Fleksibel elektrolyse

For nyligt blev undertegnede henvist til en artikel, hvor man ser på mulighederne for at producere brint ved elektrolyse baseret på variabel strøm fra solceller og vindmøller. Det er en artikel, hvor man har indsamlet oplysninger fra en hel række andre studier, og derefter når frem til en konklusion om mulighederne.

Det begynder at stå klart for alle, selv aktørerne inden for ”vedvarende energi”, at uden brint vil en ”grøn omstilling” baseret på sol og vind være umulig. For at solcellerne og vindmøllerne skal kunne dække hele årets forbrug af strøm, skal deres kapacitet være mange gange det gennemsnitlige forbrug. Danmark har således lige nu et løbende elforbrug over året omkring 4 gigawatt (GW). Vi har 7 GW vindmøller og 3,6 GW solceller installeret. De er ikke nok til at dække årets forbrug, og vores kære Energistyrelse regner da også med, at vi allerede i 2030 skal have forøget kapaciteten til ca. 31 GW, heraf ca. 18 GW solceller.

Det betyder, at man kan regne med en maksimal produktion på op til 25 GW i kortere perioder, og i mange dage kan man snildt have over 20 GW i dagtimerne, se fig. 1. Der vil selvfølgeligt også være perioder, hvor vind og sol ingenting giver, som vi oplevede både i november og december i fjor.

Danmark holder elforsyningen oppe ved import og eksport af strøm, når vi hhv. mangler noget eller producerer for meget. Det er en løsning, vi ikke kan satse på efter en kraftig udbygning. Især solcellerne vil producere store mængder strøm samtidigt med nabolandenes, og allerede nu har f.eks. Tyskland så stor en kapacitet her, at man på solskinsrige sommerdage ikke er i stand til at bruge strømmen selv, men må eksportere den eller tvangslukke anlæg.

Vi skal således selv være i stand til at bruge vores strøm, og helst kunne lagre den til brug i de tidsrum, hvor sol og vind leverer for lidt. Her kunne man tænke sig batterier, men alle beregninger viser hele tiden, at batterier i den nødvendige størrelsesorden indebærer helt urealistiske investeringer. Tilbage har vi brinten. Overskydende elektricitet kan i elektrolyseapparater bruges til at spalte vand i brint og ilt. Brinten kan gemmes til senere som backup i elforsyningen eller bruges til fremstilling af flydende brændstoffer.

Vi skal således have opstillet brintfabrikker, der kan udnytte al overskuds-strømmen. Her begynder vanskelighederne allerede at tårne sig op. Med et løbende elforbrug i 2030 på måske 6-7 GW, vil vi stå med op til 15-16 GW overskudsstrøm. Hvis vi skal udnytte stort set al energien, bliver vores elektrolysekapacitet nødt til at være på i hvert fald 14 GW, se fig. 2. Det bliver en voldsom mængde elektrolyseapparater, der skal installeres, og de kommer det meste af tiden til at køre langt under deres kapacitet, i gennemsnit under 4 GW. Det giver naturligvis en meget dårlig udnyttelse af fabrikkerne, hvilket igen gør investeringsomkostningerne pr. fremstillet ton brint meget høje.

Men hertil kommer, at elektrolysen skal kunne reguleres op og ned i takt med den til rådighed værende mængde strøm. En sommerdag med god vind skal der måske køres med de 14 GW strøm for blot få timer senere at nå ned i nærheden af nul, når Solen er gået ned og vinden løjet af.

Det helt store strømforbrug ved brintfremstilling er til selve elektrolysen, så den fleksibilitet, der kræves, skal komme fra denne proces. Ved siden af er der en række hjælpefunktioner, der vil kræve en stabil forsyning, men det er nok en relativt overkommelig opgave.

Elektrolysen kan opfylde kravet om fleksibilitet på to måder. Fabrikken vil altid bestå af en lang række elektrolyseceller, der kan køre uafhængigt af hinanden. Man kan nu reagere på en ændring i strømforsyningen ved at lade alle cellerne gå ned eller op i produktion. Alternativt kan man lade cellerne køre på konstant kraft, og så i stedet tænde eller slukke for nogle af dem, i takt med stigningen og faldet i den til rådighed værende mængde strøm. Sidstnævnte princip er illustreret på fig. 3.

Mest nærliggende er nok en kombination af de to metoder, hvor man dels udnytter cellernes muligheder for at regulere produktionen individuelt og dels tænder og slukker for dem i takt med den til rådighed værende strøm, se fig. 4.

Vi har tidligere beskrevet de forskellige teknologier, der findes til elektrolyse, for detaljerne henvises læseren til artiklen derom. Her skal nævnes de to mest fremtrædende principper, den alkaliske og proton-membran-teknologien. Nogle egenskaber er oplistet i tabel 1.

Den alkaliske metode er den klassiske og har været i drift længst. Udstyret er simpelt og komponenterne, især elektroderne og membranen, er ikke så kostbare i anskaffelse og vedligehold. Til gengæld er cellerne sværere at regulere op og ned og stoppe og starte. Når man f.eks. vil starte cellen efter et kortvarigt stop, går der nogle minutter før den er klar. Mulighederne for at køre med reduceret produktion skulle på papiret være gode, helt ned til 20%, men de praktiske erfaringer fra et anlæg i Kina tyder dog på, at man i praksis ikke kan gå meget under 50% kapacitet.

Proton-membranen tillader en hurtigere regulering op og ned og kan i varm tilstand stoppes og startes uden forsinkelser. Den store ulempe er elektroderne, der kræver kostbare metaller som platin og iridium, og tilmed har de ikke nogen lang levetid i drift, men skal udskiftes jævnligt. Det gør metoden voldsomt meget dyrere i drift end den alkaliske. Til gengæld skulle teknologien muliggøre regulering af produktionen fra næsten nul til 100% af kapaciteten.

Meget tyder på, at man kan komme igennem med en teknologisk brugbar løsning, men der udestår stadigvæk meget udviklingsarbejde, og der skal indhentes erfaringer fra drift i større skala. Det er en proces, der vil tage adskillige år, og derfor er Energistyrelsens planer for 2030 totalt urealistiske. Man regner med ca. 6 GW elektrolysekapacitet og den ovennævnte udbygning med sol og vind, men det kan næppe nås i løbet af de næste 5 år, og det vil slet ikke kunne bringes til at fungere tilfredsstillende.

Udgifterne i forbindelse med planerne bliver astronomiske og det helt afgørende punkt vil være prisen på den fremstillede brint. Hvis man har opstillet et kæmpe overskud af elektrolyseceller for at kunne bruge strømmen, når forsyningen topper, får man meget store investeringsudgifter, der vil smitte af på brintprisen. I forvejen bliver brinten pga. det store strømforbrug meget dyr, næsten uanset hvor billig elektriciteten er. Man må generelt også regne med en dårligere udnyttelse af strømmen, hvis elektrolysecellerne skal køre med mange stop og start og op- og nedreguleringer. Tallene i tabel 1 er for den forventede stabile og optimerede drift, så det reelle strømforbrug vil blive betydeligt højere.

Som vi tidligere har været inde på, er det mere end tvivlsomt, om der vil være noget marked for den dyre brint.

Nu vil mange nok spørge, om ikke man kunne indsætte batterier, der blot dag for dag kunne udjævne elproduktionen fra solcellerne, hvorved man kunne nøjes med meget færre elektrolyseceller, der så kunne køre i mange flere timer pr. døgn? Det spørgsmål kigger vi på i en opfølgende artikel.