Power-to-X - fra grøn strøm til grønne brændstoffer
For at opnå et samfund fri for fossile brændstoffer, der samtidig tilgodeser et stigende behov for energi, er Power-to-X, (PtX) et væsentligt element.
I en verden med et stigende energibehov, og hvor vi ikke ønsker at bruge fossile brændstoffer, er power-to-x væsentlig.
Strøm fra grøn energi som vind og sol udgør allerede en stor del af vores produktion af elektricitet. El kan i mange tilfælde direkte erstatte fossile brændsler. Det kan f.eks. være med elbiler eller ved at opvarme vores huse med eldrevne varmepumper.
Hvis vi vil omstille hele samfundet til at anvende grøn energi, skal vi dog løse to udfordringer. Vi skal dels kunne lagre energien til de perioder, hvor det er vindstille, og solen ikke skinner – og som kan udgøre flere uger i løbet af et år. Derudover har vi brug for brændstoffer og energi til den del af samfundet, der ikke kan fungere på el og batterier. Det er bl.a. langdistance transport med fly, skibe og lastbiler, samt processer i dele af vores industri, der har brug for eksempelvis meget høj varme.
Power-to-X kan løse begge udfordringer.
Hvad er Power-to-X?
Power-to-X betyder at omdanne elektricitet (power) til noget andet (x). Elektriciteten kan f.eks. omdannes via elektrolyse til brint, der enten kan anvendes direkte eller kan kombineres med andre elementer og raffineres til brændstoffer eller kemikalier.
I øjeblikket er omdannelsen af strøm til brint den power-to-x proces, vi anvender mest. Det er en velkendt proces, som vi kan gennemføre i stor skala. Processen er dog fortsat både dyr og energikrævende. En tredjedel af energien i den strøm, der anvendes til elektrolyseprocessen, går tabt. Således rummer brinten kun to tredjedel af den energi, der bruges til at fremstille den.
Selvom vi med power-to-x er i stand til at udvikle brint nogenlunde effektivt, er det begrænset hvor mange steder, vi kan anvende brint. Den er for eksempel ikke anvendelig til den tunge transport eller i industrien. Det er derfor nødvendigt at forarbejde brinten yderligere i en synteseproces, så den kan bruges som brændstoffer til den tunge transport i form af e-metanol eller e-kerosen.
I fremtiden vil power-to-x komme til at omfatte nye teknologier, der kan omdanne strømmen direkte til andre x’er, for eksempel til grønne flybrændstoffer. Disse teknologier findes, men er endnu ikke modne nok til at kunne anvendes til produktion i stor skala.
Power-to-X kan også sikre os kemikalier til fremstilling af medicin, plastik og mange andre af de produkter, vi kender fra vores dagligdag, og som i dag fremstilles af fossile ressourcer.
Kort sagt kan power-to-x løse to af de store udfordringer i den grønne omstilling. Den omdanner den grønne strøm til flydende, CO2-neutrale brændstoffer, som, i modsætning til strømmen, kan lagres let og forholdsvis billigt. Samtidig kan de nye brændstoffer bruges på samme måde som fossile brændstoffer og dermed også til tung transport og i den energiintensive industri.
Hvordan foregår Power-to-X?
Det første skridt i power-to-x er at anvende elektriciteten i en elektrolyseproces, hvor vand (H2O) spaltes til brint (H2) og ilt (O).
Brint kan anvendes direkte som brændstof, eller den kan bruges i en synteseproces, hvor der tilsættes kvælstof (N) eller kulstof (C) fra CO2. Derved dannes nye brændstoffer og kemikalier som ammoniak, metanol og metan.
De betegnes ofte e-fuels eller electro-fuels, fordi de er fremstillet ved hjælp af elektricitet i processen. De kan anvendes som brændstoffer til skibe, fly og lastbiler eller til gødning i landbruget.
Der forskes i at kombinere de to processer, så power-to-x fremover kan ske mere enkelt og effektivt i en enkelt, samlet proces, som anvender elektriciteten til direkte at producere et andet x end brint. Det kan fx være e-metanol eller e-kerosen, der kan bruges som brændstof i den tunge transport.
Synteseproces med kulstof
Ved at tilsætte kulstof til brint kan man producere e-brændstoffer som e-diesel, e-metanol, e-kerosin, e-dimetylæter (E-DME) og e-metan. Det er brændstoffer, der er kemisk identiske med de nuværende fossile brændsler og kan derfor anvendes direkte i den tunge transport. Brændstofferne er CO2 neutrale, fordi de fremstilles af grøn strøm og kulstof, som vi genanvender fra anden brug, for eksempel fra biomasse eller fanget CO2.
Læs mere om fangst, lagring og udnyttelse af CO2.
Synteseproces med kvælstof Ved at tilsætte kvælstof (N) til brint kan man producere grøn ammoniak (e-ammoniak), som enten kan bruges til gødning i landbruget eller på sigt som brændstof i skibsfart. Ammoniak til gødning i landbruget fremstilles i øjeblikket i store og meget energikrævende anlæg. Mere end 1% af verdens samlede CO2 udledning stammer fra produktionen af ammoniak. En omstilling til e-ammoniak vil derfor i høj grad bidrage til en mere bæredygtig landbrugssektor.
LÆS OGSÅ: Ung forsker vil starte virksomhed med bæredygtig gødning.
Hvorfor er power-to-x nødvendig?
Power-to-x er et væsentligt element i den grønne omstilling. I et samfund uden brug af fossile brændstoffer, skal vi anvende vedvarende energikilder som sol og vind. Det giver to vigtige udfordringer, der skal løses:
For det første skal det være muligt at gemme energien til de perioder, hvor vejret eller årstiderne ikke tillader den fulde mulige produktion af strøm. Det kan være lange perioder, flere uger, hvor det er vindstille, eller solen ikke skinner.
For det andet skal vi have energi til den del af vores transport og industri, der ikke kan elektrificeres, og derfor har behov for, at vi omdanner elektricitet til noget andet.
Power-to-x er netop omdannelse af strøm (power) til noget andet (x). X’et kan eksempelvis være brændstoffer til den tunge transport, skibe, lastbiler og fly, der ikke kan anvende el og batterier. Derudover kan x være kemikalier til at producere mange af de ting, der i dag fremstilles af fossile ressourcer, fx medicin, plastik og maling.
Hvad er perspektiverne for power-to-x?
Det har længe været muligt at gennemføre den mest anvendte proces i power-to-x, der er at bruge strøm (elektrolyse) til at spalte vand til ilt og brint.
Men hvis power-to-x for alvor skal bidrage til at løse verdens stigende behov for energi, er teknologien nødt til at blive udviklet. Dels skal produktionen af brint gøres mere energieffektiv. Dels skal omdannelsen af strøm ikke blot være til brint, men også til andre x’er, der kan anvendes direkte som brændstof i eksempelvis fly eller skibe.
DTU forsker i mange aspekter, der kan gøre power-to-x processen mere rentabel.
Det handler både om at finde nye og mere effektive katalysatorer. Katalysatorer hjælper med hele processen i power-to-x, eksempelvis omdannelsen af elektricitet og vand til brint, og i synteseprocessen med enten kulstof eller kvælstof.
DTU forsker også i, hvordan processen i power-to-x kan forsimples, så elektrolyse og synteseprocessen integreres og blot udgør et enkelt trin. Produktionen vil blive mere effektiv, hvis vi direkte kan omdanne strøm til nogle af de brændstoffer, vi har brug for. En stor del af arbejdet drejer sig om at kunne skalere de processer, der bliver udviklet i forskernes laboratorier, så de kan anvendes i stor skala til en egentlig industriel produktion.
Forskerne står også med en opgave i at finde frem til, hvordan power-to-x teknologierne bedst kan hænge sammen med det øvrige energisystem. Der skal udvikles smarte løsninger med hensyn til systemarkitektur, data, digitalisering og automatisering, så den bedste synergi med det øvrige energisystem kan opbygges fra starten.
Faglig ansvarlig
Jakob Kibsgaard Professor, Sektionsleder Institut for Fysik Telefon: 45253290 Mobil: 28490648 jkib@fysik.dtu.dk