Realismen i vätgassamhället

Transkript

1 Lunds tekniska högskola Institutionen för Energivetenskaper Avdelningen för energihushållning Realismen i vätgassamhället Linnea Hellberg, André Månsson, Christoffer Weidmar, Inlämningsuppgift i MVKN10 Energitransporter Handledare: Svend Fredriksen

2 Sammanfattning Vätgasens framtid som energibärare bestäms av en rad politiska, ekonomiska och tekniska faktorer. Det starkaste argumentet för användning av vätgas är dess låga miljöpåverkan. Det kan även nämnas att vid en satsning på vätgas skulle Sverige minska sitt beroende av importerad energi då vätgasen skulle kunna produceras i landet. Det forskas kring en mängd olika framställningar av vätgas. Lägst miljöpåverkan har elektrolys från ren el medan den billigaste är genom ångreformering av kolväten. Gemensamt för alla typer av framställningar är avvägningen mellan för och nackdelar och det är därför troligt att flera tekniker kan användas parallellt. Distributionen av vätgas kan exempelvis ske genom pipelines. Även mycket små rör kan teorietiskt sett leda tillräcklig mängd energi för att förse merparten av Sveriges energibehov. Det mest lovande användningsområdet för vätgas är bränsleceller som omvandlar vätgas och syre till vatten och energi. Detta skulle kunna användas i fordon eller som en kraftvärmeanläggning där även spillvärmen kan tas tillvara. I dagsläget är dock bränsleceller dyra. För en storskalig introduktion av vätgas är det även viktigt att säkerheten beaktas. Vätgas är lättantändligt och atomens ringa storlek gör att den kan orsaka snabb förslitning på material som används vid hanteringen. Alternativet till vätgas är en kombination av flera olika tekniker, däribland elbilar som använder batteri, biodrivmedel och syntetiskt framställda drivmedel som härrör från fossila källor. I dagsläget går det enbart att spekulera i vilken roll vätgasen kommer att få i framtidens energisystem. Teknikens mognad och utvecklingen av alternativ är avgörande. Även politiska ställningstaganden måste tas angående utbyggnaden av infrastruktur och framställningssätt. 1

3 Innehåll Sammanfattning... 1 Inledning... 3 Fysikaliska egenskaper för vätgas... 3 Förbränning av vätgas... 3 Produktion av vätgas... 4 Elektrolys... 4 Ångreformering... 5 Väte som energibärare... 6 Infrastruktur och distributionssystem... 6 Gasbehållare... 6 Metallhydrider... 6 Kylsystem... 7 Pipelines... 7 Risker... 8 Tekniker för att använda vätgas... 8 Förbränning... 8 Bränsleceller... 9 Investeringar inom Skandinavien Investeringar inom EU Vätgassamhället Alternativ till vätgas Slutsats Referenser Förslag på tentamensfråga

4 Inledning Vätgas utropas ofta som framtidens energibärare. Egenskaper som ren förbränning och låga utsläpp gör den intressant ur ett miljö och klimatperspektiv men tekniken är dyr och omogen. I denna rapport kommer vi diskutera vätgasens för och nackdelar samt realismen för storskalig kommersiell användning. Fysikaliska egenskaper för vätgas Vätgas består av molekyler som byggs upp av väteatomer. Med enbart en proton i kärnan är väte det minsta grundämnet. Då vätgasmolekylerna består av enbart två atomer är även molekylerna mycket små vilket bidrar till att ge vätgas några av dess speciella egenskaper. En direkt följd av storleken är att fria vätgasatomer kan diffundera in i stålets kristallina struktur. Väl inne i strukturen ansamlas vätet i voider och med kovalentbindningar till andra väteatomer bildas vätgasmolekyler (se fig 1 nedan). Molekylerna, som är betydligt större än de ingående atomerna, är för stora för att diffundera ut från voiderna. Kontentan blir därför att en nettoansamling av vätgasmolekyler sker varpå trycket inuti voiden ökar. När trycket har ökat tillräckligt mycket blir följden att stålet spricker. Väte är ofta bundet i molekylformen men det finns tillfällen då den fria formen förekommer i större mängd, exempelvis vid framställningen av vätgas eller då vätesulfit reagerar med stål (Astbury 2008). För att minimera risken för olyckor ställs det därför stora krav på materialen som används för att hantera vätgasen. Fig 1: t.v. bild på två vätgasatomer, t.h. bild på vätgasmolekyl bestående av två vätgasatomer Den kompakta molekylstrukturen gör att vätgas har ett högt energiinnehåll räknat på viktsenhet (LHV 158,9 MJ/Kg). Vid atmosfärstryck är dock energiinnehållet lågt räknat per volymenhet (12,71 MJ/m 3 ) (Astbury 2008). Detta får till följd att vätgasen lämpligen fraktas och lagras vid ett högt tryck eller i en icke gasformig fas. Förbränning av vätgas Vätgas kan reagera med syre och bilda vatten, se formel nedan. För att reaktionen skall initieras krävs att energi tillsätts. Minsta mängden energi som krävs för att starta reaktionen, minimum ignition energy (MIE), är för vätgas 0,017mJ. Detta är ett mycket lågt värde, som jämförelse kan nämnas att naturgas har ungefär en tiopotens högre värde (Astbury 2008). Reaktionen är exoterm, den avger energi i form av värme. 2 2 Ovan: formel för reaktion mellan vätgas och syre Exakt det stokiometriska blandningsförhållandet måste inte uppnås för att en förbränningsprocess skall ske. Det krävs dock att de ingående ämnena har rätt blandningsförhållande, för mycket bränsle 3

5 eller oxidationsmedel omöjliggör en förbränning. För vätgas är detta intervall mycket stort, volymförhållandet kan variera från 1:4 till 1:75. Detta är ett mycket stort spann, exempelvis kan naturgas enbart antändas i spannet 1:5 till 1:15 (Astbury 2008). Följderna av ovanstående är därför att vätgas bör hanteras med stor varsamhet då det både är betydligt mer lättantändigt än andra konventionella gaser samt kan brinna under ett större blandningsförhållande. Vätgas brinner dessutom med en ofärgad låg vilket gör det mycket svårt att upptäcka den visuellt (Crowl 2007). Riskerna vid oavsiktlig antändning är därför betydligt större med vätgas varför försiktighetsprincipen bör mana utvecklare att noga undersöka hur vätgas skall hanteras om det skall användas som substitut för konventionella drivmedel i stor skala. Produktion av vätgas Framställning av vätgas kan ske på två olika sätt, genom elektrolys eller ångreformering. Detta beror på att vätet som går att finna på jorden är bundet till andra ämnen. Till skillnad från de fossila bränslena går det därför inte att utvinna vätgas från gruvor eller underjordiska fyndigheter. I stället använder man enbart vätgas som en energibärare och gasen måste därför produceras. Vätgas påminner i detta avseende om elektricitet som också enbart är en energibärare. Kostnaden för de olika teknikerna skiljer sig markant åt, se fig 2. Gemensamt är dock att vätgas är betydligt dyrare än de konventionella drivmedlen som används idag. Fig 2 kostnad för olika bränslen utan skatteeffekter samt exklusive kostnaden för tankstationen, sammanställt i juni 2006 Elektrolys Med en redoxreaktion kan vattnet spjälkas upp i dess beståndsdelar, väte och syre. Detta sker genom att en extern strömkälla kopplas till ett system bestående av anod, katod och elektrolytlösning. Elektronerna tillförs genom katoden som då blir negativ, positiva joner reduceras här när de upptar 4

6 elektroner från katoden. Omvänt kommer negativa joner avlämna elektroner till anoden där det således sker en oxidation, se fig 3 (wikipedia elektrolys). Detta är ett vanligt experiment på kemilektionerna i grundskolan när man skall framställa knallgas. Namnet kommer från att vätgasen vid förbränning ger en kraftig knall. Fig 3: elektrolys av vatten för att producera syre (O 2 ) och vätgas (H 2 ), ämnena kommer bildas i de respektive kärlen För att framställa vätgas genom elektrolys krävs elektricitet. Detta är en relativt dyr metod då verkningsgraden är i storleksordningen % (Vätgas Sverige 2010a). Detta innebär att vätgas, räknat på energienhet, minst kommer kosta % mer än motsvarande mängd elektrisk energi. Till detta tillkommer kapital och investeringskostnaderna. Några av de främsta fördelarna med elektrolytisk produktion är att det tillåter småskalig produktion, exempelvis för att jämna ut fluktuationer i utbud och efterfrågan i ett mindre system. Då det redan i dagsläget finns ett utbyggt elnät är det även möjligt att använda det befintliga elnätets infrastruktur för att distribuera energin och sedan via elektrolys producera vätgasen på exempelvis lokala tankstationer. Framställs vätgasen elektrolytiskt i Sverige med syfte att användas som drivmedel ökar den även energisystemets försörjningstrygghet. Detta då elektricitet kan produceras i Sverige medan konventionella drivmedel importeras från andra länder. Elektrolys tillåter även att man använder förnybara energikällor så som vatten och vindkraft vilket skulle göra vätgasen till en ren energibärare. Då förnybar elektricitet, så som vind och solenergi, ofta har en relativt hög kostnad blir givetvis priset för vätgas som produceras därefter, se fig 2. Ångreformering Det i dagsläget billigaste sättet att framställa vätgas är genom ångreformering av ett kolvätebaserat bränsle. Under högt tryck och temperatur låter man vatten reagera med bränslet, exempelvis kan naturgas användas. Efter ett antal kemiska processer bildas koldioxid och vätgas. Omhändertas koldioxiden genom CCS fås på så sätt en ren energibärare som inte ger upphov till gaser med klimatpåverkan. Släpps däremot koldioxiden ut i atmosfären blir bränslets klimatnytta mycket låg, kanske till och med obefintlig, beroende på vilken tillämpning vätgasen används i. 5

7 Väte som energibärare Det finns klara fördelar med att använda vätgas som energibärare. Anledningen till att man i regel inte kallar väte för energikälla, som fallet med till exempel fossila bränslen, är att vätgas inte finns i naturen i någon större utsträckning. Gasen kräver alltså en extern energikälla för att framställas. Den tillförda energin kan med stor fördel förvaras i vätgas då gasen är mycket energirik per kilogram. Grovt räknat kan man säga att 1 kg vätgas innehåller samma mängd energi som 2,1 kg naturgas eller 2,8 kg bensin. Dock innehåller gasen lägre mängd energi räknat i volym, gasen innehåller bara en tredjedel av energimängden i jämförelse med biogas. Den mest uppenbara fördelen med att använda vätgas som drivmedel och energibärare är att gasen, vid förbränning, bildar nästan enbart vatten till skillnad från fossila bränslen som alla producerar växthusgasen koldioxid i olika stor utsträckning. Denna egenskap samt det faktum att gasen har en relativt hög energikoncentration gör att det utförs intensiv forskning för att utveckla förbränningsmotorer och lagringsmöjligheter för den flyktiga och problematiska gasen. Infrastruktur och distributionssystem Vätgas har ett lågt energiinnehåll räknat per volym i enbart komprimerad form. För att i dagsläget kunna frakta och förvara gasen i någon större utsträckning krävs det att gasen omvandlas till vätskeform. Detta görs genom att utsätta gasen för högt tryck alternativt låg temperatur (ca 235 grader C) då gasen övergår till vätska. I dagsläget finns det generellt tre sätt att lagra vätgas: Gasbehållare Den framställda gasen komprimeras i gasflaskor till ett tryck mellan bar. De gasflaskor som används i industrin idag är i regel komprimerade till ca 200 bars tryck. Dessa flaskor fraktas sedan med lastbil eller, mer sällan, med tåg. Komprimeringen leder till viss energiförlust, cirka 5 10%. Förvaring och transport i gasbehållare lämpar sig för lågskalig användning, främst inom industrin. I de fall då gasen ska användas som bränsle i fordon behöver gasen komprimeras till ytterligare, uppemot 700 bar i vissa fall. Detta leder till mer energiförluster vilket självklart påverkar faktorer såsom lönsamhet negativt. Det största problemet med att förvara vätgas i behållare är att behållaren måste uppnå vissa krav förutom att kunna trycksättas och hålla en relativt konstant temperatur. Eftersom väteatomen är så pass liten och flyktig kan den framkalla något som i dagligt tal kallas försvagning (eng. embrittlement). Detta innebär att väteatomer letar sig in i otroligt små hålrum och därmed skapar interna spänningar i material som i sin tur kan leda till sprickbildning och i värsta fall total kollaps av behållaren (Hydrogen, wikipedia). Metallhydrider Ett annat sätt att förvara väte är att bilda så kallade metallhydrider; kemiska föreningar mellan väte och en metall. Det finns generellt två typer av hydrider. Den första typen baseras på jonföreningar mellan alkalimetaller och vätejoner. Det finns också en typ av hybrid som innebär att väteatomer lagras i små hålrum i olika metallers atomstruktur. Det pågår intensiv forskning på att hitta effektiva sätt att lagra väte i olika hydridformer. Metallhybrider har generellt sett ett högt energiinnehåll men föreningarna är ofta tunga och klumpiga att hantera 6

8 Kylsystem Då väte kyls ner under en temperatur av 253 grader Celsius antar det flytande form. Vätet kan då med fördel förvaras i isolerade tankar av rostfritt stål. Flytande väte är en mycket komprimerad form av ämnet och är den form som i nuläget lämpar sig bäst för storskalig förvaring. Processen att kyla ner väte till flytande form är dock inte helt okomplicerad. Nedkylningen är energikrävande och man använder bland annat flytande kväve för att komma ner i de extrema temperaturer som krävs. I bästa fall innebär nedkylningen en energiförlust på över 30 %. Gasbehållaren omges av flera lager av isolerande material samt säkerhetsventiler (Planetforlife). När tanken fylls med gas är det viktigt att ingen luft kommer in i systemet, då kan den farliga gasen knallgas bildas vilken är mycket explosiv. Den dyra och komplicerade processen av att kyla ner väte gör att det i nuläget endast är lämpligt för längre transporter av vätgas per tankbil. Förutom nedkylningsprocessen är också en eventuell tankning från en tankbil till en tankstation eller bensinmack komplicerad och kräver ytterligare hantering och kompressionsarbete. För att komma helt förbi problemet med distributionen är ett förslag till lösning att helt enkelt tillverka vätgasen där den ska användas. Så kallad on site tillverkning eller stand alone system kan också vara ett alternativ i delar av världen som ligger geografiskt långt ifrån ett elnät. Stand alone stationerna skulle kunna bli en viktig del för dessa isolerade samhällen. Uppemot 40 % av jordens befolkning bor i isolerade samhällen av denna typ så behovet är uppenbart. Stand alone enheter är dock till stor del ännu på det teoretiska planet. Försök har utförts, bland annat på den isolerade norska ön Utsira där ett mindre mängd hushåll försörjs av en kombination av vinkraft och vätgaslagring (Gasföreningen, vätgasbroschyr). Pipelines När man diskuterar möjligheten av ett samhälle som mer eller mindre försörjs av vätgas som primär energibärare är pipelines det alternativ som verkar vara det mest ekonomiskt försvarbara. En utbyggnad av en ett infrastruktursnät i form av rörledningar skulle dock innebära att man inte hade kunnat använda befintliga rörledningar för naturgas på grund av att dessa inte är designade för att kunna hantera vätets metallförsvagande effekter (EVWORLD, Varför Eldrift). I dagsläget finns den längsta existerande vätgasledningen mellan Frankrike och Belgien, den uppgår till cirka 400 kilometer och har en diameter av cm. Trycket uppgår till cirka 10 bar. Expertåsikterna går isär angående vilket tryck som är optimalt för att använda vid transport av vätgas i ledningssystem. Vad som dock är säkert är att vätgas i pipelinesystem måste komprimeras längs med ledningen för att inte tappa energikapacitet pga sin låga densitet. Återkomprimering kostar såklart också energi, uppemot 1,4 % per kompressorenhet enligt vissa mätningar (Overview of Interstate Hydrogen Pipeline Systems). Figur 4 Leveranseffektivitet 7

9 Trots detta är en vätgaspipeline i många avseenden en attraktiv form av infrastruktursutbyggnad. Vätgas i tillräckligt komprimerad form skulle genom en relativt liten pipeline, under en meter i diameter, kunna förse stora delar av Sverige med energi. Detta utan den stora miljöpåverkan och utbyggnad som t.ex. ett elnät innebär. I en överslagsberäkning utförd av Air Products and Chemicals (figur 5) är transport i pipeline samt on site tillverkning de metoder som lämpar sig bäst för vätgasproduktion i större skala. Trots höga insatskostnader för infrastruktur med specialtillverkade pipelinesystem skulle den ekonomiska vinningen bli möjlig på grund av de stora skalfördelar som uppkommer vid transport i pipeline system. Spelet om att bygga ut ett vätgasnät i Sverige är politiskt likväl som ekonomiskt. I fallet då en stark omställning till vätgas som främsta energibärare finns det starka incitament att ha ett rörledningssystem för distributionssyften. Förutom de uppenbara fördelarna med detta skulle det också kunna innebära att Sverige har möjligheten att bli en aktör i en eventuell internationell handel med vätgas. Figur 5 Vätgaspipeline Risker Det finns flertalet risker att hantera vid användning av vätgas som energibärare. I fallet då gasen är nedkyld, även kallat kryogenisk, måste all direkt hantering skötas genom isolerande material. Köldskador på mänsklig vävnad uppkommer snabbt vid kontakt med ytor som varit i kontakt med kryogeniskt väte eller i direktkontakt med flytande väte. I trycksatt form bidrar metallförsvagning och en hög explosivitet att vätgas måste behandlas med försiktighet och respekt. I kontakt med luft bildas den explosiva gasen knallgas som antänds mycket lätt. Vem minns till exempel inte de skräckinjagande bilderna på Hindenburg olyckan då flera tusen kubikliter knallgas antändes i ett helvetiskt inferno. Det höga trycket i vätgasbehållaren, i vissa fall upp till 700 bars tryck, gör dessutom att det finns en risk för springbildning i behållare. Detta skulle i sin tur kunna leda till att vätgasen rusar ut och behållaren blir en livsfarlig raket med den utsprutande gasen som motor. Den säkraste metoden att lagra vätgasen i nuläget är i hydridform. Hydrider har ett konstant tryck med vätet bundet i legeringen vilket leder till att en urladdning blir mindre kraftig vid ett eventuellt haveri (Energiförsörjning). Tekniker för att använda vätgas Förbränning Det lättaste sättet att använda vätgas är i en förbränningsprocess. Konventionella metoder, så som Ottomotorn kan användas, se fig 6. Detta görs redan i dagsläget och exempelvis har BMW tagit fram en bil som går att köra på vätgas. Principen är den samma som för en vanlig gasbil som drivs med 8

10 metan men som tidigare nämnts ställs högre krav på materialen och säkerheten vid hantering av vätgas jämfört med metangas för att minimera risken för olyckor. Fig 6: principbild av Ottomotorn, från vänster ses kompression/antändning, förbränning, intag av nytt bränsle och avgastakten. Främsta fördelarna med att använda vätgas i en vanlig förbränningsmotor är dels att tekniken redan är tillgänglig och relativt billig men också att vätgas, givet att den framställts med låga utsläpp, bidrar till sänkt miljöpåverkan. Merparten av utsläppen vid förbränning av vätgas utgörs av vanligt vatten men då luften till stor del består av kväve bildas även kväveoxider (NOx). Används en Ottomotor blir dock verkningsgraden relativt låg. Detta är främst negativt ur två aspekter, aktionsraden blir kort och priset på vätgas ger en hög driftskostnad. Motorn är dessutom tung och innehåller lika många rörliga mekaniska delar som en vanlig motor. Ett mellansteg mellan att använda enbart naturgas eller vätgas är hytan. Hytan består till största delen av metangas men innehåller en låginblandning av vätgas. Metangas har en relativt låg flamhastighet vilket försvårar användningen vid höga varvtal då fullständig förbränning ej hinner äga rum men genom att tillsätta vätgas fås en snabbare förbränningsprocess (forumgas 2010). Vanligtvis är koncentrationen av vätgas relativt låg men används lika delar vätgas som metangas höjs förbränningshastigheten med ungefär 60% (Power Gen Worldwide 2010). Hytan kan även, i likhet med låginblandning av etanol, ses som ett försteg för att öka efterfrågan och skapa en allmän acceptans för att använda vätgas som drivmedel i fordon. Bränsleceller Bränsleceller fungerar enligt samma grundprincip som elektrolys fast reaktionen går åt andra hållet. Detta innebär att vätgas får reagera med syret i luften och som restprodukter bildas är vatten, värme och elektriskenergi, se fig 7 (US Department of Energy 2010). Tillskillnad från förbränning bildas inga kväveoxider och verkningsgraden är avsevärt mycket högre, ungefär den dubbla (Vätgas Sverige 2010b). En annan fördel över förbränningsalternativet är att bränsleceller, i kombination med en elmotor, ger en tystgående bil med få rörliga delar. Nackdelen är givetvis att teknikerna för att tillverka bränslecellerna i dagsläget är mycket dyra. De få bränslecellsbilar som finns på marknaden kan närmast betraktas som exklusiva prototyper. 9

11 Fig 7: Principskiss på en bränslecell Det finns flera olika tekniker för bränsleceller, alla har sina för respektive nackdelar. Parametrar som varierar mellan de olika teknikerna är verkningsgrad, effekt, driftstemperatur, vilka material som används, känslighet för föroreningar och kostnad (US Department of Energy 2010b). Investeringar inom Skandinavien Det görs stora investeringar inom Skandinavien för utveckling och kommersialisering av vätgas. The Scandinavian Hydrogen Highway Partnership, SHHP, jobbar för att Skandinavien ska bli den främsta regionen i Europa då det kommer till att erbjuda tankstationer med vätgas. I samarbetet ingår EU, flera instanser inom vätgas och bilindustrin samt den norska och danska staten. Vätgas Sverige ingår som repsresentant för Sverige och ansvarar för kommunikationsaktiviteter i projektet. Den totala finansieringen beräknas uppgå till 200 miljoner svenska kronor och riktar sig främst till utvecklingen av vätgas som fordonsbränsle samt kommersialiseringen av denna. Den första tankstationen implementeras just nu i Oslo enligt en internationell standard som utvecklats just för tankning av vätgas. Ur ett svenskt perspektiv kan detta initiativ ses som ett stöd för fortsatta satsningar på vätgas. Sedan 2008 har bilar producerats som kompletterar batterier med vätgas, som på så sätt får lika lång räckvidd som traditionella bensindrivna bilar. Bilarna beräknas kunna börja massproduceras kring år (Vätgas Sverige2010c) Bilden nedan visar en utav de få existerande tankstationerna som erbjuder vätga (Hynor 2010). 10

12 Fig 8: Norsk tankstation som erbjuder väte byggd enligt internationell standard. Vätgas Sverige förenar finansiärer och drivande krafter inom Sverige för att främja en utveckling och användning av vätgasteknik för ett mer hållbart energisystem (Vätgas 2010 d). Investeringar inom EU Det finns en mängd projekt som är finansierade av EU och som på olika sätt fokuserar på vätgasanvändning. Områdena spänner från små bärbara bränsleceller, utveckling av infrastruktur för transport av gas, förvaring samt mer övergripande projekt som ser till ekonomiska och sociala aspekter. (EU Forskning 2010) Generellt inom EU görs investeringar på nationell nivå. England satsar exempelvis 32,5 miljoner SEK på utvecklingen av bränsleceller (EHA 2010). Island har satt som mål att 2050 bli den första vätgasekonomin i världen. Trots att deras geotermiska energi innebär att elektriciteten är billigare än den insatsenergi för vätgasproduktion som krävs. Island använder överskottselektricitet och konverterar denna till ersättningsbara vätgasalternativ. Vätgasen kan sedan exporteras till andra länder. Det långsiktiga målet är att Island ska bli helt självförsörjande på energi. Ön är idag en av världens mest biltäta och dess fiskeflotta kräver mycket diesel. Konsekvensen är ett starkt beroende av importerad bensin och diesel. (Hydrogen Economy, Wikipedia) Enligt en studie genomförd på uppdrag av EU skulle klimatutsläppen kunna minskas med upp till 40 % år 2050 om vätgas som drivmedel fick full genomslagskraft idag. Det största hindret är i dagsläget den dyra framställning av vätgas jämfört med existerande alternativ. Skulle nödvändiga investeringar göras idag beräknas vätgasen bli ekonomiskt lönsam om 15 år, kring år (EU i Sverige 2010) Vidare anses att antalet vätgasbilar ute på vägarna år 2030 kan uppgå till 16 miljoner. Det största hindret för denna utveckling är de investeringar som krävs för att anpassa infrastrukturen till vätgas. 11

13 En beräkning som gjorts pekar på att uppemot 630 miljarder SEK behövs för att kunna anpassa Europa för vätgas. EU ska gå ihop i ett forskarprogram tillsammans med bilindustrin där totalt ca 9,7 miljarder SEK i investeringar görs. Målet är att göra Europa ledande inom vätgasteknik. (Teknikens Värld 2010) Vätgassamhället Vätgassamhället kan närmast ses som en ideologi som går hand i hand med ett hållbart samhälle. Det finns flera olika scenarier som sträcker sig olika långt inom denna ideologi men gemensamt är behovet av ett globalt energisystem som baseras sig på förnybar energi. (Hedman Robert, 2003) Det är fortfarande för tidigt att säga hur energislagen kommer att fördela sig i framtiden. Genom olika visioner drivs dock utvecklingen framåt och det är viktigt att inse att det kommer krävas flera olika energikällor för att ersätta de fossila bränslena. Det vätgassamhälle som går längst i sin vision är ett samhälle där vätgasen inte enbart ersatt flytande drivmedel utan även ersatt energikällor för uppvärmning såsom natugas, kol och olja. Olika tekniker som diskuteras är allt från att genom solenergi och vatten framställa vätgas till att producera vätgasen från alger och bakterier som odlas fram. För att dessa metoder ska bli kommersiellt tillgängliga krävs flertalet teknologiska framsteg eftersom de i dagsläget ännu befinner sig på forskningsstadiet och har genomgående låga verkningsgrader. Gemensamt för diskuterade framställningar är att vid varje energiomvandling sjunker energisystemets verkningsgrad och kritiker hävdar att vätgassamhället aldrig kommer realiseras på grund av detta faktum. (Forsman Björn, 2004) Andelen vätgas som idag produceras av förnyelsebar energi är liten. Det största hotet mot miljön när det kommer till användningen av vätgas är inte förbränningen av gasen utan själva framställningen. Vilken insatsenergi bör användas? Frågan i sig är komplex eftersom det, beroende på val av insatsenergi, är en ekonomisk, miljömässig och politisk fråga. I dagsläget är exempelvis användandet av kärnkraft en högst aktuell politisk frågeställning. (Svd, 2009a) Som tidigare nämnts är vätgasen en flyktig och lättantändlig gas vilket innebär att det finns en riskfaktor att ta hänsyn till. Trots att det till synes inte verkar föreligga någon förhöjd risk för olyckor med bilar drivna på vätgas jämfört med andra typer av drivmedel spelar den allmänna opinionen in som verkar finna vätgasen skäl till oro. Allteftersom teknik utvecklas bör information kommuniceras som klargör hur hantering av vätgas bör ske, det bör även utvecklas tydliga regelverk för att öka säkerheten. (Gårsjö David et al, 2005) Vidare måste en långsiktigt strategi utformas som definierar vilka energialternativ som är framtidens bränslen. Klart är att bensin och andra fossila bränslen kommer att bytas ut av en mängd olika förnybara alternativ. Dock följer automatiskt på detta resonemang en fråga kring hur Sveriges infrastruktur måste anpassas och byggas ut. (Svd, 2009b) Alternativ till vätgas I dagsläget finns en hel del alternativ som diskuteras men ännu saknas ett alternativ som helt kan ersätta vätgasen med bibehållen låg miljöpåverkan, möjlig distribution, tillgänglighet och samma breda användningsområde etc. Det kan i dagsläget endast spekuleras i vilken roll vätgasen kommer att spela i framtiden. Med en rörlig prisbild på alternativa energibärare med låg miljöpåverkan och stigande priser på konventionella drivmedel ändras marknadsförutsättningarna ständigt för vätgas. Sett till vätgas som drivmedel kommer den hårdaste konkurrensen från batteridrivna elbilar. I Sverige är det elektriska nätet rikstäckande och inga större förändringar krävs för att massproducera denna 12

14 typ av bilar. Elektriciteten som inte används nattetid kan utnyttjas till att ladda upp bilens batteri. Enligt en studie från 2006 gjord på uppdrag av the Pacific Northwest National Laboratory skulle 84 % av alla bilar i USA kunna laddas under tidpunkter på dygnet med låg energianvändning. (Hydrogen Economy, Wikipedia) Teknologin bakom batterierna är inte tillräckligt utvecklad. Batterierna är tunga, tar lång tid att ladda, och räcker inte lika länge som konventionella bilar. Litiumbatterier är de batterier som anses bäst men även detta kan skapa problem då litium är en begränsad resurs. (Pelling 2009) Som nämnts tidigare är transporten av vätgas ett problem då energiinnehållet i gasen är lågt i förhållande till volymen. Låter man väte reagera med kväve får man ammoniak som är i flytande form och därför skulle underlätta transport. Det största hindret som talar emot detta alternativ är toxiciteten av ammoniak som gör transport och användning av ämnet riskfyllt. (Hydrogen Economy, Wikipedia) Ett alternativt drivmedel som är billigt att producera är syntetisk olja som framställs genom Fischer Tropsch processen. I dagsläget produceras oljan i Sydafrika och användningen beräknas öka främst i Kina, vars behov av drivmedel ökar exponentiellt i dagsläget. Den syntetiska oljan är dock inte lämplig för en hållbar energipolitik eftersom det vid förbränning bildas stora mängder koldioxid. (Fischer Tropsch processen, Wikipedia) Biomassa kan användas för att producera alkohol vilket kan användas som drivmedel. Det finns en mängd olika typer av insatsråvaror som kan användas för att, genom destillering, framställa etanol. Den viktigaste aspekten är här den landareal som krävs för att odla fram biomassan och vilken alternativ användning som hade varit möjlig. Biomassan har sällan tillräckligt högt energiinnehåll för att försvara arealen den tar i anspråk. (Etanol, Wikipedia) Utöver etanol är även framställning av metanol att intressant alternativ, framförallt genom torrdestillation av cellulosa. Metanol kallas andra generationens drivmedel. Första steget i tillverkningsprocessen är framställning av syntesgas via förgasning. Syntesgasen konverteras därefter till metanol, alternativt DME eller syntetisk diesel. Bilden nedan illustrerar en mängd möjliga framställningar för energibärare som skulle kunna komplettera eller fungera som alternativ till vätgas. (Bioenergiportalen 2010) Fig.9 en illustration över de biodrivmedel som kan produceras med biomassa som insatsenergi. Slutsats Framtiden för vätgas beror till stor del på politiska beslut som fattas, teknikutveckling och prisutvecklingen för de konventionella och alternativa energibärarna. Den låga verkningsgraden vid 13

15 förbränning gör att vätgas är intressant att använda i kombination med bränsleceller. För att sänka produktionskostnaden och uppnå skalfördelar krävs att produktionsvolymerna ökar, detta kan initialt underlättas med låginblandning av vätgas så kallad hytan. Det som talar mest för vätgasen är den mycket låga miljöpåverkan som bränslet kan ha. Detta kräver dock att framställningen i sig är miljövänlig och relativt billig. I dagsläget är så inte fallet, främst används fossilgas för framställningen då detta är den biligaste metoden. Övergången till ett vätgassamhälle beror således till stor del på utvecklingen av insatsenergin som omvandlas till vätgas. Stora satsningar på vätgas görs i dagsläget i Europa för att utreda och planera en eventuell kommersialisering. För att undvika ett moment 22 måste infrastrukturen standardiseras och byggas ut så att tekniken blir tillgänglig. Alternativet till vätgas är en kombination av flera olika tekniker, däribland elbilar som använder batteri, biodrivmedel och syntetiskframställda drivmedel som härrör från fossilakällor. Referenser Astbury, G.R, A review of the properties and hazards of some alternative fuels, Process Safety and Environmental Protection, volym 86 number 6, 2008 Crowl A., Young Do Jo, The hazards and risk of hydrogen, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, volume 20, 2007 EHA, European Hydrogen Association, 2010 hämtad den Forsman, Björn, Vätgassamhället, Chalmers, Gårsjö David et al., Säkerhetsaspekter med vätgas som fordonsbränsle, LTH/KTH, april gas%20som%20fordonsbr%c3%a4nsle%20%28huvudrappo.pdf Hedman, Robert, Det hållbara vätgassamhället, Chalmers, November Hydrogen wikipedia, hämtad Planetforlife, hämtad Gasföreningen vätgasbroschyr, hämtad EVWORLD Varför Eldrift, hämtad Overview of Interstate Hydrogen Pipeline Systems, hämtad

16 Energiförsörjning, Umeå Universitet, hämtad EU Forskning hämtad EU i Sverige hämtad Forumgas, hämtad Pelling J., Bolivias salta styrka, Svd, april salta styrka_ svd Power Gen Worldwide hämtad n and on site power production/volume 11/issue 1/features/utilizing associated/utilizingassociated.html Svd a, Vätgas inget förnyelsebart alternativ, publicerad , hämtad inget fornyelsebartalternativ_ svd Svd b, Vätgas inget förnyelsebart alternativ, publicerad , hämtad inget fornyelsebartalternativ_ svd Teknikens Värld hämtad eu vatgas/index.xml US Department of Energy 2010a hämtad US Department of Energy 2010b hämtad Vätgas Sverige 2010a hämtad Vätgas Sverige 2010b hämtad Vätgas Sverige 2010c hämtad elbilar med braensleceller tar klivet ut i vardagen Vätgas Sverige 2010 hämtad oss 15

17 Wikipedia elektrolys hämtad Wikipedia etanol hämtad Wikipedia Fischer Tropsch processen hämtad Tropsch processen Wikipedia Hydrogen Economy hämtad Bilder Fig 1 vätgasmolekyl hemistry/chemistr.htm Fig 2 produktionskostnad European Hydrogen Association, Where will H2 come from?, e/2007/eha_wherewillh2comefrom_2007.pdf Fig 3 elektrolys on board hydrogen generators wont boost yourmileage/ Fig 4 Leveranseffektivitet Fig5 Vätgaspipeline tools/www/energyinfos e/hydrogen/pics/pipeline.jpg Fig 6 Ottomotor Fig 7 Bränslecell Fig 8 Tankstation Fig 9 Framställning alternativa drivmedel 16

18 Förslag på tentamensfråga Nämn två fördelar respektive nackdelar med vätgas som energibärare. Fördelar Ren förbränning, låg miljöpåverkan Tillgången på vätgas är i princip obegränsad Inhemskproduktion Många användningsområden, kan ge både el och värme Högt energiinnehåll per viktenhet Nackdelar Dyrt Infrastruktur saknas Flyktig och lättantändig gas Lågt energiinnehåll per volymenhet Måste framställas/produceras 17