Í verkfærakistu orkuskiptanna

Beðið er tíðinda af sviði þróunar kjarnorku.  Brýn þörf er á nýrri kynslóð kjarnorkuvera, sem tekið geti við af hefðbundinni tækni núverandi kjarnorkuvera, sem kljúfa ákveðna samsætu (ísótóp) frumefnisins úran.  Slík kjarnorkuver hafa í sér innri óstöðugleika við alvarlega bilun í verinu, eins og mörgum er í fersku minni frá "Three Mile Island" í Bandaríkjunum, Chernobyl í Úkraínu og Foukushima í Japan.  Slík þróun nýrrar gerðar kjarnorkuvera er að líkindum langt komin, jafnvel á verum, sem nýtt geta plútónium, sem er mjög geislavirkt úrgangsefni frá hefðbundnum kjarnorkuverum, og fáein önnur frumefni, t.d. þóríum. Þróun vind- og sólarorkuvera hefur gengið mjög vel, þannig að kostnaður við raforkuvinnslu þeirra hefur náð niður að kostnaði raforkuvinnslu í jarðgasorkuverum eða í um 40 USD/MWh, þegar bezt lætur. 

Þessir tveir "hreinu" orkugjafar eru samt með miklum böggum hildar, því að þeir eru óáreiðanlegir.  Þegar sólin skín og vindur blæs, getur orðið offramboð raforku, og þá dettur raforkuverð jafnvel niður fyrir 0, þ.e. raforkunotendum er borgað fyrir að kaupa rafmagn.  Þegar þannig stendur á, er kjörið að ræsa vetnisverksmiðjur á fullum afköstum og rafgreina vatn. Við það myndast vetni, H2, og súrefni, O2.  Vetnið mun sennilega leika stórt hlutverk í orkuskiptunum og eftir þau, því að markaður verður fyrir vetni til að knýja þung ökutæki, vinnuvélar, skip og flugvélar. 

Vetnið getur líka leyst jarðgas af hólmi, þar sem það er notað til upphitunar húsnæðis.  Fyrir slíka vetnisnotkun er að myndast stór markaður núna á Norður-Englandi.  Bretar hafa sett sér markmið um að verða kolefnisfríir árið 2050.  Fyrir Íslendinga geta innan tíðar skapazt viðskiptatækifæri sem framleiðendur vetnis með umhverfisvænum og endurnýjanlegum orkulindum, sem Bretar sækjast eftir.  Í stað þess að leita hófanna hjá brezkum yfirvöldum um viðskipti á milli landanna með rafmagn með talsverðum orkutöpum á langri leið, ættu utanríkisráðherra og iðnaðarráðherra að taka upp þráðinn við brezk stjórnvöld um vetnisviðskipti.  Íslenzk orkufyrirtæki ættu að geta fengið allt að 30 USD/MWh, að viðbættu flutningsgjaldi til vetnisverksmiðju, fyrir raforkuna m.v. núverandi orkunýtni rafgreiningarbúnaðar og markaðsverð á vetni.  Það er vel viðunandi verð, því að meðalkostnaður íslenzkrar raforkuvinnslu er undir 20 USD/MWh.  

Ýmis bílafyrirtæki, t.d. Hyundai í Suður-Kóreu, eru að undirbúa markaðssetningu á fólksbílum með vetnisrafala um borð í stað rafgeyma.  Orkuþéttleikinn á massaeiningu er um 33 kWh/kg, en í rafgeymunum um 50 Wh/kg, þ.e. 0,2 %, og orkuþéttleiki jarðefnaeldsneytis (benzín, dísel) er um 13 kWh/kg, þ.e. 39 % af orkuþéttleika vetnis.   

Unnið er að því að leysa kol og kox af hólmi með vetni við stálframleiðslu. Ef allar hugmyndir um vetnisnotkun heppnast, má tala um vetnishagkerfi í stað hagkerfa, sem nú eru knúin áfram með jarðefnaeldsneyti.  Nú er aflþörf rafgreiningar vatns í heiminum um 8 GW og annar aðeins 4 % markaðarins.  Megnið af vetni heimsins er framleitt úr kolum, olíu og jarðgasi, sem er ósjálfbær aðferð.  Allur núverandi heimsmarkaður mundi þurfa 200 GW og þennan markað má sennilega tvöfalda á 20 árum.  Hann þarf þá 400 GW, sem er 80-föld afkastageta íslenzkra orkulinda, sem líklegt er, að virkjaðar verði. 

Það hefur þótt ljóður á ráði vetnisnotkunar, hversu lág orkunýtnin er við framleiðslu og notkun þess, en hún er um þessar mundir 70 %-80% við framleiðsluna og lægri í vetnisrafölum.  Nú á sér stað mikil þróunarvinna til að auka nýtnina, og er búizt við, að hún verði 82 %-86 % við framleiðsluna árið 2030.  Þar að auki fer kostnaður rafgreiningarbúnaðarins í USD/MW lækkandi. Þegar við þetta bætist viðurkennd þörf á að draga úr bruna jarðefnaeldsneytis í heiminum, þá er kominn verulegur hvati til vetnisnotkunar.  

Það er ljóst, að víðast hvar krefjast orkuskiptin styrkingar raforkukerfanna; ekki aðeins nýrra virkjana endurnýjanlegra orkulinda eða kjarnorkuvera, heldur einnig nýrra og öflugri flutningsmannvirkja (loftlína, jarðstrengja, aðveitustöðva).  Ef hitun húsnæðis á að fara fram með rafmagni, krefst hún enn meiri eflingar flutningskerfisins, sums staðar tvöföldunar flutningsgetunnar.  Það gæti þess vegna víða verið þjóðhagslega hagkvæmast að nota vetni til þess, þar sem nú er notað jarðefnaeldsneyti.  

Fram að árinu 2019 unnu stjórnvöld Bretlands að því markmiði að hafa dregið úr losun jarðefnaeldsneytis um 80 % árið 2050 m.v. árið 1990.  Árið 2019 setti ríkisstjórnin markið enn hærra og vildi, að brezka hagkerfið yrði fyrsta stóra hagkerfi heimsins til að verða 100 % kolefnisfrítt árið 2050.  Nú er þetta aðeins talið mögulegt með verulegri vetnisnotkun. 

Á Íslandi er markaður fyrir vetni m.a. í flutningageiranum í vinnuvélum, vörubílum, langferðabílum (rútum), skipum og flugvélum. Rafvæðing fólksbílaflotans sækir hratt í sig veðrið og fylgir þar fordæmi frá Noregi, sem einnig býr við lágt raforkuverð úr vatnsfallsvirkjunum þar í landi.  Nú, (ágúst 2020) eru rúmlega 5000 fólksbílar alrafknúnir hérlendis.  Það er lágt hlutfall eða um 2 %, en fjölgunin er hröð, því að á 5 árum hefur fjöldinn 21 -faldazt, en með bjartsýni um þróun efnahagsmála og viðvarandi hvata til kaupa á rafmagnsbílum má gizka á, að fjöldi alrafknúinna bíla muni tífaldast á næstu 5 árum. Þeir munu þurfa um 222 GWh/ár frá virkjunum, sem er rúmlega 1 % aukning frá núverandi vinnslu. 

Vetnismarkaðurinn í landinu árið 2025 gæti numið 2,8 kt, ef 10 % langferðabíla og vörubíla og 15 % sendibíla verða þá vetnisknúnir að óbreyttri nýtni vetnisrafala.  Til þess að framleiða það með rafgreiningu og núverandi nýtni rafgreiningarbúnaðar þarf 183 GWh.  Heildarraforkuþörf fartækjageirans mæld við virkjanir verður þá um 405 GWh/ár, sem er aðeins um 2 % aukning núverandi raforkuvinnslu.  Samt útheimtir þessi aukning nýjar virkjanir, ef umtalsverðir notendur falla ekki úr skaptinu.  Til samanburðar er þetta aðeins um 13 % raforkunotkunar ISAL í Straumsvík í góðu árferði.  

Núverandi meginframleiðsluaðferðum vetnis verður að breyta, ef vetnisnotkun á að gagnast loftslaginu.  Samkvæmt skýrslu "International Energy Agency", "The Future of Hydrogen", sem út kom 2019, nam CO2 losun vetnisvinnslu út í andrúmsloftið svipuðu magni og öll samanlögð losun Bretlands og Indónesíu á koltvíildi.  

Vetnisverksmiðjur henta vel til að taka við umframafli frá orkuverum endurnýjanlegrar orku.  Kjörstærð þeirra fyrrnefndu er talin vera 25 %-30 % af uppsettu afli hinna síðarnefndu. 

Það, sem að auki ræður staðsetningu vetnisverksmiðja, er nánd við markað og opinbert regluverk í viðkomandi landi.  Talað er um Chile, Bandaríkin og Spán sem líkleg hýsingarlönd.  Ef þetta hlutfall er heimfært á Ísland, fæst uppsett aflþörf vetnisverksmiðja hér um 350 MW (jarðgufuvirkjunum sleppt).  Með því að nýta umframorku í vatnsorku- og væntanlegu vindorkukerfi mætti flytja út 85 % framleiðslunnar í slíkum vetnisverksmiðjum og nýta 15 % innanlands. 

Ísland býr við orkulöggjöf Evrópusambandsins (ESB), og það er æskilegt og fróðlegt að fylgjast með fyrirætlunum Framkvæmdastjórnar Úrsúlu von der Leyen á orkusviðinu.  Í ljós kemur, að hún ætlar vetninu stórt hlutverk í framtíðinni.  Þannig hefur hún nýlega gefið út skýrsluna "Powering a climate-neutral economy: an EU Strategy for Energy System Integration" og einnig skýrsluna "A hydrogen strategy for climate-neutral Europe". 

Höfundarnir sjá fyrir sér hæga uppbyggingu á framleiðslugetu vetnisverksmiðja í Evrópu, sem nýta umhverfisvæna orku.  Á árabilinu 2020-2024 verði reistar slíkar verksmiðjur í Evrópu að aflþörf a.m.k. 6 GW og framleiðslu a.m.k. 1 Mt/ár.  Í öðrum áfanga (2025-2030) er ætlunin að setja upp rafgreiningarverksmiðjur með aflþörf 40 GW og framleiðslu allt að 10 Mt/ár.  Á lokatímabilinu (2030-2050) verði svo tekin enn stærri skref með framleiðslu gríðarlegs magns vetnis með rafmagni frá kolefnisfríum orkuverum.  

Hlutdeild Íslendinga í þessum markaði verður lítil, en traustur vetnismarkaður mun verða til.  Það virðist þannig verða tiltölulega áhættulítið að fjárfesta í ísenzkum orkulindum og breyta orkunni frá þeim í vetni og beinharðan gjaldeyri með útflutningi á því frá Íslandi til Bretlands og/eða meginlands Evrópu.  

Vetnisvæðinguna á að styrka með stofnun "European Clean Hydrogen Energy Alliance".  Þessi samtök munu hafa innan sinna vébanda iðnaðinn, opinberar stofnanir og frjáls félagasamtök til að styðja við bakið á Stefnumörkuninni ("The Strategy") og til að mynda farvegi fyrir fjárfestingar.  Það er einboðið fyrir íslenzka aðila á orkusviði og jafnvel áhugasama fjárfesta að ganga í þessi samtök til að vinna að framgangi vetnisvæðingar á Íslandi.  

 

 

 

  

 

Athugasemdir

[Þorsteinn Siglaugsson, 21.9.2020 kl. 11:20]

Þetta er mjög áhugaverð samantekt. Það væri athyglivert að sjá hver kostnaður og ábati er af sölu raforku erlendis í formi vetnis á móti kostnaði og ábata af sölu um sæstreng. 

[Emil Þór Emilsson, 21.9.2020 kl. 12:00]

nú spyr sá er veit ekki. flytjum við út vetni með skipum?

[Bjarni Jónsson, 21.9.2020 kl. 15:26]

Sæll, Emil Þór;

Það eru í grundvallaratriðum 2 kostir.  Annar er pípulögn til NA-Englands, og hinn er flutningur á vetni undir þrýstingi með skipum.  Ég hygg, að flutningar á vetni frá Íslandi verði ekki nægjanlega miklir til að standa fjárhagslega undir gaslögn til NA-Englands.  Flutningar með skipum eru fýsilegastir í þessu tilviki.  Það þýðir, að helzt þarf að staðsetja vetnisverksmiðjuna, þar sem góð hafnaraðstaða er og þar sem flutningskerfi raforku er nægilega öflugt, hugsanlega með spennuhækkun upp í 400 kV.  Bendi á, að nokkrar línur á Íslandi eru nú þegar hannaðar og reistar fyrir 400 kV.

[Bjarni Jónsson, 21.9.2020 kl. 15:47]

Alveg rétt, Þorsteinn.  Vetnisframleiðsla af þeirri kjörstærð, sem þarf til að nýta umframvatn í miðlunarkerfinu og afgangsorku rafkerfisins þarf mun minni raforku en sem nemur líklegri flutningsgetu aflsæstrengs, t.d. til NA-Englands.  Verkefnið er smærra í sniðum fjárhagslega og rafmagnslega og gæti hentað íslenzkum aðstæðum betur en sæstrengsverkefnið.  Meiri virðisauki verður hérlendis af vetnisframleiðslu en útflutningi um sæstreng á hverja orkueiningu, MWh.  Núverandi raforkuverð í Evrópu standur alls ekki undir þeim fjárfestingum í virkjunum og flutningsmannvirkjum á landi og í sjó, sem útflutningur rafmagns útheimtir.  Ýmsir spá, að raforkuverðið nái ekki fyrri hæðum í fyrirsjáanlegri framtíð (10 ár), en aftur á móti er spáð hækkandi verði á vetni í Evrópu strax með aukinni spurn eftir "grænu" vetni.  Allt þetta þarf að greina, en mér sýnist ábatinn í GBP/MWh verða markvert meiri með vetnisframleiðslu innanlands en útflutningi um sæstreng.

[Þorsteinn Siglaugsson, 21.9.2020 kl. 23:06]

Þetta er mjög athyglivert. Veistu hvort orkufyrirtækin hér eru eitthvað farin að skoða þetta?

[Hallgrímur Hrafn Gíslason, 22.9.2020 kl. 10:31]

ThorConIsle orkuver. Eru þessi orukver komin í rekstur

[Bjarni Jónsson, 22.9.2020 kl. 10:49]

Ég veit ekki til, að hérlend orkufyrirtæki séu að íhuga að reisa vetnisverksmiðju eða að leita hófanna við erlenda vetnisframleiðendur.  Iðnaðarráðuneyti og/eða Íslandsstofu stendur nær að kynna möguleikana hérlendis fyrir vetnisframleiðendum.  Landsvirkjun hefur þegar reist Búrfellsvirkjun 2, rúmlega 100 MW virkjun, sem tekur við vatni, sem Búrfell 1 torgar ekki.  Landsvirkjun gæti aukið aflgetu Fljótsdalsvirkjunar, ef markaður skapast fyrir umframorku.  Margir mundu kætast yfir því, að bergvatnsáin í Jökuldal, sem rennur í farvegi Jölulsár á Dal, héldist tær árið um kring.  Sama er að segja um Blöndu. 

Vetnisnotkun mun sækja í sig veðrið, og "grænt" vetni mun verða orkuskiptunum nauðsyn.   

[Bjarni Jónsson, 22.9.2020 kl. 11:08]

Mér vitanlega eru þóríum-kjarnorkuver enn á þróunarstigi á Vesturlöndum.  Þau eru sennilega farin að framleiða raforku inn á netið hjá þróunaraðilum, en þau eru ekki komin á markað, og starfsleyfi hafa ekki verið gefin út fyrir aðra, þ.e. almennan markað.  Kínverjarar eru mjög áhugasamir um þessa tækni og gætu orðið fyrstir til að markaðssetja þóríum-kjarnorkuver.  

Nú er umræða í Þýzkalandi um urðun úrgangs frá úraníum-kjarnorkuverum, en Þjóðverjar munu geyma úrganginn (ótrúlegt magn, milljónir m3 er sagt) á yfirborði jarðar á nokkrum stöðum í Þýzkalandi og hafa tekið við úrgangi frá nágrönnum sínum.  Nú á að urða þetta.  Geislavirkni frá þóríum-úrgangi er mjög lítil í samanburði við hitt, og helmingunartíminn aðeins nokkrir áratugir í samnburði við meira tugþúsundir ára.  Þjóðverjar virðast þá ekki eiga eyðingarstöð fyrir úrganginn, eins og Englendingar hafa rekið við strönd NV-Englands.  

[Hörður Þormar, 23.9.2020 kl. 11:10]

Hér ræðir Harald Lesch, sjónvarpsmaður og eðlisfræðiprófessor um þessi mál. Að hans dómi er virkjun sólar og vinds mun haghvæmari kostur heldur en kjarnorkan.

Í öðrum þætti ræðir hann um tæknilega erfiðleika í sambandi við Þóríum orkuver.

Það skal tekið fram að þeir, sem ekki skilja þýsku, geta nálgast tölvuþýðingu, jafnvel á Íslensku, á textanum.                  Atomkraft jetzt! Rettung für das Klima? | Harald Lesch               

[Bjarni Jónsson, 23.9.2020 kl. 17:52]

Afar áhugaverður fyrirlestur prófessors Harald Lesch.  Vindorkuver og sólarorkuver hafa þá óhjákvæmilegu annmarka að framleiða raforku slitrótt.  Það þarf að geyma orkuna á einhverju formi til að grípa til, þegar ekki blæs byrlega eða þegar sólin ekki skín.  Þá eru þessi orkuver plássfrek fyrir hverja framleidda MWh, og t.d. vindorkuverin hafa ýmsa fleiri annmarka, sem eru farnir að valda tregðu yfirvalda í Evrópu til að veita byggingarleyfi.  Endanleg lausn kemur, ef tekst að beizla samrunaorku, en tæknistigið leyfir það ekki enn.