Den stora energiduellen: Kol mot väte, fossilt mot förnybart, förflutet mot framtid – vem tar hem titeln?
Är ni beredda för århundradets mest spännande match? Den här veckan i Kvanthopp: Energimästerskapet!
I den röda hörnan, tungviktaren och regerande mästaren, kol. I blåa hörnan, lättviktaren och uppstickaren, väte.
Vid kanten av ringen ser jag den svarta hästen, kärnkraften, som ivrigt hoppar upp och ned och vill vara med. Nej kärnkraft, inte den här veckan! Sitt ner, din tur kommer senare.
I århundraden, nej, årtusenden har kol dominerat fullkomligt på energiarenorna. Många anser att det nu definitivt är dags för kol att överlåta sitt mästerskapsbälte till en yngre och smidigare motståndare. Kol har börjat bli ett problem på sistone, sägs det. Kolet beter sig illa, kolet måste gå, och lämna över energitronen till utmanaren. Vem ska det bli? Många lägger sina slantar på väte just nu.
Men kolet har många ivriga fans som flaggar fanatiskt för sin idol, bland annat president Putin och kronprins Mohammed, vi har båda här i första raden, de hejar ivrigt på sin kompis kolet. Nej – sitt ner nu, hör ni vad jag säger! Och sätt bort era skjutvapen, jösses ändå…
Den stora energiduellen: Kol mot väte, fossilt mot förnybart, förflutet mot framtid – vem tar hem titeln?
I det här avsnittet av Kvanthopp den ultimata energiduellen: Kol mot väte. Vem är de, varifrån kommer de? Varför borde just du bry dig om hela den här matchen? Läs vidare så vet du!
Bästa vänner trots allt
Det känns ju lite fel att bussa de här två på varandra. Kol och väte är ju egentligen bästa vänner. Bägge finns de facto i fossila bränslen: bensin är en blandning av flytande kolväten (framförallt alkaner). Kol och väte älskar att omfamna varandra i olika organiska föreningar. En organisk förening är alltså en kemisk cocktail av grundämnen där kol och väte nästan alltid ingår. Allt liv bygger på organiska molekyler. Andra grundämnen som kan ingå i organiska föreningar, utöver kol och väte, inkluderar syre, kväve, svavel och fosfor.
Men det här avsnittet ska inte handla om organisk kemi. Vi ska tala om energi. Och vi ska tala om att bryta sönder det gamla radarparet kol-väte. För när det kommer till energiscenen har vätet fått nog av hur kolet stjäl rampljuset hela tiden. Tiden har kommit för väte att inleda sin solokarriär. Men har väte vad som krävs för att lyckas med det?
Innan vi svarar på det tar vi en närmare titt på den regerande mästaren, kol. Varför är kolet så viktigt i energisammanhang? Nå, vårt viktigaste sätt att producera energi har ju länge varit att bränna saker. Saker som i ett eller annat skede har varit levande. Och kol finns som sagt i allt levande eller som en gång har varit det. Inklusive trä, som vi har bränt i våra lägereldar och kaminer sedan tidernas gryning. Och så har vi skyfflat stenkol i pannan på våra ånglokomotiv. Det var kolet som gav bränslet till den industriella revolutionen i 1700-1800-talets England. Det kallas alltså stenkol, det ser ut och känns lite som svart sten, men det är gammal, fossiliserad biomassa.
Biomassa i många former
Vi ska se, hur en ekonom definierar termen biomassa: “Biomassa är inte längre levande biologisk massa som kan användas till energiutvinning”. Det är i princip huvudsakligen döda växtdelar som antingen skördas direkt från åkern eller som har fallit till marken och blivit liggande någon gång för länge sedan utan att förmultna helt. Torv hör ju till den sistnämnda kategorin. Torv är liksom i gränslandet mellan “färsk” biomassa och fossil.
Ligger torven i ännu längre tidsrymder kan den bli till stenkol. När vi talar om “vanligt” kol menar vi så kallat amorft kol, en av kolets allotropa former vid sidan av diamant, grafit, grafen och fullerener. Kol är bra på att bilda en mängd olika slags bindningar med andra kolatomer, därav alltså alla dessa olika former. Men för det här avsnittet struntar vi i de andra formerna och håller oss till “vanligt” kol.
Aj jo, jag tänkte glömma: Om biomassan, som också kan vara dött plankton som har sjunkit till havsbotten och lagrats där, blir liggande riktigt länge, i miljontals år, och utsätts för ett stort tryck under jorden, då blir den till olja. Och gas, alltså naturgas. Alla de här tre fossila produkterna, stenkol, olja och naturgas, har till exempel Ryssland gott om. Som vi vet. Och det är ju ett problem. Inte bara ett geopolitiskt och strategiskt problem.
Kol är som vi vet ett problem på grund av den koldioxid som frigörs då man bränner kolet. Visst, livet på jorden behöver koldioxid, CO2 är livets gas, men om atmosfärens koldioxidhalt stiger för snabbt, kan livet inte tillgodogöra sig av allt det goda. Plus att koldioxid ju är en växthusgas, som vi vet. Vi har vetat om vad våra koldioxidutsläpp orsakar åtminstone sedan 1896, då den svenske kemisten Svante Arrhenius pekade på saken i en banbrytande artikel. Så med andra ord: kol är en välsignelse och ett problem. Just nu faktiskt med betoning på problem.
Elbilens kritiker pekar gärna på problemen med batteriproduktionen och alla exotiska och kontroversiella råvaror som går åt till den. Däremot tycks de tro att bensinen på något magiskt sätt bara dyker upp i pumparna, eller att man kan brygga bensin hemma i källaren. Men så är det ju inte. I och för sig, råolja, som bensinen raffineras från, är ju i princip en förnybar energikälla, om man har tillräckligt med tid. Vi snackar om hundratals miljoner år. Apropå det, ifall du inte visste var och när de fossila bränslena härstammar från, så ska jag berätta det. De härstammar nämligen inte från raffinaderiet eller borrplattformerna ute i Nordsjön. De har kommit en lite längre väg än så.
Karbon –– kolets tidsålder
Den största delen av de fossila bränslen som vi använder idag: kol, olja, naturgas, började bildas under den geologiska perioden som kallas karbon. Karbonperioden började för cirka 359 miljoner år sedan och pågick till för omkring 299 miljoner år sedan. Så i ungefär i 60 miljoner år rådde festen.
Och som periodens namn säger, så var det här kolets tidsålder. De två kontinenter som fanns på den här tiden, Laurasien i norr och Gondwanaland i söder, täcktes av stora sumpskogar, enorma träsk där ormbunkar växte. Men inte som de små saker som växer i trädgårdarna här hemma, utan i form av enorma fräken- och lummerväxter som i praktiken var gigantiska träd.
Det är de här skogarna som med tiden bildade största delen av det stenkol och den olja som vi utvinner idag. Kolavlagringarna från karbon utgör här i Europa ett stenkolslager som sträcker sig från Storbritannien och Belgien genom Centraleuropa till norr om Svarta Havet. Inte minst i Donetsbäckenet i Ukraina.
Men i alla fall: vad vi snackar om här är 350 miljoner år gamla, fossiliserade skogar. Förstenat kol från jättelika ormbunksträd som levde långt innan dinosaurierna ens existerade. Det är vad som driver våra bilar framåt och håller Europas industris hjul snurrande. Och det är ett problem ur hållbarhetens synvinkel.
Ska vi försöka se positivt på de fossila bränslena så har ju bensin och diesel den fördelen att de klämmer in mycket energi i ett litet utrymme. Bensin har en energitäthet på runt 13 200 Wh/kg. Det ryms cirka 250 gånger mer energi i ett kilo bensin än i ett kilo bilbatteri. Jaha, men då har ju fossilerna vunnit, eller? Sakta i backarna, här kommer vätgasen. Vätgas har upp till tre gånger mer energi per kilo än bensin och fyra till fem gånger högre än stenkol. Och 750 gånger jämfört med ett bilbatteri.
Så jo, kritikerna har rätt. Bilbatterierna är problematiska på ett antal sätt och vis. Men det betyder inte automatiskt att elbilen i sig är problematisk. Det betyder bara att batterierna är problematiska, åtminstone de nuvarande litiumjonbatterierna. Och det är här som vätet kommer in, enligt vissa.
Utmanaren väte
Apropå det, dags att ta en titt på utmanaren. Lättviktaren i det blåa hörnet. Väte, som har blivit till ett mantra som många går omkring och mässar. Vätet kommer att rädda oss från klimatkrisen. Bara vi lyckas gå över från en kolekonomi till en väteekonomi, kommer allt att ordna sig. Eller kommer det?
Vad är väte alltså? Väte är det första av alla grundämnen, med atomnummer ett, det toppar hela det periodiska systemet. Det enklaste och lättaste av alla grundämnen. En positivt laddad proton i kärnan och en negativt laddad elektron i skalet. Väte är universums allmännaste grundämne. Solen består till största delen av väte, liksom de övriga stjärnorna. I det unga universum, strax efter big bang, fanns det nästan bara väte och lite helium.
Trots att väte är vanligt som gråa kattor i universum, finns det väldigt lite av det i fri form här på jorden. Väte älskar att bilda föreningar med andra grundämnen, inklusive kol. Det allra mesta vätet här på jorden är bundet till syre, i form av vatten. Och det är här som själva problemet ligger. För trots att väte i princip är det idealiska bränslet som kunde driva alla våra bilar, långtradare, tåg, fartyg och flygplan på ett miljö- och klimatvänligt sätt, så är det inte riktigt så enkelt.
För att få användbart väte som vi kan köra våra maskiner på kan vi antingen utvinna det ur naturgas, vilket är den huvudsakliga metoden för väteproduktion just nu. Eller så kan vi spjälka vatten till väte och syre genom en process som kallas elektrolys. Det går i princip ut på att du leder en elström genom vatten. Du kan lägga i lite bakpulver, det ökar på vattnets elektriska ledningsförmåga.
Och innan du vet ordet av börjar det stiga bubblor från anoden och katoden som du stack ner i vätskan. Väte och syre. Mängden väte som bubblar upp är dubbelt så stor som syret, eftersom vatten ju består av två väteatomer och en syreatom. Nå hur som helst, sedan är det bara att ta vara på vätgasen som bubblar upp.
Och vad gör vi med gasen sedan då? Nå, det enklaste sättet att utnyttja vätet är helt enkelt att bränna det. Vätgas är helt otroligt eldfängt, som exemplet med luftskeppet Hindenburg visade. Du kan i princip konvertera din gamla bensinmotor till att gå på vätgas, men förbränningsmotorn har en så låg verkningsgrad att den mesta energin går direkt till kråkorna i form av värme och friktion. Det är inte lönsamt, helt enkelt.
Det moderna sättet att använda väte är att köra det genom en så kallad bränslecell där det reagerar lite långsammare med syre, och i processen skapas elektricitet. Elektriciteten kan du sedan till exempel använda till att driva en elmotor. Den enda “avgasen” som uppstår i processen är vanligt vatten, och värme.
Bränslecellen som koncept är inte någon nyhet precis. Den förste som konstruerade en fungerande bränslecell var engelsmannen William Robert Grove, så tidigt som 1838. På 1960-talet hade General Motors i USA en bilprototyp med en bränslecell som drevs på väte. Men bränslecellen har alltid betraktats lite mer som en kuriositet än som ett seriöst sätt att producera energi.
Allt fler vill ha väte som bränsle
Idag används det mesta av vätet som produceras till helt andra saker än bilar och motsvarande. Huvudsakligen till att tillverka konstgödsel och raffinera råolja. Som bränsle har väte aldrig riktigt slagit igenom. Det har alltid varit enklare och billigare att bara bränna fossila bränslen direkt.
Men det här är inte ett alternativ nu längre. Åtminstone inte ett bra alternativ, om vi ska ha någon chans att nå våra utsläppsmål och klara oss ur klimatkrisen. Och då vänds blickarna mot vätet, framtidens superbränsle.
Det är för övrigt inte bara transportsektorn som sneglar på väte här. Också tunga industrier som stålindustrin anar en möjlighet. Ståltillverkning är ju traditionellt en otroligt CO2-intensiv process. Det går åt massvis med energi till att smälta järn för att förvandla det till stål. Hittills främst i form av fossila bränslen som naturgas. Ståltillverkningen står för omkring åtta procent av de globala koldioxidutsläppen.
Än en gång, det är här som väte kommer in i bilden. 2021 blev svenska ståltillverkaren SSAB först i världen med att tillverka fossilfritt stål, och då uttryckligen med väte som bränsle. Andra ståltillverkare jobbar på motsvarande lösningar, som enligt planerna ska vara klara att tas i bruk fram till 2025 ungefär.
Den tunga transportsektorn är en av de andra energitörstande jättarna. Enligt en studie skulle samtliga containerfartyg som trafikerar mellan Europa och Kina kunna konverteras till vätedrift med bränsleceller. Fartygens vätetankar skulle behöva vara så stora att fartygens fraktkapacitet skulle minska med cirka fem procent, men det här ses inte som ett oöverkomligt problem. Väte har alltså en stor energitäthet per kilo, men inte per volym. Ett kilo vätgas kräver en mycket större tank än ett kilo bensin.
Här finns saker att hämta också för flygtrafiken. 2020 flög det första bränslecellsdrivna flygplanet, ett litet propellerplan av Cessna-typen. Flygplanstillverkaren Airbus har tre olika bränslecellsprojekt på gång som enligt dem kan resultera i flygfärdiga passagerarplan fram till år 2035.
Långdistansflyget kan bli ett problem, väte kräver som sagt stora tankar, så räckvidden blir inte den bästa. Men det har beräknats att bara genom att flyga korta och medellånga rutter på väte, kunde man få ned flygets utsläpp med omkring en tredjedel.
Summa av kardemumman är alltså att det finns en otrolig potential här. Väte har i princip vad som krävs för att lösa de flesta av våra problem, och hjälpa oss bli kvitt vårt fossilberoende. Problemet är bara att det kommer att krävas mycket väte. Och då menar jag – mycket.
Och det är här som saker och ting blir lite knepiga.
Grått eller blått väte?
Den allra största delen av allt väte som används idag är så kallat grått väte eller grå vätgas. I dagens läge utvinns som sagt den mesta vätgasen från naturgas eller metan. Med andra ord, fossila bränslen. Upp till 90 procent av allt väte som används just nu kommer från fossila bränslen. Den här sortens väte kallas alltså grå vätgas. Och det här löser ju definitivt inga klimatproblem.
Vill vi på riktigt att väte ska bli framtidens gröna superbränsle måste vi först och främst se till att väteproduktionen blir grön på riktigt. Och det finns två huvudsakliga sätt att uppnå det här.
Metod nummer ett kallas blå vätgas. Det här involverar fortfarande fossila bränslen, vätet framställs från naturgas, men man strävar efter att ta vara på utsläppen av kol och lagra det i marken. Eller använda det som råvara för andra ändamål. Och det här låter ju bra, eller hur?
Problemet är att det inte riktigt funkar i praktiken. De anläggningar som använder den här metoden har hittills visat sig vara så dåliga på att fånga upp koldioxidutsläppen från naturgasen att det i många fall skulle vara effektivare att bara använda naturgasen som bränsle rakt av.
Fossilindustrin hävdar ofta att de kan ta vara på upp till 90 procent av all koldioxid när de tillverkar blå vätgas, men i verkligheten har den siffran hittills legat närmare 50 procent. Trots det här har den så kallade blåa vätgasen presenterats som ett flaggskeppsprojekt i de stora ekonomiernas klimatstrategier, inklusive USA, EU, Japan och Storbritannien.
Kritikerna menar att det här är en uttrycklig strategi som oljebolagen kör med, de använder den blå vätgasen som en täckmantel för att kunna fortsätta sälja fossila bränslen helt som förut medan de pekar på vätet för att framstå som ansvarsfulla och miljömedvetna. Och det här, menar kritikerna, kostar oss dyrbar tid som vi behöver ta vara på om vi vill rädda klimatet och vår civilisation.
Det ser ju med andra ord inte så bra ut för väte. Eller? Nja, väte har nog all den potential och alla de möjligheter som jag nämnde. Utmaningen och problemet här är bara att vi måste bli bättre på att framställa genuint grön vätgas. Sådan där vi på riktigt undviker att involvera bruket av fossila bränslen i varje del av processen.
Och det är i princip inte ens värst svårt. Åtminstone på pappret. Det enda du behöver göra är att hålla dig till förnybara energikällor, som sol- och vindkraft när du producerar vätet. Som sagt, du kan spjälka upp vanligt vatten till väte och syre med hjälp av elektrolys, genom att leda en elström genom vattnet. Den elströmmen tar du från ett sol- eller vindkraftverk. Det här skapar inga utsläpp alls, och involverar inget kol, så vad du får då är genuint grön vätgas.
Saken blir inte sämre av att du på det här viset kan jämna ut sol- och vindkraftens toppar och dalar i och med att vindmöllorna och solpanelerna kan sättas att mala väte då när det finns ett överflöd i produktionen. Och överskottet kan sedan lagras i form av vätgas.
Och faktum är att saker och ting rör på sig inom den här sektorn. Problemet har hittills varit att elektrolysanläggningarna har varit så små och produktionen så liten. Vilket har gjort den gröna vätgasen väldigt dyr.
Men, för det första, anläggningarna blir hela tiden större, skalan och synergieffekterna blir större, och det leder till att priserna kommer ned. Och för det andra, priset på förnybar energi har också kommit ned, vilket i sin tur gör det billigare att tillverka grön vätgas.
Jag menar, solenergi är redan på många håll billigare än kolkraft, och priset fortsätter gå ned. Enligt en siffra som Bloomberg har tagit fram kan grön vätgas vara billigare än blå vätgas fram till år 2030, och billigare än grå vätgas fram till 2050.
Jaha, just så, är det ditåt vi är på väg då, med andra ord? Väte står i beredskap att ta över dominansen från kolet på världens energimarknad? Njaa, än en gång, riktigt så enkelt är det inte.
Väte har nämligen ännu ett problem. Inte ett oöverkomligt problem, men ett problem hur som helst. Också om väte har den största energidensiteten av alla bränslen mätt i energi per kilo, så är vätgas fortfarande väldigt skrymmande mätt i energi per volym. Du behöver fortfarande en tre gånger större vätgastank för att lagra samma mängd energi som en motsvarande mängd naturgas innehåller. Flytande väte, i vätskeform, tar minst utrymme, men det måste kylas ned till sisådär -253 grader Celsius, och det är lite bökigt.
Så med andra ord, väte har en enorm potential, du kan i princip använda det till vad som helst. En annan sak är sedan att du kanske inte ska göra det. Kör med väte där som det lämpar sig bäst, och komplettera det med andra lösningar. Det gäller att hitta en optimal balans. Elmotorer är fortfarande smartare än förbränningsmotorer, men det kan finnas situationer där batterier är bättre än bränsleceller.
Jag menar, att producera elström som man använder till att tillverka vätgas, som körs ut till tankningsstationerna och tankas i bilar, där vätgasen omvandlas tillbaka till elström – det är ganska ineffektivt. Uppemot 60 procent av energin går till kråkorna med den här metoden.
Så du kunde ju använda samma elström till att ladda ett batteri och köra bilens elmotor direkt på det. Med den här metoden går bara cirka 20 procent av energin till kråkorna.
Man ska komma ihåg att de nuvarande elbilsbatterierna inte representerar utvecklingens ändhållplats. Det utvecklas bättre batterier i rasande takt just nu, som lagrar mer ström, och går att ladda fortare, och inte kräver exotiska och svåråtkomliga metaller. Batteriet har definitivt inte sagt sista ordet ännu.
Men ännu beträffande väte, det finns ett hönan-och-ägget-problem här: Innan vi börjar investera i den behövliga, genuint gröna teknologin, så kommer vi inte att ha någon efterfrågan på grön vätgas. Och innan det finns en efterfrågan på grön vätgas så kommer ingen att vilja investera i teknologin.
Men i takt med att de stora aktörerna, de stora länderna, börjar vakna upp till vätets fördelar, så kommer det här att förändras. Väte kan, enligt en uträkning, stå för en femtedel av vårt energibehov fram till 2050, en klar ökning från dagens siffra som i praktiken är noll. Men det förutsätter att vi tar itu med saken nu. Experterna menar att vi måste komma igång med det här på allvar redan under det här årtiondet, annars missar vi vår chans.
Och hur var det nu med den där fiktiva energi-boxningsmatchen mellan väte och kol? Nå klart att väte vinner i längden. Det måste vinna, vi har inget val. De fossila bränslena har redan åkt på knockout, vissa vill bara inte medge det ännu. Även om till exempel biltillverkarna mellan raderna har medgett det. Ingen satsar längre just någon tid och energi på att ta fram nya bensin- och dieselmotorer. Alla vet att framtiden tillhör elmotorn.
Det är bara hur vi ska lagra energin som elmotorn kräver som är frågan. I form av vätgas eller i batterier. Svaret är som sagt antagligen en kombination av de två.
Plus, som det brukar vara med det mesta, en eller två lösningar som ingen ens har tänkt på ännu.
Här kan du bekanta dig med kol, väte och många andra grundämnen: Universums byggklossar: Det du inte visste att du ville veta om våra grundämnen
' /%3E%3C/svg%3E)
