Elektrolysörer blir nyckeln i LKAB:s omställning

2021-02-18 06:00  

LKAB:s omställning till fossilfri järnproduktion kommer att kräva sällan skådade vätgasvolymer. Det sätter plötsligt elektrolysörerna i rampljuset. Men vilken teknik har störst potential? Och hur ska den skalas upp?

För LKAB är övergången till fossilfri järnproduktion en fråga om överlevnad. Bolaget, med över 4 000 anställda, bryter i dag runt 80 procent av all järnmalm i Europa. Om inte förändringen sker räknar bolaget med att behöva påbörja nedläggning om 15 år.

Omställningen är genomgripande på många nivåer. Men i grund och botten handlar den om att det som ska rulla ut från malmfältet är koldioxidfri järnsvamp, snarare än dagens järnmalmspellets. Järnsvamp är en mer förädlad produkt än pellets, med högre järninnehåll. Den ska tillverkas genom reduktion med vätgas i LKAB:s egna anläggningar. I dag fraktas pelletsen till masugnar där den omvandlas till råjärn med hjälp av kol och koks i masugnar, huvudsakligen hos SSAB i Luleå.

Detta kan innebära den största svenska industriinvesteringen någonsin och definitivt LKAB:s största förändring sedan starten 1890.

1,3 miljoner ton vätgas

Men omställningen kommer att kräva stora mängder vätgas. Fullt utbyggd år 2045 cirka 1,3 miljoner ton per år, närmare bestämt. Eftersom den samlade världsproduktionen i dag uppgår till cirka 120 miljoner ton per år kanske det inte låter så mycket. Men då ska man komma ihåg att mindre än 5 procent framställs genom elektrolys, den metod LKAB har valt (i princip all övrig vätgas produceras av fossila råvaror).

Med andra ord: bolaget behöver rätt mycket av den vätgas som tillverkas med elektrolys i världen i dag. Minst en femtedel av årsproduktionen.

För att klara av det räknar LKAB med att behöva installera elektrolysörer om totalt 9–10 GW produktionskapacitet (en elektrolysörs kapacitet anges baserad på hur mycket el den förbrukar). Redan omkring 2029 ska 1 GW finnas på plats, lika mycket som det fanns i hela EU så sent som 2019.

Elektrolysör spjälkar vatten

En elektrolysör använder el för att dela upp vatten i beståndsdelarna väte och syre (båda atomerna föredrar att sitta ihop två och två och kallas då för syrgas respektive vätgas). Sådana här maskiner går utmärkt att köpa av en rad leverantörer redan nu. Utmaningen för LKAB ligger i skalan.

Dagens elektrolysörer byggs ofta i containerstorlek som går att seriekoppla. En riktigt stor anläggning kan bestå av 10–15 containrar om totalt 50 MW. Men när en anläggning på 10 eller ens 1 GW ska byggas funkar det inte att seriekoppla containrar, påpekar Lars Ydreskog, direktör för strategiska projekt på LKAB.

– Det blir alldeles för små moduler. I dag sker tillverkningen av elektrolysörer i princip hantverksmässigt. Förhoppningen är att övergången till massproduktion ska driva ner investeringskostnaderna. Kring 2030–2035 beräknas kostnaden ha gått ner 50 procent, säger han till Ny Teknik.

En alkalisk elektrolysör om 4,5 MW levererad av norska Nel till Hybrit, som är Vattenfall, SSAB och LKAB:s gemensamma pilotanläggning för tillverkning av fossilfritt stål. Foto: Pressbild

Före detta Gripenansvarig

Att just Lars Ydreskog har rekryterats för uppdraget säger något om vad LKAB vill uppnå. Som anställd på Saab ansvarade han för hela Gripenprogrammet liksom TX-projektet med Boeing. Som vice vd på konsultbolaget Combitech var han arkitekten bakom en ny världsstandard för hållbar gruvbrytning, tillsammans med bland annat ABB, Sandvik, Epiroc och förstås LKAB.

– Jag har jobbat med industrialisering i hela mitt liv. Därför blev det naturligt att jag började på LKAB. Jag kunde inte säga nej till en sådan här utmaning. Det ska bli enormt spännande, säger han.

Lars Ydreskog, direktör för strategiska projekt på LKAB. Foto: LKAB

Ska hålla 30-40 år

Likheterna mellan fossilfri järnproduktion och till exempel Gripenprogrammet kanske inte verkar vara så stora vid en första anblick.

– Men de är faktiskt det. Det handlar om de långa perspektiven. Gripen byggs som en plattform som ska kunna verka i 30–40 år. Det är samma sak med gruvorna. Nyckeln ligger i hur man väljer tekniken. Bygger du med fel teknik får du lida för det i 30–40 år. Man får inte ha för bråttom men måste samtidigt kunna komma tillräckligt tidigt till marknaden med en konkurrenskraftig lösning. Det är vår grundstrategi, säger han.

Läs mer: Svenska vätgasstrategin: 8 GW produktionskapacitet till 2045

Fyra tekniker för elektrolys

Vätgaselektrolys kan ske med flera olika tekniker. För LKAB är frågan förstås högintressant. Med hjälp av Göran Lindbergh, professor i elektrokemi vid KTH, går Ny Teknik kortfattat igenom de fyra som brukar lyftas fram i samband med kommersiell elektrolys av vatten till vätgas.

Göran Lindbergh, professor i elektrokemi vid KTH. Foto: KTH

1. Alkalisk elektrolys

Den äldsta och mest mogna tekniken är alkalisk vattenelektrolys. Fördelen är robustheten och att det inte behövs några sällsynta eller dyra metaller i elektroderna. Nickel är ett vanligt val för den ena elektroden. Investeringskostnaden är förhållandevis låg, men detsamma gäller verkningsgraden, typiskt kring 65 procent.

– Det är det traditionella sättet som industrin har producerat vätgas elektrokemiskt på, säger Göran Lindbergh.

Att norska Nel är en av de ledande tillverkarna av alkaliska elektrolysörer är ingen slump. Bolaget är en avknoppning från konstgödseltillverkaren Norsk Hydro, som behöver vätgas för att göra ammoniak.

Nackdelen med metoden är den begränsade verkningsgraden, att kaliumhydroxid är ett otrevligt ämne att hantera och att den kräver mycket stabila driftsförhållanden. Metoden funkar alltså mindre bra tillsammans med intermittenta energislag som sol och vind.

Grafik Jonas Askergren

2. PEM

Den näst mest mogna tekniken kallas för PEM, som står för Proton Exchange Membrane alternativt Polymer Electrolyte Membrane. Tekniken är hämtad från bränsleceller med samma namn men används i detta sammanhang ”baklänges”. Verkningsgraden är något högre än med den alkaliska metoden.

Fördelen är att en PEM-elektrolysör är mer dynamisk och fungerar bättre med intermittenta energislag. Driftskostnaden är också lägre. Nackdelen är högre investeringskostnad och att elektroderna kräver sällsynta och dyra ädelmetaller som platina och iridium för att inte korrodera, eftersom reaktionen är sur.

– Det har på senare år kommit en mängd företag som gör sådana här elektrolysörer. Kostnadsmässigt ser det ut som att vätgasen blir ungefär lika dyr som med den alkaliska metoden, säger Göran Lindbergh.

Grafik Jonas Askergren

3. AEM

De båda ovanstående teknikerna är i dag totalt dominerande sett till installerad kapacitet. Men det finns ytterligare två tekniker, båda betydligt mindre mogna: anjonarbytarmembran (AEM) och högtemperaturelektrolys (SOEC).

– Tanken med AEM är att inte använda sig av sura membran som i PEM, utan alkaliska. Därmed kan vi använda enklare nickelbaserade katalysatorer men ändå få fördelen att membranet är fast och inte en vätska som i den alkaliska metoden, säger han.

Resultatet blir en elektrolysör som kan köras mer dynamiskt än den alkaliska.

4. SOEC

Den fjärde metoden skiljer sig främst mot de övriga tre genom den mycket högre temperaturen som krävs, mellan 500 och 800 grader Celsius. Tekniken kallas för SOEC, Solid Oxide Electrolyser Cell, och brukar benämnas högtemperaturelektrolys.

Anledningen till att man vill köra processen vid så hög temperatur är att en betydligt bättre verkningsgrad blir möjlig, teoretiskt sett nära 100 procent, förutsatt att man får spillvärmen ”gratis”.

– Termodynamiken säger att ju högre temperatur du kan jobba vid, desto lägre cellspänning behövs för att spjälka vatten, säger Göran Lindbergh.

Från container till storskalig industri

Men det krävs alltså massor av spillvärme. Och det är här det kan börja bli intressant för LKAB. Processen att reducera malm till järnsvamp med vätgas genererar avsevärda mängder restvärme. Schaktugnen blir till exempel cirka 900 grader varm. Går det att kombinera olika delar av processerna med varandra? För Lars Ydreskog är detta den kanske viktigaste frågan just nu – hur tekniken ska tas från containerstorlek till storskalig industrialisering och integrering.

– En vätgasanläggning består inte enbart av elektrolysören. Grunden till framgång ligger i att optimera kraftförsörjning, effektbalansering och en mängd komponenter runt elektrolysören. Det handlar om ett systemtänk, säger han.

– Kan vi använda teknik för att tillverka el av elektrolysörernas restvärme? Eller använda vårt vätgaslager som kraftreserv för att balansera osäkerheter i kraftförsörjningen? Tillverka vätgas när elen är billig och lagra den? Generera el från vätgasen när det är elbrist? Det går att göra med 80-procentig verkningsgrad i en turbin. Det är alla dessa frågor som utgör skillnaden mot att köpa ett antal containrar och ställa på plats. Det här projektet handlar inte så mycket om att utveckla teknik från låg TRL-nivå (technology readyness level, reds anm) utan om att optimera ett system, säger Lars Ydreskog.

Läs mer: 15 frågor och svar om vätgas: ”Stora förväntningar”

Vill bilda vätgasallians

Eftersom komponenterna i det system LKAB vill skapa är så många är målet att bilda en allians bestående av olika aktörer. Vilka som ska ingå i den ber Lars Ydreskog om att få återkomma till.

Till syvende och sist står hoppet till att någon av ”de stora drakarna” är med och bidrar till en storskalig lösning. Han vill inte nämna någon vid namn men det handlar snarare om stora industriaktörer längre upp i näringskedjan än enskilda tillverkare av elektrolysörer. LKAB:s målsättning är alltså inte att upphandla enskilda elektrolysörer med en viss teknik, utan att ta fram ett helt koncept för storskalig vätgasproduktion.

Flygbild över Kiruna, där LKAB har en av sina tre järnmalmsgruvor. De övriga ligger i Svappavaara och Malmberget. Det kommer att behövas tre anläggningar, där malm omvandlas till järnsvamp, tre i Kiruna och tre i Malmberget, som planen ser ut just nu. Foto: LKAB

Verkningsgraden blir bättre

Lars Ydreskog räknar med att elektrolysörerna kommer att bli effektivare framöver, kanske med något tiotal procentenheter på ett decennium. I en liten anläggning får en sådan förbättring inte så stor påverkan på den producerade volymen vätgas. Men för LKAB kan skillnaden bli mycket stor, påpekar han.

– Det pågår en debatt bland de stora industridrakarna om vilken teknik som är lämpligast. I en del av dem används sällsynta elektrodmaterial som platina. Precis som i diskussionen om batterier riskerar man att begränsas av tillgången till sådana metaller. Sedan handlar det ju om verkningsgrad och investeringskostnad också. Det gäller att hitta rätt balans. Men om 3–5 år tror jag nog att det har klarnat, säger han.

Läs mer: Analys: ”Vätgassamhället – en ingenjörsdröm på väg mot genombrott”

Konkurrenskraftiga redan vid 65 procent

Han betonar att LKAB kommer att kunna producera konkurrenskraftig järnsvamp redan med den verkningsgrad som finns tillgänglig i dag, alltså kring 65–70 procent.

– Vi har redan ett bra case, tack vare vår fantastiska malm och att vi ser stora synergier med direktreduktion i våra processer. Men det kan bli ännu bättre på sikt. Det vi bygger ska kunna leva vidare i 30–40 år. Då måste vi titta framåt för att skaffa oss ännu bättre fördelar, säger han

Fyra elektrolystekniker

1. Alkaliska elektrolysörer (ALK):

Egenskaper: Vatten reagerar med elektroner och bildar vätgas och hydroxidjoner vid den negativa elektroden. Jobbar i cirka 80 grader Celsius.Verkningsgrad cirka 60–65 procent.

Fördelar: Välbeprövad teknik. Lång livstid. Behöver inte dyra metaller som i PEM.

Nackdelar: Kräver jämn drift. Kan inte drivas direkt av intermittenta energikällor.

 

2. Protonutbytesmembran (PEM):

Egenskaper: Elektrolyt i fast form. Positivt laddade vätejoner rör sig genom elektrolyten, reagerar med elektroner och bildar vätgas. Jobbar i 70–90 grader Celsius. Verkningsgrad cirka 70–80 procent.

Fördelar: Ger en mycket ren vätgas. Har ingen korrosiv elektrolyt. Kan hantera högre strömtäthet och mer varierande spänning än den alkaliska elektrolysören och lämpar sig därför bra för till exempel vindkraft.

Nackdelar: Dyrare än alkaliska elektrolysörer. Behöver dyra metaller som iridium och platina.

 

3. Anjonutbytesmembran (AEM):

Egenskaper: Vatten tränger igenom membranet och delas upp i hydroxidjoner och vätejoner vid den negativa elektroden, där vätgas bildas. Hydroxidjonerna transporteras tillbaka genom membranet till den positiva elektroden. Verkningsgrad cirka 70–80 procent.

Fördelar: Ska förena hög prestanda med låg kostnad. Ger mycket ren vätgas. Behöver inte dyra ädelmetaller. Ska klara varierande driftförhållanden.

Nackdelar: Obeprövad teknik. Tidigt i kommersialiseringsfasen. Oklar livslängd.

 

4. Högtemperaturelektrolys (SOEC):

Egenskaper: Fast keramisk elektrolyt. Vatten reagerar med elektroner och bildar vätgas. Negativt laddade syrejoner (O2-) frigörs och transporteras genom elektrolyten. Jobbar i cirka 600–900 grader Celsius.

Fördelar: Kan nå mycket hög verkningsgrad, cirka 90–100 procent, förutsatt att man har tillgång till spillvärme. Kräver inga ädelmetaller.

Nackdelar: Obeprövad teknik, i demonstrationsfas. Kräver värmetillförsel. Relativt kort livslängd. Hög kostnad.

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt