eller kvällstid, då elkonsumtionen ofta är hög men solen inte skiner lika starkt.

Vätgas är egentligen inte ett något nytt område, utan används i stor utsträckning redan idag. Främst används vätgas inom kemiindustrin för att producera petroleumprodukter och ammoniak för gödningsmedel.

Produktion av vätgas

Vätgas kan produceras på flera olika sätt. Idag tillverkas nästan all vätgas från naturgas eller andra fossila bränslen som kol, diesel eller gasol. Eftersom de källorna ger upphov till utsläpp av koldioxid finns det andra lösningar, som elektrolys. I elektrolysprocessen spjälkas vatten till syrgas och vätgas genom att elektrisk ström tillförs. Det finns en rad olika processer som använder sig av olika typer av så kallade elektrolysörer. En vanlig process idag är alkaliska elektrolysörer, där lut (kaliumhydroxid) används som elektrolyt. Lut förbrukas inte i processen utan utgör en jonbärare till vattnet. Elektrolysprocessen kräver mycket energi i form av elektricitet och det går åt mer energi för att producera vätgasen (omkring 50 kWh för ett kg vätgas) än vad man kan få ut av den efteråt (cirka 33 kWh för ett kg vätgas).

Transport eller lagring

Om inte vätgasen produceras där den ska användas måste den transporteras. Det kan ske antingen i trycksatta behållare på fartyg, genom pipelines eller genom att omvandla den rena vätgasen till en annan kemisk form som är lättare att transportera. Eftersom ren vätgas kräver höga tryck kan ett bra alternativ vara att transportera vätgasen som ammoniak och därefter antingen direkt använda ammoniak istället, eller omvandla ammoniak tillbaka till vätgas genom så kallad ”cracking”.

I en crackeranläggning, som bland annat är vanliga inom stålindustrin, omvandlas ammoniak till en fjärdedel kväve och tre fjärdedelar vätgas. Nackdelen med ammoniaken är att den lätt förgasas till mycket farliga ångor. Att arbeta med farliga och explosiva kemikalier som ammoniak och vätgas kräver därför att man har god kunskap för att få till säkra och effektiva processer.

Ett annat alternativ är att producera syntetiska bränslen som metanol, kallat e-metanol, från vätgas och koldioxid som man fångat in antingen direkt från luften eller någon annan process som kraftvärme från biobränslen. Syntetiska bränslen går att göra med olika långa, eller komplexa, kolkedjor och skulle kunna ersätta dagens fossila bränslen i befintliga motorer vid olika typer av transporter.

I princip måste alla anläggningar ha någon form av lager för buffert och för att se till att processer fungerar löpande. Om vätgasen produceras med ett variabelt kraftslag, som sol- eller vindkraft, kan ett annat, betydligt större lager också behövas för att täcka konsumtionen över flera dygn. Sådana lager kan till exempel placeras i bergrum med en så kallad ”liner” av stål. Helst ska lagret placeras i saltformationer, gärna i före detta saltgruvor. Sverige saknar lämplig geologi för såna lager men det genomförs provförsök för att bygga lager i större bergrum.

Energilager

I större lager kan vätgas användas som ett energilager, något som både kan bli lönsamt och som kan komma att krävas i framtiden med stora mängder variabel kraftproduktion, som vind- och solkraft. Vätgas är en typ av energilager som passar för att lagra mer energi, samt att lagra under längre tid än exempelvis batterier. Vattenkraften har den absolut största lagringskapaciteten, men är i Sverige fortfarande något begränsad då det inte finns större fördämningar. Även pumpkraftverk kan användas för energilager. En sådan anläggning är Juktan som använde olika sjöar på olika höjd som magasin, men som idag endast fungerar som vanligt vattenkraftverk.

Vätgas kan bidra på flera sätt till utfasningen av fossila bränslen och bidra till mer hållbar kraftproduktion i energisystemet. Det finns samtidigt både tekniska och regulatoriska utmaningar. Hur ska till exempel framtidens kunder veta att stålet i just den produkt som de vill köpa faktiskt är framställt helt fossilfritt? En sak står dock klar – mer fossilfri vätgas och energilagring kommer behövas och det finns både lösningar och fossilfri produktion redan idag. Framtiden är ljus.

AFRY hjälper idag kunder med lösningar både inom energilager och inom hela vätgasens värdekedja med allt från förstudier till färdiga anläggningar. Oavsett om man är nyfiken på potentialen eller planerar att bygga en ny anläggning för produktion av vätgas kan AFRY hjälpa till. Med erfarenhet av allt från enkla container-baserade lösningar till PEM-teknik (Proton Exchange Membrane), till stora gasfabriker med alkali-elektrolysörer eller crackertyper kan AFRY göra allt från idé till färdig lösning och sköter allt från vätgasframställning, lagring, transport, tankstationer och ledningsnät för säker gashantering.

AFRY är medlemsföretag i Energigas Sverige, Vätgas Sverige och Fossilfritt Sverige - samt stöder Vätgasinitiativet när en nationell vätgasstrategi för Sverige tas fram.