Vätgas Tillämpningar | Vätgas

Vätgas är mångsidigt och kan användas på olika sätt. Dessa många användningsområden kan delas in i två stora kategorier;

1. Vätgas som råvara. En roll vars betydelse har erkänts i årtionden och som kommer att fortsätta att växa och utvecklas.
2. Vätgas som en energivektor som möjliggör energiomställningen. Användningen av vätgas i detta sammanhang har redan börjat och ökar gradvis. Under de kommande åren kommer detta område att växa dramatiskt. Vätgasens mångsidighet och dess mångsidiga användning är anledningen till att vätgas kan bidra till att dekarbonisera befintliga ekonomier. Vätgasens roll i dekarboniseringsprocessen kan sammanfattas enligt diagrammet nedan:

Långvarigt etablerade användningsområden – Vätgas som råvara (materialbaserad användning)

Nuförtiden används vätgas i flera industriella processer. Bland andra tillämpningar är det viktigt att peka på dess användning som råvara i den kemiska industrin och även som reduktionsmedel i den metallurgiska industrin. Vätgas är en grundläggande byggsten för tillverkning av ammoniak, och därmed gödningsmedel, och av metanol, som används vid tillverkning av många polymerer. Ett annat användningsområde är raffinaderier, där vätgas används för bearbetning av oljeprodukter. Ungefär 55 % av den vätgas som produceras i världen används för ammoniaksyntes, 25 % i raffinaderier och ungefär 10 % för metanolproduktion. De övriga tillämpningarna i världen står endast för cirka 10 % av den globala vätgasproduktionen.

Ammoniak – Gödselmedel

Den viktigaste väte-stickämnesföreningen är ammoniak (NH3), även känd som azan. Tekniskt sett framställs ammoniak i stor skala genom Haber-Bosch-processen. Denna process kombinerar väte och kväve tillsammans direkt genom syntes. För detta ändamål måste utgångsmaterialen kväve och väte först erhållas. När det gäller kväve uppnås detta genom separation av luft vid låg temperatur, medan väte i dag härrör från ångreformering av naturgas.

Nästan 90 % av ammoniaken går till gödselproduktion. För detta ändamål omvandlas en stor del av ammoniaken till fasta gödselsalter eller, efter katalytisk oxidation, till salpetersyra (HNO3) och dess salter (nitrater). På grund av sin höga avdunstningsenergi används ammoniak också i kylanläggningar som ett miljövänligt och billigt producerat köldmedium; dess tekniska namn är R-717.

Industriella områden

Väte används i olika i industriella tillämpningar; dessa inkluderar metallbearbetning (främst vid legering av metaller), planglastillverkning (vätgas används som en inertiserande eller skyddande gas), elektronikindustrin (används som en skyddande och bärande gas, vid deponeringsprocesser, för rengöring, vid etsning, vid reduktionsprocesser osv.) samt tillämpningar inom elproduktion, till exempel för kylning av generatorer eller för korrosionsskydd i kraftverksrörledningar.

Direktreduktion av järnmalm – dvs. avskiljning av syre från järnmalmen med hjälp av vätgas och syntesgas – skulle kunna utvecklas till en viktig industriell process vid ståltillverkning, eftersom det vid den traditionella masugnsmetoden frigörs stora mängder kol. Medan direktreduktion med naturgas nu är väletablerad inom stålproduktionen (World Steel Association 2015) finns motsvarande produktionsmetoder baserade på vätgas hittills bara i pilotskala.

Bränsleproduktion

Vätgas används för att förädla råolja till raffinerade bränslen, t.ex. bensin och diesel, och även för att avlägsna föroreningar, t.ex. svavel, från dessa bränslen.

Användningen av väte i raffinaderier har ökat de senaste åren av olika anledningar:
(i) de strikta bestämmelserna som kräver lågt svavel i diesel,
(ii) den ökade förbrukningen av ”tung” råolja av låg kvalitet, som kräver mer väte för att raffineras, och
(iii) den ökade oljekonsumtionen i utvecklingsekonomier som Kina och Indien.

Omkring 75 % av den vätgas som oljeraffinaderier för närvarande förbrukar i världen tillhandahålls av stora vätgasanläggningar som genererar vätgas från naturgas eller andra kolvätebränslen

Vätgas är också en viktig grundsubstans för att producera metanol (CH 3 OH). Framställning av metanol (metanolsyntes) sker genom katalytisk hydrering av kolmonoxid.
Metanol kan användas direkt som bränsle i förbränningsmotorer. Den används också i direktmetanolbränsleceller eller, efter reformering, i PEM-bränsleceller. Bränsletillsatser framställs av metanol, och den används för att omestera vegetabiliska oljor för att bilda metylestrar (biodiesel).

Genomförda användningsområden – energibaserade användningsområden

På energiområdet används det mesta av vätgasen genom bränsleceller (FC). En bränslecell är en elektrokemisk anordning som kombinerar väte och syre för att producera elektricitet, med vatten och värme som biprodukter. I sin enklaste form består en enskild bränslecell av två elektroder – en anod och en katod – med en elektrolyt mellan dem. Vid anoden reagerar väte med en katalysator och skapar en positivt laddad jon och en negativt laddad elektron. Protonerna passerar sedan genom elektrolyten, medan elektronen går genom en krets och skapar en ström. Vid katoden reagerar syre med jonen och elektronen och bildar vatten och nyttig värme.

Väte inom transport

Vätebränsle anses vara en bra kandidat för att bidra till en minskning av koldioxidutsläppen inom vägtransportsektorn om det framställs från förnybara energikällor genom elektrolysprocessen. I detta fall är de viktigaste fördelarna med elfordon med bränsleceller nollutsläpp av koldioxid och föroreningar (utsläppet från avgasröret är endast vatten) och bränslecellernas högre verkningsgrad jämfört med förbränningsmotorer. Personbilar och stadsbussar, bland andra fordon, som materialhanteringsutrustning osv, är goda exempel på den nya tekniken som är redo för masskommersialisering under de kommande åren.

Användningsalternativen för vätgas som bränsle för mobilitet kan särskiljas dels genom vätgasens kemiska form eller bindning, dels genom den energiomvandlare genom vilken den energi som finns lagrad i vätgasen görs tillgänglig.

• Vid direkt användning används (ren) molekylär vätgas (H2) av transportmedlet direkt, det vill säga utan ytterligare omvandling, som energikälla. I detta fall kan vätgas användas både i förbränningsmotorer och i bränsleceller (bränslecellssystem).
• I indirekt användning används vätgas för att producera slutliga energikällor eller omvandlas genom ytterligare omvandlingssteg till gasformiga eller flytande vätgasinnehållande bränslen. Sådana PtG-bränslen (Power-to-Gas) och PtL-bränslen (Power-to-Liquids) kan sedan i sin tur användas i värmemotorer. Användning i bränsleceller skulle också vara möjlig (i vissa fall), med hjälp av en reformer, men det är inte ekonomiskt lönsamt.

Luftfart

Inom den civila luftfarten betraktas vätgasdrivna bränsleceller som potentiella energileverantörer för luftfartyg, på samma sätt som de har varit det inom rymdfarten sedan en tid tillbaka. Bränslecellsmoduler kan således leverera el till flygplanets elsystem som nödgeneratoraggregat eller som hjälpaggregat. Mer avancerade koncept omfattar start av huvudmotorn och noshjulsdriften för flygfältsrörelser med kommersiella flygplan.

Maritima tillämpningar

Som inom luftfarten testas bränsleceller för närvarande som energileverantörer för strömförsörjningen ombord på flygplanet. Användningen av vätgasdrivna bränsleceller för fartygsframdrivning befinner sig däremot fortfarande på ett tidigt konstruktions- eller försöksstadium – med tillämpningar i mindre passagerarfartyg, färjor eller fritidsbåtar. Låg- och högtemperaturbränslecellen (PEMFC) och fastoxidbränslecellen (SOFC) ses som de mest lovande bränslecellstyperna för nautiska tillämpningar (EMSA 2017). Ännu har dock inga bränsleceller skalats för och använts på stora handelsfartyg.

Tåg

I elektriska lokomotiv levereras drivkraften via stationära strömledare (luftledningar, strömskenor) och strömavtagare på fordonen. Av tekniska, ekonomiska eller andra skäl kan dock inte alla järnvägslinjer elektrifieras. Särskilt på linjer med låg transportvolym kan de höga initiala investeringar som krävs för att elektrifiera linjerna inte alltid motiveras. Dessutom kan luftledningar inte användas för rangering om kranar också används för att flytta transportgods. Vid gruvdrift under jord måste däremot dragfordon fungera utan luftföroreningar.

Rälsfordon som använder vätgas som energilager och energikälla kan erbjuda ytterligare ett alternativ. Bränslecellsdrivna järnvägsfordon kombinerar fördelen av föroreningsfri drift med fördelen av låga infrastrukturkostnader, jämförbara med kostnaderna för dieseldrift.

Materialhanteringsfordon

Bränslecellsdrivna industritruckar, som gaffeltruckar eller bogserbilar (flygplatser), är särskilt lämpade för inomhusdrift eftersom de inte ger upphov till några lokala föroreningsutsläpp och endast låga bullerutsläpp. Bränslecellsfordon har fördelar jämfört med batteridrivna industritruckar när det gäller tankning. I stället för att behöva byta batteri kan truckarna tankas på två till tre minuter.

De tar mindre plats och är billigare att underhålla och reparera. Industritruckar med bränsleceller möjliggör oavbruten användning och är därför särskilt lämpliga för flerskiftsflottor inom materialhantering (FCTO 2014b). När det gäller större flotta av industritruckar i flerskiftsdrift kan (måttliga) kostnadsminskningar uppnås i jämförelse med batteriteknik, och produktiviteten inom materialhantering kan också ökas.

Bussar

När det gäller vägtransporter är bussar i kollektivtrafiknätet det mest grundligt testade användningsområdet för vätgas- och bränsleceller. Sedan början av 1990-talet har flera hundra bussar körts och körs med vätgas över hela världen – främst i Nordamerika, Europa och i allt större utsträckning även i Asien.

Men även om vätgas till en början fortfarande användes i bussar med förbränningsmotorer koncentrerar bussutvecklarna sig nu nästan helt och hållet på elbussar med bränsleceller (FCEB). Användningen av små FCEB-flottor främjas i stadsområden som ett sätt att bidra till den tekniska utvecklingen och till politiken för ren luft.
Bränslecellsbussar har nu nått en hög teknisk mognadsnivå, även om de ännu inte är i serieproduktion. På grund av det lilla antalet bussar har de hittills fortfarande varit mycket dyrare, omkring 1 miljon euro, än standarddieselbussar som kostar omkring 250 000 euro. Underhållskostnaderna har också minskat betydligt och de tillförlitliga drifttiderna har ökat (Hua et al. 2013).

Avhängigt av det årliga produktionsantalet bör produktionskostnaderna för FCEB:s dock fortsätta att sjunka i framtida projekt. Produktionskostnaderna för 12-metersbussar beräknas sjunka till cirka 450 000 euro (inköp av 100 bussar) år 2020 och till cirka 350 000 euro år 2030, vilket gör att de kommer inom räckhåll för dieselhybridbussar.

Moderna bränslecellsbussar hämtar sin energi från två bränslecellsstackar, vardera med en effekt på cirka 100 kW. De har också ett relativt litet traktionsbatteri och kan återvinna bromsenergi. Dessutom har de cirka 30-50 kg komprimerad vätgas ombord, som lagras i trycktankar på 350 bar. Å andra sidan har vissa batterielektriska bussmodeller stora drivbatterier och endast små bränslecellsstackar, som används som räckviddsförlängare.

Bränslecellsbussar har nu en räckvidd på 300 till 450 km och erbjuder därmed nästan samma flexibilitet som dieselbussar i den dagliga driften. Medan vissa äldre kommunala bussar fortfarande förbrukar långt över 20 kg vätgas (i stället för 40 liter diesel) per 100 km, förbrukar nyare bränslecellsbussar nu endast 8-9 kg per 100 km, vilket ger bränslecellsbussar en energieffektivitetsfördel på cirka 40 % jämfört med dieselbussar. För att utveckla marknaden planeras demonstrationsprojekt med stora flottor som används långsiktigt. FCEB-flottan i Europa förväntas öka från 90 till mellan 300 och 400 fordon till 2020.

Läs mer om bränslecellsbussar här.

Personbilar

Samman med batterielektriska fordon är vätgasdrivna bränslecells-personbilar det enda alternativa drivningsalternativet med nollutsläpp för motordrivna privata transporter. De första bränslecellspersonbilarna testades redan på 1960-talet som demonstrationsprojekt. Ett nytt uppsving för utvecklingen av bränsleceller kom på 1990-talet. I de flesta fall var bränslecellstestbilarna ombyggda bilar som ursprungligen hade utrustats med en förbränningsmotor. Vid den tidpunkten var de tidiga testmodellerna dock fortfarande inte konkurrenskraftiga, varken tekniskt eller ekonomiskt. Dessutom testade man fram till för ungefär tio år sedan fortfarande prototyper med bensinmotorer med vätgas som ett alternativt energi- och lågutsläppsbränsle. Det rörde sig om fordon med modifierade bivalenta motorer som kunde drivas med både bensin och vätgas. Tack vare bränslet uppnår vätgasdrivna förbränningsmotorer inte bara en något högre verkningsgrad än vid bensindrift, de släpper också ut mycket mindre föroreningar.

Och även om vätgas är ett rent bränsle med utmärkta fysikalisk-kemiska egenskaper har det inte kunnat få genomslag som bränsle för motoriserad vägtransport. När det gäller personbilar är fokus nu nästan helt och hållet på vätgasdrivna bränsleceller som drivkälla.

Det finns nu en mängd praktisk erfarenhet av prototyper av bränslecellsdrivna personbilar. Ett antal stora biltillverkare har börjat erbjuda tidiga serietillverkade fordon som nu är lika bra som konventionella bilar med förbränningsmotor när det gäller funktionalitet. Antalet bränslecellsbilar som tillverkas under de kommande åren beräknas ligga mellan flera hundra och tusentals enheter. Praktiskt taget alla bränslecellspersonbilar är i dag utrustade med PEM-bränsleceller, i både serie- och parallellkonfigurationer. Priserna för medelstora fordon utrustade med bränsleceller ligger fortfarande långt över priserna för personbilar med förbränningsmotorer – runt 60 000 euro/USD. I och med lanseringen av serieproduktion av FCEV:er förväntas fordonskostnaderna och priserna sjunka avsevärt.

Bränslecellsstackarna i de senaste bränslecellsmodellerna har en effekt på 100 kW eller mer. Jämfört med batterielektriska bilar har de en större räckvidd – i dag cirka 400-500 kilometer – med en lägre fordonsvikt och mycket kortare tankningstider på tre till fem minuter. De har vanligtvis 4 till 7 kg vätgas ombord, som lagras i trycktankar på 700 bar.

Läs mer om tankstationer

Stationära energitillämpningar

Stationära bränsleceller kan användas för decentraliserad energiförsörjning i områden utanför elnätet. Marknaden för reservkraftstillämpningar (BUP) blir allt viktigare. Till reservkraftstillämpningar hör för det första nödkraftsförsörjning och för det andra avbrottsfri kraftförsörjning (UPS).

Nödkraftsaggregat används för att upprätthålla driften i händelse av långvariga strömavbrott. I sådana fall avbryts vanligen (kortvarigt) omkopplingen från elnätet.
Oavbrottsfri strömförsörjning används å andra sidan för att skydda mycket känsliga tekniska system mot fluktuationer i elnätet och kortvariga strömavbrott, så att kontinuerlig drift kan garanteras. Användningsområden är framför allt telekommunikations- och IT-system, t.ex. radiotorn eller databehandlingscentraler.

I jämförelse med konventionella värmekraftverk har bränsleceller en mycket högre elektrisk verkningsgrad på upp till 60 %, även för små anläggningar. Detta är fördelaktigt ur ett exergetiskt perspektiv, eftersom mycket högvärdig el och lite värme produceras.

I löpande drift kännetecknas bränslecellsbackuper av följande fördelar: lång autonom drifts- och livslängd, låga underhållskostnader på grund av avsaknaden av rörliga delar samt tyst och (lokalt) utsläppsfri elproduktion.

Backupkapaciteten hos stationära bränsleceller varierar från några få kW till över 1 GWe. Bränsleceller med låg effekt är ofta bärbara bränsleceller, vilket ger viktfördelar jämfört med uppladdningsbara batterier och generatorer. En mängd olika typer av bränsleceller används i den stationära sektorn, i vissa fall även för kylning. Förutom vätgas används metanol, naturgas och gasol som bränslen.

Hushållsenergi

Om man utöver den producerade elen även använder den värme som produceras, kallas processen för kraftvärmeproduktion (CHP). Om sådana anläggningar används inom hushållsvärmesektorn beskrivs de också som mikro- eller minikraftvärmeverk på grund av deras mindre produktion.

Kraftvärmeverk kan drivas med två strategier: Anläggningen täcker antingen större delen av el- eller värmebehovet. Om elpriserna är höga är det lämpligt med en elstyrd driftsform. På så sätt kan inköpet av el från elnätet minimeras, eller så kan den producerade kraftvärmeelförsörjningen matas in i elnätet och ersättas.

Den värme som produceras som en biprodukt vid kraftvärmeproduktion används för att täcka en del av byggnadernas värmebehov. Det mestadels elstyrda driftssättet resulterar i en låg värmeeffekt från bränslecellsvärmesystem. Byggnadens återstående värmebehov täcks av ett extra värmesystem, t.ex. en kondenspanna. Därför är bränsleceller särskilt lämpliga för byggnader med ett lågt behov av rumsuppvärmning, t.ex. lågenergibyggnader eller nästan nollenergibyggnader. I byggnader med högre behov av rumsuppvärmning används hybridvärmesystem med bränsleceller, som består av en bränslecell och en kondenspanna för att täcka toppvärmebehov.

Stationära bränsleceller i effektområdet upp till 10 kWe är vanligtvis PEM- eller SO-bränsleceller. Det typiska kraftvärmeproduktionsområdet för hus och flerbostadshus är 0,7-5 kWe. Om bränslecellssystemen drivs med naturgas som bränsle kan en befintlig naturgasinfrastruktur användas. Bränslet måste dock reformeras först. När det gäller PEM-bränsleceller sker reformeringen externt. På grund av de högre temperaturerna är intern reformering möjlig i SO-bränsleceller.

Den största fördelen med bränsleceller jämfört med termiska kraftprocesser är förmodligen den direkta elektrokemiska omvandlingen under el- och värmeproduktionen och den därmed sammanhängande högre elektriska verkningsgraden. I kombinerad drift, dvs. elektrisk och termisk, kan bränsleceller uppnå verkningsgrader på upp till 95 %. Den elektriska verkningsgraden är upp till 45 %. Dessutom kännetecknas bränslecellssystem av höga verkningsgrader över alla belastningspunkter, de är tysta, har låga underhållskostnader och fungerar (lokalt) utsläppsfritt.