Hvordan frakte strøm fra vindmøller langt til havs på en billig måte?

En av utfordringene er å transportere kraft som skapes langt fra land. Å legge strømkabel er ikke billig, derfor ser forskere på andre måter å transportere energien på.

– Jo lengre vindparkene er fra land, dess dyrere er det å transportere strømmen, sier Torbjørn Egeland-Eriksen.

Han tar doktorgrad i energilagringsystemer ved Institutt for Teknologisystemer ved UiO,  og forsker på hydrogenproduksjon fra vindkraft. Hydrogen er en svært energitett måte å lagre energi på, på massebasis. Det finnes ingen fullskala havvindanlegg som produserer hydrogen i dag, men det finnes landbaserte løsninger som gjør det. Ved å kombinere simuleringer av elektrolyseanlegg for hydrogenproduksjon med data fra eksisterende havvindanlegg kan Egeland-Eriksen finne ut om dette er en mulig kombinasjon.

Hvorfor lage strøm langt fra der den skal brukes?

Å transportere energi er et fag i seg selv. Strøm som sendes i ledninger vil alltid tape litt på veien. Det er i tillegg dyrt å bygge og vedlikeholde milevis med kabel. Derfor har det frem til ganske nylig vært om å gjøre å produsere kraft der den skal brukes. I Norge er mange byer og bygder bygget rundt kraftanlegg som har gitt muligheter for industribygging. Så hvorfor satser vi nå på energi som skal produseres milevis unna der den skal brukes?

– Folk som bor i nærheten av vindkraftanlegg er plaget av støy, sier Egeland-Eriksen. Det er en tendens til at folk ønsker vindkraft, men ikke i egen bakhage. Et viktig konsept når det kommer til energi som ofte blir oversett, er energitetthet per kvadratmeter. Der kommer vindkraft dårlig ut.

Fosen-saken har også vist at vindkraftanleggenes arealbruk kan komme i konflikt med urfolks rettigheter og naturvern. Derfor mener mange at havvind er veien å gå, men det er heller ikke problemfritt.

– Det er fordeler og ulemper ved all fornybar energi. Å sette opp vindmøllene til havs løser noen problem, men en havvindpark vil ha andre utfordringer, sier han.

Egeland-Eriksen nevner konflikter knyttet til fiske og miljøpåvirkning, som vi fremdeles vet lite om. I tillegg kommer problemer som allerede er kjent slik som besværlig vedlikehold og transport av strøm.

Strøm fra havvind er dyr strøm

Ulempene til tross, det største hinderet for havvind er pris. Konstruksjon av vindmøller som skal tåle å stå til havs, materialer, strømtransporten og vedlikehold – alt koster.

– Det er ikke sikkert at vi får billig strøm med havvind. Det er dyrere montering enn det er på land, og det er mer belastning og større utfordringer med vedlikehold, sier Egeland-Eriksen. For at det skal være gjennomførbart må det enten være høy pris per kilowatt time eller så må kraften være subsidiert. 

Egeland-Eriksen påpeker at havvind er dyrt. 

– Dersom noen klarer å finne konstruksjoner og produksjonsmetoder som gjør det billigere er det håp. Da finnes det noen tenkelige scenarier, selv med dagens hydrogenteknologi, hvor det vil være mulig å produsere hydrogen fra havvindanlegg.

Han trekker fram at det er gjort kraftanalyser av markedet for de neste tiårene. I noen av analysene kommer havvind ut med en relativ grei andel av energimiksen, mens i andre tilfeller vil det være ubetydelig.

– Disse analysene er ofte basert på kostnadsanalyser, forklarer han. For at offshore vind skal kunne brukes må kostnadene ned. Offshore-bransjen har hatt en del liknende problemstillinger, for eksempel med vedlikehold. Erfaring fra offshore-bransjen kan sannsynligvis brukes til å finne kostnadsreduserende tiltak også for offshore vind, men lønnsomheten til slike vindparker vil være avhengig av forutsigbarhet med tanke på inntekter og utgifter, for eksempel i form av langsiktige kontrakter.

Det er mulig å produsere hydrogen med vind

Egeland-Eriksen har simulert et energisystem med ulike scenarioer. Han valgte fem forskjellige 31-dagers scenarioer med ulike faktorer for kapasitet for vindkraftproduksjonen og forskjellige strømpriser. Han ville se hvor mye dette påvirker produksjonskostnaden for hydrogen.

– Som forventet viser det seg at det har ekstremt stor effekt. Hvis det blåser mye og vindkraftproduksjonen er høy blir det mye hydrogen, men hvis strømprisen også er høy vil det ikke lønne seg å produsere hydrogen av strømmen. Når strømprisen er høy vil det som regel være bedre å selge strømmen direkte. Spesielt siden man også vil miste en betydelig andel av energien til produksjon, lagring og transport. Siden strøm tilføres i hydrogenproduksjonen vil man være avhengig av å få en veldig høy pris for sluttproduktet hvis strømprisen er høy.

Eksisterende vindkraft- og hydrogenteknologi er brukt som utgangspunkt.

– Det er trolig dårligere kår i realiteten enn i en modell, men hvis du har en periode med tilnærmet ideelle vindforhold med høy vindkraftproduksjon kombinert med en lav strømpris, kan produksjonskostnaden for hydrogen være lav nok til å komme innenfor prisområdet som regnes for grønn hydrogen per i dag. Hydrogen produsert fra naturgass  som kalles grå hydrogen er imidlertid fremdeles mye billigere enn grønn hydrogen. Men hydrogen fra naturgass har til gjengjeld mye høyere CO₂-utslipp.

Disse betingelsene resulterte i at hydrogenproduksjon fra havvind vil gi mening i ett av scenarioene Egeland-Eriksen satt opp i modellen, men i de fire andre ble hydrogenet for dyrt.

Elektrolyse trenger stabil strøm

Det finnes ikke noe storskala pilotanlegg for å lage hydrogen med havvind foreløpig, selv om flere er under planlegging. En mulig å måte å gjøre det på er å sette opp elektrolyse i vindmøllen, eller i nærheten av den. Siden anlegget står til havs er det mulig å bruke sjøvann til elektrolysen hvis man først avsalter det. I en slik elektrolyseprosess brukes energi fra vinden til å spalte vann til hydrogen og oksygen. Ifølge Egeland-Eriksen er det også mulig å bruke saltvann direkte, men det har ulemper:

– Denne teknologien resulterer foreløpig i mye høyere energitap og kostnader. Avsalting av sjøvann med eksisterende teknologi er en ubetydelig del av både kostnader og energibruk i våre simuleringer, så det er foreløpig ikke aktuelt med direkte elektrolyse av saltvann, sier han.

Men selv med avsalting av havvannet er elektrolyseprosessen en utfordring:

– Du mister om lag 20 prosent av strømmen i et ideelt scenario, sier Egeland-Eriksen. Et problem er at elektrolyse trenger mest mulig jevn strømtilførsel, men i et vindkraftanlegg er det store svingninger i effektensom reduserer virkningsgraden i elektrolyseprosessen. Dette er det foreløpig relativt lite testing på.

Det finnes vindkraftanlegg på land som produserer hydrogen, men virkningsgraden er som oftest lav også der hvis man kun bruker vindkraften som strømkilde. Utfordringen er store svingninger i mengden strøm som produseres fra vindkraft, så man må i så fall bruke strøm fra strømnettet til å kompensere for svingningene i vindkraften.

– Det er mulig å bruke batterier til å jevne ut strømmen som brukes som input i produksjonen av hydrogen, forklarer Egeland-Eriksen.

Men batteriteknologi er også dyrt så det vil ikke lønne seg å ha så store batterier at hydrogenproduksjonen kan holdes helt jevn og på ønsket nivå.

– Resultatene av våre simuleringer viser at batterier ikke lønner seg i noen scenarioer i vårt system, men det er mulig at de økte svingningene i et reelt system vil gjøre at det vil være lurt med noe batterikapasitet. Dette ønsker vi å se nærmere på fremover, spesielt for off-grid systemer.

Egeland-Eriksen mener det mest optimale sannsynligvis vil være å ha datamodeller som forutser strømproduksjon, strømpris og hydrogenpris, og algoritmer som basert på dette styrer hvorvidt strømmen skal selges eller brukes til hydrogenproduksjon i hver forhåndsdefinerte tidsperiode.

– Det er utviklingen og testingen av et slikt system jeg kommer til å jobbe med i doktorgradsarbeidet mitt fremover, sier han.

Havvind er ikke bare science fiction

Ifølge Egeland-Eriksen finnes det havvind-kraftverk i dag, men de fleste befinner seg relativt nær kysten og de fleste er også bunnfaste. Det vil si at fundamentene til turbinene står på sjøbunnen på relativt grunt vann. Disse anleggene har ikke nødvendigvis så mye større utfordringer enn landbaserte anlegg, og strømmen som produseres kan transporteres med en strømkabel uten at den tilhørende kostnaden blir for høy.

29. mars 2023 la regjeringen ut de første områdene for konsesjon til å drive med havvind. Løsningen for hva som blir den endelige transportformen for energien ligger fremdeles et stykke frem i tid, og Egeland-Eriksen mener at samarbeid med andre land blir viktig:

– Vi kan få et teknologisk fortrinn ved å satse på havvind, men vi kan ikke bygge opp en havvindindustri alene, mener Egeland-Eriksen. For å løse den globale energiutfordringen må vi bruke rett løsning på rett plass. Norge har gode vindressurser sammenlignet med mange andre land.

Hydrogenproduksjon fra vindkraft avhenger ikke bare av konsesjon til havvind og vilje til å bygge en havvindpark:

– Det er nok en stund til vi eventuelt ser fullskala utbygging av den typen prosjekter som jeg ser på, forklarer Egeland-Eriksen. For at dette skal skje er vi også avhengige av å få høyere etterspørsel etter grønn hydrogen enn vi har i dag.

Les forskningsartikkelen:  

Torbjørn Egeland-Eriksen, Jonas Flatgård Jensen, Øystein Ulleberg, og Sabrina Sartori,  Simulating offshore hydrogen production via PEM electrolysis using real power production data from a 2.3 MW floating offshore wind turbine. International Journal of Hydrogen Energy, 2023