Byn Cappelle-la-Grande ser ut som alla andra nordfranska byar, men den är väldigt speciell. I rörledningarna under gatorna finns nämligen inte bara naturgas, utan även väte framställt av energi från vind- och solkraft.
Liksom naturgasen eldas den i byns kraftverk, som levererar el, fjärrvärme och varmt vatten till de närmare 8 000 invånarna.
Genom att ersätta en del av naturgasen med grönt väte minskar byns koldioxidutsläpp med sju procent. Det låter kanske inte så mycket, men det är det första steget mot att helt fasa ut kol, olja och naturgas.
Vätesamhället blir den största energirevolutionen sedan industrialiseringen.
Den franska byn är ett försökslaboratorium där man visar vad grönt väte kommer att betyda för vår energiförsörjning under de närmaste årtiondena och hur vi når EU:s slutmål, ett grönt Europa till år 2050.
Vätesamhället blir den största revolutionen av vår energiförsörjning sedan kolet satte i gång industrialiseringen.
Sol och vind behöver kunna lagras
Väte är både det enklaste och det vanligaste grundämnet i universum, vilket innebär att vi har tillgång till obegränsade mängder av det.
Väte ingår i ett otal kemiska föreningar, bland annat vatten. Det enklaste sättet för oss att skaffa rent väte är genom att skilja det från syret i vattenmolekyler. Denna process, så kallad elektrolys, går helt enkelt ut på att leda el genom vatten via två elektroder.
Elen klyver vattenmolekylerna i väte och syre, som i gasform samlas vid var sin elektrod. På så vis kan vi lagra den el vi producerar i vindkraftverk och med solceller tills vi behöver den, vilket är helt avgörande om vi vill basera vår energiförsörjning på dessa hållbara energikällor.
Kärnan i vätesamhället är elektrolys, där el från hållbara energikällor klyver vatten (H2O), så att resultatet blir rent syre (O2) och rent väte (H2).
Svagheten med sol- och vindenergi är att den är otillförlitlig. När solen skiner och det blåser har vi gott om energi, men på molniga och vindstilla dagar blir det energibrist.
Om vi jämnar ut skillnaden genom att spara energin i form av väte kan vi säkerställa en stabil elförsörjning utan att behöva komplettera med energi från fossila bränslen.
Trots att vi på så vis förser alla våra bilar, bostäder, butiker, kontor och företag med grön el blir vi bara av med 80 procent av dagens koldioxidutsläpp.
Tyngre industrier som cementfabriker, stålverk och glasverk behöver fortfarande mycket hög värme, vilket el inte kan leverera. Det kan emellertid åstadkommas genom eldning av grönt väte i gasturbiner.
Dessutom är dagens produktion av plast, konstgödning och många industrikemikalier baserade på oljeprodukter och naturgas. Även där kan väteproduktion med nya elektrolysmetoder vara en lösning, plus att den kommer att kunna ge oss grönt bränsle till flygplan.
Elektrolys ger oss rent väte och gröna produkter
El från sol och vind kan klyva vatten till syre och väte. Om koldioxid pumpas in i vattnet skapar elektrolysen klimatneutrala bränslen, och om kväve tillförs i processen blir resultatet grön konstgödning.
El från sol och vind omvandlas till väte
I stora elektrolysanläggningar ska ren el från hållbara energikällor som sol och vind klyva vattenmolekyler i syre (O2) och väte (H2). Vätet blir ett energilager som vi kan använda under perioder då de hållbara källorna inte producerar tillräckligt mycket el.
Växthusgas blir till grönt bränsle
Koldioxid från kraftverk eller direkt från atmosfären kan bli en klimatvänlig resurs. Elektrolysanläggningen klyver vatten och koldioxid i atomer, varefter kolet och vätet samlas i kolvätekedjor för att framställa exempelvis bensin eller jetbränsle (C10H22).
Kväve från luften blir till grön konstgödning
Grönt väte från elektrolys av vatten kan även reagera med kväve (N2) i luften. Resultatet blir då ammoniak (NH3), som bland annat används som konstgödning. I dag framställer vi ammoniak ur naturgas i en energikrävande process.
För att kunna göra allt detta behöver vi mycket mer väte än vi kan producera med den överskottsel vi får på soliga och blåsiga dagar. Om vätesamhället ska kunna förverkligas till år 2050 måste en femtedel av vår totala elproduktion användas till elektrolys.
Väte sköter tunga transporter
För några år sedan verkade det som om vätesamhället skulle börja med vätebilar, som har längre räckvidd än elbilar och går snabbt att tanka. I dag satsar framför allt Japan, Sydkorea och Kina på vätebilar. Tillsammans räknar dessa asiatiska länder med att komma upp i ett par miljoner vätedrivna personbilar till år 2030.
Vätedrivna bilar har betydligt längre räckvidd än elbilar. Rekordet innehas av Toyota Mirai, som har kört 136 mil på en tankning som inte tog mer än fem minuter.
Trots fördelarna med vätebilar tyder allt på att det är elbilarna som avgår med segern i Europa. Elbilar utnyttjar den gröna elen på ett mer effektivt vis, eftersom elen då inte behöver omvandlas till väte och tillbaka igen.
Dessutom har förbättrade batterier gett elbilarna en räckvidd på 30–55 mil, vilket räcker för de flesta bilister.
I en ny vätestrategi bedömer dock EU att väte är det bästa gröna drivmedlet vid tunga transporter med stora lastbilar, som har gott om plats för vätetankar och de bränsleceller som omsätter vätets energi till el, som driver elmotorn.
Väte lämpar sig också väl för bussar i stadstrafik och tåg i lokaltrafik där det är för dyrt att sätta upp luftledningar. Dessutom har det danska rederiet DFDS ambitioner att utveckla en vätedriven färja som ska trafikera rutten Köpenhamn–Oslo.
Rederiet DFDS har planer på att utveckla en vätefärja, driven av bränsleceller som kan leverera ända upp till 23 megawatt. Om det lyckas kommer färjan att bli en ikon inom vätetekniken.
Ett annat lovande användningsområde är grävmaskiner och kranar inom byggbranschen och tunga maskiner inom jordbruk och skogsbruk. De stora arbetsfordonen där förbrukar så mycket energi att el inte räcker till, eftersom batterierna snabbt laddas ur och laddningen av dem tar alltför lång tid.
Transport- och byggsektorn är därmed andra viktiga områden där vätet kan täppa till de svarta hålen i våra energinät.
Väte täpper till svarta hål i energinätet
Även med en stor elproduktion från hållbara energikällor finns det områden där vi är beroende av fossila bränslen. Väte kan emellertid täppa till de svarta hålen, så att hela vår energiförbrukning blir grön.
1. Grön elförsörjning stabiliseras
I dag kompletteras den otillförlitliga gröna elen med svart el från kraftverk. I stället kan vi i elektrolysanläggningar omvandla överskjutande grön el till väte och lagra det. När vi behöver elen förbränner vi vätet i gasturbiner.
2. Tunga transporter ska drivas av väte
Den tunga delen av vår transportsektor är i dag beroende av fossilt bränsle. Batterier är inte tillräckligt starka för att kunna driva exempelvis lastbilar, entreprenadmaskiner och fartyg. Förklaringen till att väte kan göra det är ämnets höga energitäthet.
3. Energikrävande industri blir grön
Grönt väte kan ersätta fossila bränslen i den mest energikrävande delen av industrin, där el inte räcker till. Förbränning av väte kan ge den höga värmegrad som krävs vid exempelvis framställning av cement, glas och stål.
Ett centralt element i EU:s vätestrategi är att snabbt skapa en marknad för grönt väte, som ska driva den tekniska utvecklingen framåt.
Därför undersöker Frankrike, Tyskland, England, Italien, Nederländerna och Danmark nu möjligheten att blanda väte i existerande naturgasnät, som i den franska byn Cappelle-la-Grande.
Analyserna tyder på att en enkel ombyggnation av näten gör det möjligt att blanda in 20 procent väte i naturgasen. Väte har lägre brännvärde än naturgas, så 20 procent grönt väte kommer att minska koldioxidutsläppen från de gaseldade kraftverken med 15 procent.
På sikt är målet betydligt mer ambitiöst än så. Från år 2030 kräver EU att alla nya gasturbiner till kraftverk ska kunna elda med rent väte.
Blått väte startar utvecklingen
Under de närmaste årtiondena, medan produktionen av grönt väte gradvis mångdubblas i Europa, kan så kallat blått väte från Norge fylla en viktig funktion i omställningen av gasnäten, kraftverken och den tunga industrin.
Blått väte framställs av naturgas på vanligt vis, men med en viktig skillnad: Koldioxid från processen fångas in och grävs ner i havsbottnen, så att växthusgasen inte når atmosfären och därmed inte påverkar klimatet.
Det statsägda norska energibolaget Equinor planerar nu en rörledning från en vätefabrik på land till en depå i marken vid det stora gasfältet Troll, där deponering av koldioxid från framställning av blått väte ska börja år 2024.
Equinor bedömer att 95 procent av koldioxidutsläppen från väteproduktionen kommer att fångas in och grävas ner 2 600 meter under havsbottnen.
Till en början ska det blå vätet fraktas med tankfartyg till kraftverk och stålverk i England, Tyskland, Belgien och Nederländerna, men Equinor undersöker redan nu möjligheten att dra en rörledning på havsbottnen som ska föra vätet till Europa.
80 procent av energin i grön el kan i dag omvandlas till väte.
Parallellt med att blått väte får spridning kommer forskarna att få fullt upp med att utveckla nya anläggningar för produktion av grönt väte för att göra den effektivare och billigare.
Samtidigt ska vätefabrikernas storlek mångdubblas, så att de inte bara omsätter några få megawatt el till väte, utan kan hantera flera gigawatt från Europas stora vindskraftsparker och solcellsanläggningar.
Nya fabriker gör vätet billigare
I dag är så kallade PEM-elektrolysceller effektivast. De omsätter 80 procent av elens energi till väte, vilket förväntas öka till 86 procent före år 2030.
I England bygger konsortiet Gigastack nu världens hittills största elektrolysanläggning, som ska omsätta 100 megawatt el från havsbaserad vindkraft till grönt väte. Det motsvarar elförbrukningen i 100 000 hushåll.
Anläggningen ska bestå av 20 moduler, som var och en hanterar fem megawatt. Modulkonstruktionen gör att det i framtiden blir enklare att bygga olika stora elektrolysanläggningar. Gigastack bedömer att industriell produktion av modulerna kommer att få ner kostnaden med 40 procent.
I England öppnar Gigastack år 2025 en moduluppbyggd elektrolysanläggning för produktion av grönt väte. Anläggningen ska kunna hantera 100 megawatt el, som levereras av vindkraftverk till havs.
I dag kostar grönt väte två–fyra gånger mer än svart väte från naturgas, men EU räknar med att det gröna vätet redan år 2030 kommer att bli ekonomiskt konkurrenskraftigt i regioner med tillgång till billig el.
Efter hand som väteproduktionen ökar kommer det att behövas fler lagringsplatser. I detta sammanhang kommer marken att vara till hjälp. Väte i gasform kan nämligen förvaras i hålrum i så kallade salthorstar en kilometer ner i marken.
Salthorstar är ballongformade formationer, som pressas upp mot ytan på grund av saltets låga densitet. Denna metod har sedan 1970-talet använts i USA och England för att lagra svart väte, som används av raffinaderier.
Geologiska studier visar att lagringskapaciteten i Europa är tillräckligt god för att man ska kunna skapa ett robust energisystem där hela elproduktionen år 2050 baseras på gröna energikällor.
Om 30 år har vi med stor sannolikhet också löst problemet med de svarta hål i vår energiförbrukning som inte kan täckas av en grön elförsörjning. Det gäller inte minst flytande bränslen till flygplan och stora fartyg, där batterier inte innehåller tillräckligt mycket energi i förhållande till sin vikt och volym.
Koldioxid blir en ny resurs
En ny typ av av elektrolysceller kan lösa denna uppgift. Tricket är att förvandla växthusgasen koldioxid till en resurs.
Om vi pumpar koldioxid genom elektrolyscellerna tillsammans med vatten, klyver elen molekylerna till atomer. Syre från reaktionen leds ut ur cellen, medan kolet och vätet samlas till kolväten, som kan användas som jetbränsle eller bli till metanol.
Under de närmaste årtiondena kommer vi att kunna rena växthusgasen när den släpps ut ur skorstenar på kraftverk, där koldioxid vanligen utgör 15 procent av utsläppen.
Senare, när vi inte längre har några koldioxidutsläpp från våra kraftverk, kan vi utvinna växthusgasen direkt ur luften, där koncentrationen är 0,04 procent.
Fördelen med den metoden är att vi kan utvinna koldioxid var som helst, till exempel vid kuststräckor där elkablar för över stora mängder el från havsbaserade vindskraftsparker till land.
Containerfartyg får grön metanol
Oavsett om vi använder koldioxid från kraftverk eller från atmosfären blir bränslena som produceras klimatneutrala, eftersom de bara innehåller kol som antingen redan fanns i atmosfären eller som annars skulle släppas ut i luften.
Tills vidare produceras denna typ av av gröna koldioxidbränslen bara i små försöksanläggningar, men det tänker det danska energibolaget Ørsted ändra på. Senast år 2027 ska koldioxid från Avedøreværket utanför Köpenhamn omvandlas till jetbränsle till flygplan och metanol till fartyg.
År 2027 ska koldioxid utvinnas ur röken på Avedøreværket i Köpenhamn. Via elektrolys ska växthusgasen omvandlas till grönt bränsle till flygplan samt till metanol, som kan ersätta diesel i fartyg.
Världens största containerrederi Mærsk har redan lovat att köpa 500 000 ton grönt fartygsbränsle om året.
Energiöar levererar hela paketet
I dag utgörs 72 procent av Europas totala energiförbrukning av fossila bränslen, så för att helt och hållet göra oss av med dem i kraftverken, transportsektorn och industrin måste vi öka den gröna elproduktionen kraftigt.
Den klimatneutrala elen ska komma från en kombination av sol- och vindenergi, vattenkraft, biomassa och kärnkraft. Huvudleverantörer blir stora solcellsanläggningar i Sydeuropa och vindskraftsparker i Nordsjön.
I mitten av århundradet ska havsbaserad vindkraft stå för en fjärdedel av Europas gröna el, 450 gigawatt, vilket är mer än en tjugodubbling av de havsbaserade vindkraftverkens nuvarande produktion. Det målet kan vi nå genom att anlägga konstgjorda energiöar, som gör det möjligt att bygga och underhålla rekordstora havsbaserade vindskraftsparker långt från kusten, där vindförhållandena är optimala.
I Danmark ska man färdigställa världens första konstgjorda energiö år 2033. Den ska ligga 80 kilometer utanför den jylländska västkusten, där den via elkablar på havsbottnen ska leverera grön el till Danmark, Norge, Tyskland och Nederländerna.
År 2033 ska en konstgjord energiö i Nordsjön förse 3,3 miljoner hushåll med el från vindkraftverk. Överskjutande el kan bland annat användas för att framställa ammoniak, som fraktas till fastlandet med fartyg.
Ön, som ska vila på sandfyllda betongkassuner, ska bli 120 000 kvadratmeter stor och få en produktionskapacitet från de omgivande vindkraftverken på tre gigawatt, tillräckligt mycket för 3,3 miljoner hushålls elförbrukning.
Senare ska ön byggas ut till 425 000 kvadratmeter, motsvarande 64 fotbollsplaner, varefter elproduktionen förväntas öka till tio gigawatt.
Energiön ska ha en egen elektrolysanläggning, som kommer att kunna omsätta periodvis uppkommande överskottsel till såväl grönt väte som vätebaserade produkter. Ett bra alternativ skulle vara grön ammoniak till konstgödning, som elektrolysanläggningar kan producera med hjälp av kväve från luften.
Nytt vätenät förbinder Europa
Under de följande årtiondena kommer Nordsjön att få fler energiöar som förser Europa med el och väte. Vid det laget kommer det att bli lönsamt att lägga rörledningar på havsbottnen som leder in vätet till land, där det kan transporteras vidare genom ett nytt vätenät, kors och tvärs genom kontinenten.
Väte intar Europa steg för steg
Hållbar energi från sol och vind kommer att bli det viktigaste energislaget i vätesamhället när det är fullt utbyggt år 2050. Det gröna vätet fördelas genom rörledningar i ett nytt centralt nät som binder samman Europa.
1. Norge kickstartar väterevolutionen
Genom att pumpa ner 95 procent av koldioxiden från väteproduktionen i havsbottnen vill man i Norge producera väte med naturgas nästan klimatneutralt. Till en början ska vätet fraktas vidare med fartyg, men senare ska det överföras till EU genom en rörledning.
2. Sol och vind gör vätet grönt
Energiöar placerade vid Nordsjöns stora vindskraftsparker förser Europa med grön el och grönt väte, som förs in till fastlandet via rörledningar. I Sydeuropa levererar även solcellsanläggningar stora mängder el och väte.
3. Nytt nätverk bildar vätets motorväg
Ett stort vätenät från norr till söder och från väster till öster ska transportera väte till regionala nät i Europas länder. I takt med att all el produceras med gröna källor kommer vätet att göra Europa fritt från fossila bränslen till år 2050.
4. Europa drar med sig övriga världen
När Europa har skapat en stor marknad för grönt väte kommer andra delar av världen att följa efter. El från stora solcellsparker i Nordafrika kommer att lagras som väte och seglas i tankfartyg över Medelhavet till det nya, gröna Europa.
På 2040-talet är det realistiskt att tro att Europa har ett vätenät med stora rörledningar från Norge i norr via Danmark och Tyskland till Italien och Spanien i söder. En tvärgående arm kommer att gå från Frankrike i väster via Nederländerna, Belgien och Tyskland till Polen i öster.
Nätet ska bli en energimotorväg som levererar väte till mindre rörsystem i nationella nät, som samtidigt tar emot väte från alla delar av Europa samt från andra delar av världen.
Hela världen blir vätebaserad
På global nivå kommer tankfartyg att frakta flytande väte från områden med stor grön elproduktion till länder som inte själva kan täcka sitt energibehov, på samma sätt som oljetankrar korsar världshaven i dag.
Fartygen kommer bland annat att frakta det gröna vätet från enorma solcellsanläggningar i Australien till ett energihungrande Japan.
Dagens oljetankrar kommer under de närmaste årtiondena att ersättas av tankfartyg lastade med flytande väte. Även fartygens egna motorer ska så klart drivas av gröna bränslen, skapade med hjälp av elektrolys.
All teknik för att åstadkomma en klimatneutral värld baserad på sol, vind, el och väte finns redan, men i praktiken kommer det att krävas en enorm insats för att fasa ut de fossila bränslena på bara tre årtionden och undvika en katastrofal uppvärmning av jorden.
Om det lyckas kan invånarna i Cappelle-la-Grande skåla i franskt rödvin och sätta upp en minnesplakett på torget med orden: ”Vätesamhället började här, under gatorna i vår lilla stad.”