Debatindlæg, Energipolitik, Ny Teknologi, PME, Vind og Sol

Energiøen, igen

For nyligt havde foreningen Ren Energi Oplysning REO inviteret til foredrag om Power to X-teknologien, hvor der for øjeblikket bruges mange penge til forskning og udvikling. Foredraget blev holdt af Henrik Lund Frandsen, seniorforsker ved DTU. Han leder en større gruppe, der bl.a. arbejder med teknologien til elektrolyse af brint samt opstilling af komplette energisystemer til at løse Danmarks ”grønne omstilling”.

Vi har tidligere skrevet om energiøen i Nordsøen, og konkluderede den gang, at det næppe tjente noget formål at fremstille elektrobrændsel, eller Power to X ude på den. Det var bedre, at den kun blev brugt til at indsamle og konvertere strømmen fra de omkringstående vindmøller, samt at fungere som bindeled mellem Danmark og nabolandenes elektricitetsforsyninger.

Heri er man i forskningen ikke enig. Hovedargumentet er, at det er meget dyrt at trække kabler mellem øen og kysten, for derved at bringe energien i land. En kabelforbindelse vil således koste 7 gange så meget, som en simpel rørledning, hvorigennem man kan transportere brint eller f.eks. ammoniak.

Et argument mod placeringen af Power to X- produktionen på øen var endvidere, at man så ikke kan udnytte overskudsvarmen fra processen til fjernvarme. Det kunne Frandsen imidlertid afvise, der vil i forvejen være rigeligt med overskudsvarme, og ellers er det meget billigere at installere flere elektriske varmepumper til opvarmning hos slutkunderne. Så varmeoverskuddet på energiøen regnes for at være tæt på værdiløst.

Spørgsmålet er så, hvad skal vi producere på energiøen? Brint, eller skal vi tage skridtet videre og fremstille elektrobrændsel? Med hensyn til det sidste ville fremstilling af kulbrinter, f.eks. metan (naturgas) eller metanol kræve en kilde til kulstof, i form af CO2. Den kan man i princippet trække ud fra luften, men det er en meget dyr og energikrævende proces. Selvom spildvarmen er ”værdiløs” kommer den alligevel og skal dækkes med et endnu større overskud af vindmøllestrøm. Teoretisk set kunne man også fremstille CO2 fra skorstene på fabrikker eller (biomasse-fyrede) kraftværker på land, og så sejle CO2-en ud. Men det bliver om muligt endnu dyrere.

Man kan i stedet nøjes med at fremstille brint ude på øen og så pumpe den i land og lade Power to X-produktionen foregå her. Samtidigt kunne brinten bruges som brændstof i elværker på land, og hvis de baseres på brændselsceller, kan man få en relativt høj virkningsgrad.

Ulempen er en voldsom forøgelse af energitabet, når man adskiller brintproduktionen og Power to X produktionen fra hinanden geografisk. Den mest lovende metode til brintelektrolyse, den såkaldte SOEC (solid oxide electrolysis cell), kører ved 750 grader celsius og kræver derfor en del varme ved siden af elektriciteten. Hvis man på samme sted efterfølgende har sin Power to X-produktion, kan man udnytte overskudsvarmen herfra til elektrolysen, der derved reelt kommer til at koste meget lidt energi sammenholdt med brintens energiindhold.

Problemet med kulstof-forsyningen kan man undgå ved at satse på at fremstille ammoniak i stedet. Det består af kvælstof og brint (kemisk formel: NH3). Kvælstof kan man udvinde fra den atmosfæriske luft (ved kraftig nedkøling), der jo består af næsten 80% kvælstof (N2). Kvælstof og brint (H2) kan bringes til at reagere med hinanden over en katalysator, og så har man sin ammoniak.

På vores energiø skal vi således have tre anlæg stående: Elektrolyseanlægget til brint, anlægget til udvinding af kvælstof fra atmosfæren og endeligt ammoniakfremstillingen fra de to stoffer. Varmen fra det sidstnævnte trin føres tilbage til elektrolysen. Den færdige ammoniak kan oplagres i en tank, eller blot med det samme sendes afsted i rørledningen til tankanlæg på land.

På land har vi så vores elværker, der kører på ammoniak, samt Power to X-anlæg, der konverterer ammoniakken til naturgas, benzin, dieselolie, flybrændstof, og hvad der ellers er brug for.

Fordelen ved konceptet er helt klart, at vi afkobler vores elektricitetsforsyning fra den variable vindenergi. Elforsyningen vil fungere nøjagtigt som den gjorde førhen, baseret på fossile brændstoffer.

Til gengæld skal vores anlæg ude på energiøen kunne håndtere en svingende elforsyning, det spørgsmål vender vi tilbage til.

Man kan nu begynde at regne på, hvor store anlæggene skal være for at kunne dække Danmarks energibehov, f.eks. i 2045. Vi tillader os her at se bort fra de øvrige vindmøller og solceller på land, deres bidrag vil vise sig at være minimale i eksemplet her. Ligeledes er vores forbrug af biomasse nedsat til et bæredygtigt niveau, og meget af det vil gå til råvarer til f.eks. plastikproduktion eller til simpel decentral opvarmning (brændefyr eller -ovne).

Der er mange scenarier at vælge i mellem for fremtidens energibehov, her er valgt IDA’s store plan for 2045, hvoraf vi kan udlede behov for de forskellige energityper som vist i tabel 1.

Tabel 1: Fremtidsscenarie for 2045 fra IDA’s store plan. Energimængderne er her opgivet i PJ (petajoule), som kan omregnes til en effekt i GW (gigawatt), svarende til den gennemsnitlige energiforsyning time for time hele året.

Det totale energiforbrug er lavere end i dag, men der skal bruges mere el og mindre energi fra brændstoffer. Biomasseforbruget, som ikke spiller nogen rolle i vores sammenhæng her, er nedsat til et bæredygtigt omfang.

Opgaven for energiøen og dens vindmøller er nu på årsbasis at få fremstillet de to energimængder fra tabel 1 med gennemsnitlige tal som følger: Elektricitet: 7,3 GW og brændsel: 5,7 GW. Da vi er uafhængige af vindens svingninger, fordi al energi omformes til ammoniak, gælder det bare om at få fremstillet ammoniak nok til at dække disse to behov. Svingninger i forbruget tænkes dækket ved lagre af ammoniak til el-fremstillingen og lagre af de færdige produkter af Power to X, der jo produceres på land.

Tabel 2 viser beregningen for produktionen af el og brændstoffer. Vindmøllestrømmen omdannes til ammoniak, der derefter skal lagres og håndteres. På land konverteres den så tilbage til strøm eller til de kulstofbaserede brændstoffer. Hvert af disse trin indebærer et tab af energi, anført som en procent. Til sidst når vi slutmængden af energi, og denne skal så matche vores behov.

Tabel 2: Konverteringen af vindmøllestrøm til hhv. elforsyning på land og Power to X-brændstoffer. Tabene ved hver delproces er opgivet i 2. kolonne. I 3. kolonne er vist resultatet, hvis man starter med én GW havvind. Den vil resultere i 0,35 GW strøm på land eller i produktion af brændstoffer med en energi på 0,5 GW. I sidste kolonne er så vist de mængder af havvind-energi, der skal til for at fremstille hhv. 7,3 GW elektricitet og 5,7 GW Power to X. Forneden er vist den samlede effekt, møllerne skal yde, og med en effektivitet over året på 50 %, hvor mange møller, der skal installeres (“effekt”).

Tabene er store. For elproduktionens vedkommende er der kun 35 % af den oprindelige energi fra vindmøllerne tilbage til at sende ud til forbrugerne. Det betyder, at for at opnå den gennemsnitlige produktion af 7,3 GW skal vi fremstille ikke mindre end 21,1 GW ude ved øen. Tabene ved fremstilling af brændstof er i vores beregning her sat til 50 % alt inklusive, hvilket nok er noget optimistisk. Men det medfører stadigvæk, at der skal leveres 11,3 GW fra vindmøllerne for at opnå de ønskede 5,7 GW i brændstof jfr. tabel 1.

I alt skal møllerne således levere 32,4 GW strøm i gennemsnit over hele året. Tommelfingerreglen for vindmøller i Nordsøen er, at de på årsbasis leverer ca. 50 % af deres nominelle energi. En 10 MW mølle, kan således forventes at levere i gennemsnit 5 MW over hele året. I praksis betyder det selvfølgeligt, at den, time for time, vil levere alt mellem 0 og 10 MW. I vores beregning her betyder det så, at vi skal installere i alt ca. 65 GW møller, for at sikre den gennemsnitlige produktion på 32,4 GW. Det er jo et uhyrligt antal møller, sammenlignet med de 2,3 GW havvind vi har i dag (+ 4,3 GW landvind). Det er også tæt på det totale antal, man har talt om at placere i Nordsøen – og nu vil det kun dække Danmarks behov alene og ikke levere noget til nabolandene.

Den totale mængde ammoniak, der skal fremstilles, kan beregnes til knap 39 millioner tons pr. år. Det er temmelig meget, taget i betragtning, at hele Verdens produktion i disse år ligger på ca. 144 millioner tons. Behovet for lagring af ammoniakken er vist på fig. 1. Vinden ude i Nordsøen kommer jo ikke jævnt over året, vinter og forår er der overskud, som skal lagres, mens der er underskud resten af året, hvor man så trækker på lageret. Som minimum har man behov for at lagre ca. 5,5 millioner tons ammoniak, det er meget, men vel næppe helt urealistisk.

Fig. 1: Behovet for lagring af ammoniak hen over året. Maksimalt skal der lagres 5,5 millioner tons for at sikre, at der er ammoniak nok til elforsyningen året rundt, samt en stabil mængde til fremstilling af brændstofferne. I praksis bliver lagerbehovet nok endnu større.

Ammoniakproduktionen

Det bliver en meget stor fabrik, der skal opføres på energiøen. De 39 millioner tons pr. år svarer til en daglig produktion på godt 100.000 tons. Men det vil slet ikke være nok. I perioder vil møllerne levere meget mere strøm end gennemsnittet, og vi er nødt til at udnytte al den strøm, der kommer ind, ellers er der et spild, og så skal vi have endnu flere møller. Da møllernes maksimale produktion (= effekten på mærkepladerne) er ca. 2 gange den årlige produktion betyder det, at vores anlæg maksimalt kommer på en produktion svarende til ca. 78 mio. tons NH3/år eller 214.000 tons/dag.

Det er selvfølgeligt en helt urealistisk idé at bygge et anlæg, der har næsten halvdelen af Verdens produktionskapacitet på en (nok ikke så) lille ø ude i Nordsøen. Man bliver helt klart nødt til at kigge på radikalt anderledes løsninger. Det bliver emnet for en senere artikel, men i mellemtiden er der et sidste aspekt ved produktionen på energiøen, som skal berøres her.

Anlæggets opbygning er vist skematisk på fig. 2. Som tidligere beskrevet består det grundlæggende af tre dele. Brint fremstilles ved elektrolyse, hvortil der både skal bruges strøm og varme. Kvælstof udskilles fra luften, en proces der også kræver strøm. Endeligt bliver brint og kvælstof sat sammen til ammoniak, denne proces afgiver overskudsvarme, der så bruges til elektrolysen.

Fig. 2: De tre trin i konverteringen af strøm til ammoniak.

Hele denne proces skal køre på stærkt ustabil vindstrøm, se fig. 3. Frandsen fortalte, at selve elektrolysen kører acceptabelt på variabel strøm, men her har vi et sammensat anlæg, hvor alle dele skal fungere samtidigt og køre stabilt for at få et fornuftigt resultat. Det er svært at forestille sig, hvordan det skulle kunne lade sig gøre på en strømforsyning som vist på fig. 3. Under alle omstændigheder får øen brug for én eller anden form for backupstrøm, enten fra batterier eller evt. et ammoniakdrevent kraftværk. Der vil jo bo en betydeligt antal folk på øen og visse kritiske komponenter i produktionsanlægget skal nok ikke stå helt uden strøm, ved et tilfælde af vindstille ude i Nordsøen. Man vil jo nok også være tvunget til at udjævne de værste korttidssvingninger i strømforsyningen.

Fig. 3: Vindstrømmen time for time fra de 64,8 GW møller installeret jfr. tabel 2. Kurven er baseret på perioden 18. april – 2. maj i 2020, opskaleret fra den daværende møllekapacitet til de 64,8 GW.

Konklusion

Ideen om, at hovedparten af Danmarks energiforsyning skal komme fra en energiø (eller flere) i Nordsøen og med ammoniak som energibærer, er totalt urealistisk. Investeringerne vil være prohibitivt høje, drift og vedligehold rasende dyre og resultatet er, rent teknisk, mere end tvivlsomt. Kan man overhovedet etablere en stor kemisk fabrik baseret på variabel vindstrøm?

Det er åbenbart, at Danmark må se efter andre muligheder til den ”grønne omstilling”, og ideen med en energiø, der skal løse problemet med energiforsyning baseret på variabel vindstrøm, synes stadigvæk helt umulig.

Please follow and like us:
Del på de sociale medier

5 Comments

  1. Claus Beyer

    Tak for en god og meget detaljeret artikel.
    Desværre har vi et meget stort problem med politikere og embedsmænd, der skjuler de økonomiske udgifter for befolkningen. Som en tidligere taleskriver for Dan Jørgensen nævnte i et interview for en måneds tid siden: Han satte sig vældig godt ind i emnet og i de tilhørende økonomiske beregninger; men alle tal blev slettet – ikke af Dan Jørgensen, men af et mellemled, hvilket må være en embedsmand. De økonomiske realiteter skulle ikke med i talerne. Det samme forsøg på at skjule de økonomiske realiteter ses i afsløringerne i forbindelse med minkkommissionen og i adskillige kommunale anlægsprojekter (f.eks. letbanen i Århus). Det er et stort problem, at vi ikke kan stole på vore politikere, fordi de åbenbart ser det som en væsentlig opgave at snyde befolkningen, når det kommer til økonomiske realiteter.

  2. Knud Larsen

    Samtidig har Kina kun ”lovet”, at deres CO2-udslip ”vil toppe i 2030”, uden at sige, hvad dette betyder.
    Men allerede i dag har de planlagt at bygge nye kulkraftværker med en effekt på 250 GW, med rigelig plads til yderligere udvidelser inden 2030.

  3. Hans Günther Petersen

    Vejen til et fungerende, økonomisk forsvarligt pilotprojekt med ammoniak fra energiøen i Nordsøen synes ret lang. Og kostbar og brolagt med skuffelser og omkørsler. At basere dansk energiforsyning på sligt er muligvis, i meget langt perspektiv, en interessant tanke. Men lige nu virker det en anelse – utopisk. Der er m.a.o. al mulig grund til at beholde rigeligt med olie og gas endnu indtil de smukke, grønne projekt-drømme har nået virkeligheden. På en økonomisk forsvarlig måde.

  4. Henrik Lund Frandsen

    Kære Søren

    Kan se at du har forstået de gode fordele ved anvendelsen af bl.a. SOEC.

    Om vi skal have ammoniak på energiøerne er dog stadigvæk et åbent spørgsmål. Det er en mulighed, som en afgangsstuderende har undersøgt økonomien af – så et aller allerførste overslag, men ikke dybegående forskning. Jeg er sikker på, at jeg lod jer vide, at det var et afgangsprojekt, der var grundlaget for det viste. Dermed ikke sagt at det er ren nonsens (den studerende har arbejdet i offshore branchen i ~10 år og kommet tilbage til studierne – fik 12 af censor). Så projektet skal mere ses som et forsøg på at nuancere debatten på de 2 nuværende tanker: 1) strøm til land, 2) brint til land fra energiøerne. På sidstenævnte kan der vel være et varmetab ude på havet. Noget af varmen kan dog bruges til at afsalte vandet derude.

    Med et potentiale på 40+ GW vind i Vesterhavet, så kan der produceres væsentligt mere strøm derude end Danmark har brug for. Spørgsmålet er så hvordan vi bedst udnytter dette potentiale for relativt billig strøm (hvis man nu ikke vil have flere møller på land). Ammoniak bliver bestemt noget vi får brug for – men nok primært til kunstgødning og til at komme ud og sejle langt. Jeg mener IKKE at vi skal producere ammoniak for at tage det til land og bruge det i en brændselscelle som primær forsyning (!). Man kan dog forestille sig at man bruger ammoniak som “backup” med SOFC brændselsceller til når vinden ikke blæser, hvis man alligevel har det til at ligge på lager.

    Japanerne går nok alligevel den retning, da de har svært ved at producere strøm nok lokalt (og får ammoniakken fra Australien), men der sidder vi jo i en helt anden gunstig situation.

    Virkningsgraderne for konvertering af ammoniak til strøm er nok lige pessimistiske nok. Vi mangler stadigvæk at vise det, men mit umiddelbare bud er, at vi burde kunne få en virkningsgrad på >65 % (LHV) ved anvendelse af ammoniak i SOFC, så vi kan ende med en RTE på 45-50 % med eksisterende teknologi.

    /Henrik

  5. Erling Petersen

    Mange tak for en meget detaljeret beskrivelse af galskaben. Jeg må indrømme, at jeg ikke orkede at sætte mig ind i alle artiklens detaljer. Den viser tydeligt, hvilke næsten uendelige mængder af spændende og indbringende opgaver ”den grønne omstilling” giver til både forskere, planlæggere og industrivirksomhederne. Intet under, at de taler så begejstret om den. Og alt sammen for at reducere luftens indhold af CO2, som planterne tørster efter, og som næppe har nogen målelig indvirkning på klodens temperatur. Galskaben har ufattelige dimensioner!

Skriv et svar til Claus Beyer Cancel

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.

*