Í 50 ár hefur framleiðsla á vetni verið mikið í opinberri umræðu hér á landi, sérstaklega eftir að Háskóli Íslands stóð fyrir rannsóknum á framleiðslu þess með rafmagni. Þá var aðalmarkmiðið að nýta vetnið beint sem eldsneyti, aðallega fyrir bíla.
Á síðustu árum hefur orðið ljóst að nýta má vetnið á miklu víðtækari hátt, til dæmis sem geymslu-, flutnings- og dreifingar-möguleika fyrir raforku. Síðast en ekki síst felur vetni í sér möguleikann á að breyta koldíoxíði í fljótandi eldsneyti með svonefndri „orku breytt í vökva“ eða PtL (power to liquid) aðferð. Þannig hefur vetnið fengið mjög mikilvægt hlutverk sem lausn á orku- og loftslagsvanda framtíðar. Af hverju er ekki meiri umræða um þessa mikilvægu þróun hér á landi í dag, og rannsóknir og framkvæmdir á þessu sviði? Er þetta ekki einmitt möguleikinn, sem Alþjóða-orkumálastofnunin hefur mælt með að nýta í framhaldi Covid-19 heimsfaraldursins? Að staldra við og nýta tækifærið til að færa okkur frá kolefnisorku yfir í hreina orku?
Í Þýskalandi fer um þessar mundir fram mikil umræða um hvort þar skuli veðja á vetnið sem framtíðarlausn í orkumálum og sama má segja um Norðurlöndin. Er ekki ástæða fyrir Íslendinga að hugleiða aðra nýtingu á hreinni raforku en til málmbræðslu?
Frá lokum 20. aldarinnar hafa umræður um loftslagsmál, sem byggjast á kenningum og mælingum á hraðri hlýnun jarðar, verið aðalmálið á alþjóðavettvangi. Mikil vinna og rannsóknir hafa verið lagðar í lausnir á loftlagsvandanum, mikilvægar alþjóðlegar ráðstefnur verið haldnar og alþjóðlegir samningar verið gerðir. Þar hafa þjóðir lagt fram áætlanir um aðgerðir sem þær ætla að ráðast í gegn vandanum og tímasett markmið verið sett.
Alþjóðaorkumálastofnunin, IEA (International Energy Agency), hefur nú vísað til þessara aðgerða og áætlana í tilkynningu til stjórnvalda víða um heim. Eru þau hvött til þess að nýta það sérstaka ástand, sem myndast hefur í orkuframleiðslu, iðnaði, samgöngum og atvinnulífinu í heiminum á tímum Covid-19 heimsfaraldursins, til þess að flýta framkvæmd orkuskipta úr mengandi jarðefnaeldsneyti yfir í umhverfisvæna eða græna orku. Bendir stofnunin á þau sterku og jákvæðu áhrif, sem orkuskiptin myndu hafa á baráttuna gegn hlýnun jarðar.
Hver eru svo þessi jákvæðu áhrif hreinnar orku á hlýnun jarðar? Þau eru í megindráttum tvíþætt. Í fyrsta lagi er framleiðsla orku stærsta, einstaka orsök koldíoxíðslosunar í heiminum. Og í öðru lagi er ýmis iðnaðarstarfsemi, sérstaklega málmbræðslur, næst stærsta uppspretta koldíoxíðslosunar í heiminum.
Við málmframleiðslu er orkan oftast lykilatriði. Þetta er þýðingarmikið fyrir Ísland. Hér á landi er framleidd hrein og umhverfisvæn orka (vatns- og jarðvarmaorka) í miklu magni, og hún skapar litla mengun. Á hinn bóginn er hér stóriðja sem byggist mest á málmbræðslu, aðallega framleiðslu á áli, sem hefur mikið útstreymi koldíoxíðs og annara gastegunda, sem hafa gróðurhúsaáhrif í för með sér.
Nú má nýta orku til þess að minnka útstreymi koldíoxíðs. Það er gert með því að breyta koldíoxíðinu efnafræðilega í annað efnasamband sem ekki er skaðlegt umhverfinu, eða binda það öðrum efnum. Það kemst þá ekki í andrúmsloftið til að valda loftslagshlýnun. Slíkar lausnir eru til nú þegar, tæknin er fyrir hendi og hefur verið lengi. Þær hafa þó verið það kostnaðarsamar, að þær hafa ekki verið samkeppnisfærar við aðrar og ódýrari lausnir.
Lofthlýnunarvandamálið var ekki tekið alvarlega fyrr en fyrir um 30 árum. Lungann úr tuttugustu öldinni þótti það ekki ámælisvert að láta mikið magn þessara gróðurhúsalofttegunda streyma óheft út í andrúmsloftið. Það var ekki fyrr en 1997 sem fyrsti alþjóðasamningurinn um loftslagsmál var undirritaður í Kyoto Japan. Þar skuldbundu ríki heimsins sig til að draga úr losun þessara lofttegunda. Síðan hafa verið haldnar fleiri alþjóðaráðstefnur sem hertu enn frekar á skuldbindingunum, þar sem fyrri aðgerðir virtust ekki nægja. Þá var einnig farið að huga að skattlagningu mengunarvalda og umræðan snerist um kolefnisskatt, kolefnisjöfnun og kolefnisspor.
Í Evrópusambandinu voru fyrst settar reglur um þetta í formi markaðskerfis, sem náðu til iðnfyrirtækja og loftferða. Gefin voru út og seld losunarvottorð, en verðgildi þeirra var lengst af mjög lágt og hafði kerfið því lítil áhrif til útstreymis-minnkunar. Fleiri fylgdu í kjölfarið en alstaðar er gjaldið lágt og kerfið óskilvirkt. Það er fyrst núna sem víðtækara skattkerfi er í vinnslu, þar sem gert er ráð fyrir, að kolefnisgjaldið verði veruleg fjárhæð. Þetta á sérstaklega við í Evrópusambandinu, sem hefur tekið forystu í þessu máli. Þessi þróun er talin hafa áhrif til þess að tæknilausnirnar, þó kostnaðarsamar séu, verði hagstæðar fyrir til dæmis málmframleiðendur, þar sem útstreymi skaðsamra lofttegunda er hvað mest. Nú búa stál-, ál- og sements-framleiðendur o.fl. sig undir stórhækkun kolefnisskatta. Þeir sem lengi hafa greitt um 5 € fyrir koldíoxíð-tonnið skv. evrópska markaðskerfinu, sjá nú fram á hækkun sem nemur tugum evra á næsta áratug og jafnvel meira, þegar lengra er litið til framtíðar.
Því er iðnaðurinn nú í óða önn að leita hagkvæmustu tæknilausna, til þess að losna undan þessari skattheimtu. Fyrstu hugmyndir að ódýrum og skjótfengnum lausnum ganga út á að dæla fljótandi koldíoxíði niður í tómarými neðanjarðar, t.d. í tæmdar olíu- eða gaslindir. Nefnist þessi aðferð kolefnisföngun og -geymsla eða CCS (carbon-capture-storage). Sem dæmi má nefna að norska sementsfyrirtækið Norcem gerir nú tilraunir með þessa aðferð. Koldíoxíðið er fangað, hreinsað og gert fljótandi og síðan flutt með tankbílum í birgðatanka við næstu höfn. Þaðan flytja svo tankskip þetta fljótandi koldíoxíð að tæmdum neðansjávarolíulindum í Norðursjó til framtíðargeymslu.
Þessi aðferð, að koma í veg fyrir útstreymi koldíoxíðs í andrúmsloftið með einfaldri geymsluaðferð, er varla langtímalausn, þó að víða séu til stór neðanjarðar holrými eftir uppdælingu olíu og gass.
Þróaðra afbrigði þessarar lausnar er aðferð sem hefur hlotið nafnið CarbFix, og hefur verið þróað á Íslandi við jarðvarmaorkuverið á Hellisheiði. Þar er rýmið sem heita vatnið skilur eftir sig við uppdælingu fyllt með fljótandi koldíoxíði, en ólíkt Norðursjávar-dæminu hefur hér tekist að binda koldíoxíðið með efnaskiptum í basalt-jarðlögunum.
CarbFix-aðferðin gefur möguleika á betri langtímalausn en einföld neðanjarðargeymsla, en viðeigandi jarðefnasteindir þurfa þó að vera til staðar. Af þeim sökum er enn verið að leita annarra og haldbærari langtímalausna á svæðum þar sem slíkar steindir er ekki að finna.
Eins og fram kom hér að framan eru slíkar lausnir tæknilega þekktar, en hafa alla tíð verið of kostnaðarsamar til þess að þykja nothæfar. Nú hefur loftslagshlýnunin breytt dæminu og hafin er viðamikil þróunarstarfsemi með það að markmiði að gera þessar lausnir samkeppnisfærar.
Þær ganga aðallega út á að fanga koldíoxíðið og þétta, svipað og er um geymsluaðferðina, en í stað geymslu kemur nýting, og því kallast aðferðin kolefnisföngun og -nýting eða CCU (carbon- capture- utilization). Í þessu felst að í stað þess að geyma koldíoxið er því breytt með efnaskiptum í ný efnasambönd, sem hægt er að nota beint sem eldsneyti eða í efnaiðnaði, til dæmis við framleiðslu ammoniaks í köfnunarefnis-áburð. Á þennan hátt er komin sú efnahringrás, sem svo mikil áhersla er lögð á í nútíma-umhverfislausnum.
En til þess að þessi lausn sé raunverulega umhverfisvæn, þarf hún að byggjast á umhverfisvænni orku. Og þá er komið að kjarna málsins. Sú efnaskiptalausn, sem þekktust er til efnabreytingar koldíoxiðs og vetnis, er svonefnd Fischer-Tropsch aðferð, sem þróuð var í Þýskalandi á þriðja áratug síðustu aldar. Með henni er koldíoxíði og vetni breytt í kolvetnis-sambönd, sem nýta má sem eldsneyti. Vegna hás verðs á grænu vetni var þessi aðferð ekki talin hagnýt eða samkeppnisfær fyrr en nú, þegar aðstæður hafa breyst vegna loftslagsvandans.
Við leitina að leið til lækkunar á verði umhverfisvæns eða græns vetnis voru einkum tveir þættir til skoðunar. Í fyrsta lagi verð orkunnar og í öðru lagi framleiðsluferillinn. Framleiðsla græns vetnis byggist á rafgreiningu, þar sem vatn er greint í vetni og súrefni. Rafgreiningin kallar á mikla rafmagnsnotkun og er efnafræðilega óhagkvæm og dýr. Því hefur vetni hingað til verið framleitt úr vatnsgufu með kolum eða jarðgasi, sem kostar mun minna, en slíkt vetni er hvorki grænt né umhverfisvænt.
Umhverfisvæn eða græn raforka er smám saman að ná meira vægi í orkuþróun heimsins. Hitaorkan sem áður var mest unnin úr jarðefnaeldsneyti er á niðurleið vegna koldíoxíðs-myndunar við bruna. Þróunin stefnir nú að framleiðslu rafmagns sem aðal-orkutegundar framtíðarinnar. Því er mikil áhersla lögð á að þróa umhverfisvæna tækni til raforkuframleiðslu, á þann veg að hún verði hagkvæmari en olía, gas eða kol, um leið og rafmagn verður hagkvæmari orkugjafi en hvers kyns jarðefnaeldsneyti á sem flestum sviðum.
Þessi þróun er í miklum og örum vexti. Sérstaklega er nú lögð áhersla á vind- og sólarorkuver. En bæði vind- og sólarorku fylgir það vandamál, að lítið er hægt að nýta hana nema á meðan framleiðsla orkunnar fer fram. Bein geymslutækni fyrir þessar orkutegundir felst helst í rafhlöðum, en það er flókin og kostnaðarsöm geymsluaðferð.
Og það er einmitt hér sem vetnið kemur til sögunnar. Ef það tekst að framleiða vetni með rafgreiningu, þar sem notað er umhverfisvænt rafmagn, framleitt með vatns- vind- eða sólarorku, og það á samkeppnishæfu verði, er komin leið til vinnslu græns vetnis. Úr grænu vetni má svo auðveldlega aftur framleiða græna raforku með efnarafölum. Vetnið hefði þannig tvenns konar hlutverk – að vera geymsla fyrir græna raforku og um leið hráefni í ný efnasambönd með koldíoxíði, og nýtast þannig í baráttunni við loftslagshlýnunina.
Á tæknisviðinu er nú unnið hörðum höndum við framleiðslu grænnar raforku og græns vetnis og eru framfarir miklar á báðum sviðum. En við búum við efnahagsstefnu þar sem markaðsöflin ráða för og þar þarf margs að gæta. Alþjóða orkustofnunin minnir t.d. á og varar við því, að lækki verð grænnar raforku, þá muni seljendur jarðeldsneytis að líkindum lækka sitt verð á móti og það yrði vandamál.
Aftur á móti hefur væntanleg hækkun kolefnisgjalds jákvæð áhrif á innleiðingu hreinnar orku og þróun viðeigandi tæknilausna sömuleiðis. Og undirstaða alls þessa er svo grunnverð raforkunnar eða orkuverð til stórnotenda á hverjum stað. Upplýsingar um það liggja oft ekki á lausu eða erfitt er að skilgreina það. En Ísland hefur alltaf staðið framarlega hvað lágt orkuverð snertir.
Til viðbótar við möguleikann að geyma raforku á formi vetnis, er mikil þróun í gangi í Evrópu að finna hagkvæmari flutningstækni fyrir raforku en nú er. Þar hefur vetnið einnig komið inn í umræðuna. Í Evrópu og víðar er víðfeðmt kerfi pípulagna fyrir gas. Sérfræðingar telja að það sé mun hagkvæmari lausn að nýta gasleiðslukerfin fyrir grænt vetnis-gas í framtíðinni en að reisa áfram dýrar loftlínur eða leggja jarðstrengi fyrir rafmagn. Þessi þróun fer aðallega fram í Þýskalandi, þar sem vindorkuver eru í mikilli sókn. Verið er að leggja niður kolaorkuver og stáliðnaðurinn þar leitar leiða til notkunar á grænu vetni í stað kolanna við umbreytingar járnoxíðs í járn.
Eins og fram kemur í línuritinu að framan hefur Ísland alltaf staðið framarlega hvað orkuverð snertir. Eftir 1970 hófust umfangsmiklar rannsóknir á vetni og notkunarmöguleikum þess við Háskóla Íslands. Helsti hvatamaður þessara rannsókna var dr. Bragi Árnason prófessor, sem átti eftir að fylgja málefninu fast eftir næstu áratugina. Var áherslan lögð á almennt notagildi vetnisframleiðslu á Íslandi jafnt til heimabrúks sem útflutnings. Rannsóknirnar enduðu svo árið 2001 með fjögurra ára tilraunaverkefni á vegum Nýorku ásamt erlendum fyrirtækjum og innlendum stofnunum. Var þar lögð aðaláhersla á notkun vetnis í samgöngum, sérstaklega fyrir strætisvagna. Niðurstaðan varð þó sú sama og ætíð fyrr; framleiðsluverð vetnisins var of hátt.
Allt frá 1970 til þessa dags hefur framtíðar-vetnisframleiðsla svo verið í opinberri umræðu; á Alþingi, á ráðstefnum og í fjölmiðlum. Ekki hefur þó farið mikið fyrir áframhaldandi rannsóknum eða tilraunum á þessu sviði hér á landi síðustu árin, en á því kann þó að verða breyting innan skamms, eins og vikið verður að síðar.
Áður kom fram að Þjóðverjar hafa mikinn áhuga á að flýta þróun og verklegri nýtingu á grænu vetni. Þaðan bárust svo fréttir um brautryðjandi árangur lítils nýsköpunarfyrirtækis í Dresden. Fyrirtækið heitir Sunfire GmbH og var stofnað 2010. Litlu síðar kynnti Sunfire nýja tækni sem fyrirtækið hafði þróað til rafgreiningar á vatni, þar sem framleiðsluferillinn gaf miklu betri afköst en áður var þekkt. Var um að ræða háhita-rafgreiningu við 800-1000°C, með notkun nýrra efnahvata.
Nokkrum árum seinna kynnir Sunfire svo frekari þróun vetnisnotkunar í tilrauna-framleiðslusamstæðu (test reactor), þar sem vetnið gengur í efnasamband við koldíoxíð og myndar gas eða fljótandi eldsneytistegundir, svo sem metan, bensín, dísilolíu eða flugvélabensin (kerosin). Þetta framleiðslukerfi nefndu þeir „orku breytt í vökva“ eða „power to liquid“, skammstafað PtL.
Sunfire setti þróunarskema sitt upp á einfaldan hátt: Gert er ráð fyrir að grunnorkan sé sólar- eða vindorka, en það er sú græna orka, sem Þýskaland byggir sínar framtíðar orkuáætlanir á. Fyrsta skrefið er rafgreiningin, í næsta efnaskiptaferli gengur vetnið í samband við koldíoxíð og það myndast svonefnt „efnagas“ (synthese gas), samsett úr kolmónoxíði og vetni, sem í þriðja skrefi sameinast eftir Fischer-Tropsch efnaferlinum í blöndu af mismunandi eldsneytistegundum, sem nota má sem eldsneyti á samgöngutæki og í iðnaðarframleiðslu. Sunfire sýndi nokkrar svona tilraunasamstæður, sem framleiddu nokkra tugi lítra af mismunandi eldsneyti á dag. Við kynningu á framleiðslueiningu árið 2015 framleiddu starfsmenn Sunfire græna dísilolíu á staðnum og dældu henni á bifreið vísindaráðherra Þýskalands, sem síðan ók til síns heima.
Þarna var komin möguleg óskastaða fyrir orkumál Þýskalands, sem komin voru í mikinn hnút. Búið var að ákvarða niðurlagningu kolavinnslu á næstu áratugum og verið er að loka kjarnorkuverunum líka, einu af öðru. Stáliðnaðurinn þýski þarfnast mikils magns kola, bílaiðnaðurinn þar hefur treyst of lengi á jarðolíueldsneyti og gasneysla til heimilisnota og annars er mikil. Allt þetta má leysa með vetni. Þá er aðeins eftir spurningin um kostnaðinn.
Að sögn talsmanna Sunfire skiptir verðið á grunnorkunni mestu máli. Að þeirra sögn töldu þeir að verðið fyrir t.d. bílaeldsneyti frá þeim gæti verið samkeppnisfært, ef verð grænnar raforku færi ekki yfir 5 evru-cent (50 evru-mills) á kWst., en tóku fram að enn væri það 8 evru-cent á kWst. í Þýskalandi.
Þróunin hefur flogið áfram þessi fimm ár sem liðin eru frá kynningu tilraunasamstæðunnar í Dresden. Norðurlöndin hafa sennilega lægstu raforkuverðin. Því er ekki undarlegt að fyrsta iðnaðarsamstæðan er í byggingu í Porsgrunn í Noregi. Nú hefur fyrirtækjasamsteypa í Danmörku gert áætlun um að þróa stærstu framleiðslueiningu á grænu eldsneyti í heiminum með rafgreiningu á vatni með vindorkurafmagni. Þar er um að ræða stórfyrirtæki tengd flugi, skipaflutningum og bifreiðarekstri. Skal framleiðslueiningin fara í rekstur árið 2030. Hún á að framleiða 250.000 tonn af umhverfisvænu eldsneyti á ári fyrir rútur, flutningabifreiðar, skip og flugvélar.
Þótt aðstæður til vetnisframleiðslu séu góðar hér, mikil náttúruleg háhita- og vatnsorka fyrir hendi og verð orkunnar vel samkeppnisfært, virðist Ísland ekki hafa tekið virkan þátt í þessari þróun síðustu árin. Nú er útlit fyrir að einhver breyting sé að verða þar á, samkvæmt nýlegri frétt á vef Landsvirkjunar. Þar kemur fram að undirbúingur sé hafinn fyrir framleiðslu á grænu vetni með rafgreiningu við Ljósafossstöð. Ef af verður, markar það þáttaskil í vetnis- og orkumálum hér á landi.
Önnur leið, sem lítið eða ekki hefur verið rannsökuð hér, er nýting á koldíoxíði frá stóriðju. Samsafn á koldíoxíð-útstreymi er mikið frá stóriðjunni og bundið við fáa staði, þar sem á hverjum stað mætti reisa sjálfstæðar PtL stöðvar. Þar myndi reyna á samkeppni við CarbFix aðferðina.
Og þó að segja megi, að Ísland sé vel sett gagnvart geymsluvandamálinu, þar sem hér er nær eingöngu um vatnsorku að ræða, er vindorkan þegar komin í umræðuna. Og þar sem flytja má vetnið í tankskipum, bæði sem vetni á fljótandi formi eða umbreytt í ammóníak, er engin þörf fyrir sæstreng ef orka verður afgangs til útflutnings.
Aðalmálið er að vetnið er talið leika aðalhlutverk í orku- og loftslagsmálum framtíðar. Þá skilgreiningu styðja nýjustu umræður í Þýskalandi, þar sem rætt er um það á æðstu stöðum, að vetni verði lykilatriði í lausnum á orkumálum landsins.
Að lokum má vísa til tilmæla Alþjóða orkumálastofnunarinnar, um að nýta aðstæðurnar sem myndast hafa í Covid-19 heimsfaraldrinum til að beina orkumálum í farveg hreinnar orku. Loftslagsváin og COVID-19 faraldurinn eru líka skyld fyrirbæri að því leyti, að í báðum tilfellum er óvinurinn ósýnilegur.
Höfundur er fyrrverandi framkvæmdastjóri tæknimála hjá Sementsverksmiðju ríkisins á Akranesi.
