Kan vätgasen hjälpa Sveriges eleffektbehov?

0
385

Elektrifieringen av samhället är i full gång och kommer att kräva stora produktionsökningar, och det snabbt. Men produktiviteten från förnybara energikällor som vind och sol varierar – med både effektöverskott och -brist som följd.

Johnny Kellner har tittat närmare på vätgasen som en möjlig dellösning för att kunna lagra el under topparna och fördela dem under dalarna. Men det är en teknik som fortfarande dras med en del problem. 

Världen och framför allt Europa har till sist kommit till insikt om att den långa epoken med en trygg elförsörjning inte längre är stabil. Händelserna i Ukraina och EU:s beroende av rysk fossil naturgas samt sanktioner mot Ryssland har tydligt visat hur sårbar industrin och människors levnadsförhållanden i Europa kan påverkas. Marginalerna för effektbrist i Sverige har minskat kraftigt de senaste åren, och innebär att Sverige inte är självförsörjande på el den kallaste vintertimmen, även under normala omständigheter enligt Svenska kraftnät. Händelserna har också blivit en väckarklocka att andra och nya alternativa lösningar måste tas fram.

Länge har vätgas stått för att vara framtidens bränsle, men nu är framtiden här och vätgas kan vara en dellösning i stället för rysk fossil naturgas? Tillgången på fossilfri vätgas väntas öka tack vare att den kan framställas med hjälp av överskottsel från vind- och solkraftverk och till delar lösa ett lagringsproblem av el. Enligt Fossilfritt Sveriges vätgasstrategi, publicerad i januari 2021, kan vätgasprojekten som är planerade i Sverige i dag åstadkomma en utsläppsminskning på drygt 30 procent av Sveriges totala nationella koldioxidutsläpp. Det är med andra ord ett stort bidrag till målet att nå nettonollutsläpp 2045.

I maj 2022 importerade EU 90 procent av all fossil naturgas, varav Ryssland står för runt 40 procent. Ryssland levererar också 46 procent av EU:s kol och 27 procent av oljan. I juli 2022 hade Ryssland strypt hälften av sin export. Dessa sedan länge kända fakta har till slut blivit en väckarklocka som EU för över 15 år sedan borde ha reagerat på och vidtagit förberedande åtgärder för. Nu är stora delar av Europas länder bakbundna med beroendet av energileveranser från Ryssland av framför allt naturgas. EU-parlamentet tog i juli 2022 ett kontroversiellt beslut att kärnkraft och naturgas kan klassas som klimatmässigt hållbara energialternativ. Vad konsekvenserna av detta får framtiden utvisa.

Havsbaserade vindkraftparker kan vid elöverskott användas till att producera och lagra vätgas för att jämna ut el-produktionen och skapa stabilitet när det inte blåser. Foto: Pixabay

Enbart vindkraft räcker inte till för att skapa en stabil planerbar och reglerbar elproduktion inom EU och Sverige. Vindkraften i Sverige stod för cirka 17 procent av elproduktionen år 2020 men bidrar begränsat till effektbalansen under vinterns kalla perioder med otillräcklig tillgänglighet vid svaga vindar och att dess produktion inte är planerbar. Med större andel vindkraft i Norden och Europa ökar sannolikheten för att flera länder i norra Europa samtidigt kommer få en ansträngd eleffektsituation, då vädret är kallt och vindförhållandena inte är tillräckliga. 

En del av problemet är svårigheten att lagra el. Undantag är vattenkraftmagasinen, kraftvärme och kärnkraft. Ju större andel vindkraft i elsystemet, desto större volatilitet och behov av att kunna flytta elanvändningen i tiden. 

Vätgas kan vara en av flera framtida dellösningar för att både producera och lagra el. Väte som är det vanligaste och lättaste grundämnet vi har på jorden med beteckning H2 och flera egenskaper som gör det intressant i energisammanhang. Vätgas är i likhet med el en energibärare. Till skillnad från el kan vätgas lagras. Förbränning av vätgas genererar inte några utsläpp av CO2, utan restprodukten är enbart vatten. Väte 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.

Tyskland vill ersätta en tredjedel av sina ryska gasimporter med grön flytande vätgas från Australien. Eon har tecknat en avsiktsförklaring med Fortescue Furture Industries om att importera fem miljoner ton enligt Financial Times. 

Både vind- och solkraft är billig att producera men är väderberoende. Även om kraftslagen till viss del kompletterar varandra under året är det nödvändigt att kunna lagra el för att tillgodose effektbehovet. Vätgaslager kan agera mellanhand till de övriga förnybara energikällorna och bidra till ett mer balanserat energisystem i framtiden. 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 teknik.

Problemet är att det går åt stora mängder el till att spjälka vattnet och sedan ännu mer till att komprimera vätgasen till 700 bars tryck som används av vätgasmackar. I industriell skala går det åt omkring 50 kWh el för att via elektrolys av vatten framställa 1 kg vätgas där verkningsgraden är på 60–70 procent. Det går åt cirka 50 kWh el för att få fram 35 kWh vätgas. Den låga systemverkningsgraden medför en förlust av högvärdig energi med cirka 30 procent. När vätgas till exempel används direkt i ett lokalt kraftvärmeverk, det vill säga när både el och värme tas till vara, är verkningsgraden 90 procent. Av den energi som tillförs via vätgas blir normalt 30-50 procent el och resten värme. 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 att stödja större elslukande industrier och ge en effektreserv.

Solkraftverk i norra Afrika och i andra oljeproducerande stater i tempererade zoner kan omvandla energi till vätgas genom solkraftverk. Foto: Pixabay

Att först använda el för att tillverka vätgas som sedan lagras, för att sedan förbrännas i ett kraftverk ger en låg energieffektivitet. Samtidigt kan det periodvis finnas stora elöverskott, till exempel när det blåser mycket under sommarperioden. Därför kan det ändå löna sig att producera vätgas för användning i elsystemet om alternativet är att sälja elen till ett extremt lågt, och ibland till och med negativt pris. Lokala solcells- och vindkraftsanläggningar i Sverige, men även i Europa, visar på stora variationer ur driftsynpunkt, inte bara mellan natt och dag, årstid utan även mellan flera dagar beroende på stiltje och molnighet.

Vid storskalig solkraftsel i till exempel Afrika eller Mellanöstern kan den stora solenergitillgången göra att teknikens sämre verkningsgrad inte behöver få någon avgörande betydelse vid omvandlingen till vätgas. Ett grundläggande problem är dock att elektrolysörer fortfarande är så dyra att den gröna vätgasen ännu inte är ekonomiskt konkurrenskraftig.

Vätgas för eleffektutjämning

Elsystemet måste ständigt vara i balans, det vill säga elproduktion och elbehov måste matchas i varje sekund. Både sol- och vindkraft, speciellt i norra Europa, är väderberoende till naturen och därmed ej stabila som energikällor ur effektsynpunkt. I Sverige är det vattenkraft, kärnkraft, kraftvärme och i viss mån importerad fossilbaserad kondenskraft som används för att balansera elnätet. 

Sårbarheten med fossil naturgas har aktualiserats i och med kriget i Ukraina och Rysslands strypning av naturgasleveranser till flera länder i Europa. Svenska kraftnäts effektreserv, det oljeeldade Karlshamnsverket på 562 MW, har varit ansträngd på senare tid. Om de fossilfria energikällorna ska få någon verklig betydelse i ett energisystem krävs det metoder för att sommartid lagra överskottsel som annars riskerar att gå förlorad. Vätgas vara den mellanlagring som jämnar ut toppar och dalar i elsystemet. 

Vattenkraftens dammar fungerar som stora batterier som kan släppas på och bromsas när behovet uppstår. I framtiden kommer dock inte vattenkraften att räcka till, och då behövs andra lösningar – som vätgasen. 

Behovet av att kunna lagra el ökar i takt med att utbyggnaden av andelen väderkänsliga förnybara energikällor växer.

Svenska industrier och andra viktiga samhällsfunktioner behöver ett elsystem med hög kvalitet utan störningar för att kunna fungera och utvecklas. Ett kort produktionsstopp på ett elintensivt företag kan leda till att miljoner kronor går förlorade och kan på sikt också få konsekvenser för intresset för framtida nyinvesteringar. Det är därför viktigt för samhället att i varje sekund ha tillgång till rätt mängd el.

Vätgasfordon är en annan form av elbil. Gas tar bara några minuter att fylla till fulltank.
Foto: Anders Myrdal

Ny exportvara

Storskaliga solkraftanläggningar för vätgasframställning borde kunna förläggas till länder där tillgången på sol nästan är oändlig, som hos de oljeproducerande länderna i den subtropiska klimatzonen, exempelvis i norra Afrika och Mellanöstern. Kanske är det en ny affärsidé för dessa länder och som kan kompensera för sinande råvarutillgångar? 

Ekonomiska resurser för att utveckla vätgastekniken finns redan i dag. Det är nu som möjligheter, tid och ekonomiska resurser finns att tillgå även om en del av miljöarbetet tillfälligt har tvingats till en paus på grund av covid-19. Tendensen är att fossila bränslen sannolikt kommer få allt svårare att konkurrera med förnybara alternativ men inte på bekostnad av en stabil reglerbar elproduktion.

Exempel på pågående större utvecklingsprojekt med vätgas

För industrin kan väte ersätta kol vid tillverkning av stål. I Sverige utvecklas för närvarande ett lokalt storskaligt industriellt projekt kallat Hybrit, (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) som är ett samverkansprojekt mellan SSAB, Vattenfall och LKAB. Hybrit 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.

I 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. Om förväntningarna uppfylls skulle det innebära att Sveriges totala årliga utsläpp av CO2 från en enskild industrigren kan minskas med 10 procent. Potentialen kan bli stor och intressant även för andra stålindustrier i världen. För SSAB i Luleå pågår ett lagringsprojekt för vätgas med ett stålinklätt bergrum som ska rymma 120 000 kubikmeter vätgas vid ett tryck på 200-250 bar som planeras att tas i drift under 2022.

EU har i genomsnitt 90 procent mer utsläpp av koldioxid än Sverige

Projektet visar hur väsentligt det är att även lokalt satsa på storskalighet inom industrin som ger stor inverkan på klimatet. Att subventionera till exempel elcyklar ger inte ens någon mätbar klimateffekt. En stor del av Europas stater använder koleldad- och fossil naturgas för att framställa el genom kondenskraftverk. Som exempel så sker 80 procent av Polens elförsörjning med smutsig brunkol och 38 procent av Tysklands el-försörjningen 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.

Elanvändningen beräknas att fördubblas

Elanvändning och därmed el-effektbehovet i Sverige kommer enligt Kungliga ingenjörsvetenskapsakademien (IVA) fördubblas och beräknas öka från dagens 140 TWh till 280 TWh till år 2045. Orsakerna till ökningen är bland annat befolkningsutvecklingen: Sverige kommer enligt SCB ha 11,4 miljoner invånare 2040. 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. Det bör uppmärksammas att sätta ett lägre elpris enbart för den svenska marknaden inte är förenligt med EU:s konkurrenslagstiftning.

Vätgasbilar en annan form av elbil

I detta perspektiv är det intressant med vätgasbilar med bränsleceller som inte ger några utsläpp av växthusgaser. Fördelarna jämfört med batteridrivna fordon är att de väger mindre och därmed kan lasta mer. En annan fördel är att det bara tar några minuter att fylla full gastank. Vätgasbilen är en annan form av elbil som kommer att konkurrera med traditionell batteriteknik. 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 är att inom kort starta en serieproduktion. Satsningen ligger på 6,5 miljarder kronor. Bäst förutsättningar för vätgas i transportsektorn har tunga lastbilar i fjärrtrafik. IVA-rapporten Vätgasens roll för tunga vägtransporter visar dock att vätgas fortfarande har svårt att konkurrera med batteridrift även i detta segment ifall man enbart ser till de direkta kostnaderna. Vätgas blir dock framför allt användbar som insatsvara i industriprocesser.

Konklusion

Elbehovet beräknas att mer än fördubblas till år 2045 jämfört med dagens nivå vilket samtidigt kommer att påverka effektbehovet. El från vindkraft och solceller är väderberonde. För att hantera effektbehov kan Sverige i ett längre perspektiv behöva lagra el med vätgas genom att utnyttja överproduktion av el från framför allt vindkraft under delar av sommarhalvåret som annars skulle gå förlorad. Kanske genom underjordiska ”vätgasdammar” i anslutning till vindkraftsparker.

Även storskalig solkraftproduktion i till exempel i norra Afrika och Mellanöstern för framställning av vätgas är intressanta lösningar som bör studeras i ett större globalt perspektiv. Solkraftsanläggningar i Sahara skulle kunna förse Europa med all el som behövs. Det skulle räcka med en yta som motsvarar Belgien. Sahara har över 4 300 soltimmar årligen, nära det maximalt möjliga som är 4 450 timmar.

Världssamfundet ställs hela tiden inför staters protektionism, brist på engagemang och insikt från världens ledande politiker, vilket klimatmötet i Glasgow i december 2021 tydligt visade. Kina planerar att bygga 700 kolkraftverk den närmaste tiden enligt Global Coal Plan Tracker. Totalt sett planeras 1 600 nya kolkraftverk i 62 länder. Avvecklingen av kolkraft går med andra ord trögt och riskerar även att fördröjas genom att Europa inte kan avveckla sitt kolberoende som tänkt på grund av dess naturgasberoendet från Ryssland.

Hade svenska politiker tidigare förstått skillnaden mellan effekt och energi hade vi inte befunnit oss med de elproblem vi har i dag. För investeringar i ny och stabilare energiteknik finns inga genvägar utan det fordras politiskt ansvar, mod, uthållighet och inte minst långsiktiga finansiella teknikneutrala spelregler för att kraftindustrin ska våga investera i en stabil elförsörjning där vätgasteknik kan ingå som en dellösning. Det finns behov av en ny politisk energiskattereform där vätgasen som energibärare finns med. Det är svårt att med säkerhet säga hur stor användning av vätgas kan vara i Sverige år 2030 men uppskattningsvis skulle den kunna uppgå till 20-25 TWh inklusive dagens användning enligt Energimyndigheten. För att nå resultat måste politikerna i Sverige och vid FN:s klimatmöten börja förstå att det går att förhandla med varandra men inte med klimatet. Utsläpp av växthusgaser känner som bekant inte av några nationsgränser.

Johnny Kellner
Energi-och klimatstrateg. Tidigare verksam i Sweco, JM och Veidekke.

Foto: Ingar Lindholm.

 

FAKTA: Teknisk framställning och lagring av vätgas

Vätgas har en stor potential i ett energisystem. Ett kilo vätgas innehåller ungefär lika mycket energi som tre kilo bensin även om volymen naturligtvis är betydligt större.

Vätgas kan produceras med el 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 grader C, vilket är mycket energikrävande och dyrt. För att lagra vätgas effektivt i större lagringsutrymmen krävs höga tryck 200-700 bar.

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). Flera storskaliga solkraftanläggningar är i dag i drift runt om i världen. Att framställa rent vatten 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.

Källor

1 David Wadst, Gustav Lindberg. Vätgassystem visioner och realism, Lunds Tekniska Högskola.

2Pär Östberg. Vätgas som energilager, Lunds universitet.

3Tobias Persson, Tillväxtanalys. Vätgas kan bli stort.

4Johan Lesser, Vätgasproduktion med elektrolysör, Umeå Universitet.

5Vätgas Sverige, Vätgas som energilager.

6Felix Björklund, John Edgren, Linda Nohrstedt, Ny Teknik, olika artiklar.

7Om vätgas och dess roll i elsystemet. Syntesrapport från IVA

8Licheng Sun, Viktigt genombrott för förnyelsebara energikällor, organisk kemi KTH.

9Ei Internationell och nationell sammanställning av vätgas och vätgasklusters utveckling.