Vätgas

Text av Tomas Liljenfors

Nyckeln till en koldioxidneutral aluminiumindustri?

Vätgas är en molekyl som verkligen är i ropet. Väte är det vanligaste grundämnet vi känner till. Vätgasen är doftlös, färglös och lättantändlig. En vätgasblandning mellan 4 och 95 % vätgas är explosiv i luft och måste hanteras med varsamhet. En allvarlig olycka som av en tillfällighet filmades och kablades ut på 1930-talet har gjort vätgas till en välkänd säkerhetsrisk. Anledningen var det tyska luftskepp som 1935 konstruerades av en aluminiumkonstruktion. Det 245 meter långa luftskeppet Hindenburg korsade atlanten på rekordtider kunde lyfta 112 ton och en maxhastighet på 135 kilometer i timmen. Själva gasbehållaren bestod av bomullstyg täckt av fernissa och aluminium. Två år gammalt exploderade skeppet inför kameralinser i USA. Olyckan har sedan dess gjort säkerheten runt vätgas till ett omdebatterat inslag i frågan. Viktigtatt beakta är dock att vätgas snabbt löses upp i luften och blir ofarligi koncentrationer under 4 %.

Vätgasmackar är under expansion. I Sverige finns idag fem tankställen för vätgas men betydligt fler i Danmark och Norge (Från Vätgas Sverige)

Vätgas är idag en energibärare för fordon. Till exempel har personbilen Toyota Mirai, som drivs helt av vätgasbil, funnits på marknaden sedan 2015. Tillgången till vätgas har dock begränsat vätgasbilarnas expansion i Sverige. Ni som bor runt Umeå, Mariestad, Stockholm, Sandviken, respektive Göteborg kan idag köra med vätgas. Och redan år 2025 ska mer än 50 tankställen för vätgas vara invigda jämfört med dagens fem. Många anser att vätgas är en av lösningarna på energiproblemet eftersom vätgas vid användning bildar stora mängder energi och dess enda avgas är vatten. Vätgasanvändning har med andra ord inga utsläpp av koldioxid.

Hur produceras vätgas?

Vätgas utvinns från en källa. Av den vätgas som tillverkas idag kommer endast 4 % från fossilfria källor. 49 % har sitt ursprung från naturgas, 29 % från olja och 18 % från stenkol. Att vätgas är en restprodukt som kan tas till vara inom bland annat petroleumindustrin är huvudförklaringen till den stora andelen därifrån. Utvecklingen av fossilfria källor är dock på frammarsch vilket krävs för att vara ett gott miljöalternativ när behovet ökar.

Elektrolysör

Vätgas som tillverkas med elektrolys använder elektricitet. Hur elektriciteten tillverkas avgör därför om vätgasen blir förnybar, fossilfri eller fossil. Vi har nog alla tillverkat vätgas på kemilektioner genom att låta vatten spjälkas då ström tillförs genom två elektroder. Denna process kallas elektrolys och utrustningen en elektrolysör.

I en elektrolysör spjälkas vatten upp i vätgas och syre med hjälp av el. Källan är i detta fall alltså vatten. Elektrolysören har en positiv elektrod, så kallad anod, och en negativ elektrod, så kallad katod. Vid katoden sker reduktionen och det är här elektroner plockas upp av vattenmolekylen på katodens yta så att vätgas bildas. Vid anoden lämnas elektroner och en oxidation uppstår när syrgas bildas. Med andra ord, vid ena elektroden bildas vätgas och vid den andra bildas syrgas. De båda gaserna går att samla och använda för olika applikationer.

Om fossilfri el används i elektrolysören blir vätgasen klimatvänlig. En kombination av solceller och vindkraft kan tillverka vätgas när solen skiner alternativt vinden blåser. Vätgasen som då bildas kan sparas i tankar för användning också molniga dagar med stiltje. Nackdelen är att verkningsgraden i en elektrolysör är relativt låg, ungefär 70-80 procent, det vill säga 20-30 procent av energiinnehållet förloras i omvandlingen från el till vätgas. Stora resurser läggs för att förbättra verkningsgraden och vissa bedömare menar att år 2030 har förlusterna minskat till mellan 14 och 18 procent.

Vatten är råvaran vid vätgastillverkning med elektrolysör. Det finns oändligt med denna råvara. Det är inte direkt råvaruuttaget som kommer att minska risken för översvämningar utan användandet av vätgas som energibärare.

Pyrolys

Idag är det vanligaste sättet att tillverka vätgas genom så kallad ångreformering. Ångreformering sker när naturgas hettas upp till temperaturer över 1 000°C, där naturgasen bildar koldioxid och vätgas. Det är en relativt billig tillverkningsprocess men med fossila råvaror och stora koldioxidutsläpp. Ett alternativ, som idag är under utveckling, är metanpyrolys där naturgas hettas upp till samma höga temperatur över en katalysator. Naturgasen delas då i stället upp vätgas och kol i fast form. Det fasta kolet släpps därmed inte tillbaka ut i atmosfären. Eftersom grafit anses vara en bristråvara i Europa så kan fossil naturgas omvandlas till två eftertraktade produkter. Beroende på användningen av det producerade kolet, kan koldioxiden bindas i kolet. Om fossil naturgas ersätts med biogas kan koldioxid faktiskt minska i atmosfären. Djur och växter tar upp koldioxid under livscykeln som ombildas till biogas efter livets slut. Biogasen ombildas av metanporolys till vätgas och kol. Kolet binds i fast from och släpps inte ut i atmosfären igen. Samtidigt binder nästa generation djur och växter upp ny koldioxid från atmosfären så att nettoutsläppet av koldioxid blir negativt. Metanporolys med biogas kan, liksom elektrolys med fossilfri elektricitet, tillverka fossilfri vätgas.

Använding av vätgas i aluminiumindustri

Vätgas är en energibärare med många olika användningsområden. Inom industrin har vätgas använts som råvara i över 100 år, främst inom kemisk industri, till exempel för att tillverka ammoniak. I Sverige är bedömningen att vätgas i första hand kan komma till användning inom processindustrin, för att till exempel tillverka fossilfritt stål. Tunga fordon som är svåra att driva med batterier bedöms också som ett område med potential. Att använda vätgas för att jämna ut toppar och dalar i elsystemet är också ett område som bedöms intressant. Visserligen har vätgasens roll i Sverige inte varit självklar men i takt med att Norge, Danmark och övriga EU valt att investera stort i vätgasen har också intresset ökat i Sverige.

För att kunna använda vätgas som bränsle, el eller värme behövs en energiomvandlare. Det kan till exempel vara en gasbrännare som smälter metall men det kan också vara en bränslecell. Restprodukten är i båda fallen rent vatten, utöver den värme som bildas och som kan tillvaratas.

Bränsleceller

Bränsleceller har varit en snackis de senaste 30 åren. Bränsleceller är en slags energiomvandlare som kan användas för att göra om vätgasens kemiska energi till elektricitet. En bränslecell kan till exempel användas för att driva ett fordon och den kan användas som reservkraftsystem för till exempel basstationer och telefonväxlar, för att minska sårbarheten i telenätet i samband med stormar eller andra störningar. För personbilar och lättare transporter kan elbilar vara en fungerande lösning. Men för fartyg, tunga lastbilar och flygplan är bränsleceller ett bättre alternativ eftersom batterier med tillräcklig kapacitet både för tunga och för dyra.

Vätgas kan tillverkas på flera olika sätt, där tillverkningen kan illustreras av olika färger. Grön vätgas tillverkas av förnyelsebar energi, blå från naturgas och ingen CO2 släpps ut (t ex Pyrolys), brun vätgas tillverkas från stenkol och grå vätgas från naturgas. Brun och grå vätgas står för 96 % av dagens vätgas.

Blommor och djur kan andas för att tillverka biogas (metan) som sedan kan ombildas med metanporolys till vätgas och kol. Kolet binds i fast form och släpps inte ut i atmosfären samtidigt som nästa generation djur och växter binder upp ny koldioxid från atmosfären. Så kallad blå biovätgas bildas.

Principen för en bränslecell är att vätgas joniseras och reagerar med luftens syre. Membranet är bränslecellens kritiska del. En bränslecellkan beskrivas som en omvänd elktrolysör. (bild från Vätgas Sverige)

Vätgasmolekylen är den minsta och lättaste molekylen bestående av två vätgasatomer. Vätgas är betydligt mer energität än andra bränslen.Värmevärdet är 119 MJ/kg vilket kan jämföras med bensin 43 MJ/kg.

Brännarteknologi

Vätgas kan användas inom processindustrin för att ersätta fossil energi. Vid produktion av aluminium och andra metaller använder man idag stora mängder fossila bränslen som gasol eller naturgas. Utmaningen har varit att hitta en fossilfri energibärare. Där kommer vätgas in som en lösning.

Brännare har en stor användning inom aluminiumindustri. En energibärare antänds och omvandlar energibärarens energi till värme, vatten och koldioxid. Genom att ersätta en fossil energibärare med vätgas blir värmeutvecklingen högre, men den viktigaste skillnaden är att utsläppen av koldioxid uteblir. Högeffektiva brännare som använder sig av syrgas i stället för luft minskar kväveföroreningar och ger en renare förbränning. Eftersom koldioxidutsläppet är det samma med dagens bränsle som vid användning av luft är det bränslebäraren som måste ersättas för att sänka även koldioxidutsläppet. Elektrolysprocessen skapar både syrgas och vätgas vilka tillsammans ger förutsättningar för en effektiv tillverkning av ingredienserna för framtida högeffektivbrännare.

Det finns brännare på marknaden som är utformade för vätgas. Många brännare går också att använda till bränsleblandningar mellan metan och vätgas eller propan och vätgas. Med denna typ av brännare kan vätgashalten steglöst justeras från 0 till 100 procent för att successivt öka vätgasinnehållet, eller beroende på tillgång. Detta innebär att övergången från dagens bränslen till koldioxidneutrala bränsle inte behöver bli abrupt eller, för den delen, kostsamt. Kombinationen mellan biogas, eller grön gasol med vätgas, är intressant och något som vi kommer får se mer av framöver.

I nästa nummer kommer vi prata mer om biogaserna och hur ett gasberoende från odemokratier på sikt kan botas. Vi fortsätter vår resa med att med att sudda ut fördomar och okunskap för att skapa en stark, hållbar svensk aluminiumindustri. Potentiell hållbarhetsmaskering (som till exempel Green Wash) ska ersättas med hållbar grön kunskap.