Power to X

Regeringens planer for en omfattende udbygning af vindkraft medfører, at der skal opstilles systemer, der kan håndtere den voldsomme overproduktion af energi på blæsende dage og omvendt fungere som backup eller buffer ved vindstille dage. Energilagring synes umiddelbart nærliggende, men er i praksis meget dyr i investering og drift. Andre muligheder er derfor at producere brændstoffer ved hjælp af den overskydende strøm. Brint er nærliggende, da den kan fremstilles ud fra elektrisk strøm ved elektrolyse. Men brint er dyr og besværlig at håndtere og energitabene er store undervejs.

En anden løsning er derfor at kombinere brinten med CO₂ og danne flydende brændstoffer, der er langt lettere at lagre og transportere. Som en sidegevinst bliver der så også trukket noget CO₂ ud af regnskabet. Her synes især methanol at være et velegnet slutprodukt.

Teknikken til fremstilling af methanol ud fra brint og CO₂ er relativt velkendt, men plages af meget dårlige energi-udbytter og enorme finansielle omkostninger.

Elektrobrændsel

Med ”Power to X” forstås omdannelsen af brint og CO₂ til flydende brændstoffer, f.eks. benzin til biler. Power to X, kendt som elektrobrændsel, er nævnt som et element i regeringens klimaplan for 2030.

Interessen for elektrobrændsel skyldes en række forhold i den fremtidige energiforsyning:

1. Vi skal finde erstatninger for fossile flydende brændstoffer
2. Der vil være en meget stor overproduktion af strøm fra vindmøller på vindrige dage
3. Overskudstrømmen kan konverteres til brint, der kan bruges som brændstof, men som er kompliceret og dyrt at lagre og håndtere
4. Flydende brændstof er langt lettere at håndtere og transportere
5. Der er et ønske om at opsuge CO₂, enten fra skorstene eller direkte fra atmosfæren. Denne CO₂ skal helst anvendes til noget, i stedet for deponi

CO₂ og brint kan bringes til at reagere med hinanden og danne flydende brændstoffer. Dermed kan man opsuge CO₂ fra f.eks. biomassefyrede værker og genbruge den til motorbrændstof, hvorved hele kæden bliver CO₂-neutral, idet brinten selvfølgeligt er baseret på strøm fra vindmøller.

Syntetiske brændstoffer

Teknologien til fremstilling af flydende brændstoffer ud fra kul har været kendt i næsten 100 år. Det er den såkaldte Fischer-Tropsch proces. Der er to trin. Først blæser man vanddamp ved høje temperaturer hen over kullene, hvorved man får gammeldags bygas, en blanding af brint og CO (kulmonoxid). Denne blanding kan efterfølgende omdannes til flydende brændstoffer ved højt tryk og temperatur over en katalysator.

Det energimæssige udbytte er ringe, sammenholdt med kullenes oprindelige brændværdi, men processen blev i stor skala anvendt af Tyskland under 2. Verdenskrig. Tyskerne manglede olie, og dermed brændstoffer til deres militære køretøjer og fly, og derfor fremstillede de benzin m.v. ud fra kul, som de havde rigeligt af.

For Danmarks vedkommende er der regnet på en udgave af Fischer-Tropsch, hvor udgangs-punktet er biogas, der konverteres direkte til flybrændstof, kerosen (1). Løsningen ville i princippet være bedre end CO₂-neutral, da biogassen stammer fra vedvarende kilder (biomasse) og i sig selv indeholder betydelige mængder af CO₂. Alt vil blive konverteret til kerosen. Desværre er mængderne af biogas i Danmark ikke så store, så de ville blive brugt i deres helhed blot til at dække landets behov for flybrændstof. Derved går man jo glip af den varmeproduktion, som biogassen ellers ville dække.

Methanol

Hvis udgangspunktet for syntesen skal være CO₂ og brint (H₂), ser det ud til, at det mest oplagte slutprodukt er methanol, også kendt som methylalkohol eller træsprit. Methanol er ved stuetemperatur en væske og bortset fra, at den er stærkt giftig, minder den meget om almindelig sprit.

Methanol anvendes i dag i meget store mængder, bl.a. som basiskemikalie til en lang række produkter. Den fremstilles som regel ud fra naturgas og vanddamp.

Der vil være 3 kemiske reaktioner involveret, når man blander brint og CO₂, se boksen. De 3 reaktioner konkurrerer med hinanden, og de løber ikke til ende, således at alt CO₂ og brint er omsat. Tværtimod, vi ender med en blanding af alle de involverede stoffer, en såkaldt ligevægt, og man er så nødt til at fjerne slutproduktet, methanol, samt vand, der er et såkaldt biprodukt. Derefter kan man få gang i omsætningen igen.

Fig. 1 viser en oversigt over situationen. Anlægget, hvor man producerer methanolen indeholder adskillige trin, både til selve reaktionen, men også til adskillelse af stofferne efterfølgende.

Man taler ofte om at bruge en katalysator til at fremme processen. Det gør den også, den er helt uundværlig, men den sætter kun hastigheden op, den forrykker ikke ligevægtene. Der er eksperimenteret med et uhyre antal forskellige katalysatorer, men mange af dem består af kostbare metaller, som guld, palladium, iridium, ruthenium osv. (3) og er næppe realistiske i en skala, som fremstilling af elektrobrændsel kræver.

Ellers er der arbejdet meget på udformningen af reaktoren, hvor processen foregår, og der er eksperimenteret med et utal af kombinationer af tryk og temperatur. Tryk op til næsten 450 bar er nævnt som en mulighed (4).

Men alt i alt er der ikke fundet nogen nem løsning.

Som alternativ er foreslået fremstilling ved hjælp af mikroorganismer, der indrettes til at producere methanol ud fra CO₂ og brint, akkurat ligesom gærceller kan fremstille alkohol til øl og vin (5). Metoden synes dog ikke hensigtsmæssig, når det drejer sig om de enorme volumener af elektrobrændsel, der skal til for at gøre en forskel.

Anvendelse af methanol

I litteraturen er der mange forslag til hvordan, methanolen kan bruges bedst i energisammen-hænge (6). I nogle scenarier er den tænkt som opbevaringsmedie for brint. Nem at lagre, nem at transportere. Når energien skal bruges, kan methanolen så konverteres tilbage til brint og indgå i en brint-økonomi (7).

Dette synes dog at være unødigt kompliceret. Mere lovende er at udvikle vores eksisterende brændstofforbrug, så methanol kan bruges i stedet for benzin til biler eller brændstof til fly og skibe (8). Det er der teoretisk ikke noget til hinder for, men det kræver en videreudvikling af motorer og anden teknologi.

En 3. mulighed er at bruge methanolen som basis for produktion af andre brændstoffer, f.eks. benzin eller dieselolie, også her findes der teknologi, der allerede i et vist omfang udnyttes i fuld skala (9).

Power to X anlæg

Fig. 2 viser hovedelementerne i et anlæg til fremstilling af methanol. Anlægget bør placeres ved siden af CO₂-kilden, f.eks. et kraftværk. Hvis man opsamler CO₂ direkte fra atmosfæren, er man naturligvis mere frit stillet mht. placering. CO₂-en skal koncentreres og oprenses, så den er fri for urenheder og indeholder et minimum af andre luftarter (ilt, kvælstof, osv.).

Der skal være masser af strøm til rådighed, i princippet selvfølgeligt fra vindmøller, så den er CO₂-fri. Strømmen bruges til at drive methanolfremstillingen, men den største mængde vil gå til fremstillingen af brint ved elektrolyse. Hvis den tilgængelige strømforsyning er variabel, i takt med hvor meget vinden blæser, kan der etableres et stort lager af flydende brint, der så kan forsyne methanolprocessen kontinuerligt, mens elektrolysen er afbrudt. Dette gør anlægget mere fleksibelt i forhold til vindstrøm, men en vis mængde elektricitet skal konstant være til rådighed til selve methanolfremstillingen, der ikke kan køres on/off.

Brint og CO₂ føres nu over i methanolreaktoren eller -reaktorerne. Processen skal bl.a. omfatte en kontinuerlig fjernelse af det vand, der dannes.

Methanolen pumpes derefter over i et destillationsanlæg, hvor resten af vandet og de kemikalier, der er dannet ved uønskede sidereaktioner, fjernes. Noget CO₂ og CO vil være at finde opløst i methanolen, det skal også væk (10). Renselsesprocessen er ganske kompliceret og ret energikrævende, men den er nødvendig, hvis man skal have et ensartet og brugbart produkt ud af det.

Methanolen kan derefter sendes til lagertanke til distribution som brændsel.

Methanolanlæg i Island

Det første kommercielle methanolanlæg på basis af CO₂ og brint blev bygget i Island, i nærheden af Reykjavik. Anlægget er opkaldt efter George Olah, en Nobelprisvindende kemiker, og det blev sat i drift i 2012. Det har en kapacitet på ca. 5 mio. liter methanol om året, og bortskaffer ca. 4500 t CO₂ i den forbindelse. CO₂-en kommer fra en dieseldreven pumpestation på et geotermisk anlæg. Brinten fremkommer ved elektrolyse, baseret på strøm genereret på det geotermiske anlæg (11). Fig. 3 viser anlægget.

Investering og driftsøkonomi

Der er opstillet et detaljeret projekt for et anlæg, der kan producere 450.000 tons methanol pr. år (12). Anlægget er komplet med egen elektrolyse af brint og rensning af CO₂ fra en industriel kilde.

Anlægget vil pr. ton methanol have følgende nøgletal:

Investeringen er beregnet til 565 millioner EUR (godt 4 mia. kr.).

Figur 4 viser en oversigt over anlæggets driftsøkonomi, hvis elektriciteten købes til markedspris i Europa, 95 EUR/MWh. Det antages, at methanolen sælges til markedspris, 350 EUR/t og at man også har et salg af O₂ (ilt) fra elektrolysen af brint:

Med disse tal fås, over 20 år, en nutidsværdi (”net present value”, NPV) på minus 3 milliarder EUR.

Det er selvfølgeligt strømudgiften til elektrolysen, der slår så hårdt, den udgør langt størstedelen af det samlede el-forbrug. Følsomheden overfor elprisen er udtrykt i grafen i figur 5. Man ser, at elprisen skal ned under 10 EUR/MWh, før prisen på methanolen er tilbage på markedsniveauet.

Selvom strøm fra havvindmøller er CO₂-fri, er den ikke gratis. Der er forskellige bud på, hvad prisen vil være i de kommende år. Ørsted har anført et tal på 78 EUR/MWh i 2020 (13), mens Energinet er mere optimistisk og regner med priser ned til 50-60 EUR/MWh (14). Til gengæld vil de planlagte energiøer trække i retning af højere priser, da de er væsentligt dyrere i investering end almindelige havvindmølleparker.

Med en pris på 60 EUR/MWh bliver omkostningen til et ton methanol lige knap 900 EUR, godt 2½ gange markedsprisen. Nu er formålet med processen jo ikke at skaffe mere methanol, men derimod at etablere lagring af energi fra vindmøller. Methanolen skal derfor i sidste ende sammenlignes med almindelige brændstoffer, som benzin eller dieselolie.

Dieselolie koster (ekskl. afgifter, distribution m.v.) ca. 500 EUR/ton. Samtidigt har dieselolie en højere brændværdi end methanol. Pr. kg rummer dieselolien således ca. 44 MJ, hvor methanol ligger på 22,7 MJ. Skal methanol med en pris på 900 EUR/ton således bruges som brændstof, vil den pr. energienhed være 3,5 gange dyrere end dieselolie.

Anlægget bortskaffer jo en mængde CO₂ og her kan man udregne, hvad det koster pr. ton. Med en produktion på 450.000 t methanol og nettobortskaffelse af 1,28 t CO₂/ton methanol fås en total fjernelse af 576.000 t CO₂. Fig. 6 viser situationen i forhold til elprisen, under forudsætning af at methanolen skal sælges til markedspris. Med en elpris på 60 EUR/MWh bliver prisen pr. ton CO₂ bortskaffet 400 EUR, eller 3.000 kr.

Endeligt kan man opstille en energibalance for hele scenariet, alle tal pr. ton methanol:

Brændværdien af den producerede methanol er således kun ca. 50 % af den energi som processen er blevet tilført. Hertil skal så lægges yderligere et tab ved distribution og anvendelse af methanolen.

Et 450.000 t/år anlæg vil således have et nettotab af energi på 2.754 GWh, svarende til årsproduktionen fra 70 store vindmøller. Og så har vi kun fjernet godt en halv mio. tons CO₂.

Konklusion

Elektrobrændsel eller Power to X anses for én af måderne, hvorpå et overskud af vindmøllestrøm kan føre til forsyninger af CO₂-fri brændstof. Teknologien vil således kunne adressere problemet med de voldsomme ubalancer i produktionen fra vindmøller og samtidigt nedsætte behovet for fossile brændstoffer f.eks. i transportsektoren.

Teknologien er relativt velkendt, da man har stor erfaring med konvertering af kul eller naturgas til flydende organiske kemikalier, herunder brændstoffer. Man kan så gå skridtet videre og bruge CO₂ og brint som udgangsmaterialer. Også her er der teknologi, der fungerer i rimelig stor skala.

P.t. ser det ud til, at methanol vil være det bedste elektrobrændsel at satse på.

Problemet er grundlæggende den meget dårlige økonomi i processen, både finansielt og energimæssigt. For at holde fremstillingen CO₂-neutral skal al energien selvfølgeligt komme fra vindmøller, men halvdelen går tabt undervejs og derfor vil en given produktion af methanol og tilhørende anvendelse af CO₂ kræve energi fra et meget stort antal vindmøller.

Således vil det koste den fulde produktion fra ca. 70 vindmøller at genanvende knap 600.000 tons CO₂ om året. Yderligere 70 møllers produktion går til den fremstillede methanol, hvor man dog i hvert fald delvist får energien tilbage, når methanolen anvendes.

Ved 1 million tons CO₂ fås da et behov for ca. 120 møller, eller 240 inkl. methanolen.

Disse tal skal sammenlignes med resultaterne fra undersøgelsen af indfangning og bortskaffelse af CO₂ (15), hvor der skal bruges ca. 60 vindmøllers produktion til opsugning og deponering af 1 million tons CO₂.

Elektrobrændselsteknologien er slet ikke moden endnu til indsættelse i massiv skala. Der skal meget mere forskning til, især omkring elektrolysen af brint, der er meget energikrævende. Men da vi er oppe imod naturen her (brint og ilt hænger som vand rigtigt godt sammen), er der næppe grund til at forvente drastiske forbedringer af situationen.

Referencer

(1): https://www.sdu.dk/-/media/sidste_chance/files/om_sdu/centre/lifecycleengineering/student_reports_2019/19b32_sf_rasmussen_thesis.pdf

(2): https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.201900401

(3): https://www.bnl.gov/isd/documents/89413.pdf

(4): https://www.recercat.cat/bitstream/handle/2072/305873/Gaikwad_StoichiometricHPCO2H2MeOH.pdf?sequence=1

(5): https://www.energy.gov/videos/electrofuels-more-efficient-photosynthesis

(6): https://www.onlynaturalenergy.com/methanol-from-grim-to-green/

(7): https://backend.orbit.dtu.dk/ws/portalfiles/portal/118858806/c4cc09471a.pdf

(8): https://www.methanol.org/wp-content/uploads/2019/01/MethanolReport.pdf

(9): https://aaltodoc.aalto.fi/bitstream/handle/123456789/34708/master_Ny%c3%a1ri_Judit_2018.pdf?sequence=1&isAllowed=y

(10): https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2018.00446/full

(11): https://www.chemicals-technology.com/projects/george-olah-renewable-methanol-plant-iceland/

(12): https://setis.ec.europa.eu/sites/default/files/reports/techno-economic_and_environmental_evaluation_0.pdf

(13): https://orsted.com/da/our-business/offshore-wind/wind-technology

(14): https://ens.dk/sites/ens.dk/files/Energibesparelser/notat_om_teknologiomkostninger_for_havvind.pdf

(15): https://klimarealisme.dk/2020/07/15/opsamling-af-co2/