Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:40 • sest 21:16 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 15:13 • Sest 05:59 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 03:57 • Síðdegis: 16:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:23 • Síðdegis: 22:34 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Þverfræðilegt efni Umhverfismál

Hvað er að segja um vetni sem orkugjafa framtíðarinnar?

Bragi Árnason

Hér er svarað eftirtöldum spurningum:

Axel Björnsson: Hverjar eru líkurnar á því að vetni verði orkugjafi framtíðarinnar, hvernig verkar vetnisvél, og hver er staða mála á Íslandi í dag?
Berglind Elíasdóttir: Hvernig er hægt að geyma vetni svo hægt sé að nota það sem eldsneyti?
Oddur Rafnsson: Af hverju er svona erfitt að búa til vetnisbíla?
Garðar Benediktsson: Hvernig er vetni búið til og hvernig er því brennt?
Hlynur Guðjónsson: Hvenær má vænta þess að Ísland verði orðið vetnissamfélag?

Inngangur

Auk mótekju og vindorku til að knýja skip byggðist orkunotkun Íslendinga um aldamótin 1900 á innfluttu jarðefnaeldsneyti. Á fyrstu áratugum tuttugustu aldar hófu Íslendingar hins vegar að virkja vatnsafl til raforkuframleiðslu og á síðari helmingi aldarinnar tóku þeir í vaxandi mæli að nýta jarðhita til húshitunar í stað olíu og kola. Við lok tuttugustu aldarinnar var svo komið að um það bil tveir þriðju hlutar af allri orkunotkun landsmanna komu frá innlendum endurnýjanlegum orkulindum, vatnsafli og jarðhita.

Íslendingar hafa því á síðustu öld upplifað tvær stórfelldar breytingar á notkun orkugjafa, þar sem vatnsorka og jarðhiti hafa að verulegu leyti leyst jarðefnaeldsneyti af hólmi.

Í upphafi tuttugustu og fyrstu aldar virðist í augsýn þriðja meginbreytingin í notkun orkulinda, sú að efnarafalar sem byggja á fríorkuvélum munu leysa af hólmi núverandi brunavélar sem byggja á varmafræði Carnot-véla. Orkunýting eldsneytis í fríorkuvélum er umtalsvert betri en hjá brunavélunum. Gert er ráð fyrir að vetni eða vetnisrík efnasambönd, sem framleiða má með hjálp raforku frá vatnsafli eða jarðhita, komi í stað jarðefnaeldsneytis sem nú er notað til að knýja bíla og skip landsmanna. Á þann hátt gætu Íslendingar orðið með öllu óháðir innfluttu eldsneyti á næstu áratugum.

Núverandi orkubúskapur Íslendinga

Vatnsorka sem talið er hagkvæmt að virkja er um 30 TWh á ári. Þar af voru í árslok 1999 virkjaðar 6,7 TWh á ári eða 22%. Jarðhiti sem talið er hagkvæmt að virkja er um 200 TWh á ári af varma og þar af hafa nú verið virkjuð um 2%. Með þeirri tækni sem nú er notuð til raforkuframleiðslu úr varma mætti framleiða 20 TWh af raforku úr 200 TWh af varma.

Á myndinni má sjá orkunotkun Íslendinga 1999 eftir orkugjöfum. Vatnsorka og jarðhiti sjá fyrir 68% af allri orkunotkun landsmanna, en 32% er mætt með innflutningi jarðefnaeldsneytis. Af 850.000 tonnum af bensíni og olíu, sem flutt voru inn á árinu, voru 57% notuð til að knýja bíla- og fiskiskipaflota landsmanna.

Við sjáum að Ísland er í talsvert óvenjulegri stöðu, ef litið er til nágrannalanda okkar. Þótt aðeins lítill hluti af orkulindum landsins hafi verið virkjaður er 32% af orkunotkuninni mætt með innflutningi eldsneytis.

Framleiðslukostnaður vetnis á Íslandi

Framleiðsla vetnis er vel þekktur iðnaður á Íslandi. Síðastliðin 50 ár hafa verið framleidd í Áburðarverksmiðjunni í Gufunesi um 2000 tonn af vetni á ári, á þann hátt að raforka er notuð til að kljúfa vatn í frumefni sín vetni og súrefni.

Gerð hefur verið allrækileg athugun á því hver yrði framleiðslukostnaður vetnis, ef byggð yrði á Íslandi vetnisverksmiðja, sem framleiddi vetni með sömu tækni og nú er notuð í Áburðarverksmiðjunni, svokölluð Norsk Hydro tækni. Ef gert er ráð fyrir 100 MW vetnisverksmiðju og raforkuverði 0,02 bandaríkjadölum á kWh þá er vetnisgas 2-3 sinnum dýrara en bensín, ef aðeins er litið á orkuinnihald eldsneytisins. Sé vetninu brennt í nýrri gerð aflvéla, svonefndum PEM efnarafölum (Proton Exchange Membrane fuel cells) er orkunýtni vetnis um 2-3 sinnum betri en orkunýtni bensíns, sem brennt er í hefðbundnum bensínvélum. Með öðrum orðum virðist vetnisgas sem knýr efnarafala nú samkeppnishæft við bensín.

Efnarafalar

Vetni má brenna í flestum gerðum núverandi véla sem brenna bensíni eða olíu, til dæmis hreyflum geimflauga, þotuhreyflum, bensínvélum og dísilvélum. En vetni má einnig brenna í nýrri gerð véla, sem nú er í örri þróun, svonefndum efnarafölum.

Þegar eldsneyti er brennt í hefðbundnum vélum breytist efnaorka þess í varmaorku og fræðileg orkunýtni eldsneytisins getur ekki orðið meiri en um 40%. Raunveruleg orkunýtni bensíns eða dísilolíu í bílum er aðeins um 20% og þess er tæplega að vænta að hún geti aukist svo nokkru nemi. Orkunýtnin í stórum skipsvélum er nokkru betri eða um 30%.

Þegar vetni er hins vegar brennt í efnarafölum breytist efnaorka þess í raforku. Þá getur fræðileg orkunýtni eldsneytisins verið allt að 100%, en í efnarafölum sem þegar hafa verið smíðaðir hefur tekist að ná yfir 60% orkunýtni.

Efnarafalar eru í megindráttum lítið frábrugðnir venjulegum rafgeymum. Þegar rafskautin í blýgeymi hvarfast við raflausnina, sem er brennisteinsýrulausn, skilar geymirinn raforku. Í efnarafölum taka rafskautin ekki þátt í efnahvarfinu, heldur eru það vetni og súrefni andrúmsloftsins sem hvarfast og mynda vatn, en við það skilar efnarafallinn raforku. Í þeirri gerð efnarafala, sem nú eru taldir álitlegastir til að knýja farartæki, PEM efnarafölum, er raflausnin örþunn plasthimna. Efnarafalabílar eru í raun rafbílar.

Geymsla vetnis í bílum og skipum

Helsti vandinn samfara notkun vetnis í bílum og skipum er geymsla þess um borð. Í vissum tilvikum, til dæmis ef vetni er notað sem eldsneyti á strætisvagnaflota sem knúinn er PEM-efnarafölum, má geyma vetnið um borð sem gas undir þrýstingi.

Geymsla vetnisgass í einkabílum virðist hins vegar óraunhæf einkum af tveimur ástæðum. Akstursvegalengdin á hverri fyllingu yrði of stutt og nauðsynlegt yrði að byggja flókna innviði til dreifingar og áfyllingar.

Sú aðferð er nú í örri þróun að geyma vetnið um borð í einkabílum bundið í metanóli. Hún virðist einna álitlegust þegar litið er til næstu framtíðar. Metanól er auðvelt að framleiða úr vetni og kolefni úr hinum ýmsu kolefnisgjöfum. Metanól er vökvi líkt og bensín og því mætti nota sama dreifikerfi og sömu dælur og nú eru á bensínstöðvum til að dreifa því og fylla á bíla.

Ekki verður séð að neitt sé því til fyrirstöðu að knýja fiskiskip með efnarafölum. Til þess þyrftu afköst efnarafalanna að vísu að mælast í Megavöttum, en efnarafallinn í frumgerðum vetnisstrætisvagna er aðeins 250 kW.

Þegar vetni er geymt um borð í bílum eða skipum bundið í metanóli þarf svonefndan metanólkljúf til að kljúfa metanólið í vetni og koltvíoxíð, en aðeins vetnið fer inn á efnarafalinn. Þetta efnahvaf þarf orku, en þrátt fyrir það er orkunýtni eldsneytisins um tvöfalt betri en ef það væri notað til að knýja bensínhreyfil. Þetta þýðir að þótt orkuinnihald eins tonns af bensíni sé tvöfalt meira en orkuinnihald eins tonns af metanóli, kemst efnarafalabíllinn jafn langt og bensínbíllinn á sama magni af eldsneyti.

Koltvíoxíðlosun efnarafalabíls er aðeins 45% af koltvíoxíðlosun bensínbíls.

Möguleg metanólframleiðsla á Íslandi úr vetni og afgasi frá stóriðju

Vetni til að framleiða metanól má fá með því að kljúfa vatn til raforku. Mögulegir innlendir kolefnisgjafar gætu til dæmis verið:
  • Afgas frá stóriðju
  • Mór
  • Lífmassi (viður, lúpína, gras og sorp)
  • Koltvíoxíð frá háhitasvæðum og Sementsverksmiðjunni
Með því að safna öllu afgasi frá núverandi stóriðju á Íslandi væri mögulegt að framleiða allt að 450.000 tonn af metanóli á ári. Til þess þyrfti 3,7 TWh af raforku á ári til viðbótar því sem nú er framleitt í landinu.

Notkun 450.000 tonna af metanóli í stað sama magns af innfluttu bensíni og olíu myndi leiða til þess, að heildarútstreymi koltvíoxíðs á Íslandi af mannavöldum minnkaði niður í 43% af því sem það var 1995. Jafnframt yrði stóriðja á Íslandi að mestu umhverfisvæn.

Vetnisvæðing Íslands

Hugmyndir sem ræddar hafa verið um vetnisvæðingu Íslands gera ráð fyrir að henni geti verið lokið á árunum 2030-2050. Stofnað hefur verið hlutafélag um vetnisvæðinguna, Íslensk Ný Orka. Lesa má nánar um það fyrirtæki í grein eftir Jón Björn Skúlason á vefsetri Orkuþings 2001.

Athugið einnig svör sem koma fram ef efnisorðið 'vetni' er sett inn í leitarvél vefsins efst til vinstri á skjánum.

Þetta svar er unnið upp úr erindi sem flutt var á Orkuþingi 2001.



Mynd: U.S. Department of Energy - H2 Information Network

Höfundur

Bragi Árnason

prófessor í efnafræði við HÍ

Útgáfudagur

27.8.2002

Spyrjandi

Axel Björnsson o.fl.

Efnisorð

Tilvísun

Bragi Árnason. „Hvað er að segja um vetni sem orkugjafa framtíðarinnar?“ Vísindavefurinn, 27. ágúst 2002. Sótt 19. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=2003.

Bragi Árnason. (2002, 27. ágúst). Hvað er að segja um vetni sem orkugjafa framtíðarinnar? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=2003

Bragi Árnason. „Hvað er að segja um vetni sem orkugjafa framtíðarinnar?“ Vísindavefurinn. 27. ágú. 2002. Vefsíða. 19. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=2003>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað er að segja um vetni sem orkugjafa framtíðarinnar?

Hér er svarað eftirtöldum spurningum:

Axel Björnsson: Hverjar eru líkurnar á því að vetni verði orkugjafi framtíðarinnar, hvernig verkar vetnisvél, og hver er staða mála á Íslandi í dag?
Berglind Elíasdóttir: Hvernig er hægt að geyma vetni svo hægt sé að nota það sem eldsneyti?
Oddur Rafnsson: Af hverju er svona erfitt að búa til vetnisbíla?
Garðar Benediktsson: Hvernig er vetni búið til og hvernig er því brennt?
Hlynur Guðjónsson: Hvenær má vænta þess að Ísland verði orðið vetnissamfélag?

Inngangur

Auk mótekju og vindorku til að knýja skip byggðist orkunotkun Íslendinga um aldamótin 1900 á innfluttu jarðefnaeldsneyti. Á fyrstu áratugum tuttugustu aldar hófu Íslendingar hins vegar að virkja vatnsafl til raforkuframleiðslu og á síðari helmingi aldarinnar tóku þeir í vaxandi mæli að nýta jarðhita til húshitunar í stað olíu og kola. Við lok tuttugustu aldarinnar var svo komið að um það bil tveir þriðju hlutar af allri orkunotkun landsmanna komu frá innlendum endurnýjanlegum orkulindum, vatnsafli og jarðhita.

Íslendingar hafa því á síðustu öld upplifað tvær stórfelldar breytingar á notkun orkugjafa, þar sem vatnsorka og jarðhiti hafa að verulegu leyti leyst jarðefnaeldsneyti af hólmi.

Í upphafi tuttugustu og fyrstu aldar virðist í augsýn þriðja meginbreytingin í notkun orkulinda, sú að efnarafalar sem byggja á fríorkuvélum munu leysa af hólmi núverandi brunavélar sem byggja á varmafræði Carnot-véla. Orkunýting eldsneytis í fríorkuvélum er umtalsvert betri en hjá brunavélunum. Gert er ráð fyrir að vetni eða vetnisrík efnasambönd, sem framleiða má með hjálp raforku frá vatnsafli eða jarðhita, komi í stað jarðefnaeldsneytis sem nú er notað til að knýja bíla og skip landsmanna. Á þann hátt gætu Íslendingar orðið með öllu óháðir innfluttu eldsneyti á næstu áratugum.

Núverandi orkubúskapur Íslendinga

Vatnsorka sem talið er hagkvæmt að virkja er um 30 TWh á ári. Þar af voru í árslok 1999 virkjaðar 6,7 TWh á ári eða 22%. Jarðhiti sem talið er hagkvæmt að virkja er um 200 TWh á ári af varma og þar af hafa nú verið virkjuð um 2%. Með þeirri tækni sem nú er notuð til raforkuframleiðslu úr varma mætti framleiða 20 TWh af raforku úr 200 TWh af varma.

Á myndinni má sjá orkunotkun Íslendinga 1999 eftir orkugjöfum. Vatnsorka og jarðhiti sjá fyrir 68% af allri orkunotkun landsmanna, en 32% er mætt með innflutningi jarðefnaeldsneytis. Af 850.000 tonnum af bensíni og olíu, sem flutt voru inn á árinu, voru 57% notuð til að knýja bíla- og fiskiskipaflota landsmanna.

Við sjáum að Ísland er í talsvert óvenjulegri stöðu, ef litið er til nágrannalanda okkar. Þótt aðeins lítill hluti af orkulindum landsins hafi verið virkjaður er 32% af orkunotkuninni mætt með innflutningi eldsneytis.

Framleiðslukostnaður vetnis á Íslandi

Framleiðsla vetnis er vel þekktur iðnaður á Íslandi. Síðastliðin 50 ár hafa verið framleidd í Áburðarverksmiðjunni í Gufunesi um 2000 tonn af vetni á ári, á þann hátt að raforka er notuð til að kljúfa vatn í frumefni sín vetni og súrefni.

Gerð hefur verið allrækileg athugun á því hver yrði framleiðslukostnaður vetnis, ef byggð yrði á Íslandi vetnisverksmiðja, sem framleiddi vetni með sömu tækni og nú er notuð í Áburðarverksmiðjunni, svokölluð Norsk Hydro tækni. Ef gert er ráð fyrir 100 MW vetnisverksmiðju og raforkuverði 0,02 bandaríkjadölum á kWh þá er vetnisgas 2-3 sinnum dýrara en bensín, ef aðeins er litið á orkuinnihald eldsneytisins. Sé vetninu brennt í nýrri gerð aflvéla, svonefndum PEM efnarafölum (Proton Exchange Membrane fuel cells) er orkunýtni vetnis um 2-3 sinnum betri en orkunýtni bensíns, sem brennt er í hefðbundnum bensínvélum. Með öðrum orðum virðist vetnisgas sem knýr efnarafala nú samkeppnishæft við bensín.

Efnarafalar

Vetni má brenna í flestum gerðum núverandi véla sem brenna bensíni eða olíu, til dæmis hreyflum geimflauga, þotuhreyflum, bensínvélum og dísilvélum. En vetni má einnig brenna í nýrri gerð véla, sem nú er í örri þróun, svonefndum efnarafölum.

Þegar eldsneyti er brennt í hefðbundnum vélum breytist efnaorka þess í varmaorku og fræðileg orkunýtni eldsneytisins getur ekki orðið meiri en um 40%. Raunveruleg orkunýtni bensíns eða dísilolíu í bílum er aðeins um 20% og þess er tæplega að vænta að hún geti aukist svo nokkru nemi. Orkunýtnin í stórum skipsvélum er nokkru betri eða um 30%.

Þegar vetni er hins vegar brennt í efnarafölum breytist efnaorka þess í raforku. Þá getur fræðileg orkunýtni eldsneytisins verið allt að 100%, en í efnarafölum sem þegar hafa verið smíðaðir hefur tekist að ná yfir 60% orkunýtni.

Efnarafalar eru í megindráttum lítið frábrugðnir venjulegum rafgeymum. Þegar rafskautin í blýgeymi hvarfast við raflausnina, sem er brennisteinsýrulausn, skilar geymirinn raforku. Í efnarafölum taka rafskautin ekki þátt í efnahvarfinu, heldur eru það vetni og súrefni andrúmsloftsins sem hvarfast og mynda vatn, en við það skilar efnarafallinn raforku. Í þeirri gerð efnarafala, sem nú eru taldir álitlegastir til að knýja farartæki, PEM efnarafölum, er raflausnin örþunn plasthimna. Efnarafalabílar eru í raun rafbílar.

Geymsla vetnis í bílum og skipum

Helsti vandinn samfara notkun vetnis í bílum og skipum er geymsla þess um borð. Í vissum tilvikum, til dæmis ef vetni er notað sem eldsneyti á strætisvagnaflota sem knúinn er PEM-efnarafölum, má geyma vetnið um borð sem gas undir þrýstingi.

Geymsla vetnisgass í einkabílum virðist hins vegar óraunhæf einkum af tveimur ástæðum. Akstursvegalengdin á hverri fyllingu yrði of stutt og nauðsynlegt yrði að byggja flókna innviði til dreifingar og áfyllingar.

Sú aðferð er nú í örri þróun að geyma vetnið um borð í einkabílum bundið í metanóli. Hún virðist einna álitlegust þegar litið er til næstu framtíðar. Metanól er auðvelt að framleiða úr vetni og kolefni úr hinum ýmsu kolefnisgjöfum. Metanól er vökvi líkt og bensín og því mætti nota sama dreifikerfi og sömu dælur og nú eru á bensínstöðvum til að dreifa því og fylla á bíla.

Ekki verður séð að neitt sé því til fyrirstöðu að knýja fiskiskip með efnarafölum. Til þess þyrftu afköst efnarafalanna að vísu að mælast í Megavöttum, en efnarafallinn í frumgerðum vetnisstrætisvagna er aðeins 250 kW.

Þegar vetni er geymt um borð í bílum eða skipum bundið í metanóli þarf svonefndan metanólkljúf til að kljúfa metanólið í vetni og koltvíoxíð, en aðeins vetnið fer inn á efnarafalinn. Þetta efnahvaf þarf orku, en þrátt fyrir það er orkunýtni eldsneytisins um tvöfalt betri en ef það væri notað til að knýja bensínhreyfil. Þetta þýðir að þótt orkuinnihald eins tonns af bensíni sé tvöfalt meira en orkuinnihald eins tonns af metanóli, kemst efnarafalabíllinn jafn langt og bensínbíllinn á sama magni af eldsneyti.

Koltvíoxíðlosun efnarafalabíls er aðeins 45% af koltvíoxíðlosun bensínbíls.

Möguleg metanólframleiðsla á Íslandi úr vetni og afgasi frá stóriðju

Vetni til að framleiða metanól má fá með því að kljúfa vatn til raforku. Mögulegir innlendir kolefnisgjafar gætu til dæmis verið:
  • Afgas frá stóriðju
  • Mór
  • Lífmassi (viður, lúpína, gras og sorp)
  • Koltvíoxíð frá háhitasvæðum og Sementsverksmiðjunni
Með því að safna öllu afgasi frá núverandi stóriðju á Íslandi væri mögulegt að framleiða allt að 450.000 tonn af metanóli á ári. Til þess þyrfti 3,7 TWh af raforku á ári til viðbótar því sem nú er framleitt í landinu.

Notkun 450.000 tonna af metanóli í stað sama magns af innfluttu bensíni og olíu myndi leiða til þess, að heildarútstreymi koltvíoxíðs á Íslandi af mannavöldum minnkaði niður í 43% af því sem það var 1995. Jafnframt yrði stóriðja á Íslandi að mestu umhverfisvæn.

Vetnisvæðing Íslands

Hugmyndir sem ræddar hafa verið um vetnisvæðingu Íslands gera ráð fyrir að henni geti verið lokið á árunum 2030-2050. Stofnað hefur verið hlutafélag um vetnisvæðinguna, Íslensk Ný Orka. Lesa má nánar um það fyrirtæki í grein eftir Jón Björn Skúlason á vefsetri Orkuþings 2001.

Athugið einnig svör sem koma fram ef efnisorðið 'vetni' er sett inn í leitarvél vefsins efst til vinstri á skjánum.

Þetta svar er unnið upp úr erindi sem flutt var á Orkuþingi 2001.



Mynd: U.S. Department of Energy - H2 Information Network

...