Power-to-X

Sæsonlagring igennem Power-to-X - nøglen til et robust energinet?

For få år siden begyndte både medier og politikere også at tale om power-to-X (PtX), og vi er ved at få en fælles forståelse af, at det der PtX nok ikke er så dumt endda for Danmark at satse på.

Henrik Lund Frandsen. Fotograf Mikal Schlosser — Professor Henrik Lund Frandsen. Fotograf: Mikal Schlosser

onsdag 04 oktober 2023

Klumme af professor Henrik Lund Frandsen bragt i Energy Supply oktober 2023.

Det hænger både sammen med at vi har et behov for at balancere et energinet med fluktuerende energikilder (vind og sol) og derfor til tider vil have billig strøm, som vi lige så godt kan få noget værdi ud af, samtidigt med at specielt transportsektor får svært ved at nå klimamålene uden grønne brændstoffer fra PtX.

Jeg mener, at vi måske endda kan bruge PtX til at løse endnu en udfordring, nemlig at sikre at vi har et konkurrencedygtigt, robust og tilstrækkeligt energilager. Her tænker jeg ikke på et brintlager, der er en ineffektiv dyr løsning til at transformere strøm til brint og tilbage igen – men derimod på en ny løsning, et biomassebatteri. Det vil jeg forklare nærmere i det følgende.

Behovet for lager

Når vi udfaser fossile brændsler, får vi i Danmark brug for et terrawatttime (TWh) stort energilager til at komme igennem vinteren. Med TWh timer er der tale om en kapacitet, der svarer til to-cifrede millioner af bilbatterier, så noget vi altså ikke løser med almindelige batterier. Den slags kapaciteter kan nærmest kun leveres af kaverne-baserede gaslagre i undergrunden - f.eks. er Danmarks naturgaslagre på ~12 TWh.

Foruden sæsonlagring, så vil et robust energilagringskoncept også facilitere hurtigere integration af fornybar fluktuerende energi (sol og vind), da større variationer hen over sæsonen også vil kunne dækkes af et sådant. En følgevirkning af det vil være billigere energi, men også uafhængighed af udlandet, hvor vi f.eks. ikke ville skulle betale urimelige summer for vandkraft fra Norge.

Slutteligt vil et robust energilager også være en sikkerhedsmæssig nødvendighed, hvis en større del af vores energiforsyning bliver mål for angreb – det kunne f.eks. være offshore vindmøller landforbundet med et sårbart kabel. Det vil også være sikkerhedsmæssigt fornuftigt at være selvforsynende med brændstoffer.

Biomassemangel

Inden jeg kaster mig over at beskrive mulige langtidslagerløsninger, må vi først lige forbi en begrænsning, som vi skal tage højde for, når vi lægger puslespillet.

Biomassen er allerede en udskældt energikilde, hvilket skyldes at ganske meget, specielt træ, bliver importeret fra nabolande i den grønne omstillings navn. Danmark har dog ganske store tilgængelige mængder ”rest-biomasse” (ca. 200 PJ = 55 TWh årligt [ref: Gylling 2012, Graudal 2013]). Dette er måske ikke alt sammen så nemt tilgængeligt, men dog til stede.

De fleste, der har interesseret sig for PtX, er nok bekendt med, at det cirkulære kulstof i biomassen bliver en knap-ressource verden over, da den er uundgåelig i produktion af forskellige brændstoffer, kemikalier, plastik via PtX, men også til mange andre formål – bl.a. også i højere grad i byggeriet. Så vi skal derfor bruge biomassen med omtanke. Det bør vi gøre allerede på nuværende tidspunkt. Alternativet er direkte fangst af CO2 i luften, hvor CO2 kun udgør 0.04 %, og det er selvsagt en dyr og energikrævende affære.

Biomassebatteriet

En ny løsning til lagring af energi er, hvad jeg kalder ”biomassebatteriet”, illustreret på figuren.

Når vinden blæser og solen skinner, kan vi anvende den rigelige grønne strøm til at producere PtX produkter. Når vi mangler energi i systemet, tager vi ”biomasse-batteriet” i brug. Det sker ved at anvende vores tilgængelige rest-biomasse i kraftvarmeværker til at generere strøm (og varme).

Men vi skal huske at indsamle den grønne CO2 fra disse og lagre den, til når vinden blæser igen, da vi så kan anvende CO2’en til PtX produkter. Vi får med denne tilgang brug for et gaslager, men CO2 er billigere og mere risikofrit at håndtere end for eksempel brint. CO2’en kan i første omgang blive tilvejebragt med CO2 fangst og midlertidigt lagret i en kaverne.

Biomassebatteri — Figur af biomassebatteri

Indsamlingen kunne foretages på flere måder end den lidt dyre CO2 fangst; ved oxy-fire med ilt fra elektrolysen, eller med et interessant oxy-CO2 firing koncept, som jeg har præsenteret i figuren. Her vil ilt blive fortyndet med CO2 i fht. transport og lager. Også her vil hovedparten af røggassen være CO2 og energitabet i fangst undgås. Det vil gøre løsningen mere sikker og vil i modsætning til ren oxy-fire kunne anvendes i eksisterende anlæg. På den lidt længere bane vil effektive højtemperatur brændselsceller sikkert kunne anvendes med økonomisk fordel [ref: Jacobsen 2023].

Man vil altså med denne løsning med overkommelige modifikationer (i forhold til brint lager, elektrolyse og brændselsceller) kunne anvende den eksisterende infrastruktur i form af naturgasnet og kraftvarmeværker, hvilket jo er en klar fordel i fht. at minimere investeringsomkostningerne og få sat endnu hurtigere gang i den grønne omstilling. Kraftvarmeværkerne har sågar den rette kapacitet til at kunne balancere nettet.

CCS-puljen er en tosset afvej

At vi måske helt kan undgå CO2 fangst på kraftvarmeværker får regeringens CCS pulje til at være endnu mere tvivlsom. I første omgang er det jo en løsning som slet ikke understøtter ”vindmølleeventyr 2.0”; at Danmark kunne blive førende på udvikling af PtX løsninger. Den cirkulære CO2 bliver nu sendt ned i jorden og ikke ud i grønne brændstoffer, som bliver efterspurgt kraftigt af transportsektoren. Den kan allerede se en forretning i at lave grøn omstilling.

Faktisk laver man med CCS-puljen et teknologi ”lock in” på Danmarks vigtigste ressource og mulighed for at være på forkant i PtX kapløbet (biomassen). Danmark får svært ved at konkurrere med virkelig billig strøm verden over. Men billig strøm er ikke altid sammenfaldende med biomasse tilgængelighed, så her vil vi kunne gøre os gældende. Nu skal den grønne CO2 så bare under jorden og ikke gøre gavn…

Jeg vil gå så vidt at sige, at man med CCS puljen også fastlåser den videre grønne omstilling af Danmark, da denne løsning ikke er langtidsholdbar og blot gør vores samfund dyrere.

”Genanvendelse” af plastik – som energilager

Foruden biomassen skal vi i første omgang anvende skrald som supplement til anden grøn energi. Vi må antage at skrald på lang sigt bliver ”grønt”. Hvis skrald udgør et værdifuldt energilager, kan man også stille spørgsmålstegn ved at sortere skraldet op i mere eller mindre værdifulde fraktioner. Plast har en tvivlsom værdi i genbruget, og med biomassebatteri-konceptet vil "genanvendelse” via afbrænding og opsamling af CO2 måske være omkostningsmæssigt være en bedre løsning. Det bør vi undersøge.

Nedlægge kraftvarmeværker?

Biomassebatteriet giver rigtig god mening, da vi allerede har en stor del af den eksisterende infrastruktur, nemlig kraftvarmeværkerne. Så her bør vi debattere hvorvidt vi skal nedlægge vores kraftvarmeværker inden vi kommer så langt. KL har allerede formuleret en plan for lukningen af kraftvarmeværker landet over.

De kan anvendes i biomassebatteri konceptet til at levere den fornødne lagerkapacitet men også robusthed af vores energinet.

Hermed bliver kraftvarmeværkerne altså ikke forhindringer for den grønne omstilling men nærmere en forudsætning for den. At vi bliver i stand til billigt at balancere vores energinet med biomasse er faktisk nøgle for den videre udbredelse af andre fornybare energikilder.

Biomassebatteriet fortjener nærmere undersøgelser

Kort sagt; så er biomassebatteriet en billig løsning, hvor vi genbruger vores eksisterende infrastruktur, og hvor vi omgår tabene ved produktion af et dyrt lager-brændstof (f.eks. brint) først. Det er en løsning, som vi ganske hurtigt kan sætte ind med.

Ideen er dog ny, og for at lykkedes er der flere tekniske forhold som skal undersøges - såsom kraftvarmeværkernes fleksibilitet, lagerstabilitet af biomasse, mulighederne for CO2 og ilt lager og generelt set interaktionen med andre grønne teknologier.

Men hvis politikerne mener det alvorligt med den grønne omstilling, er det oplagt at undersøge disse forholdsvis få faktorer. I mine øjne er der ingen tvivl om, at hvis biomassebatteriet kan indføres som lagringskapacitet, vil det give os et kæmpe skridt fremad i at sikre en stabil fremtidig energiforsyning.

Referencer:
Gylling, M.; Jørgensen, U.; Bentsen, N.S.; Felby, C. & Johannsen, V.K., (2012). ”+10 mio. tons planen”. Udgivet af Aarhus Universitet og Københavns Universitet.

Graudal, L., U. B. Nielsen, E. Schou, B. J. Thorsen, J. K. Hansen, N. S. Bentsen & V. K. Johannsen (2013). Perspektiver for skovenes bidrag til grøn omstilling mod en biobaseret økonomi: Muligheder for bæredygtig udvidelse af dansk produceret vedmasse 2010-2100. København, IGN/Skov & Landskab, IFRO/Skov & Land- skab.

Emilie Jacobsen, Sofie M. Skov, Alessandro Singlitico, Henrik L. Frandsen, (2023) Techno-economic analysis of green aviation fuel production using an integrated electrolyzer and a “biomass-battery” storage system, International Journal of Hydrogen Energy

Kontakt

Henrik Lund Frandsen Professor Institut for Energikonvertering og -lagring Mobil: 93511618 hlfr@dtu.dk