Vätgas – något för framtiden?

Vätgas

Vätgas är inget nytt fenomen. Vätet och dess egenskaper upptäcktes redan på 1700-talet men uppfyllde egentligen ingens behov förrän precis i början på 1900-talet. Då användes vätgas främst till farkoster då gasen är den lättaste vi har. Vätgas var även den gasen som fick zeppelinaren LZ 129 Hindenburg att lyfta, många känner nog till luftskeppets öde. Hindenburgkatastrofen 1937 har nämligen en betydelse för vätgasen resa genom historien, då tekniken och närmare bestämt vätgasen satte världen i skräck. Eldklotet som uppstod i samband med att Hindenburg gick inför landning var så kraftfullt att farkosten i princip hade brunnit upp innan den hade nåt marken. Efter att nyheten om olyckan hade sänts ut till alla världens hörn fastslogs det att vätgas helt enkelt var för farligt för att användas. Idag står världen inför ett annat skräckinjagande hot – nämligen klimatförändringar.

Vätgas är ingen energikälla i sig själv, utan precis som elektricitet fungerar det som energibärare. Det innebär att vätgas inte är någon primär energikälla som kol, gas eller olja, men kan istället användas för lagra, transportera och tillhandahålla energi. Eftersom vätgas inte är en primär energikälla måste den, precis som elektricitet, genereras via en primär energikälla. Man kan därför inte säga att vätgas är förnybar, fossilfri eller fossil – den kan vara allt detta, helt beroende på hur den tillverkas. Vätgasen är doftlös, färglös och lättantändlig. Vätgas är dock väldigt flyktigt vilket gör att den snabbt löses upp i luften och blir ofarlig. För att kunna använda vätgas som bränsle, el eller värme behövs en energiomvandlare. Det kan till exempel vara en bränslecell, en slags energiomvandlare som kan användas för att göra om vätgasens kemiska energi till elektricitet. När vätgas kommer i kontakt med syre frigörs stora mängder energi och värme som kan tillvaratas. Restprodukten som blir är helt vanligt vatten, eftersom vätgas (H2) som reagerar med syre (O) bildar H2O[1].

Snabbkurs i väte (H)

Väte (H) vårt universums mest förekommande grundämne. Det är det lättaste grundämnet som vi känner till. Givetvis finner vi väte på jorden men ytterst sällan i sin renaste form, detta beror på väte är väldigt reaktivt. På grund av sin reaktiva förmåga fäster sig gärna väte till andra grundämnen och bildar där med föreningar. I stället för att finna väte för sig självt, finner vi det i bindningar som vatten (H2O) och metan (CH4), två väldigt förekommande bindningar. Två väteatomer bildar vätgas (H2) 

Produktion av vätgas

Ett vätgasbaserat energisystem kan förenklas på följande vis: energi till vätgas till energi. Nedan kommer vi att redogöra för de tre vanligaste tillverkningsmetoderna samt metodernas för- och nackdelar.

Vätgas kan tillverkas på flera sätt men de tre vanligaste sätten är ångreformering, metanpyrolys och elektrolys. Ångreformering av naturgas är idag den vanligaste tillverkningsmetoden av vätgas. Nackdelen med denna metod är att den ger upphov till stora koldioxidutsläpp. Fördelen är att den kostar mindre.

I metanpyrolys hettas naturgas upp till över tusen grader och tillåts bubbla igenom en katalysator av smält metall. Metanet (CH4) delas då upp i två stycken vätgasmolekyler och en kolatom. Kolatomen kan sedan lagras i fast form och släpps inte ut i atmosfären. Fördelen med denna metod är att den omvandlar ett fossilt bränsle till vätgas utan att ge upphov till koldioxid. Metoden är relativt ny och behöver utvecklas vidare för att kunna skalas upp till industriell skala.

Elektrolys innebär att vatten spjälkas upp i vätgas och syre med hjälp av el. Den stora fördelen med elektrolysmetoden är att vätgasen blir helt klimatvänlig om fossilfri el används i elektrolysören. Nackdelen är att verkningsgraden är relativt låg, ungefär 20-30 procent av energiinnehållet förloras i omvandlingen från el till vätgas. Forskning och utveckling pågår dock för att förbättra effektiviteten. Till 2030 finns bedömningar om att man kan minska förlusterna till mellan 14 och 18 procent.

Vätgas i färg

Vätgas kan produceras med hjälp av alla möjliga energikällor – både förnybara som vind, vatten och sol, men även fossila som olja, kol och gas. Beroende på valet av energikälla, skiljer sig processen och klimatavtrycket. Därför har vätgasforskare tagit fram ett färgsystem för att enkelt kunna urskilja olika typer av vätgas. Grå, blå och grön anses vara den mest förekommande färgskalan men även färger som turkos, brun, gul och lila förekommer. För den som inte vill gå in på detaljer, så som specifika energikällor och utvinningsteknologier, räcker det med att känna till hur vätgas kan kategoriseras sett till klimatpåverkan. Där grå vätgas ses som den förorenande typen, blå vätgas resulterar också i CO2-utsläpp men där samlas koldioxiden upp och lagras genom CCS-system (carbon capture storage). Grön vätgas är av störst intresse och relevans då den produceras genom 100% förnybar energi. IEA (International Energy Agency) menar att ren vätgas kan vara grön, blå, samt lila (kärnkraft). Tekniskt sätt så resulterar kärnkraft inte i  några utsläpp av koldioxid, dock i radioaktiva avfall.[2]

Hur kan vätgas hjälpa oss att nå nettonollutsläpp?

Anledningen till att vi har valt att skriva om vätgas detta kvartal är givetvis för att tekniken kan hjälpa oss att nå nettonollutsläpp.  Idag produceras i stort sett all vätgas genom ångreformering av naturgas, det vill säga grå vätgas, alltså besparar vi inte klimatet på något sätt genom vår användning av vätgas. För att vätgas ska kunna göra skillnad på riktigt behöver vi förändrar sättet som vi producerar vätgas på. Ett första, men kanske mindre ambitiöst förslag är genom metanpyrolys, där vi kan fånga upp och lagra koldioxiden, det vill säga blå vätgas. Dock menar vissa forskare att blå vätgas är en enda stor grönmålning och att metoden i själva verket inte alls är bättre än konventionell ångreformering (grå vätgas). De menar att CCS-systemen inte fångar upp tillräcklig mängd koldioxid, samt att det finns stora risker med lagringstekniken, så som läckage. Det enda långsiktigt hållbara sättet att producera vätgas är genom elektrolysmetoden från förnybara energikällor, det vill säga grön vätgas. Men givetvis är tekniken i dagsläget småskalig och betydligt dyrare i jämförelse med grå och blå vätgas. Men detta kan komma att ändras då priset på elektrolysörer sjunker allt eftersom produktion skalas upp samt att priset på förnybar energi sjunker, BloombergNEF uppskattar att grön vätgas kommer att vara billigare än blå redan vid 2030.[3] Om världen är redo att verkligen ta grönvätgas på allvar får tiden utvisa, på nästa sida kommer vi gå igenom de främsta användningsområdena där vätgasen kan komma att spela störst i roll i klimatomställningen.

Användningsområden

Världen befinner sig långt ifrån den potential som vätgasen egentligen besitter. Idag används vätgas främst inom raffinering och kemisk industri och produceras nästan uteslutande av fossila bränslen. Nedan har vi valt att redogöra för tre lovande användningsområden för där vätgasen kan komma att spela en stor roll.  I Sverige är bedömningen att vätgasen i första hand kan komma till användning inom processindustrin, t.ex. för att tillverka fossilfritt stål som idag använder stora mängder kol eller naturgas som reagerar kemiskt med järnmalmen. Utmaningen har varit att hitta en fossilfri tillverkningsmetod. Där kommer vätgasen in som en lösning. Idag finns det flera svenska aktörer som gör satsningar inom grönt stål.

Tunga transporter som är svåra att elektrifiera är ett annat område med stor potential. För personbilar och för lättare transporter är el en bra lösning. Men för fartyg, tunga lastbilar samt flygplan är batterier med tillräcklig kapacitet både för tunga och för dyra. Om man kombinerar biogen koldioxid med fossilfri vätgas kan man tillverka så kallade elektrobränslen, till exempel eMetanol som kan användas i en förbränningsmotor. Biogen koldioxid kallas den koldioxid som uppstår vid förbränningen av biobränslen, alltså bränslen som har utvunnits ur biomassa som exempelvis skogsrester. Varför man gör skillnad på ”vanlig” koldioxid och biogen koldioxid beror på att utsläpp av koldioxid från hållbart producerade biobränslen på längre sikt kan anses koldioxidneutrala då koldioxiden som släpps ut vid förbränning hela tiden binds till ny biomassa.               

Ett tredje användningsområde är att använda vätgas för att jämna ut toppar och dalar i elsystemet.  I nuläget fungerar vattenkraftens dammar som stora batterier som kan släppas på och bromsas när behovet uppstår. I framtiden kommer vattenkraften inte att räcka till, och då behövs andra lösningar. Genom att koppla en elektrolysör till ett kraftverk och producera vätgas när det finns ett överskott av el i systemet kan elproduktionen optimeras utifrån marknadens behov. Vätgasen omvandlas sedan till el igen när elbehovet är större än produktionsförmågan. En utmaning är att verkningsgraden blir låg eftersom elen först ska omvandlas till vätgas, och sedan tillbaka till el igen.[4]

Framtiden

Nyckelpelarna för att minska koldioxidutsläppen i det globala energisystemet är energieffektivitet, beteendeförändring, elektrifiering, förnybara energikällor, vätgas och vätgasbaserade bränslen och CCS. I Sverige har vätgasens roll hittills inte varit självklar, faktum är att Sverige faktiskt har legat lite efter men i takt med att EU valt att investera stort i vätgasen har också intresset ökat i Sverige. Vätgasens betydelse i nettonollutsläppsscenariot återspeglas i dess ökande andel av kumulativa utsläppsminskningar. Stark efterfrågan på vätgas och införandet av renare teknik för dess produktion gör det möjligt för vätgas att undvika upp till 60 Gt CO2-utsläpp under 2021-2050 i nettonollutsläppsscenariot, vilket motsvarar 6 % av de totala kumulativa utsläppsminskningarna. Det kanske inte låter som särskilt mycket, men varje liten del räknas om en hållbar övergång ska vara möjlig.[5]                         

Att vätgasen idag produceras nästintill helt och hållet av fossila bränslen utesluter inte energibärarens stora potential, faktum är att vätgasen verkar ha medvind. Man måste ha i åtanke att teknologin redan används i stor utsträckning inom vissa industrier, men att potentialen att stödja en fossilfri omställning ännu inte har insetts. Ambitiösa, riktade och kortsiktiga åtgärder krävs för att övervinna hinder och minska kostnader. Forskare och experter menar att tidshorisonten 2030 är en avgörande språngbräda för en bredare spridning av rent och prisvärt väte. Det behövs bara smart politik som bygger på pålitliga användningsområden i industriella tillämpningar av lågkostnads- och fossilfria vätgaslösningar i större skala  som samtidigt kan stimulera nya källor till efterfrågan och koppla samman marknader. Det finns en chans att energiläget den här gången faktiskt kan bli annorlunda, det finns en ny och trovärdig väg för ren, prisvärd och utbredd användning av vätgas i globala energisystem, så länge regeringar, företag och andra aktörer tar vara på dessa kortsiktiga möjligheter. Vätgasen har idag en oöverträffad fart och världen bör inte missa denna unika chans att göra vätgasen till en viktig del av vår rena och säkra energiframtid.[6]

Den här artikeln är utdragen ur vår senaste kvartalsrapport Hållbar förvaltning, är du intresserad av att läsa våra tidigare teamdelar hittar du dem här.

1  Dawood, F., Anda, M., & Shafiullah, G. M. (2020). Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 45(7), 3847-3869.

2 Newborough, M., & Cooley, G. (2020). Developments in the global hydrogen market: The spectrum of hydrogen colours. Fuel Cells Bulletin, 2020(11), 16-22.

3 BloomberNEF. (2021). ‘Green’ Hydrogen to Outcompete ‘Blue’ Everywhere by 2030.

4 Uniper. (2021). Vätgas – en av nycklarna till klimatomställning av Sverige

5 IEA. (2021). Cumulative emissions reduction by mitigation measure in the Net Zero Scenario, 2021-2050

6 IEA. (2019). The Future of Hydrogen