Gör fjärrvärme av vätgasprocessens förluster

Vätgasens möjligheter som framtida energibärare hindras av stora förluster i omvandlingsprocessen. Med sektorkoppling till fjärrvärmeanläggningar kan förlusterna i stället bli badkarets varmvatten och en lönsam affär för regionala energibolag, skriver Anders Wickström, projektledare för HyCoGen.

Utbyggnaden av förnybara energikällor, i huvudsak vind- och solkraft, fortsätter att öka kraftigt. Det leder till mer intermittent elproduktion och framöver ännu större prisvariationer. Under flera tillfällen, exempelvis natten till den 3 oktober, har det varit negativa elpriser i Sverige. Samtidigt kan elpriserna stiga kraftigt i perioder med lite vind. Prisskillnaderna över tid skapar incitament att lagra energi för att säkra elbehovet i perioder med låg vindkraftsproduktion. Ett sätt är att tillverka vätgas genom elektrolys, för senare omvandling till el när efterfrågan och elpriserna är högre.

Foto: Yosef Ariel /Unsplash

Några få studier har genomförts rörande vätgaslagring som energibärare. Slutsatserna är att vätgas kan produceras enkelt via elektrolys av vatten och lagras i stora mängder under högt tryck. Vid behov kan vätgasen sedan förbrännas i en kraftverksprocess och generera elektricitet.

Men studierna visar också att det inte lönsamt, med dagens prisvariationer i Sverige. En orsak är de stora energiförluster som uppstår under hela omvandlingsprocessen. Enbart cirka 25 procent av den energi som använts för att producera vätgasen kan återelektrifieras, vilket Svenolof Karlsson har belyst i en tidigare artikel.

Här kan dock Sveriges stora användning av fjärrvärme skapa en unik möjlighet för kommunala och regionala energibolag. Fjärrvärmen är varmt vatten som skapas i huvudsak genom förbränning av biomassa eller avfall. Genom att tillvarata den värme som uppstår vid energiomvandling till och från vätgas blir det ekonomiska utfallet bättre både i vätgasprocessen och i fjärrvärmeaffären.

Vid produktion av vätgas genom elektrolys bildas också syrgas. Den kan utnyttjas som komplement till luft vid förbränningen i fjärrvärmeanläggningen, vilket effektiviserar förbränningen och minskar kväveföreningar i rökgaserna. Syrgasen kan ersätta behovet av olja vid uppstart av en anläggning. Möjligheterna med Carbon Capture förbättras genom att rökgasen blir en renare blandning av vattenånga och koldioxid.

För att öka lönsamheten och flexibiliteten bör en viss del av vätgasen också avyttras till fordonsbränsle eller andra typer av industriella processer.

Med ett batteri- eller kondensatorpaket kopplat mot elnätet optimeras elektrolysprocessen samtidigt som flera typer av systemtjänster till elnätet kan erbjudas, vilket skapar ytterligare mervärde och systemeffektivitet. Hela processen visas schematiskt i figuren nedan.

Ett pågående projekt, HyCoGen, tar fasta på systemperspektivet kring samverkan mellan variabel elproduktion och lagringsmöjligheter i anslutning till fjärrvärmeproduktion. De gröna ellipserna i figuren visar de extra intäktskällor (förutom intäkter från elleveranser) som processen kan generera och som projektet analyserar och beräknar. Även processens verkningsgrader (röda ellipser) utreds grundligare.

Projektet leds av RISE. Partners är svenska regionala energibolag, Karlstads Energi, Stockholm Exergi, Tekniska verken, Mälarenergi samt Göteborg Energi. Siemens Energy i Finspång medverkar som industripartner med lång erfarenhet och tekniska system som användas i processen. Mälardalens högskola bidrar med kompetens inom analyser och optimering av hela processen.

Projektets budget är på 7 MSEK. Finansieringen kommer från Energimyndigheten och Göteborg Energis stiftelse för Forskning och Utveckling samt genom partnerföretagens egna experters arbete.

Ett nästa steg blir att validera tekniken och slutsatserna i en pilot- och demonstrationsanläggning, som beräknas stå klar inom en treårsperiod. Målet är att visa på hur verkningsgraden i hela processen kan fördubblas mot i dag samt hur en investering kan göras lönsam för en fjärrvärmeproducent.

10 Kommentarer

Av Anders Wickström

projektledare för HyCoGen

Profil Second Opinion drivs på uppdrag av Energiföretagen Sverige. Läs mer

Robert Leandersson
7 oktober, 2021: 8:18 e m

Ett stort lycka till med ett väldigt viktigt och intressant projekt. Hoppas att vi kan se en pilotanläggning snart. Gärna i Västerås hos Mälarenergi.
Svara
Rickard Ohlin
5 oktober, 2021: 7:55 e m

Hur tänker man kring att en elektrolysanläggning troligtvis placeras långt från orter som har så stora behov av fjärrvärme att det lönar sig att ta tillvara på energiförlusterna?
De större orter som har behov har troligtvis för svaga nät för att klara av anläggningen. Att förstärka näten blir mycket, mycket kostsamt.

I många fall finns det redan processindustri med överskottsvärme som återvinns.
Har en sådan potentialstudie utförts innan man sökte resurser?
Svara
Philip Johansson
5 oktober, 2021: 1:11 e m

Vad är andledningen till ni vill köra en turbin istället för bränslecell i ut-steget? Bränsleceller ger högre effektivitet än förbränning och man kan fortfarande använda spillvärme till fjärrvärme. Har jag missat nåt?
Svara
- Anders Wickström@Philip Johansson
  6 oktober, 2021: 5:02 f m
  
  Projektet utreder även den frågan i ett separat arbetspaket. Så den lösningen finns med i en liknande systembild. Så du har inte missat något!
  
  Vår projektpartner Siemens Energy ger sin motivering på sidorna 6-9 i TIMES utgåva ”The Energy Industry” (http://emag.teitimes.com/2021-09/index.html) som kanske kan sammanfattas med kompakt, flexibel och relativt billig effekt de drifttimmar då elbehovet är riktigt stort. Exempelvis levererar en turbin (SGT-800) över 50 MW och kan starta med kort varsel. Att bygga bränsleceller för motsvarande effekt blir troligtvis dyrare.
  
  Dessutom finns det i Sverige befintliga gasturbiner hos vissa fjärrvärmeleverantörer, byggda för fossila bränslen, som inte längre används. Dessa kan modifieras för att i framtiden köras på i huvudsak vätgas.
  Svara
Bengt Hellman
4 oktober, 2021: 4:38 e m

Energiomvandlingen bör göras där spillvärmen kan tas tillvara för uppvärmning. Vätgasproduktion, lager och elproduktion med vätgas bör ske i anslutning till fjärrvärmenät. En ytterligare fördel med detta är att elnätet avlastas med lokal elproduktion under effekttoppar.
Svara
Klas Roudén
4 oktober, 2021: 4:05 e m

Vilken verkningsgrad för vätgaselektrolysen räknar de gigantiska hybritprojekten i norr med?
Man har angett ett totalt elbehov på 72 TWh/år för dessa projekt, drygt hälften av landets nuvarande elkonsumtion.
Svara
- Anders Wickström@Klas Roudén
  6 oktober, 2021: 4:58 f m
  
  Svar från Anders Wickström:
  Svaret kanske kom under dagens webbinarium Det nya vätgasbaserade energisamhället (https://www.ltu.se/ltu/calendar/Forelasningar-seminarier/Det-nya-vatgasbaserade-energisamhallet-1.211586). Karin Byman, projektledare för IVAs nystartade projekt ”Vätgasens roll i ett fossilfritt samhälle”, visade att systemverkningsgraden är mellan 30 – 50 % från el-vätgas-arbete. Hennes och andra intressanta föredrag kan ses på länken https://www.iva.se/vatgaswebbinarium
  Svara
Leif Tollén
4 oktober, 2021: 1:48 e m

80? i temperatur räcker knappast för dagens högtemperatur fjärrvärmesystem. Visserligen kunde nivån kunna användas till att förvärma returen i nätet, men då sjunker verkningsgraden i FJ anläggningen markant.
Svara
- Anders Wickström@Leif Tollén
  5 oktober, 2021: 7:07 f m
  
  Olika elektrolysörer arbetar med olika temperaturer, därav frågetecknet. Projektets experter från respektive energibolag analyserar nu frågan i detalj. Förutsättningarna är lite olika för de olika anläggningarna. I vissa fall är fullt möjligt att tillgodogöra sig relativt låg restvärme. I något fall kan restvärmen täcka upp för värmebrist sommartid, när avfallspannans kapacitet ligger nära gränsen för behovet, och kanske ersätta alternativa investeringar.
  Fjärrvärmenät med lägre temperaturer kommer mer och mer, till fördel för elektrolys kopplat till fjärrvärme.
  Svara
- Jan F Westling@Leif Tollén
  5 oktober, 2021: 3:57 e m
  
  Finns det tillgängligt vätgas så är det fördelaktigt köra det i bränslecellstackar ev fjärrvärme som rest produkt blir sk secunda fjärrvärme.
  Om temperaturkravet i framledningen ska vara högre än 80 C.så måste man eftervärma t ex med bio bränsle i hetvattenpanna.
  Bränna Vätgas i en gasturbin är möjligt men kväveoxid emissionen blir mycket hög.
  För närvarande finns det ännu inte fullt utvecklade sk ”premixbrännare” till gasturbiner men utveckling pågår med olika varianter av ång/vatteninsprutning/avgasrecirkulation.
  I ett lämpligt temperatur område i avgaspannan kan också använda katalysator och amoniak insprutuning för kväveoxidreducering.
  Svara