Kunde man producera vätgas utsläppsfritt så att det behövs bara lite eller ingen el alls?
Enligt Finlands och EU:s vätgasstrategi produceras väte främst med hjälp av elektrolysmetoden. Det kräver enorma mängder utsläppsfri el. För produktion av vätgas behövs även andra metoder utan koldioxidutsläpp. Den moderniserade metanpyrolysen och framtidens metod solväte kan vara sådana, skriver Marko Huttula och Ulla Lassi.
Text: Marko Huttula och Ulla Lassi, Uleåborgs universitet.
En radikal minskning av koldioxidutsläppen kräver en övergång till vätgasbaserad ekonomi inom många förorenande sektorer. Då man går över till en vätgasekonomi ersätts de fossila energikällorna med väte.
Diskussionen om vätgasekonomi är het i Finland, EU och globalt. Förväntningarna är höga och användningen av vätgas uppskattas täcka nästan en fjärdedel av EU:s energibehov 2050. Konkurrensen om innovationer inom vätgasindustrin är redan hård och stora investeringar görs till exempel i norra Sverige. Med hjälp av vätgas kan koldioxidutsläppen minskas betydligt om vätet produceras utsläppssnålt eller helt utsläppsfritt.
Vätgas som producerats med förnybar energi, till exempel vindkraft, kallas grön.
I många av de nuvarande planerna kommer vätgas att produceras med elektrolys som kräver mycket el. För att detta ska minska utsläppen betydligt måste också elen produceras med låga utsläpp eller utsläppsfritt. Är det realistiskt? Kunde man producera vätgas utsläppsfritt så att det behövs bara lite eller ingen el alls?
Nya produktionsmetoder behövs
Ett stort problem i Finlands och EU:s nuvarande vätgasstrategi är bristen på elektricitet. Enligt dessa strategier produceras väte främst med hjälp av elektrolysmetoden. Metoden kräver oerhört mycket el, som i bästa fall produceras grönt med förnybar energi. Exempelvis skulle stålproduktion i Brahestads stålfabrik med fossilfri, elektrolytisk vätgas konsumera nästan all energi från ett kärnkraftverk.
För närvarande produceras cirka 80 miljoner ton (Mton, megaton) väte i världen per år för olika ändamål. Om allt stål i världen skulle tillverkas med vätgas skulle det behövas ytterligare cirka 90 Mton väte. Allt som allt skulle det alltså behövas mer än dubbelt så mycket väte än vad som nu produceras i världen.
Om denna extra mängd på 90 megaton väte producerades med elektrolys och man använde utsläppsfri el för produktionen skulle det behövas närmare 250 nya kärnkraftverk i världen. Ett kärnkraftverk motsvarar grovt uppskattat 800 vindkraftverk och vindkraftens effektproduktion är i Finland endast 33,8 procent av den nominella effekten. I diskussionen kring vätgas och elektricitet borde man realistiskt fästa vikten vid hur vi får elektriciteten att räcka till.
En ökning av vindkraften är en del av lösningen, men dessutom behövs nya metoder för produktion av vätgas. Behovet av väteinnovationer accentueras också av det snabbt stigande elpriset och att samtidigt ökar skillnaden mellan inhemsk konsumtion och produktion av elektricitet i Finland. Med andra ord ökar elunderskottet i Finland, vilket visas till exempel av vår undersökning av Fingrids och Nord Pools öppna data. En tråkig observation är att den framtida elproduktionen enligt prognosen för kärnkraftsenheten Olkiluoto 3 endast kommer att täcka 15-25 procent av Finlands elunderskott, vilket är klart mindre än de tidigare förväntningarna. Enligt utredningen uppgick kostnaderna för Finlands elunderskott 2021 till 1,4 miljarder euro i marknadspris. Detta har en stor samhällsekonomisk betydelse.
Man borde fort utveckla alternativa metoder för sådan produktion av vätgas som kräver endast lite eller ingen el alls. Exempelvis Japan konkurrerar med Finland om snabb utveckling av uppfinningar med vätgas.
Väte och nanorör med ny metanpyrolys
Till exempel metanpyrolys utan koldioxidutsläpp är redan nu en fungerande metod för väteproduktion med stordriftsfördelar. Vid metanpyrolys delas metan, dvs. natur- eller biogas, upp så att dess väte separeras från kol och samlas in som ren vätgas.
I processen blir kol fast och ingen koldioxid uppstår. Den nyaste tekniken spjälkar upp metan med hjälp av en heterogen katalysator, i betydligt lägre temperaturer än i den termiska processen. Detta möjliggör en mycket energieffektiv process.
Genom att bearbeta den katalytiska processen kan man påverka hurdant kol som bildas. I den här processen uppstår rent kol av vilket man kan producera till exempel kolnanorör, som kan nyttjas bland annat för nya batteritekniker i energilagringsapplikationer.
Metanpyrolys som produktionsmetod för vätgas är förenlig med värdena för hållbar utveckling. Processen producerar inga sidoströmmar utan endast två primärprodukter: vätgas och nanokol. Metanpyrolys är också en koldioxidfri produktionsteknik som kräver endast cirka en tiondel energi jämfört med till exempel "grönt väte" som producerats med vattenelektrolys.
Naturens genialitet inspirerar solväte
Solväte är en framtida metod som nu undersöks och utvecklas mycket. Där produceras vätgas ur vattnet med hjälp av solljus. Metoden kallas ljuskatalys. Sådan vätgas som har producerats ur vatten med ljuskatalysator direkt utan el kallas solväte.
I metoden räcker ljusenergin som absorberas i katalysatorn till för att bryta ned vattenmolekylerna till väte och syre, som samlas in. Processen är helt utsläppsfri. Solvätepanelen påminner till sin funktion om en vanlig solpanel, men inne i den finns vatten. För närvarande kan man utnyttja 1-5 procent av solens energi, men själva ljuset är gratis och utsläppsfritt.
Effektiviteten förbättras med hjälp av katalytisk utveckling och till exempel biomimikerade nanomembrankonstruktioner som minskar energiförlusterna. I utvecklingen av dem efterliknar man naturens genialitet och effektivitet i strukturerna av till exempel fjärilens vingar eller gräset.
Tack vare evolutionen samlar växterna optimalt med solstrålning. Forskarna kopierar ytstrukturen från olika växters blad till membranet. När ett sådant membran placeras till exempel ovanpå fotocellen, förstärks ljusuppsamlingen med upp till cirka 17 procent. Det kommer inte mer energi någonstans, men återreflektionen minskar. Även med nanokonstruktioner som imiterar fjärilens vingfjäll kan man avsevärt förbättra solpanelerna genom att göra dem mindre reflekterande.
Dessutom kommer solvätecellernas materialeffektivitet att vara betydligt större och miljöbelastningen mindre än till exempel solelens.
Forskning är nummer ett också inom vätgasproduktionen. De finländska högskolorna som undersöker väte utvecklar som bäst verksamhetsplaner för forskning och utbildning som beaktar konsekvenserna av en övergång till vätgas för hela samhället.
Artikeln har publicerats för första gången 1.4.2022 i den finskspråkiga upplagan av Teknikens Värld, i publikationsserien ”Tutkijalta” med artiklar skrivna av forskare på finska. Länk: https://tekniikanmaailma.fi/kesken-voitaisiinko-paastotonta-vetya-tuottaa-niin-etta-sahkoa-tarvittaisiin-vain-vahan-tai-ei-lainkaan/
