GRÖN VÄTGAS ÄR FRAMTIDENS BRÄNSLE

2022-01-19 / Jeppe Grue

Energineutral grön vätgas anses av allt flera vara framtidens bränsle: en ersättning för fossila bränslen i många klimattunga branscher och sektorer. Det är ännu långt kvar innan grön vätgas blir dominerande på marknaden, men i takt med att åtgärderna för att hantera klimatkrisen intensifieras över hela världen ökar kunskapen om grön vätgas och dess omvälvande potential. Välkommen till början av vätgasens tidsålder.

KLIMATGÅTAN KRÄVER NYA SVAR

Översvämningar, ökenspridning, nya värmerekord, krympande glaciärer. För varje dag som går blir det allt mer uppenbart att klimatförändringarna är ett existentiellt problem som kräver en omställning till nya, renare tekniker.

Energiförsörjningssektorn står för 35 % av alla utsläpp av växthusgaser och är därmed är den största bidragande faktorn till klimatförändringarna i världen. Den internationella energimyndigheten IEA förutspår att efterfrågan på energi kommer att öka med 30 % fram till 2040. Om denna ökade efterfrågan skulle mötas uteslutande med fossila bränslen blir det i princip omöjligt att begränsa den globala uppvärmningen till 1,5 °C. Det står helt klart att vi måste hitta nya sätt att lösa den här frågan. Det är här som universums vanligaste grundämne kommer in i bilden: den blygsamma väteatomen.

EN HÄVSTÅNG FÖR KLIMATARBETET

Väte är en mycket god energibärare, och enligt IEA har efterfrågan på väte tredubblats sedan 1980. Vätgas klassificeras i fyra huvudkategorier: grå, brun, blå och grön. Grå och brun vätgas är de två vanligaste varianterna, som framställs av fossila bränslen och medför stora koldioxidutsläpp. Blå vätgas ger lägre koldioxidutsläpp eftersom produktionsprocessen bygger på fossila bränslen i kombination med infångning och lagring av koldioxid (CCS) för att minska klimatavtrycket.

Till skillnad från de andra kategorierna framställs grön vätgas genom elektrolys: en process för att dela upp vattenmolekyler i väte och syre, som drivs med förnybar energi. Den här processen medför inga koldioxidutsläpp. Grön vätgas är alltså klimatneutral. Dessutom är det enkelt att transportera och lagra grön vätgas. Det gör att det kan användas som ett slags batteri för förnybar energi, som annars medför utmaningar i form av oregelbundenhet och varierande efterfrågan.

Det snabbt ökande intresset för grön vätgas beror på att det dels anses vara avgörande för att möta framtidens energiefterfrågan, dels kan bidra till att uppfylla de bindande förpliktelserna i Parisavtalet om klimatförändringarna. Kolvätenas tidsålder lider mot sitt slut. Samtidigt har grön vätgas potential att bli världens viktigaste transporter- och säljbara energiråvara.

VERKTYG FÖR SEKTORKOPPLING OCH MINSKADE UTSLÄPP

Grön vätgas är mångsidigt och kan användas med många olika tekniker och i många olika branscher. Dessutom ger det möjlighet till omställning i sektorer där direkt elektrifiering inte är möjlig. Stål, cement, lantbruk och transport är fyra exempel på sektorer där grön vätgas kan spela en särskilt viktig roll för att minska koldioxidutsläppen. Stål och cement står för 8 % vardera av de globala koldioxidutsläppen medan lantbruksproduktion och transport står för 11 % respektive 24 %. Det är alltså bråttom att minska utsläppen från de här sektorerna.

I många branscher där man idag menar att det är omöjligt att minska utsläppen är man beroende av en stabil, mycket hög värmeproduktion som inte kan uppnås med elektricitet. I stålverk drivs ugnarna med koks som framställs av kol. Att ersätta koksen med vätgas innebär att endast vattenånga släpps ut. Vätgas kan också användas för att värma cementugnar som idag vanligtvis värms med naturgas. Vätgas bidrar till att göra variabel, förnybar energi mer tillförlitlig eftersom det gör att energin kan lagras. Det gör vätgas till en mycket intressant lösning på energibehoven inom tung industri.

Inom lantbrukssektorn produceras många kvävebaserade gödningsmedel, till exempel ammoniak genom en energiintensiv process med stora utsläpp, och det mesta av vätgasen inom lantbruket utgörs av metangas (grå vätgas). Som ett alternativ till detta kan grön vätgas kombineras med kväve från luften för att framställa grön ammoniak med nollutsläpp. I vissa fall kan grön ammoniak ersätta vätgas som energibärare. Om vätgas framställs på långt avstånd från mottagaren är det ofta mer effektivt att omvandla gasen till ammoniak före transporten.

EN NY ERA FÖR TUNGA TRANSPORTER

Det finns ett mycket stort intresse för hur grön vätgas på bästa sätt kan integreras i transportsystem. Elfordon kan laddas antingen genom ett batteri eller via en vätgastank med bränsleceller som används för att omvandla gas till elektricitet. Vätgasbaserade, syntetiska bränslen, till exempel metanol och fotogen, kan framställas med hjälp av en kombination av grön vätgas och infångad koldioxid.

  • Batteridrivna elbilar är väl lämpade för vägtransporter tack vare sin oöverträffade effektivitet ”från källa till hjul” (ett mått som anger ett fordons effektivitet i ett helhetsperspektiv från bränsleutvinning till transport, försörjningskedjan och lagring i bränsletank).
  • Vätgasdrivna elfordon är ett bra alternativ för tunga transporter. Vätgasdrivna lastbilar förväntas nå marknadsmognad inom tio år i och med att transportgiganter som Hyundai, Toyota, Volvo och General Motors skalar upp produktionen av vätgasbaserade bränsleceller.
  • Inom sjöfarten är eldrivna färjor bäst lämpade för kortare resor medan vätgasdrivna fartyg är ett bättre alternativ för längre sträckor. Det danska färjerederiet DFDS utvecklar just nu en färja med 100 % vätgasdrift för rutten Köpenhamn-Fredrikshamn-Oslo.
  • Inom den globala sjöfarten på öppet hav anses syntetisk metanol och ammoniak vara rena och effektiva bränslealternativ. 2024 förväntas det norska supplyfartyget (PSV) Viking Energy bli det första fartyg som drivs med ammoniakbaserade bränsleceller.
  • Flygbolag som Lufthansa och KLM undersöker redan nu möjligheterna att använda syntetiskt fotogen som flygbränsle. I oktober 2021 öppnade den tyska ideella organisationen Atmosfair världens första kommersiella anläggning för syntetiskt fotogen i syfte att framställa e-bränslen för flygbranschen.

Grön vätgas är inte bara ett viktigt verktyg för att minska koldioxidutsläppen – det är också avgörande för sektorkopplingar. Sektorkoppling innebär att olika delar av ett energisystem kopplas samman så att ren energi kan utnyttjas, delas och lagras över sektorsgränser. Med infångad koldioxid och grön vätgas kan man framställa gröna bränslen för transporter. Vätgas kan användas för industriell uppvärmning, och energi från förnybara källor kan lagras i form av vätgas i särskilda lagringsanläggningar. Dessutom genererar vätgasproduktion stora mängder spillvärme som kan återanvändas som fjärrvärme. Förhoppningen är att framställningen av produkter med högt värde, som rena bränslen till sjöfart och flyg, kommer att lägga grunden för ytterligare stora investeringar i förnybar energi.

HÅLLBARA BRÄNSLEN OCH GÖDNINGSMEDEL

COWI lägger stort fokus på att utveckla våra expertkunskaper om grön vätgas, i linje med de ambitiösa nationella strategier som finns på många av våra kärnmarknader. Ett exempel på detta är projektet Green Fuels for Denmark. COWI är kunskapspartner till Københavns Lufthavn, A.P. Møller-Mærsk, DSV Panalpina, DFDS, SAS och Ørsted i arbetet med att utveckla banbrytande anläggningar för produktion av vätgas och gröna bränslen. Projektet innefattar produktion av grön vätgas till bussar och lastbilar, e-metanol till sjöfarten och e-fotogen till luftfarten. År 2030 förväntas projektet ha en elektrolyskapacitet på 1,3 GW och producera över 250 000 ton gröna bränslen per år, vilket motsvarar en årlig minskning av koldioxidutsläppen med 850 000 ton.

COWI är ensam konsult och rådgivare för H2RES: ett projekt som leds av det danska energiföretaget Ørsted i syfte att vidareutveckla vindkraftsdriven elektrolys och vätgasproduktion. Demonstrationsanläggningen kommer att drivas av två havsbaserade vindkraftverk. Med en kapacitet på 2 MW förväntas den producera cirka 1 000 kg grön vätgas per dag från och med slutet av 2021. Vätgas från H2RES kommer att användas som transportbränsle med nollutsläpp i Storköpenhamn och på Själland.

Det danska investeringsföretaget Copenhagen Infrastructure Partners (CIP), en samarbetspartner till COWI, är också i färd med att utveckla viktiga projekt för grön vätgas. CIP planerar att bygga Europas största anläggning för grön vätgas i Esbjerg. Elektrolysanläggningen får en kapacitet på 1 GW och kommer att utnyttja havsvindkraft för att producera grön ammoniak till gödningsmedel och fartygsbränslen. Spillvärmen kommer också att distribueras till närliggande bostäder. CIP beräknar att anläggningen kan bidra till 1,5 miljoner ton lägre koldioxidutsläpp per år.

DET GLOBALA INTRESSET ÖKAR

Vi står nu vid en milstolpe: mellan de fossila bränslenas era och en framtid som drivs med förnybar energi och grön vätgas. Nya framsteg görs ständigt. Baserat på hur utvecklingen ser ut just nu visar FN:s klimatkonvention (UNFCCC) att grön vätgas kan komma att stå för en fjärdedel av den totala energiförbrukningen i världen 2050.

Vätgas är ett huvudfokus för EU:s gröna giv, som lanserades 2019 med målet att göra EU koldioxidneutralt 2050. Vätgasstrategin inom den gröna given handlar om att etablera en elektrolyskapacitet om minst 6 GW för grön vätgas till 2024, som sedan ökar till 40 GW fram till 2030.

Dessutom görs stora nationella investeringar i egna vätgasplaner i flera europeiska länder. 2021 tillkännagav Frankrike en strategi för att öka elektrolyskapaciteten till 6,5 GW fram till 2030, samtidigt som man producerar vätgasdrivna tunga fordon och stödjer forskning och innovation. Samma år presenterade också Tyskland investeringar om 8 miljoner euro i 62 olika projekt i syfte att installera 5 GW elektrolyskapacitet fram till 2030 och att bygga 1 700 kilometer vätgasledningar. Nederländerna, som i dag är en stor producent av blå vätgas, riktar nu in sig på grön vätgas för att uppnå sina klimatmål, med investeringar på 440 miljoner euro i nya projekt 2021.

En annan grupp med ambitiösa planer är Gulfstaternas samarbetsråd (GCC). I och med att efterfrågan på fossila bränslen avtar har Gulfstaterna börjat söka nya positioner på den globala energimarknaden med hjälp av grön vätgas. Flera andra länder har också presenterat nationella vätgasstrategier för att ligga i framkant på det här området, till exempel Australien, Chile, Japan, Nya Zeeland och Sydkorea.

STRÄVAN MOT LÖNSAMHET

Efterfrågan på grön vätgas förväntas öka kraftigt under de kommande decennierna. Prognoser från PwC visar att efterfrågan år 2050 kommer att ligga på 530 miljoner ton, vilket motsvarar mer än 10 miljarder fat olja. Även om framtidsutsikterna är goda finns det fortfarande utmaningar att övervinna. Priset är ett av de största hindren, eftersom produktion, lagring och användning av grön vätgas kan medföra stora omkostnader.

Grön vätgas kostar för närvarande 3-6 USD/kg, jämfört med 1,8 USD/kg för grå och brun vätgas. Förbättrad elektrolysteknik och utvecklingen av stordriftsfördelar kommer dock att leda till betydligt lägre priser. International Renewable Energy Agency (IRENA) förutspår att priset på grön vätgas år 2050 kommer att ligga på 0,08-1,6 USD. Blå vätgas (som kostar 2,4 USD/kg) har presenterats som ett slags övergångslösning med låga koldioxidutsläpp för vissa marknader fram till dess att grön vätgas blir mer lönsamt. 2 USD/kg brukar anges som den prisnivå där grön vätgas börjar bli konkurrenskraftigt inom många sektorer, till exempel stål, betong, lantbruk och transport.

Den tekniska mognaden anges ofta som ett annat möjligt hinder. Men redan i dag finns det gott om kunskap om tekniken och vetenskapen som ligger till grund för grön vätgasproduktion. Historiskt sett har den stora tillgången på billiga fossila bränslen hämmat utvecklingen av tekniken för grön vätgas. I dag är läget lyckligtvis ett annat. Över hela världen pågår forsknings- och pilotprojekt som lägger grunden för billig, grön vätgasproduktion i stor skala.

FRAMTIDENS BRÄNSLE

De två faktorer som främst kommer att påverka framtidens prissättning av grön vätgas är de sjunkande omkostnaderna för förnybar energi och de framväxande stordriftsfördelarna. Allt eftersom sol- och vindenergi tar större andelar av energinätet under de kommande decennierna kommer elpriserna för elektrolys så småningom att sjunka till den önskade nivån, eller under 0,02 USD per kilowattimme. Omkostnaderna för elektrolys har sjunkit med 60 % de senaste tio åren och Hydrogen Council förutspår att priserna kommer att halveras fram till 2030. För att grön vätgas ska bli lönsamt utan statlig subventionering krävs fortsatta omfattande investeringar, lagar och regelverk, snabbväxande marknader, forskning och innovation och en robust infrastrukturbas.

Hanteringen av den globala klimatkrisen är en av vår tids största utmaningar. Många av de gamla sätten att producera energi är nu föråldrade. Att fortsätta att använda teknik som ger stora utsläpp är ett svek mot framtida generationer. Drivkrafterna för att minska koldioxidutsläppen och att investera i och förbättra energisektorn blir allt starkare och grön vätgas är en självklar kandidat till att bli framtidens hållbara bränsle.

OM EXPERTEN

Jag har över 20 års erfarenhet från energisektorn, där jag har arbetat med ny energiteknik som driver den gröna omställningen. Mina expertområden är elektrolys, Power-to-X och koldioxidinfångning, och jag har omfattande kunskaper om och en djupgående förståelse av gröna bränslen, energisystem och sektorkoppling. Som processingenjör och ledande specialist har jag arbetat med att förbättra den driftsmässiga effektiviteten och flexibiliteten i kraftverk, att utnyttja biomassa för värme- och elproduktion, koldioxidinfångning, samförbränning av biomassa och kol, värmepumpar samt optimering av industriella processer.

Kontakta oss

Jeppe Grue
Technical director
Green Fuels & Thermal Power, Denmark

Tel: +45 56408734