Eva Ravn Nielsen
31 augusti 2021
Väte och elektrobränsle kommer in på scenen
Övergången till grön vätgas och elektrobränslen startar nu och kommer att dominera från 2030 och framåt. Rambolls Power-to-X-expert, Eva Ravn Nielsen tittar på lagrings- och produktionsalternativ och användningsområden.
Ursprungligen publicerad i Tank Storage Magazine, Vol. 17, 2021
Den 14 juni 2021 tillkännagavs planerna för att kickstarta övergången från fossila bränslen till förnybara energikällor för all sjöfart i Östersjöregionen. De nya bränslena kan vara grön ammoniak, metanol eller väte som framställs av vattenelektrolys och drivs av vindkraft. Det specifika projektet, Bornholm Bunker Hub, syftar till att etablera infrastruktur för lagring och bunkring av bränsle, rusta upp fartyg för att drivas på nya bränslen och säkra bränsleförsörjningen antingen genom lokal produktion eller från externa källor.
Detta projekt är ganska typiskt för ett grönt väteprojekt, då det kommer att kräva nya lagringsanläggningar och lösningar för väte eller ammoniak i stor skala (centraliserat) i hamnen och i mindre skala (lokalt som en del av tillämpningen) i form bränsletankar ombord på fartygen.
Ansträngningen att begränsa den globala uppvärmningen kräver koldioxidminskning och ny teknik inom många sektorer. Fossila bränslen ersätts av förnybar energi som vind-, sol- och vattenkraft. Inom bostadsuppvärmning kan el appliceras direkt t.ex. i värmepumpar som omvandlar el till värme med hög verkningsgrad. På samma sätt kan de flesta passagerartransporter ganska enkelt ändras från fossilbränsledrivna personbilar till elfordon.
Vissa sektorer kan emellertid inte elektrifieras så lätt. Där stora mängder energi krävs räcker inte batterier till för att lagra och transportera energi. Tunga transporter, sjöfart och flyg kräver alla bränsle i flytande eller gasform, eftersom batteriernas vikt gör dem olämpliga för dessa tillämpningar. För dessa tillämpningar kommer grönt väte, grön ammoniak och andra e-bränslen att vara lösningen.
De nya gröna bränslena framställs vanligtvis med hjälp av elektrolys där elektricitet används för att dela upp vatten i dess grundämnen, väte och syre. Om kraften kommer från en förnybar källa talar vi om grönt väte. Vätet kan användas direkt eller det kan användas i en kemisk syntes som producerar andra ämnen såsom metan (syntetisk naturgas), metanol (en flytande energibärare som kan användas som bränsle eller som råvara i ytterligare industriella processer), ammoniak och flygbränsle. Dessa teknologier kan kallas power-to-X, där X betecknar ämnet som produceras. Bränslena kallas ofta för elektrobränslen eller bara e-bränslen, vilket anger deras ursprung från förnybar elkraft och skiljer sig från fossila bränslen.
Som ett globalt ingenjörskonsultföretag hjälper Ramboll energiföretag och infrastrukturägare i demonstrationsprojekt som uppgraderar power to-X-teknologier. Elektrolysenheter testas idag vanligtvis i megawattskala och siktar på 100 MW eller till
och med gigawatt före 2030. För att ge en indikation på produktionsvolymer producerar en elektrolysenhet på 1 MW vanligtvis 20 kg väte per timme eller ungefär 220 Nm3.
Att använda väte som en viktig energibärare i ett nationellt energisystem kommer att kräva ny infrastruktur och stor lagringskapacitet av väte. En unik möjlighet till låg kostnad, storskalig och flexibel vätelagring finns i naturliga salthålor eller akviferer. Potentialen för vätelagring i bäddade saltfyndigheter och saltkupoler i Europa uppskattas vara betydande (>100 PWh) och är brett fördelad över flera EU-länder. Vätgaslagring i salthålor kan också vara det snabbaste sättet att realisera stor lagringskapacitet för den snabbväxande europeiska väteekonomin.
På ett biomassa-eldat kraftverk pågår förberedelser för att realisera produktion av e-bränslen från alla förnybara källor. För ett kolhaltigt bränsle krävs en biogen CO2-källa. Därför kommer det kolavskiljning från anläggningens rökgas att utföras. Parallellt kommer det att finnas en elektrolysenhet som framställer grönt väte av vatten. Och slutligen kommer CO2 och väte att syntetiseras till ett grönt e-bränsle som kan användas i transporter. Aktiviteterna har inkluderat teknisk design, riskbedömning, tillståndsdokument och köphandlingar som för projektet mot det slutliga investeringsbeslutet.
”Vätgas är inte en kristallkula som löser alla framtida utmaningar med global uppvärmning och förverkligar tillräckliga minskningar av CO2-utsläppen. Direkt elektrifiering kommer att vara en huvudlösning för koldioxidminskning, men grönt väte och e-bränslen kommer att vara huvudlösningen för de sektorer som är svåra att elektrifiera från 2030 och framåt.”
Om väte ska spela en nyckelroll i EU:s strävan efter att minska koldioxidutsläppen måste det göras tillgängligt över hela kontinenten till lägsta möjliga kostnad. Kostnaden för att transportera väte är en viktig utmaning. Det finns två alternativ: Antingen blir vätgasproduktionen mycket decentraliserad eller så krävs betydande investeringar i rörledningsinfrastruktur.
Konceptstudier och strategier för systemansvariga för gasöverföringssystem har genomförts.
Det finns ett behov av att ansluta lokala vätgasproduktionsanläggningar till avtagarna i ett dedikerat vätgasnätverk som förbinder Skandinavien, Tyskland och Nederländerna med övriga Europa. Nätverket kan vara en nyligen etablerad dedikerad vätgasinfrastruktur eller det kan vara en återanvändning av befintliga gasledningar. Avtagarna av vätgas kommer att omfatta vätgastankstationer, särskilt för tunga fordon som lastbilar och bussar, men även industrier kommer att vara slutanvändare av grönt väte som tillhandahålls av ett anslutningsnät.
Danmark kommer att etablera de första energiöarna i världen, vilket markerar början på en ny era för storskalig offshore-vindkraft. Två energiöar kommer att stå färdiga 2030, och kommer att kunna leverera kraft på 5 GW.
Planen förutser etableringen av en konstgjord ö i Nordsjön som ska fungera som ett center för vindkraftsparker till havs, som levererar energi på 3 GW, med en långsiktig expansionspotential på 10 GW. I Östersjön kommer energiön att bli ön Bornholm, där elektrotekniska anläggningar på ön kommer att fungera som ett center för vindkraftsparker till havs utanför kusten, och leverera energi på 2 GW. På båda ställena beaktas potentialen för produktion av väte eller ammoniak. Även bunkring för fartyg vid den konstgjorda ön i Nordsjön skulle kunna övervägas och därigenom flytta både produktion och uttag bort från kusten.
För närvarande ligger fokus på konceptutveckling och analyser i olika sammanhang. Ur ett kostnadsperspektiv är det högst relevant att kunna minska elanslutningen i form av kablar till land. Dessutom skulle power-to-X-anläggningarna kunna balansera den intermittenta förnybara energin. Elektrolysenheterna som producerar vätgas kan fungera när det finns ett överskott av kraftproduktion och stängas av när det finns behov av all el som produceras för andra ändamål. Detta kan förbättra affärsmässigheten för vätgasproduktion eftersom kostnaden för el är mycket dominerande i produktionskostnaderna och det växlande utbudet och efterfrågan på kraft kommer att resultera i fluktuerande elpriser.
Naturgas består huvudsakligen av metan, CH4. Naturgasnäten är idag fyllda med fossilt bränsle. I framtiden kräver koldioxidminskningen grön eller så kallad syntetisk naturgas. Det finns olika vägar för att producera grön naturgas. Ett sätt är att tillvarata biogas och att uppgradera den. Biogas innehåller vanligtvis 60% metan och 40% CO2. Metandelen kan matas direkt in i gasnätet (när den separeras från CO2). CO2 är en viktig källa för biogent kol och kan omvandlas till metan genom reaktion med väte framställt av vattenelektrolys.
Potentialen för att uppgradera biogas och ändra rörledningarna från svart till grön analyseras.
Ammoniak släpper för närvarande ut mer än 1 % av världens globala utsläpp av växthusgaser. Ammoniak används främst i gödselmedel för jordbruket. Idag framställs det av väte från fossil naturgas i en process som kallas ångmetanreformering. Potentialen för att minska koldioxidutsläppen i denna sektor är därför enorm, genom att ersätta det grå vätet från fossilt bränsle med grönt väte baserat på förnybara energikällor och elektrolys.
Förutom användningen av ammoniak i jordbruket förväntas det också vara det huvudsakliga bränslet för oceangående fartyg. Produktionen av ammoniak förväntas därför flerfaldigas.
Stor ökning av gröna bränslen baserade på förnybar energi och elektrolysteknik kan förutses. EU har en offshore-förnybar energistrategi som syftar till att utöka offshore vindkraftproduktion från 12 GW idag till mer än 60 GW år 2030 och så mycket som 300 GW år 2050. Det mesta kommer att användas i elektrifieringen av våra energisystem, men en hel del kommer att gå in i power-to-X-processerna.
Dessutom har EU lanserat en vätestrategi med målet att genomföra 6 GW elektrolys 2024 och 80 GW 2030. Hälften av detta planeras i EU-länder, hälften i grannländerna.
Men för att investeringarna och implementeringen ska ta fart snabbt och snart krävs ett förtydligande av det framtida regelverket. Tydlighet i framtida tariffer på el eller CO2-beskattning på konkurrerande teknologier är ett måste innan stora investeringar i anläggningar i gigawatt-skala kommer att beslutas.
Vätgas är inte en kristallkula som löser alla framtida utmaningar med global uppvärmning och förverkligar tillräckliga minskningar av CO2-utsläppen. Direkt elektrifiering kommer att vara en huvudlösning för koldioxidminskning, men grönt väte och e-bränslen kommer att vara huvudlösningen för de sektorer som är svåra att elektrifiera från 2030 och framåt.
Ramboll deltar i COP26 och delar med sig av insikter för att stödja regeringar och företag i att vidta klimatåtgärder för att minska koldioxidutsläppen, anpassa och driva hållbar förändring.
Ta reda på mer om Rambolls deltagande i COP26 och associerade evenemang i Glasgow, och ta reda på var du kan träffa Ramboll på COP26
Vill du veta mer?
Eva Ravn Nielsen
Global Advisor
+45 51 61 04 83