Vätgas på väg in i värmen

Ur The Economist, Technology Quarterly, 25 juni 2022, översatt av InPress. ©2022 The Economist Newspaper Limited. Alla rättigheter förbehållna.

Vad handlar artikeln om?

Ny och gammal teknik och god ingenjörskonst måste användas för att hantera den ökande efterfrågan på el – inte minst i låg- och medelinkomstländer. Vätgas som framställts av förnybar energi, som sol- och vindenergi, väcker stora förhoppningar. 

Läs mer

Om fossila bränslen ska ersättas med el behövs mer el. Om alla bilar i USA var el­drivna skulle landets elförbrukning öka med 28 procent. Detta förutsatt att amerikanerna körde lika mycket som de gör i dag. Och om bara två av Tysklands största industri­anläggningar – Ludwigshafen som drivs av kemijätten BASF och Duisburg som drivs av ståljätten ThyssenKrupp – skulle köras med el i stället för kolväten skulle landets elförbrukning öka med 15 procent i ett slag, säger Klaus Schmitz på konsultföretaget Arthur D Little.

Det här är skrämmande framtidsutsikter för låg- och medelinkomstländer som redan i utgångsläget saknar kapacitet att möta efterfrågan på el. Det är däremot mindre oroande för länder som USA, Tyskland och Japan. Där är ny kapacitet nämligen överkomlig och där blir elnäten alltmer sofistikerade. Men det är fortfarande en enorm utmaning. Och det måste fortfarande fattas svåra beslut om vad man ska elektrifiera direkt respektive indirekt med grön vätgas.

Tekniken för att framställa vätgas blir bättre

Det är dyrt att framställa vätgas från förnybara energi­källor. Men priset sjunker. Den förnybara energin i sig blir billigare och teknikerna för vätgasframställning blir bättre. Särskilt gäller det elektrolys där man spjälkar upp vattenmolekyler i väte och syre. Elektrolysanläggningar är mogna både för innovation och stordriftsfördelar. Tekniken kan med andra ord mycket väl vara på väg mot ett brant prisfall. Det vill säga på samma sätt som redan har skett för solceller och batterier. Emma Champion på analysföretaget Bloombergnef förutspår att kostnaden för grön vätgas i slutet av det innevarande decenniet är densamma som för vätgas från fossila bränslen, även om man tillverkar den utan avskiljning och lagring av koldioxid (carbon capture and storage, CCS).

Och utvecklingen kommer att fortsätta. Riskkapitalisten Vinod Khosla har länge intresserat sig för klimatförändringar. Han tror på en snabbt växande marknad för hyfsat billig vätgas framställd av riktigt billig förnybar energi. ”Om det här visar sig fungera, kommer vårt behov av el att öka med hundratals procent mer än vi förutspår i vår nuvarande prognos för 2040, och solenergi blir ännu billigare”, konstaterar han.

Är värmepumpar en lösning?

Men vätgas framställd på detta sätt kan inte rakt av ersätta naturgas i alla dess tillämpningar. I turbiner med höga temperaturer går det bra. Men normalt inte i privatägda värmepannor. Att gå från en värmepanna driven av naturgas till en driven av vätgas kan låta trevligt. Och även som en marginell förändring. Men att använda el för att framställa vätgas som ska brännas i en värmepanna är mycket mindre effektivt än att använda elen för att driva en värmepump.

Världen Om förklarar

Vätgas som framställts av förnybar energi, som sol- och vindenergi, väcker stora förhoppningar. Marknaden är enorm eftersom vätgas skulle kunna eliminera en avsevärd andel av dagens koldioxidutsläpp från industri, transport och uppvärmning.

Läs mer

Elektriska värmepumpar är egentligen luftkonditioneringsanläggningar som man kör baklänges. Energin de använder värmer följaktligen inte upp saker direkt. I stället flyttar de värmen från en plats till en annan. Och att flytta värme kan vara effektivare än att alstra den. En anläggning som håller temperaturen uppe i ett hus med hjälp av jordvärme kan vidare producera 400 W värme för varje 100 W el som den förbrukar.

Att uppgradera bostadshus med värmepumpar kan vara både kostsamt och bökigt. Och dessutom finns det inte tillräckligt med installatörer för att genomföra något sådant i stor skala. Men fortfarande verkar det vettigare än att förbränna vätgas, en process som alltid genererar mindre energi än vad som krävs för att framställa vätgasen till att börja med. För bostäder, arbetsplatser och industriprocesser som kräver ”låggradig” värme, det vill säga temperaturer lägre än för kokande vatten, förefaller värme­pumpar därför vara rätt väg.

Vätgas har stor potential

Det är en stor utmaning. I ett scenario där uppvärmningen är begränsad till 1,5 grader över den förindustriella nivån, framtaget av FN:s organ för förnybar energi IRENA, måste antalet industriella värmepumpar öka från under 1 miljon 2019 till 35 miljoner 2030 och 80 miljoner 2050. I byggnader innebär det en ökning från 53 miljoner värmepumpar 2019 till 142 miljoner 2030 och 290 miljoner 2050.

Illustration: Travis Constantine/The Economist

För riktigt höga temperaturer, över 500 grader, har vätgas sannolikt en fördel. Men det finns fler användningsområden. Ett av skälen till att kemi- och stålbranschen sitter fast i fossila bränslen är att de utnyttjar sin kemi – det sätt på vilket kol och väte reagerar med andra ämnen – och den energi som finns lagrad där. Att tillverka järn av järnmalm och sedan stål av järn kräver både kemi och värme. Och stålindustrin är van vid att förlita sig på fossila bränslen för bådadera.

I en fabrik i Toledo, Ohio, använder Cleveland-Cliffs, den amerikanska bilindustrins största underleverantör, naturgas för att avlägsna syre från järnmalm i tillverkningen av briketter av direktreducerat järn. Vätgas kan i stort sett göra samma jobb. Företagets chef Lourenco Goncalves säger att det således skulle vara enkelt att ersätta 30 procent av naturgasen med vätgas om anläggningen hade en tillförlitlig vätekälla. Vidare skulle man kunna nå 70 procent med begränsade anpassningar, vilket skulle kapa utsläppen med över 1 miljon ton per år. Att helt övergå till vätgas skulle vara svårare, men fullt möjligt.

Scenario för nettonollutsläpp

Det direktreducerade järn man tillverkar i Toledo hamnar fortfarande i koleldade masugnar. Men man skulle kunna förädla det i elektriska ljusbågs­ugnar som smälter järn med hjälp av elektricitet. Man behöver fortfarande tillsätta lite kol för att omvandla järnet till stål. Men det kräver ingen värme som man producerat av fossila bränslen.

I det scenario för nettonollutsläpp som Internationella energirådet, IEA, publicerade i maj används vätgas och elektriska ljusbågsugnar för cirka två tredjedelar av den primära stålproduktionen i ledande industrialiserade länder senast 2050. Indiska Tata Steel aviserade till exempel förra året att bolaget skulle använda metoden i en stor anläggning i Nederländerna.

Ny och gammal teknik i kombination

För att få en bild av den mångfacetterade och integrerade energiinfrastruktur som är nödvändig på grund av klimatåtgärderna och möjlig tack vare tekniken, återvänder vi till Berlin. Reuter West är en stor koleldad anläggning som svenska Vattenfall driver. Det är även en av de största elproducenterna i 50 Hertz-nätet. Senast 2030 hoppas Vattenfall vidare driva anläggningen med naturgas och ha förberett den för vätgas. Fjärrvärmesystemet som är beroende av anläggningens varmvatten ska man utöka med värmepumpar. Man ska även använda varmvatten för energi­lagring. Det senare i form av en enorm vakuumtermos som rymmer 56 000 ton vatten som håller en temperatur strax under kokpunkten.

I likhet med andra vägar framåt som skisseras i den här rapporten, vilar projektet på sina historiska föregångare. Det förenar en väl underbyggd, kanske idealistisk, teknisk fantasi med den goda ingenjörskonstens noggrant undersökande konservatism. För att det ska fungera måste man använda ny och gammal teknik tillsammans för att kontrollera enorma energiflöden. Och det är ett pågående arbete. Det finns sämre symboler för energiomställningen.

Denna text publicerades ursprungligen i det tryckta magasinet Världen Om, oktober 2022.
Läs fler artiklar från samma nummer här.