Tyske Sunfire har kommet opp med en elektrolyseprosess som benytter damp i stedet for væske. Det gir langt høyere virkningsgrad for konvertering av vann og CO2 til drivstoff. Her demonstrasjonsanlegget i Dresden. (Foto: René Deutscher/Sunfire)

BLUE CRUDE

Her lager de diesel av CO2 og vann. Slik gjør de det

Ny, ultra-effektiv elektrolyse.

Virkningsgrad ved konvertering av drivstoff

Produksjon av syntetiske drivstoff fra hydrogen og CO2 kan gjøres ved hjelp av ulike prosesser. 

En studie utført av Siemens og Universitetet i Erlangen-Nuremberg i 2013/2014 estimerte følgende virkningsgrader (elektrisk energi bevart i det kjemiske drivstoffet, inkl. prosesstekniske energitap):

  • Metanol: 79.7%
  • Diesel: 69.3%
  • Metangass: 74.3%
  • Ammoniakk: 78.3%

I forrige uke meldte Teknisk Ukeblad og en rekke medier verden over at Audi skal produsere diesel av CO2 og vann. Men det er ikke bilprodusenten som står bak den oppsiktsvekkende nyheten.

Det er det tyske Sunfire som gjør, og vi har forhørt oss med teknisk direktør i selskapet, Christian von Olshausen, hva dette egentlig dreier seg om.

Løftet om å bevare 70 prosent i energiinnholdet fra strøm som diesel høres nesten for godt ut til å være sant, men det er det ikke. Dieselen er attpåtil av mye bedre kvalitet enn den som selges av oljeselskapene.

Denne dieselen, som de lager sammen med prosjektpartneren Audi, inneholder nemlig ikke svovel eller andre forurensinger som påvirker avgassene ved forbrenning. 

Det første anlegget de har laget kan produsere 160 liter av det de kaller Blue Crude per dag.

Utnytter damp - ikke væske

Det selskapet ønsker er å bygge teknologi som kan utnytte energitettheten og fleksibiliteten i flytende hydrokarbonbaserte drivstoff.

Til det har de bygget et anlegg i Dresden som demonstrer produksjon av diesel gjennom en lukket karbonkrets drevet av fornybar elektrisk energi.

Med strøm, vann og CO2 lager de den syntetiske dieselen, men de kan også fremstille bensin, flydrivstoff eller metangass. Alt ved å styre prosessparameterne slik at lengden på hydrokarbonkjedene kontrolleres.

– Det vi har gjort er å lage en prosess som utnytter damp i stedet for væske når vi lager hydrogen i elektrolyse. Vi trenger hydrogen for å produsere hydrokarboner slik som diesel, men den må vi skaffe med så lite tap som mulig. Ved å bruke damp i stedet for lut som vanligvis benyttes til elektrolyse kan vi oppnå over 90 prosent virkningsgrad i elektrolysen. Det er et svært godt utgangspunkt for den videre prosessen, sier von Olshausen.

Les også: Siemens lanserer ny elmotor for fly - med rekordytelse

Koble sammen el- og gassnettet: Tyske Synfire har utviklet en elektrolysør som også kan fungere som brenselcelle. Den, og annen prosessutrustning, vil gjøre det mulig å koble sammen naturgassnettet og det elektriske nettet.
Koble sammen el- og gassnettet: Tyske Synfire har utviklet en elektrolysør som også kan fungere som brenselcelle. Den, og annen prosessutrustning, vil gjøre det mulig å koble sammen naturgassnettet og det elektriske nettet. Sunfire

Lite tap

For at prosessen skal fungere som forutsatt trenger den tilgang til damp. Termodynamikken i væskebasert elektrolyse gjør at man taper rundt 16 prosent når væsken omformes til en gass.

Når det brukes damp, som er vann i gassform, slipper man dette tapsleddet og det er det som er fundamentet for prosessen. Sunfire har bygget en fastoksid-elektrolysør som gjør denne jobben med svært lite tap.

Ideen med dampelektrolyse er ikke ny. Det har vært jobbet med dette siden 60-tallet, men den har ikke kommet ut av laboratoriene.

– For å lage diesel eller brennstoffer må vi gjøre det omvendte av det som skjer i en forbrenningsprosess. I stedet for å brenne karbon og hydrogen med oksygen fjerner vi oksygenet fra CO2 og H2O for å få tak i karbonet og hydrogenet. Vi benytter en prosess for å lage syntesegass. Det krever fornybar elektrisk energi, men litt av den kan vi gjenvinne som damp, som vi trenger til elektrolysen. Dampen får vi altså gratis når vi benytter prosessen til å lage brennstoff. Hvis vi skal produsere hydrogen trenger vi andre dampkilder, men det er en rekke industrielle prosesser som slipper ut damp.

Dette er ifølge Sunfire den mest effektive prosessen som er demonstrert til dato og som de håper skal blir en stor suksess.

Mange land, Tyskland i særdeleshet, har et stort behov for å bli kvitt overskuddet av elektrisk energi som av og til kommer fra den fornybare kraften og som ellers må selges til en slikk og ingenting.

Les også: Widerøe presenterer alternativene for første gang: Slik skal de fly i framtida

Reversibel

Den samme elektrolysemaskinen kan også reverseres og brukes til å generere strøm fra både metan og hydrogen. Den kan altså produsere strøm fra biogass.

Men ikke med den høye virkningsgraden som den kan lage hydrogen med. Da faller den til mer normale 50 prosent.

– Som brenselcelle kan den kjøre på flere typer drivstoff, som syntesegasser fra en reformer som CO og ulike hydrokarboner, sier von Olshausen.

Han er enig i at det å bruke hydrogen direkte som drivstoff kan være et like godt og bedre alternativ for personbiler. Mer av energien blir beholdt om man mater gassen inn i en brenselcelle som lager strøm til en elbil.

– Men vi kan ikke bruke hydrogen over alt. Skal vi gjøre luftfart og tungtransport miljøvennlig trenger vi hydrokarbonbaserte væsker, sier von Olshausen.

Les også: Denne finske elbilen har 1341 hestekrefter

Koble det kjemiske til det elektriske nettet

Von Olshausen tror det vil bli viktig for energiforsyningen i fremtiden å koble sammen det elektriske og det kjemiske nettet. Det vil gjøre energiforsyningen mye mer fleksibel.

Når det er overskudd av fornybar elektrisk energi bør vi konvertere den til kjemisk energi som hydrogen. Og når det er for lite strøm bør vi ta hydrogen eller metan og konvertere den til strøm.

– Teknologien vi utvikler kan brukes begge veier og koble sammen de to nettverkene som hver for seg er godt utbygget, men har mangler alene, sier han.

De første produktene skal være klar til produksjon. Det er snakk om produksjonsmoduler på hver 200 kW som opererer med en temperatur på 850 grader.

Les også: På syv år har prisen på elbilbatterier falt med 60 prosent

Fremtiden trenger brenselceller

Forskningsleder ved IFE - Institutt for energiteknikk - og ekspert på hydrogen og brenselceller, prof., dr.ing., Øystein Ulleberg bekrefter at høytemperatur-dampelektrolyse basert på SOEC-teknologi (Solid Oxide Electrolytic Cell) er mer energieffektivt enn lavtemperatur-vannelektrolyse med celler basert på alkalisk eller polymermembran-teknologi (PEM).

– De virkningsgradstallene Sunfire oppgir virker realistiske.  Men de er ikke alene om dette. Andre store internasjonale industriselskaper, slik som Haldor Topsøe, arbeider også med slik teknologi. Topsøe Fuel Cells har lagt ned sin utvikling av brenselceller (SOFC), men fortsetter å forske og utvikle fastoksid-elektrolyse som de har stor tro på, sier han.

Ulleberg peker på at den største ulempen med høytemperatur-vannelektrolyse og med brenselceller er behovet for å kjøre prosessen på relativt konstant last.

Avanserte alkaliske og PEM-vannelektrolysører kan kjøres svært dynamisk med det som omtales som load following, og følge den variable tilgangen på kraft. 

I dag finnes det ingen kommersielle SOEC- eller SOFC-systemer, og de største anleggene som planlegges bygget i verden har en kapasitet på rundt 50-100 kW.  

Heldigvis er SOEC- og SOFC-teknologiene relativt modulære, slik som den Sunfire planlegger, så når de første kommersielle modulene er klare er ikke veien lang til større anlegg. 

Rent teknologisk bør dette derfor være mulig å få til i løpet av de neste 5-10 årene, tror Ulleberg.

Les også: «Uperfekt» grafén kan gi elbiler som lades på sekunder

Tror på brenselceller: Forskningsleder ved IFE - Institutt for energiteknikk og ekspert på hydrogen og brenselceller, prof., dr.ing., Øystein Ulleberg tor brenselceller blir viktige i fremtiden fordu de kan gi oss en svært høy energiutnyttelse når vi utnytter både varmen og stømmen.
Tror på brenselceller: Forskningsleder ved IFE - Institutt for energiteknikk og ekspert på hydrogen og brenselceller, prof., dr.ing., Øystein Ulleberg tror brenselceller blir viktige i fremtiden fordu de kan gi oss en svært høy energiutnyttelse når vi utnytter både varmen og strømmen. ORV

Nok CO2?

Han tror det springende punktet i konvertering av hydrogen og karbonmonoksid til syntetiske drivstoff vil være tilgangen på CO2.

I et 100 prosent fornybart samfunn tror han vi, ironisk nok, vil slite med å skaffe rimelig og miljøvennlig CO2.  Dersom vi benytter CO2 fra bioenergibaserte prosesser så kan vi si at CO2-regnskapet går i null. 

IFE og partnere ser derfor på overgangsløsninger der vi kan fange opp CO2 fra ulike bioenergikilder, f.eks. biogass, for så å bruke dette videre til ulike kjemiske prosesser, inkludert drivstoffproduksjon.

Han understreker også viktigheten av å evaluere hydrogen mot syntetiske drivstoff ved å se på hele energikjeden. Spesielt sluttbruksleddet.

Fremtiden tilhører brenselceller, mener han, fordi de er mer energieffektive enn forbrenningsmotorer.  Den elektriske virkningsgraden i brenselceller ligger på rundt 50 prosent, avhengig av teknologi og systemgrense.

Det betyr at verdifull varme kan gå tapt dersom denne ikke blir utnyttet. Det finnes i dag småskala stasjonære brenselcelleanlegg som kan generere 2-10 kW effekt og som utnytter spillvarmen til oppvarmingsformål.

Slike anlegg har en total virkningsgrad på mer enn 90 prosent. 

Trengs til fornybart

Både i Tyskland og Danmark ser man behovet for energieffektiv konvertering av fornybar kraft til kjemiske forbindelser diesel, metanol, syntetisk naturgass og andre hydrokarboner ved bruk av Fischer–Tropsch-prosessen.

Det kan være gode alternativer til rent hydrogen der det er vanskelig å benytte hydrogenbaserte brenselceller.  Her i Norge har vi primært fokusert på hydrogen til bruk i biler og busser.

Vår lett regulerbare fornybar vannkraft kraft gjør ikke hydrokarboner like aktuelt, men det kan blir aktuelt til miljøvennlig drift av tyngre kjøretøyer og båter.

Les også: 100 liter hydrogen gir elsykkelen 125 km rekkevidde