Billiga förnybara energikällor kan göra grönt väte till en praktisk ersättning för fossila bränslen

Vätgas framställt med el genererad från vind- eller solenergi kan ge en ren och koldioxidneutral energikälla. Europa leder vägen.





Franziska Barczyk

  • Peter Fairley arkivsida
24 februari 2021

10 banbrytande teknologier 2021: Grönt väte


  • Varför det är viktigt:

    Grönt väte kan ersätta naturgas, diesel och bensin som används i fartyg, lastbilar, bussar och bilar.


  • Nyckelspelare:

    •ThyssenKrupp



    • Skaffa H2 Nucleus Nowega

    • I vätgas

    • Siemens


  • Tillgänglighet:

    Nu

Väte är ett tilltalande bränsle. Ett kilo väte har ungefär tre gånger så mycket energi som en jämförbar mängd diesel eller bensin. Om det kan göras rent och billigt kan det vara nyckeln till att städa upp en rad knepiga vitala sektorer.

Idag tillverkas det mesta av väte genom att kombinera naturgas med ånga vid höga temperaturer. Det är en energikrävande process som släpper ut avsevärda mängder koldioxid, den främsta växthusgasen som driver klimatförändringarna. Men en liten och växande andel görs genom att dela vatten i dess beståndsdelar genom att zappa det med elektricitet, en process som kallas elektrolys. Detta tar också mycket energi, men om elen kommer från en förnybar källa som vind- eller solenergi, ger den minimala skadliga utsläpp.



Framstegsfrågan

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2021

  • Se resten av frågan
  • Prenumerera

Detta så kallade gröna väte är idag ungefär tre gånger dyrare att framställa än väte som härrör från naturgas (som till största delen är metan, vars molekyler är sammansatta av en kolatom bunden till fyra väteatomer). Men det är hälften av vad det kostade för 10 år sedan. Och eftersom kostnaderna för vind- och solenergi fortsätter att sjunka, och skalfördelar kring grönt väteproduktion börjar, kan det bli mycket billigare. Om det händer har grönt väte potential att bli ett kärnbränsle för en kolfri framtid. Parallellt med att teknikerna för kolavskiljning förbättras kan väte utvinnas ur naturgas utan att släppa ut så mycket koldioxid i atmosfären.

Väte är värdefullt delvis på grund av dess mångsidighet. Det kan brännas som ersättning för fossila bränslen som kol, petroleum och naturgas. Dessa bränslen producerar alla koldioxid vid förbränning, medan förbränning av rent väte i en turbin bara producerar vattenånga. Det katalyserar dock också produktionen av skadliga kväveoxider på grund av de höga temperaturerna. Ett annat sätt att använda väte är i bränsleceller, som kombinerar väte med syre för att skapa vatten och elektricitet – motsatsen till elektrolys – utan att producera kväveoxider.



Relaterad berättelse

Hur fallande solkostnader har förnyat förhoppningar om rent väte När nationer räknar ut hur de ska uppfylla sina klimatmål, framstår grönt väte alltmer som nödvändigt.

Vätgas kan driva fordon inklusive bilar, bussar, tåg och flygplan, antingen genom bränsleceller eller genom att bränna det direkt. Förbränning av väte kan också leverera koldioxidfri värme för användning i stålverk, cementfabriker och andra industrier. Och grönt väte kan ersätta det väte som redan används som råvara i allt från raffinaderier till konstgödselfabriker, vilket minskar deras koldioxidutsläpp. Vissa industrianläggningar, som stålverk och kemiska anläggningar, kan också använda syret som produceras som en biprodukt.

Oavsett hur den tillverkas är det fortfarande svårt att lagra och transportera väte på ett säkert och prisvärt sätt, särskilt för vissa lovande tillämpningar som flyg. Det är därför ett annat alternativ är att kombinera väte med kol - som kan fångas upp från atmosfären i en process som kallas luftinfångning eller från skorstenar - för att producera flytande syntetiska kolvätebränslen som är lättare att hantera än väte. Dessa flytande bränslen kan vara en renare, liknande ersättning för bensin eller diesel.

Vätgas kan också användas för att lagra energi från förnybara kraftverk, som sedan kan omvandlas tillbaka till elektricitet och matas in i nätet om vinden lägger sig, moln kommer in eller efterfrågan ökar.

Med så många möjliga användningsområden Internationella energibyrån (IEA) förutspår att väte år 2050 skulle kunna tillhandahålla över 10 % av det globala energibehovet och producera mer än 11 ​​miljoner gigawattimmar energi per år. Det kommer att kräva mer än 4 biljoner dollar i infrastruktur för att producera, lagra och transportera väte.

Enbart Europa siktar på 40 gigawatt elektrolyskapacitet till 2030. (Det skulle gå ungefär 2 % av vägen till IEA:s 2050-förutsägelse.) Det finns en tsunamivåg av möjligheter sedan början av [2020]. Det är otroligt hur många stora och realistiska projekt som kommer, säger Christoph Noeres, som leder den gröna vätgasverksamheten för Uhde Chlorine Engineers, ett dotterbolag till det tyska konglomeratet ThyssenKrupp.

Hur grön var min dal

Vätedalar — Regionala projekt som placerar elektrolysanläggningar där de kan tjäna flera industriella ändamål — bildas över hela Europa. Nära Hamburg i norra Tyskland är ThyssenKrupp en del av ett 89 miljoner euro (107 miljoner dollar) konsortium för grönt väte som stöds av ett anslag på 30 miljoner euro från den tyska regeringen. Det planerade projektet omfattar ett raffinaderi, en cementfabrik, kraftgeneratorer och en vindkraftspark till havs.

Inledningsvis kommer dess gröna väte att ersätta en del grå väte - som naturgas-härlett väte ibland kallas - som används vid raffinaderiet. Den tyska gruppen planerar sedan att reagera väte med koldioxid som fångas upp från cementfabriken för att producera både metanol, ett kemiskt råmaterial och syntetiskt jetbränsle.

Cirka 240 kilometer (150 miles) åt sydväst kommer ett annat grönt vätekonsortium att återanvända avvecklade gasledningar för att transportera vätgas. Konsortiet planerar att bygga en 100 megawatt elektrolysör. Därifrån hoppas man kunna leda vätgas genom ett 130 kilometer långt nätverk i den industriella Ruhr-regionen.

Två typer av elektrolysatorer gör mest grönt väte. Alkaliska elektrolysörer dränker elektroder i vatten dopat med lut eller kaliumklorid; PEM-elektrolysörer använder ett fast membran genom vilket vätekärnor kan flöda.

Om denna omläggning av rörledningen fungerar, kan elektrolysörer anslutna till gamla rör i slutändan tjäna grönt väte till nästan alla Tysklands stora industrier. Det kommer att lätta på trycket på Tysklands överbelastade elnät och även ge en klar tillförsel av reservenergi för mörka, vindstilla perioder.

2021

10 banbrytande teknologier

Andra stora projekt startar i Nederländerna, Italien, Spanien, Frankrike, Storbritannien, Kanada, Australien, Japan och Kina. Inledningsvis kommer vätgasen som dessa projekt producerar att bli dyr. Men konsultföretaget McKinsey uppskattar att 2030 kommer grönt väte att vara lika billigt som grått väte, tack vare billigare elektrolys och förnybar elproduktion samt stigande koldioxidkostnader.

Solen skiner starkt

Om vätgas ska leva upp till sin potential kommer den allmänna politiken att vara avgörande. Till att börja med kommer tillsynsmyndigheter eller lagstiftare att behöva införa policyer för att göra det möjligt för befintliga naturgasrörledningar att också transportera väte – känd som blandning – och beordra nedskärningar av koldioxidutsläpp för att skapa efterfrågan på väte.

En del av detta händer redan. Tyskland gjorde en viktig förändring i slutet av förra året och befriade producenter av grönt väte från att betala vissa tillägg på el. Detta var i själva verket ett erkännande av regeringen att grönt väte är en förlängning av förnybar vind- och solenergi. Andra regler som diskuteras i Tyskland och över hela Europa skulle kräva koldioxidminskningar vid raffinaderier och stålverk och i andra tunga industrier, enligt Europeiska kommissionens direktiv om förnybar energi.

Jack Brouwer, biträdande direktör för Advanced Power and Energy-programmet vid University of California, Irvine, säger att liknande policyer behövs för att få igång grönt väte i USA, men diskussionerna har knappt börjat.

Medan europeiska regeringar kräver att naturgasledningar accepterar grönt väte – i mängder så höga som 12 volymprocent i Nederländerna – motsätter sig amerikanska gasoperatörer ofta blandning.

Att blockera vätgasblandning är ett allvarligt hinder, enligt Brouwer. Kalifornien har redan en regel som kräver att en tredjedel av det vätgas som pumpas vid bensinstationer för bränslecellsfordon kommer från förnybara källor. Men för närvarande är det svårt att få grönt väte. Brouwer säger att om producenterna kunde använda befintliga naturgasledningar som ett distributionsnät, skulle de med lönsamhet kunna bygga fler elektrolysörer i avlägsna områden som är särskilt blåsiga eller soliga.

Det finns också fortfarande många tekniska hinder att övervinna. Omfattningen av vind- och solkraft som behövs för att driva ett globalt nätverk av elektrolysanläggningar är enorm. Brouwer gör fallet att en hållbar framtid helt enkelt är omöjlig utan att förlita sig mycket på väte. Han kanske bara har rätt.