Elektrolyse gør al energi fra vindmøller værdifuld

Danske vindmøller producerede i 2014 så meget strøm, at det svarer til, at 39 procent af elforbruget blev dækket af vindkraft. Det viser nye tal fra Energinet.dk.

I takt med at Danmark og andre nordeuropæiske lande producerer en større og større andel af sin elektricitet med vindenergi, vil der være dage med kraftig blæst, hvor el-produktionen fra vindenergi overstiger behovet for elektricitet. I disse perioder kan elektricitet kun sælges til meget lave priser, og som det skete for nylig kan det i korte perioder endda koste penge at komme af med elektriciteten.

Spørgsmålet er derfor: ‘Hvordan får vi gjort al vindenergi værdifuldt?’

Vi har i 25 år forsket i energiteknologier på DTU Energi (tidl. Forskningscenter Risø), og vi mener, at den bedste løsning i Danmark er at benytte den overskydende elektricitet fra vindmøller og andre vedvarende energikilder til elektrolyse.

På den måde kan man fremstille CO2-neutrale syntetiske brændstoffer magen til fossile brændstoffer som naturgas, benzin og dieselolie ved elektrolyse af vand (H2O) og kuldioxid (CO2).

Elektrolyse betaler sig

Vi samlede for nylig en grundig oversigt over vores egne og andre internationale forskningsgruppers seneste resultater inden for elektrolyse i en omfattende oversigtsartikel i det internationalt meget anerkendte tidskrift Chemical Reviews. Her sandsynliggjorde vi, at elektrolyse vil være rentabel på sigt.

Tillige er en af vores seneste store opdagelser – at levetiden af anlæg til at lagre elektricitet forøges væsentlig ved at anvende anlægget skiftevis som elektrolysator og brændselscelle – netop publiceret i Nature Materials, et andet særdeles anerkendt tidsskrift.

Når levetiden forøges bliver investeringsomkostningerne mindre og elektrolysen dermed mere rentabel. Elektrolyse sker i en elektrolysator, også kaldet et vandsønderdelings-apparat.

Det er et apparat, der består af mange elektrokemiske celler med positive og negative elektroder, lidt som i et genopladeligt batteri.

Der findes flere typer elektrolysatorer. Nogle kan kun spalte H2O til brint (H2) og ilt (O2). Vi forsker i og udvikler elektrolysatorer som udover at spalte H2O også kan omdanne en blanding af H2O og CO2 til H2 og CO (kulmonoxid) og O2.

Ved elektrolysatorens positive elektrode dannes O2, og ved den negative elektrode dannes blandingen af H2 og CO. Blandingen af H2 og CO kaldes også syntesegas, og syntesegas kan omdannes til for eksempel syntetisk naturgas, benzin eller diesel ved en katalytisk proces.

CO2-neutralt brændstof

Den CO2, der bruges til fremstillingen af syntetisk brændsel, kan opsamles enten fra luften eller fra kraftværker baseret på biobrændsel, og da CO2 indgår i elektrolyseprocessen, øges CO2-mængden i atmosfæren ikke, når for eksempel syntetisk benzin bruges i bilerne. De syntetiske brændstoffer er derfor CO2-neutrale.

Derudover kan syntetiske brændstoffer ganske praktisk indgå helt uden besvær i den eksisterende danske infrastruktur såsom naturgasledninger og benzinstandere, da de syntetiske brændstoffer rent kemisk er identiske med de brændstoffer, der anvendes i dag.

For eksempel er syntetisk naturgas (SNG) det samme som metan (CH4). Metan er også hovedbestanddelen i fossilt naturgas, og SNG kan anvendes i det eksisterende naturgasnet.

På samme måde kan syntetisk benzin og diesel anvendes direkte i eksisterende biler.

En meget brugbar celle

Som nævnt ovenfor forsker vi på DTU Energi i en elektrolysatortype, som kaldes fast oxid elektrolyse celler; på engelsk: solid oxide electrolysis cell (SOEC).

I en SOEC består den enkelte elektrokemiske celle af faste keramiske materialer. En SOEC er en reversibel celle, og det betyder, at cellen kan producere elektricitet, hvis man tilfører H2, CO eller andre energirige gasser til den ene elektrode og O2 (luft) til den anden elektrode. En celle, der producerer elektricitet på den måde, kaldes en brændselscelle.

Det betyder at det selvsamme anlæg kan anvendes både som elektrolysator og brændselscelle.

Anlægget kan producere brændstof, når vinden blæser så meget, at der er overskudsstrøm, og producere elektricitet ud fra de tidligere producerede brændstoffer på vindstille dage.

Desuden kan vi anvende den overskydende vindenergi til at lave syntetiske brændsler til vores transportsektor.

Når de elektrokemiske celler anvendes som brændselsceller kaldes de fast oxid brændselsceller; på engelsk solid oxide fuel cells (SOFC). Da der er tale om præcis samme elektrokemiske celler, bruger vi ofte bare forkortelsen SOC, solid oxide cells.

25 års forskningssamarbejde

På DTU Energi er, og har vi i over 25 år været, førende inden for det danske samarbejde om forskning og udvikling af SOC i tæt samarbejde med Haldor Topsøe A/S og en række andre danske partnere.

Vi er også involveret i adskillige europæiske og internationale projekter. Haldor Topsøe A/S (HTAS) arbejder med SOEC teknologien og producerer små anlæg til demonstration i en forsøgsfabrik.

HTAS sælger allerede de katalytiske reaktorer, som er nødvendige for at omdanne syntesegassen (H2 + CO) til syntetisk naturgas, benzin, diesel eller andet brændstof. Reaktorerne er veludviklede og kommercielt tilgængelige, idet de allerede bruges til fremstilling af syntetisk brændsel fra kul og fra biomasse.

SOEC, elektrolysatoren, er derimod endnu ikke helt færdigudviklet. DTU støtter HTAS og det danske samfund ved at forske i, hvordan vi kan gøre elektrolysecellerne billigere, opnå længere levetid og gøre dem mere robuste i det hele taget. Men det vil sandsynligvis tage endnu nogle år, før SOC teknologien er på markedet i stor stil.

Teknisk set kan vi begynde allerede nu

Så er spørgsmålet: ‘Kan vi omsætte al overskydende vindenergiproduceret el ved hjælp af anden elektrolyseteknologi her og nu?’ Svaret er teknisk set ‘Ja’.

Man kan købe store elektrolyseanlæg af typen alkalisk elektrolysator, der har været kommercielt tilgængelige i henved 100 år. Alkaliske elektrolysatorer er på nuværende tidpunkt ikke så effektive som SOEC, og de kan kun fremstille H2 ved spaltning af H2O.

Alkaliske elektrolyseanlæg har en lang levetid, og et par internationale firmaer har produktionsfaciliteter til at kunne levere flere anlæg om året i megawatt (MW) størrelse.

Man kan også katalytisk omdanne H2 og CO2 til syntetisk brændsel med kendt teknologi, men også her vil effektiviteten nok være mindre end ved fremstillingen af syntetiske brændsler ud fra H2 og CO ved hjælp af SOC elektrolyse.

DTU Energi deltager også i forskning med det formål at forbedre andre typer af elektrolyse- og brændselsceller end blot SOC.

Økonomisk set skal der stadig udvikles

Så er der endelig økonomien. Skal vi ikke bare straks gå i gang med at bygge elektrolyse- og katalyseanlæg til fremstilling af CO2 neutrale syntetisk brændstoffer?

Svarene er:

1. Jo, både det tyske firma Sunfire, og danske HTAS (i samarbejde med andre partnere i Danmark) er allerede gået i gang med at bygge og afprøve sådanne anlæg for at se, hvor længe de kan holde i praksis og for at undersøge om der er forhold/problemer, der indtil nu er blevet overset i forsknings- og udviklingsarbejdet i laboratorierne.
   
2. Men svaret kan også være: Nej, det giver næppe økonomisk mening straks at bygge anlæg til fremstilling af syntetiske brændsel i stor stil, fordi der er fortsat for lidt overskydende el. Det er kun i få korte perioder om året, at der produceres alt for meget el med vindmøllerne. Når teknologien er fuldt udviklet, kan man lave diesel fra H2O og CO2 via elektrolyse til sammenlignelig pris som diesel koster i dag, men det er ikke rentabelt at investere i disse anlæg endnu. Først når vi producerer væsentligt over halvdelen af vores elektricitet med vind eller andre vedvarende energikilder, bliver det nødvendigt med energilagring i stor stil.

Ingen madvarer i benzinen

For at hjælpe produktionen af CO2 neutrale brændstoffer i gang, kunne man i Europa beslutte, at man lige såvel kunne tilsætte CO2 neutral syntetisk metanol til benzin som den nu krævede bioætanol.

Hvis bioætanolen ikke må være fremstillet af potentielle madvarer, så vil syntetisk metanol sandsynligvis kunne blive konkurrencedygtig inden for en ret kort årrække.

Så det vil være både godt for både miljøet, madforsyningen og økonomien, hvis man etablerer anlæg der kan producere brændstof, når vinden blæser så meget, at der er overskudsstrøm, og elektricitet ud fra de tidligere producerede brændstoffer på vindstille dage.

Derved gør vi al vindenergi værdifuld!