Elektrolysör på Kungsängens gård i Uppsala: Förnybar vätgasproduktion för ökad framställning av metan

Juni 2021

Elektrolysör på Kungsängens gård i Uppsala

Förnybar vätgasproduktion för ökad framställning av metan

Alicia Carredano Robertsson

Emelie Nordin

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

Besöksadress:

Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0

Postadress:

Box 536 751 21 Uppsala

Telefon:

018 – 471 30 03

Telefax:

018 – 471 30 00

Hemsida:

http://www.teknat.uu.se/student

Elektrolysör på Kungsängens Gård i Uppsala

Alicia Carredano Robertsson, Emelie Nordin

I Uppsala är elnätet hårt belastat vilket gör att den tillgängliga effekten är begränsad och varierar beroende på om det är höglasttid eller låglasttid. Ett sätt att förhålla sig till situationen är att ta

fram energieffektiva lösningar och att bättre utnyttja de resurser som redan finns tillgängliga. Vätgas är en molekyl som har många

tillämpningsområden och som därmed spelar en viktig roll i en sådan energiomställning. Projektet undersöker möjligheterna att integrera en elektrolysör, som skapar vätgas från vatten och elektricitet, till

metaniseringsprocessen på Kungsängens gård i Uppsala med hjälp av en simulering byggd i Excel. Kungsängens gård är en biogasanläggning där kompost och avfall omvandlas till biogas som i sin tur kan användas som bränsle till Uppsala Regionens bussar. Med en installerad solcellseffekt på 4 200 kW och drygt 3 000 kW installerad effekt av vindkraftverk kan tre extra regionbussar och en extra stadsbuss drivas varje år med en elektrolysör på 2 000 kW. Med enbart en installerad solcellseffekt på 4 200 kW kan två extra regionbussar och en extra stadsbuss drivas varje år med hjälp av en elektrolysör på 1 800 kW. I båda scenarierna skulle det dock krävas en vätgastank för att kompensera för säsongsvariationer i energitillförseln till elektrolysören. Även scenarier där el från

elnätet används undersöks i projektet. Att använda vätgasen direkt som bränsle, alternativt omvandla vätgasen till el med en bränslecell och använda denna för att driva elbussar, skulle kunna driva ungefär dubbla antalet bussar men skulle kräva nya investeringar.

ISSN: 1401-5757, UPTEC F21 022 Examinator: Ken Welch

Ämnesgranskare: Martin Sjödin Handledare: Marcus Nystrand

Förord

Vi vill börja med att tacka Erik Edström på STUNS energi som hjälpte oss att hitta det här projektet och som stöttat och bidragit med positiv energi från dag ett. Sedan vill vi tacka Marcus Nystrand på Region Uppsala som svarat på alla våra frågor och som gett oss mycket bra vägledning. Vi vill även tacka studenterna Lovisa Stenhammar, Vilma Grehn och Fredrik Munters för trev- liga fredagsmöten och roligt samarbete. Sist men inte minst vill vi tacka Carl Flygare på Uppsala Universitet som varit till stor hjälp under hela projektets gång och som gett oss värdefull återkoppling på såväl rapportskrivandet som modellbyggandet.

Uppsala/Knivsta, maj 2021 Alicia och Emelie

Innehåll

1 Introduktion 3

1.1 Studiens syfte . . . . 4

1.2 Frågeställningar . . . . 4

1.3 Begränsningar . . . . 4

2 Bakgrund 5 2.1 Kungsängens gård . . . . 5

2.2 Bussar i Region Uppsala . . . . 6

2.3 Tankstation biogas . . . . 6

2.4 Solceller . . . . 6

2.5 Vindkraftverk . . . . 7

2.6 Rågas och rötslam . . . . 7

2.7 Vätgas som drivmedel . . . . 7

3 Teori 8 3.1 Vätgas . . . . 8

3.1.1 Elektrolys av vatten . . . . 9

3.1.2 Bränslecell . . . . 9

3.1.3 Vätgastank . . . . 10

3.2 Metanisering . . . . 10

3.3 Vindkraftverk . . . . 11

4 Metod 12 4.1 Program och material . . . . 12

4.2 Utförande . . . . 12

4.2.1 Omvandlingsfaktorer . . . . 12

4.2.2 Elektrolysör . . . . 13

4.2.3 Elproduktion från solceller och vindkraftverk . . . . 14

4.2.4 Höglasttid och Låglasttid . . . . 15

4.2.5 Hur många bussar biogasen räcker till . . . . 15

5 Resultat 16 5.1 900 kW installerad solcellseffekt . . . . 16

5.2 4 200 kW installerad solcellseffekt . . . . 17

5.3 Vätgas som drivmedel . . . . 22

5.4 Felkällor och förbättringar . . . . 23

6 Diskussion 24 6.1 Utvärdering av de olika fallen . . . . 24

6.2 Lagring och hantering av fluktuationer i energitillförseln . . . . 25

6.3 Var vätgasen gör mest nytta . . . . 26

7 Slutsats 27 7.1 Vidare utredning . . . . 27

8 Referens 28 8.1 Litteraturreferenser . . . . 28

8.2 Figurreferenser . . . . 30

1 Introduktion

I en värld där hållbarhet och klimatsmarta lösningar får alltmer uppmärksamhet växer behovet av att helt kunna förlita sig på förnybara källor och byta ut fos- sila energikällor mot grönare alternativ, det vill säga alternativ som inte släpper ut lika mycket växthusgaser. Uppsala siktar på att vara fossilfritt och förnybart år 2030 samt att vara en klimatpositiv kommun år 2050[18]. Med “klimatpositiv”

menas att kommunen ska uppnå nettonegativa utsläpp av koldioxid. En viktig nyc- kel för att uppnå detta är transportsektorn. År 2019 stod kollektivtrafiken för 34

% av utsläppen av växthusgaser inom Region Uppsala, motsvarande 11 213 ton koldioxidekvivalenter[17]. Dock minskade utsläppen år 2019 jämfört med 2018 vil- ket tyder på att utvecklingen går i rätt riktning. Idag (2021) drivs drygt hälften av Uppsala Regions bussar av diesel medan resterande drivs av biogas som till största del tillverkats vid biogasanläggningen på Kungsängens gård. I nuläget framställs biogasen genom rötning av organiskt material (avlopp och kompost). Rågasen mås- te renas för att uppnå tillräckligt hög metanhalt[1] innan den kan användas som biogas. Biogasen består till 97 % av metan medan resterande del främst består av koldioxid men också en liten mängd vatten samt andra föreningar[19]. Det finns planer på att integrera en elektrolysör till metaniseringen på anläggningen för att öka metanproduktionen. En elektrolysör använder elektricitet för att spjälka vatten och bilda syrgas och vätgas. Med hjälp av vätgasen går det att utvinna en större andel metan ur den rågas som bildas vid rötningsprocessen.

Det som krävs för att elektrolysen och metaniseringen ska kunna fortgå är en stän- dig tillförsel av elektricitet, vatten och rågas. Tillgången på vatten och rågas antas i det här projektet vara god. För att vätgasen som bildas vid elektrolysen ska be- nämnas som grön behöver elektriciteten som används komma från förnybara källor.

I fallet på Kungsängens gård är sol- och vindkraft de förnybara energikällor som är aktuella. Dessa intermittenta energikällor genererar inte ett konstant flöde av ener- gi, exempelvis är det mer solljus på sommaren och mer vind på vintern i Sverige vilket skapar fluktuationer i energitillförseln som måste tas hänsyn till. Dessutom råder effektbrist i Uppsala.

De senaste åren har elnätet nått sin maximala belastning 150-200 timmar per år[20]

vilket har blivit ett växande problem som starkt påverkas av utetemperaturen under vinterhalvåret. Den tillgängliga effekten från elnätet är baserad på övrig användning i samhället. Effektbristen är ett resultat av att elnätet inte hunnit utvecklats i takt med den ökande elanvändningen. Efterfrågan på el har bland annat ökat till följd av en hög historisk tillväxt av staden i samband med en ny industrialisering där elenanvändning står i fokus när fler vill gå över till miljövänligare alternativ[12].

Att fler köper elbil belastar också nätet eftersom dessa kräver hög momentan effekt när de laddas och många laddar bilen ungefär samma tid på dygnet. En minskad lönsamhet för kraftvärmeproduktion har även gjort att den lokala elproduktionen har minskat[20].

Figur 1: Flödesschema över elektrolysen och metaniseringen som gjordes vid pro- jektets början för att få en överblick över alla ingående flöden.

1.1 Studiens syfte

Projektets mål är att bygga en modell som simulerar flöden av vätgas och biogas vid integrering av en elektrolysör till metaniseringsprocessen på Kungsängens gård i Uppsala.

1.2 Frågeställningar

• Vilken elektrolysöreffekt bör Region Uppsala välja givet de omständigheter som finns i Uppsala gällande solceller, vindkraft samt tillgång på elektricitet från elnätet?

• Hur mycket ytterligare biogas kan biogasanläggningen ta fram med en inte- grerad elektrolysör?

1.3 Begränsningar

För att åstadkomma resultatet i den här rapporten antas att elektrolysören är igång 24 timmar om dygnet under årets alla dagar. Undersökningen tar ej hänsyn till att den exempelvis skulle vara avstängd en period för förebyggande underhåll och reparationer. Elektrolysören förväntas således fungera felfritt. Vidare antas att metaniseringsprocessen använder all vätgas från elektrolysören.

2 Bakgrund

I det här avsnittet presenteras de förutsättningar som ligger till grund för projektets antaganden och modellens uppbyggnad.

2.1 Kungsängens gård

Vid Kungängens gård i Uppsala har Uppsala Vatten en biogasanläggning (se karta i Figur 2) som tar fram både biogas och biogödsel. Denna biogasanläggning använder bland annat matavfall, slakteriavfall och andra organiska avfall till framställningen.

Den höga temperaturen i tankarna hygieniserar det sönderdelade materialet för att smittförenade mikroorganismer skall försvinna. Därefter sker en anaerob (utan syre) termofil process som bryter ner det organiska materialet vilket resulterar i biogas samt biogödsel. Biogödslet transporteras till närliggande lantbrukare och biogasen tas vidare till tankstationer för att kunna användas som bränsle till Uppsalas bussar.

En mindre del av biogasen går även till uppvärmning[1]. Modellen i detta projekt bygger på en tidigare gjord förstudie från 2017 som erhållit data för produktion och konsumtion av elektricitet, vätgas, syrgas och värme på Kungsängens gård för en elektrolysör med 600 kW vätgaseffekt.

Kungsängens gård producerar i dagsläget ungefär 10 ton biogas per dygn (Mar- cus Nystrand 2021-04-30). Detta räcker till att driva ungefär 65 regionbussar som vardera kör 134 300 kilometer under ett år. Den metan som biogasen består av kommer helt från rågasen som produceras från avfallet, det vill säga ingen vätgas är involverad i den nuvarande produktionen.

Figur 2: Karta över var biogasanläggningen vid Kungsängens gård är belägen. Röd rektangel visar inzoomad bild. Google 2021. Bilder©CNES / Airbus, Lantmäteri- et/Metria, MaxarTechnologies, Karta. ([29])

2.2 Bussar i Region Uppsala

Region Uppsala äger 80 regionbussar, varav 12 dubbeldäckare, och 180 stadsbussar, varav 60 ledbussar. Av dessa är drygt hälften biogas- eller gashybridbussar me- dan resterande bussar drivs av biodiesel (Marcus Nystrand 2021-04-08). Biogasen till Uppsalas bussar produceras till största del på Uppsala Vatten & Avfalls AB:s biogasanläggning vid Kungsängens gård och levereras till bussdepån via rörledning- ar[3].

Servicekostnaderna för en biogasbuss har enligt Energigas Sverige förbättrats kraf- tigt i takt med ökad kunskap och är på en jämförbar nivå med en dieselbuss. En studie av IVL visar att biogasbussar är mer kostnadseffektiva jämfört med elbussar trots den stora skillnaden i energieffektivitet[4].

På stadsbussdepån är den tillgängliga effekten beroende på om det är höglast- tid eller låglasttid. Med höglasttid avses tiden mellan klockan 06-22, övrig tid på dygnet benämns som låglasttid. Under låglasttiden finns 4 MW tillgänglig effekt medan den tillgängliga effekten under höglasttiden endast är 1 MW (Marcus Nyst- rand 2021-04-25). Dessa värden används i simuleringen som begränsningar även på Kungsängens gård och elektrolysören.

2.3 Tankstation biogas

För tillfället finns en tankstation för allmänheten intill biogasanläggningen vid Kungsängens gård. Dessutom finns en tankstation vid Siktargatan, men som endast är till för stadsbussarna i Uppsala. Under våren 2021 öppnas även en tankstation i Librobäck[2]. Det är på taket av bussarna som gastuberna finns för påfyllning av biogas. För att tanka dessa typer av bussar behöver tankningen ske under flera timmar[3].

2.4 Solceller

Solceller finns placerade dels på regionbussdepån, totalt 408 kWp installerad effekt.

KiloWattpeak, förkortat kWp, är den enhet som används för att mäta en solcells toppeffekt under specifika “sommardagsliknande” förhållanden (Standard Test Con- ditions)[28]. Fler solceller, med en installerad effekt på 4 200 kWp, finns 800 meter västerut. Dessa ägs av fastighetsbolaget Vasakronan. På nya stadsbussdepån kom- mer det installeras ytterligare 500 kWp och intill Kungsängens gård har SLU planer på att installera 254 kWp (Marcus Nystrand 2021-04-19). I det här projektet stude- ras två olika alternativ av installerad solcellseffekt: 900 kW och 4 200 kW. Effekten 900 kW väljs eftersom detta är den installerade effekt solceller som finns på buss- depåerna. Effekten 4 200 kW väljs eftersom detta är den mängd installerad effekt solceller som Vasakronan äger och som potentiellt skulle kunna användas till att driva elektrolysören.

Solkraft är en intermittent källa vars energiproduktion beror på hur mycket so- len skiner. På sommarhalvåret i Sverige producerar solceller betydligt mer energi

än under vintern eftersom solinstrålningen är större då. Data för solelsproduktion hämtas från Energiportal Region Uppsala[15].

2.5 Vindkraftverk

I dagsläget finns det inga vindkraftverk som skulle kunna användas för att driva den planerade elektrolysören på Kungsängens gård. Den typ av vindkraftverk som dock skulle kunna komma att bli aktuella i framtiden är vertikalaxalade vindkraftverk med en höjd på maximalt 30 meter (Marcus Nystrand 2021-04-19). Dessa skulle i sådant fall placeras ut i närområdet kring stadsbussdepån.

Vindkraft är, likt solkraft, en intermittent energikälla och producerar enbart energi när det blåser. I Sverige blåser det mer under vinterhalvåret än under sommarhalv- året (SMHI). Vindhastigheten spelar en stor roll för vindkraftverkets momentana effekt. Vindkraftverk har vanligtvis en starthastighet och en stopphastighet mellan vilka verket är i drift. Utanför dessa hastigheter är det inte lönsamt att ha verket igång. Data över vindhastigheter till simuleringen hämtas från SMHI[14].

2.6 Rågas och rötslam

Rågas är den sumpgas som skapas vid den rötning av matavfall och andra organiska avfall (substrat) som sker på Kungsängens gård. För att kunna använda denna gas som fordonsgas måste rågasen raffineras och minst 97 % måste vara metan. Vid denna reningsprocess tas koldioxiden och andra föroreningar bort[5].

Rötningen producerar inte bara rågas utan även rötslam vilket kan användas som biogödsel. Växtnäringingseffekten är det viktigaste som biogödslet ger upphov till, men den ökade kolhalt till marken är också fördelaktigt där marken har låg mull- halt[25].

2.7 Vätgas som drivmedel

Vätgas kan användas på olika sätt för att driva ett fordon, inte bara kan den använ- das som fordonsgas direkt, men även för att skapa mer biogas vid metanisering. I avsnitt 3.2 beskrivs metaniseringsprocessen samt vätgasens betydelse i denna pro- cess. Vissa fordon använder istället för biogas en bränslecell inuti sig och kan på det sättet utnyttja vätgasen till att skapa el. I avsnitt 3.1.2 beskrivs bränslecellens funktion mer ingående. Kilometerpriset skiljer sig en del mellan de tre bränslety- perna vilket visas och diskuteras i avsnitt 5.3 respektive avsnitt 6.3.

3 Teori

I det här avsnittet beskrivs de formler och kemiska processer som ligger till grund för de olika delarna i modellen. Avsnittet innehåller även mer ingående fakta om centrala ämnen i projektet.

3.1 Vätgas

Väte är det vanligaste och lättaste grundämnet och är vid normalt tryck och rumstemperatur i gasform. Först vid en temperatur på -253 grader Celcius an- tar vätgas flytande form, vid atmosfärstryck. Energidensiteten per massenhet (eng:

Gravimetric Density) är för vätgas hög, men energidensiteten per volymenhet (eng:

Volumetric Density) är däremot låg. Se Figur 3 för jämförelse av energidensiteten hos vätgas gentemot andra ämnen. Flera olika energikällor kan användas för att framställa vätgas, vilket skulle kunna utnyttjas för att förhindra ett beroende av enbart en eller ett fåtal energikällor[9].

Figur 3: Energidensiteten hos vätgas jämfört med andra ämnen. [30]

Ett vanligt sätt att tillverka vätgas är från naturgas. En nackdel med denna typ av framställning är den mängd koldioxid som den ger upphov till. Den här reaktionen är endoterm och kräver därför även en stor mängd energi[10]. En endoterm reaktion är en kemisk reaktion som upptar energi från omgivningen. Vätgas framställd på det här sättet är till skillnad från den förnybara vätgasen inte miljövänlig eftersom naturgas är ett fossilt bränsle. Att framställa vätgas från förnybara energikällor såsom sol, vind och biomassa är ett mer intressant tillvägagångssätt ur hållbarhets- synpunkt.

Raffinaderier använder vätgas för att omvandla råolja till bensin och diesel. Vätga- sen används också för att tillverka ammoniak. Industrier använder vätgas och har gjort under lång tid. Detta har med tiden lett till att säkerheten kring hanteringen av vätgas förbättrats. Några egenskaper hos vätgas som industrin blivit bättre på att hantera är dess lätthet och explosivitet[9].

3.1.1 Elektrolys av vatten

Elektrolys är en process som utnyttjar vatten och elektricitet för att framställa vätgas på ett miljövänligt sätt. Det är denna process som sker i elektrolysören.

Ekvation (1) nedan visar den kemiska formeln för den endoterma reaktionen som sker. Vattnet spjälkas till vätgas och syrgas.

2H₂O + 487 kJ −→ 2H2+ O₂ (1)

3.1.2 Bränslecell

För att omvandla vätgasens kemiska energi till elektricitet kan en bränslecell an- vändas. När elektricitet används för att framställa vätgas, som i elektrolysören, är verkningsgraden 60-70 %. Verkningsgraden för en bränslecell, som utför den omvän- da kemiska reaktionen för elektrolys, är 50-60 % och om värmen dessutom utnyttjas till uppvärming blir verkningsgraden högre[11]. Detta kan jämföras med en bensin- motor som har en verkningsgrad på 30-35 %[21]. Bränslecellen lämpar sig väl för användning vid längre drifttider då den kan lagra större energimängder än till ex- empel ett batteri samt att den inte ökar lika mycket i vikt för längre drifttider som batterier. Batterier är dock lättare för drifttider upp till ca 2 timmar[23], men för tyngre fordon som färdas långa sträckor är bränslecellen det bättre alternativet. Bat- terier och bränsleceller kan användas tillsammans för att optimera lagringssystemet.

En bränslecell består av två elektroder, en positiv som kallas för anod och en negativ som kallas för katod, som separeras av en elektrolyt. På anodsidan delas vätemole- kylerna upp i protoner och elektroner. Elektrolyten släpper bara igenom protoner vilket tvingar elektroner att passera genom en extern krets och på så sätt generera elektricitet. När protonerna och elektronerna sedan möts på katodsidan reagerar de med syret från luften och bildar vatten[9]. Se Figur 4 för illustration av en bränsle- cell. Den exoterma kemiska reaktionen visas i ekvation (2). En exoterm reaktion är en kemisk reaktion som avger energi till omgivningen. De enda utsläppen från att utvinna elektricitet från vätgas är därmed vatten och värme.

2H2+ O2 −→ 2H2O + 487 kJ (2)

För att beräkna hur mycket elektricitet som bränslecellen genererar antas att verk- ningsgraden multiplicerat med den kemiska energin i bränslet (vätgasen) som stop- pas in är lika med den elektriskt genererade energin. Exempelvis innebär då en verkningsgrad på 45 % och 10 000 kWh vätgas en genererad elektrisk energi på 4 500 kWh.

Figur 4: Enkel illustration av en bränslecell.

Mängden syrgas och vatten bestäms genom att anta att antalet x mol syrgas är hälften så många som antalet mol vätgas (därav faktorn 2 i nämnaren i ekvation (3)) och antalet mol vatten är lika många som antalet mol vätgas. Givet en mängd vätgas i kWh beräknas x enligt ekvation (3), med en enhetsanalys går det att bekräfta att enheten för x blir “mol” med denna ekvation. Faktorerna i nämnaren är vätgasens energiinnehåll per massenhet samt vätgasens molmassa.

x = Mängd vätgas [kWh]

2 × 33.6[^kWh_kg ] × 2.016 × 10⁻³[_mol^kg ] (3) 3.1.3 Vätgastank

I takt med att förnybara källor i större utsträckning börjar användas för att generera elektricitet ökar behovet av att kunna lagra energi. Vätgas kan användas både för att lagra och transportera energi. Att energidensiteten är låg per volymenhet kan däremot göra detta komplicerat. Lagring av vätgas görs oftast genom att kyla ner vätgasen till flytande form eller genom att komprimera den med högt tryck. Detta för att den ska ta mindre plats. Att använda vätgas till energilagring är fördelaktigt bland annat eftersom vätgas kan lagras i stora mängder över tid. Vätgastanken och bränslecellen bildar tillsammans ett system där energin i vätgasen både kan lagras och omvandlas till elektricitet.

Volymen V som krävs för att lagra en mängd m kg vätgas vid trycket P och den absoluta temperaturen T visas i ekvation (4). Ekvationen innehåller även kom- pressibilitetsfaktorn Z, molarmassan M för vätgas och gaskonstanten R. Kompres- sibilitetsfaktorn varierar beroende på trycket.

V = Z_M^RT · m

P (4)

3.2 Metanisering

Metanisering kan utföras på två olika sätt, genom en biologisk eller kemisk om- vandling. Den biologiska omvandlingen sker med hjälp av mikroorganismer och den kemiska reaktionen sker med heterogen katalys (katalysatorn och reaktanterna i oli- ka aggregationstillstånd) för reduktion av koldioxid[26]. Ekvation (5) visar att det

krävs vätgas och koldioxid för att skapa metan. Detta gäller både för den kemiska och den biologiska framställningen av metan. Koldioxiden finns i rågasen som fram- ställs på Kungsängens gård. Efter rötningsprocessen av det organiska materialet består rågasen av 65 % metan och 35 % koldioxid[1]. Det är denna andel koldioxid som är tänkt ska reagera med vätgasen.

Det som skiljer den kemiska och den biologiska framställningen är att den kemis- ka framställningen kräver en hög temperatur, 250 ^◦C, samt ett kontinuerligt flöde av reaktanter[26]. Reaktanter är komponenter som ingår i en kemisk reaktion där de omvandlas till ett annat ämne[24]. I det här projektet varierar elektrolysörens tillgång på energi vilket innebär att den inte kommer producera ett kontinuerligt flöde av vätgas. Den kemiska framställningens beroende av ett kontinuerligt flöde av reaktanter är därför en nackdel i det här fallet. En möjlig lösning på det här behovet är att använda en vätgastank för att skapa en buffert av vätgas för att senare kunna distribuera vätgasen i ett kontinuerligt flöde.

CO₂+ 4H₂ −→ CH₄+ 2H₂O +energi (5) Spillvärmen från både den kemiska och den biologiska framställningen skulle kun- na användas till närliggande processer på biogasanläggningen. Dock är spillvärmen från den kemiska framställningen mer användbar då denna har en högre temperatur.

Ekvation (5) visar även att vid den kemiska reaktionen som sker vid metanfram- ställningen avges energi till omgivningen. I dagsläget används värmen som skapats i den anläggning som finns på Kungsängens gård, men vid en ökad produktion av metan skulle den överflödiga värmen även kunna gå till fjärrvärmenätet i Uppsala.

Mikroorganismerna kan å andra sidan hantera både ett lägre temperaturintervall och fungerar även om vätgasen inte kommer i ett kontinuerligt flöde. En fördel med framställning av biogas med hjälp av metanproducerande mikroorganismer är att denna reaktion kan uppnå fullt produktionstempo väldigt snabbt. En konsekvens av att använda mikroorganismer med dess snabba upp- och nedtrappning är att behovet av ett vätgaslager försvinner samt användningen av en katalysator vilket bidrar till lägre kostnader. Däremot är reaktortyperna dyrare för den biologiska me- taniseringen. Eftersom denna typ av framställning endast sker vid en temperatur på 60 till 70 ^◦C kan inte värmen utnyttjas på samma sätt som för den kemiska framställningen[26].

3.3 Vindkraftverk

Effekten för vindkraftverken kan beräknas enligt ekvation (6), där ρ är densiteten på luft (1,225 kg/m³), v är vindhastigheten, A är arean som sveps ut av turbin- bladen (turbinbladens diameter × turbinhöjden) och µ är verkningsgraden. Verk- ningsgraden beror på turbinens effektivitet, förluster till följd av andra turbiner i närområdet, terrängen, mekaniska förluster, elektriska förluster samt tidsperioder då turbinen är avstängd till följd av av maskinfel eller underhåll.

P_output = µ · 0, 5 · ρ · v³ · A (6)

4 Metod

I det här avsnittet beskrivs programval samt framtagningen av modellens olika delar och hur den inhämtade datan användes. I simuleringen är alla dessa delar samman- kopplade och påverkar varandra.

4.1 Program och material

I detta projekt används Microsoft Excel, VBA (Visual Basic for Applications).

Detta är fördelaktigt eftersom modellen ska vara användarvänlig och tillgänglig att använda även för personer som inte har tillgång till MATLAB eller liknande licensprogramvaror. Dessutom är Excel smidigt och pedagogiskt att använda vid datahantering.

4.2 Utförande

4.2.1 Omvandlingsfaktorer

Till att börja med togs omvandlingfaktorer fram för alla inblandade ämnen utifrån de värden som tagits fram i förstudien. För detta användes värden som motsvarade ett helt års produktion. Exempelvis krävdes 3 000 000 kWh elektricitet under ett år till elektrolysören (600 kW vätgas effekt, 3000 drifttimmar) för att producera 1 800 000 kWh vätgas. Omvandlingsfaktorn från elektricitet till vätgas blev därmed 1 800 000/3 000 000 = 0.6 kWh H2 / kWh elektricitet. För vatten, vätgas, syrgas och värme som är ämnen som ingår i elektrolysen beräknades respektive omvand- lingsfaktor som mängden av ämnet dividerat med nödvändig elektricitet. Medan för rågas, biogas, värme och vatten som ingår i metaniseringen beräknades respektive omvandlingsfaktor som mängden av ämnet dividerat med nödvändig vätgas. Detta gjorde att metaniseringen kunde göras beroende av mängden vätgas i simuleringen.

De framtagna omvandlingsfaktorerna visas i Tabell 1 och 2.

Tabell 1: Omvandlingsfaktorer för elektrolysen Ämne Omvandlingsfaktor

Vatten 0.1596 kg H₂O/kWh el Vätgas 0.6 kWh H₂/kWh el Syrgas 0.1454 kg O₂/kWh el Värme 0.3 kWh värme/kWh el

För att beräkna hur mycket vatten och koldioxid som krävdes eller producerades användes den kemiska formeln för processen, det vill säga ekvation (1) för elektroly- sen och ekvation (5) för metaniseringen. Elektrolysen kräver exempelvis lika många mol vatten som vätgas och metaniseringen kräver det lika många mol koldioxid som metan. För att sedan beräkna mängden nödvändig rågas dividerades mängden koldioxid med 0.375 till följd av att rågasen antogs bestå av 37.5 % koldioxid. Vid omvandlingen från mol till kg användes molekylens molmassa.

Tabell 2: Omvandlingsfaktorer för metaniseringen Ämne Omvandlingsfaktor

Rågas 0.4228 kg Rågas/kWh H₂ Metan 0.8 kWh CH₄/kWh H₂ Värme 0.15 kWh Värme/kWh H₂ Vatten 0.0649 kg H₂O/kWh H2

Omvandlingsfaktorerna kunde sedan användas i modellen för att göra den gene- rerade datan mer generell, så att det gick att variera effekt och antal drifttimmar hos elektrolysören.

4.2.2 Elektrolysör

För att beräkna nödvändig effekt hos elektrolysören användes ekvation (7). I denna ekvation används konstanten 0.0002778 vilket är hur många Wh som motsvarar en Joule.

Pelektrolysör[kW] = El[kWh]

sekunder per år × 1 0.0002778

hJoule Wh

i× timmar per år drifttimmar (7)

Vätgaseffekten hos elektrolysören beräknades på samma sätt men där byttes El [kWh] ut mot producerad vätgas [kWh]. För att beräkna nödvändig elektrolysöref- fekt givet enbart en dags elektricitetstillförsel användes antalet sekunder per dag och timmar per dag istället. Om antalet drifttimmar är få kommer den sista fak- torn att bli stor och därmed göra att det krävs en högre effekt hos elektrolysören än om antalet drifttimmar skulle vara fler. Elektrolysörens effekt togs fram så att all tillgänglig elektricitet kunde utnyttjas.

I det här projektet kommer elektriciteten till elektrolysören från solceller, vind- kraftverk samt från elnätet. Resultatet har delats upp i 6 olika scenarion med 12 olika fall där energikällorna och tiden på dygnet då elektrolysören är igång varierar.

Förhållandena som råder i varje fall beskrivs i Tabell 3.

Varje scenario är uppbyggt av en höglasttid och en låglasttid. I scenario 1-3 an- vänds en solcellseffekt på 900 kW, medan för scenario 4-6 används en solcellseffekt på 4 200 kW. I scenario 1 och 4 används enbart solceller som energikälla. För sce- nario 2 och 6 läggs även vindkraft till som energikälla. För dessa fyra scenarion är energiproduktionen förnybar. I scenario 3 och 6 används även el från elnätet. Stor- leken på den tillgängliga effekten från elnätet beror på om det är höglasttid eller låglasttid.

Tabell 3: Beskrivning av fallen

Scenario Fall Låglasttid/Höglasttid [L/H]

Solceller [900/4200 kW]

Vindkraft [3000 kW]

El från elnätet [1 MW/4 MW]

1 1 L 900

2 H 900

2 3 L 900 Ja

4 H 900 Ja

3 5 L 900 Ja Ja

6 H 900 Ja Ja

4 7 L 4 200

8 H 4 200

5 9 L 4 200 Ja

10 H 4 200 Ja

6 11 L 4 200 Ja Ja

12 H 4 200 Ja Ja

4.2.3 Elproduktion från solceller och vindkraftverk

Vindkraftverken antogs kunna placeras ut i en area lika stor som den röda cirkeln innesluter i Figur 5. Området är ca 0.5 km². Vidare antogs att det krävdes ett avstånd på 4-6 rotordiametrar mellan verken[13]. De vindkraftverk som togs i be- aktande i det här projektet är vindkraftverk på 25 kW från företaget Vertical Wind AB. Dessa har en rotordiameter på 11 meter och är lönsamma för vindhastigheter på 3-22 m/s. Genom att därmed uppskatta att vindkraftverken skulle stå på 66 me- ters avstånd från varandra beräknades att det skulle få plats 121 vindkraftverk på den givna arean (700 meter × 700 meter ≈ 0.5 km², 700/66 ≈ 11 och 11 × 11=121).

Ekvation (6) användes tillsammans med nedladdad data över vindhastigheter över ett år[14]. Vindhastigheterna uppmättes av SMHI på mätstationen “Uppsala Flyg- plats” som ligger i området utanför Ärna och Gamla Uppsala. Denna mätstation valdes över de andra mätstationerna i Uppsala eftersom den ligger längst bort från stadskärnan och därmed befinner sig i liknande vindförhållanden som den eventu- ella vindkraftsparken skulle stå i.

Högupplöst historisk (1 minuts upplösning) data av solelproduktionen hämtades för att få en uppskattning av hur mycket effekt som produceras av solcellerna under ett år. Den solproduktion som användes i detta projekt kommer från regionbuss- depån som sammanlagt har en installerad effekt på 407 kW. I simuleringen gjordes det sedan möjligt för användaren att skala denna soleffektsdatan efter angiven in- stallerad effekt. Exempelvis ger en installerad effekt på 814 kW en dubbelt så stor energiproduktion.

Figur 5: Området där de potentiella vindkraftverken skulle kunna stå. Den röda ringen är en approximation av arean på det område som skulle kunna vara aktuellt för utplacering av vindkraftverken. Google 2021. Bilder©CNES / Airbus, Lantmä- teriet/Metria, MaxarTechnologies, Kartdata©2021 ([31])

4.2.4 Höglasttid och Låglasttid

I simuleringen delades resultatet upp i höglasttid och låglasttid på grund av att tillgänglig elektricitet från elnätet samt solcellsproduktion varierar kraftigt mellan dessa tider. Solcellseffekten var ursprungligen angiven per minut och vindhastighe- terna var angivna per timme. För att kunna jämföra resultatet mellan höglasttid och låglasttid gjordes datan om så att den istället angavs med avseende på dessa tider.

För solcellsdatan beräknades först medeleffekten per timme. Därefter beräknades medeleffekten för varje dygns höglasttid och låglasttid genom att ta medelvärdet av de tillhörande timmarna. Höglasttiden består av 16 h och låglasttiden består av 8 h. På samma sätt beräknades en medelvindhastighet för varje dygns höglast- tid och låglasttid. För höglasttiden dividerades summan av effekterna respektive vindhastigheterna med 16 och för låglasttiden dividerades summan med 8 för att få medelvärdena.

4.2.5 Hur många bussar biogasen räcker till

För att beräkna antalet extra biogasbussar som den årligt producerade biogasen räckte till att driva under ett år antogs att varje buss kör 134 300 kilometer per år och drar 0.42 kg (5.45 kWh) biogas per kilometer. Dessutom antogs att den totala mängden biogas var jämnt fördelad över året. Sträckan 134 300 kilometer är vad en genomsnittlig UL regionbuss kör under ett år. En UL stadsbuss kör i genomsnitt ungefär hälften så långt per år (65 000 kilometer) och drar bara 0.37 kg biogas per kilometer (Marcus Nystrand 2021-04-08). Därmed drar 1 regionbuss ungefär lika mycket som 2.3 stadsbussar.

5 Resultat

I det här avsnittet presenteras tabeller och grafer som tagits fram med hjälp av simu- leringen. Graferna är baserade på de olika scenarierna som är beskrivna i metoden.

I avsnitt 5.1 och 5.2 presenteras tabeller över resultatet för de två olika mängderna installerade solcellseffekt. Elektrolysörens effekt valdes så att den skulle kunna dri- vas av nästintill all tillgänglig energi för den dag på året då energitillförseln är som störst. Den årliga biogasproduktionen som presenteras i Tabell 4 och 5 förutsätter att all producerad vätgas används till metaniseringen. Grafer över vätgasproduktio- nen har tagits fram för alla scenarion förutom Scenario 1. Anledningen till detta är att Scenario 1 inte ger en tillräcklig produktion av biogas för att driva en hel bio- gasbuss. Resterande scenarion har däremot potential att vara lönsamma i praktiken.

En graf över biogasproduktionen samt en tabell över mängderna av de övriga proces- singående ämnena har tagits fram för Scenario 4 och 5 eftersom dessa scenarion har störst biogasproduktion helt baserad på förnybara energikällor. Överskottsproduk- tion och tankstorlek diskuteras också endast för dessa två scenarion. Dels eftersom de har störst behov av en tank i och med att de har störst säsongsvariation i bio- gasproduktionen, dels för att dessa scenarion inte beror av elnätet vilket är positivt med tanke på effektbristen.

5.1 900 kW installerad solcellseffekt

I Tabell 4 visas resultatet för Scenario 1-3. I Scenario 2 räcker den producerade biogasen till att driva totalt 1.53 regionbussar medan den producerade biogasen i Scenario 3 räcker till totalt 13.4 regionbussar. I Scenario 1 räcker inte den pro- ducerade biogasen till att driva en regionbuss under ett helt år. Dock motsvarar 0.56 regionbuss ungefär 1.3 stadsbuss (0.563×2.3=1.2949) vilken alltså biogasen i Scenario 1 skulle räcka till att driva under ett år.

Tabell 4: Resultat med 900 kW installerade solceller

Scenario Fall Elektrolysör [kW]

Vätgasproduktion [kWh/År]

Biogasproduktion [kg/År]

Extra biogasbussar [Antal/År] (km)

1 1 35 11 567 735 0.013 (1 746)

2 400 485 027 30 819 0.55 (73 865)

2 3 800 237 974 15 121 0.27 (36 261)

4 1 250 1 122 218 71 306 1.26 (169 218)

3 5 4 800 7 265 174 461 630 8.18 (1 098 570)

6 2 250 4 635 818 294 560 5.22 (701 046)

Figur 6: Visar variationen i vätgasproduktion mellan årets dagar för Scenario 2.

I detta scenario är solcellseffekten 900 kW och vindkraft inkluderas.

Figur 7: Visar variationen i vätgasproduktion mellan årets dagar för Scenario 3. I detta scenario är solcellseffekten 900 kW och vindkraft samt el från elnätet inkluderas.

5.2 4 200 kW installerad solcellseffekt

I Tabell 5 visas resultatet för Scenario 4-6. I Scenario 4 räcker den producerade biogasen till att driva totalt 2.6 regionbussar under ett år, biogasen produceras i det här scenariot främst under höglasttiden. I Scenario 5 räcker den producerade biogasen till att driva totalt 3.59 regionbussar under ett år. Här produceras en större andel biogas under låglasttiden än i Scenario 4. I Scenario 6 produceras tillräckligt med biogas för att totalt driva 15.5 regionbussar. I detta scenario produceras den största andelen biogas under låglasttiden.

Tabell 5: Resultat med 4 200 kW installerade solceller

Scenario Fall Elektrolysör [kW]

Vätgasproduktion [kWh/År]

Biogasproduktion [kg/År]

Extra biogasbussar [Antal/År] (km)

4 7 160 53 980 3 430 0.061 (8 058)

8 1 850 2 263 458 143 820 2.55 (342 465)

5 9 800 280 386 17 816 0.32 (42 976)

10 2 050 2 900 650 184 308 3.27 (439 161)

6 11 4 800 7 307 586 464 325 8.23 (1 105 290)

12 3 050 6 414 250 407 562 7.23 (970 989)

Figur 8: Visar variationen i vätgasproduktion mellan årets dagar för Scenario 4.

I detta scenario är solcellseffekten 4 200 kW och vindkraft exkluderas.

Figur 9: Visar variationen i vätgasproduktion mellan årets dagar för Scenario 5.

I detta scenario är solcellseffekten 4 200 kW och vindkraft inkluderas.

Figur 10: Visar variationen i vätgasproduktion mellan årets dagar för Scenario 6. I detta scenario är solcellseffekten 4 200 kW och vindkraft samt el från elnätet inkluderas.

För Scenario 4 och 5 har en graf över biogasproduktionen också tagits fram, se Fi- gur 11 och 12. Scenario 2 (se Figur 6) samt Scenario 3 (se Figur 7) har en relativt konstant produktion av vätgas över året eftersom solcellerna och vindkraftverken kompenserar varandra. Se Figur 13 för förhållande mellan de förnybara källornas produktion. Den totala vätgasproduktionen för Scenario 6 (se Figur 10) blir enbart en upphöjning av den totala vätgasproduktionen för Scenario 5 (se Figur 9). I Ta- bell 6 visas mängderna av övriga ämnen ingående i elektrolysen och metaniseringen för Scenario 4 och 5.

Tabell 6:Mängder av övriga ämnen i elektrolysen och metaniseringen för Scenario 4 och 5

Elektrolys Metanisering

Scenario Vatten [kg]

Syrgas [kg]

Värme [kWh]

Rågas [kg]

Värme [kWh]

Vatten [kg]

4 620 000 560 000 1 160 000 980 000 350 000 150 000 5 850 000 770 000 1 600 000 1 350 000 480 000 210 000

Figur 11: Visar variationen i biogasproduktion mellan årets dagar för Scenario 4.

I detta scenario är solcellseffekten 4 200 kW och vindkraft exkluderas.

Figur 12: Visar variationen i biogasproduktion mellan årets dagar för Scenario 5.

I detta scenario är solcellseffekten 4 200 kW och vindkraft inkluderas.

0 1000 2000 3000 4000 5000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Eekt [kW]

Timme på året

Förhållande mellan energiproduktion för de förnybara källorna

4200 kW installerad solcellse ekt 121 st 25 kW vindkraftverk 900 kW installerad solcellse ekt

Figur 13: Jämförelse av produktionen från de förnybara källorna. Den röda grafen är bakom den mörkblå grafen vilken i sin tur är bakom den gula grafen.

För att beräkna hur många bussar som biogasen räckte till i Tabell 4 och 5 antogs att den totala mängden vätgas och biogas som producerades under året gick att för- dela jämnt över årets dagar, detta är möjligt att uppnå med hjälp av en tank som kan “buffra” produktionen. I Figur 8 och 9 är det däremot tydligt att produktionen varierar mellan sommar och vinter. Produktionen verkar följa en klockformad trend där det maximala värdet uppnås på sommaren kring dag 180. I praktiken innebär detta att biogasproduktionen under vinterhalvåret skulle räcka till ett mindre extra antal bussar än vad som står i Tabell 4 och 5. På samma sätt skulle biogasen räcka till ett större extra antal bussar än vad som står i tabellerna under sommarhalvåret.

Detta är ett resultat av att solcellerna bidrar med mest energi under sommaren då solinstrålningen är som högst.

För att kunna driva ett maximalt jämnt antal bussar över hela året (det antal som är framräknat i Tabell 4 och 5) måste vätgasen, alternativt biogasen, lagras från sommaren till vintern. Till detta behövs en tank. Tankens storlek bestäms ge- nom att först beräkna medelvärdet av produktionen under året. Detta är det värde som den dagliga produktionen optimalt skulle ligga konstant på. Därefter summe- ras den mängd vätgas/biogas som ligger över medelvärdet för alla dagar. Detta är överskottet som ska lagras till de dagar då produktionen ligger under medel. De beräknade medelvärdena och överskotten visas i Tabell 7. Ett överskott på 910 000 kWh vätgas motsvarar ungefär 28 000 kg vätgas. I Figur 14 visas vilken volym som krävs för att lagra denna mängd vätgas, det vill säga vilken tankstorlek som skulle vara nödvändig för att lagra det årliga överskottet för Scenario 5. Volymen varierar beroende på trycket. För ett högre tryck behövs inte en lika stor tank för att lagra samma mängd vätgas som vid ett lägre tryck. En kraftig minskning i tankvolym sker för tryck upp till cirka 250 bar.

Tabell 7: Medelvärden och överskott för datan i Figur 8, 9 och Figur 11, 12. Över- skotten är summan av all produktion som ligger över medelvärdet. Värdena används för beräkning av tankstorlekar.

Scenario 4 Scenario 5 Medelvärde vätgas/dag: 6 300 kWh 8 700 kWh Medelvärde biogas/dag: 400 kg 550 kg

Totalt överskott vätgas: 900 000 kWh 910 000 kWh Totalt överskott biogas: 57 000 kg 58 000 kg

0 200 400 600 800 1000

Tryck [bar]

0 M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M

Volym [L]

Nödvändig vätgastankstorlek, 28 000 kg vätgas, 20°C

Figur 14: Visar nödvändig storlek på vätgastank för att, vid olika tryck, lagra 28 000 kg vilket är det totala överskottet av vätgas för Scenario 5. Överskottet för Scenario 4 är något lägre.

5.3 Vätgas som drivmedel

Tabell 8 visar inköpspriset för de olika typerna av bussar och Tabell 9 visar kost- naden för de olika drivmedlen.

Tabell 8: Inköpspris för elbuss, vätgasbuss och biogasbuss

Busstyp Inköpspris

Elbuss[27] 3.5 MSEK

Vätgasbuss[8] 6.5 MSEK

Biogasbuss[Marcus Nystrand] 3 - 4 MSEK

Tabell 9: Kostnad för el, vätgas och biogas som drivmedel

El[22] 1.50 SEK/kWh 2.10 SEK/km

Vätgas[6][7] 80.00 SEK/kg 7.20 SEK/km

Biogas[Marcus Nystrand] 13.83 SEK/kg 5.81 SEK/km

Figur 15 visar var vätgasen skulle ge mest nytta och hur många bussar som kan drivas per dag (368 km). Den blå grafen visar antalet biogasdrivna bussar beroende på mängden vätgas som används i metaniseringen. Den oranga grafen visar antalet bränslecellsbussar beroende på vätgasmängden.

0 5 10 15 20 25

0 5000 10000 15000 20000 25000

Antal bussar

Mängd vätgas [kWh]

Antal bussar en mängd vätgas räcker till

Antal biogasbussar

Antal elbussar med el från bränslecell/vätgasbussar med verkningsgrad 45 procent

Figur 15: Jämförelse mellan biogasbussar och elbussar med el från bränsle- cell/vätgasbussar. Verkningsgraden för bränslecellen antas vara 45 %. En buss på y-axeln innebär att bränslet räcker till att driva en buss 368 kilometer, vilket är det dagliga genomsnittet för en UL regionbuss.

5.4 Felkällor och förbättringar

Vid omvandlingen av soleffektdatan från minut-upplösning till höglast/låglasttids- upplösning skärs effekttopparna av då medelvärdet för de ingående timmarna beräk- nas, särskilt under sommarhalvåret då skillnaden mellan solinstrålningen på dagen och natten är som störst. Höglasttiden inkluderar timmarna från klockan 06 på morgonen till klockan 22 på natten och av dessa finns det en stor andel då so- leninstrålningen är betydligt lägre än exempelvis mitt på dagen, medelvärdet av solcellseffekten kommer därmed bli avsevärt mycket mindre än maxvärdet. Detta borde inte påverka mängden producerad biogas, dock kan nödvändig elektrolysör behöva ha en högre effekt än vad som står i den här rapportens resultat. Dock bor- de elektrolysören med den högre effekten kunna uppnå ungefär samma produktion som resultatet visar genom att bara vara igång under de timmar då solinstrålningen är som störst under höglasttiden. Detta gäller i så fall enbart för de scenarion där el från elnätet inte används. En förbättring skulle vara att göra om simuleringen utan att dela upp datan i höglasttid och låglasttid och istället enbart fokusera på sässongsvariationer för att se exakt hur resultatet påverkas av denna felkälla.

Vindkraftverken som användes i beräkningarna uppnår effekten 25 kW vid den nominella vindhastigheten 12 m/s. De vindhastigheter som användes kom dock ald- rig upp i sådana höga värden. Maxvärdet av vindhastigheterna hämtade från SMHI (Mätstation “Uppsala Flygplats”) var endast 10.3 m/s och medelvärdet (för både hög- och låglasttid) var bara 3.8 m/s. En djupare undersökning kring vilka vindhas- tigheter som gäller i det specifika området (på rimlig höjd från marken) borde göras för att få ett mer exakt resultat. Dessutom är det optimalt att placera vindkraft- verken där vindhastigheterna är högre än de värden som användes i detta projekt för att få en högre energiproduktion.

Det skulle också vara intressant att undersöka andra typer av scenarion, till ex- empel scenarion där el från elnätet enbart används under låglasttiden och enbart solcellseffekt används under höglasttiden. Detta skulle kunna leda till en ökad bio- gasproduktion utan att belasta elnätet alltför mycket.

6 Diskussion

I det här avsnittet kopplas resultatet ihop med frågeställningarna och kringliggande aspekter diskuteras.

6.1 Utvärdering av de olika fallen

Anledningen till att det inte bildas mycket biogas under låglasttiden för varken Fall 1 eller 7 är på grund av att solinstrålningen är mycket låg under dessa timmar ef- tersom det är natt. I Fall 3 och 9 ökar biogasproduktionen eftersom vindkraftverken levererar energi även under låglasttiden. Fall 4, 8 och 10 är de enda fall där enbart grönt producerad vätgas kan bidra med tillräckligt ökad metanproduktion för att ett helt antal bussar ska kunna drivas av biogasen. Under alla tre av dessa fall är det höglasttid.

Genom att ha elektrolysören igång under hela dygnet går det att generera en större mängd biogas. För Scenario 5 skulle biogasen kunna driva tre regionbussar och en stadsbuss, med drygt 8 800 kg biogas över. Energin skulle då vara producerad enbart av förnybara källor. Detta kräver att den större (2 000 kW) elektrolysören används.

Ett annat alternativ skulle vara att tillämpa Scenario 6. Detta skulle dock kräva att el från elnätet används. På det sättet skulle drygt 15 extra biogasbussar kunna drivas. Utan vindkraftverk är Scenario 4 ett tänkbart scenario. Här skulle det räcka att driva elektrolysören enbart under höglasttiden för att producera tillräckligt med energi med endast solcellerna för att producera biogas till att driva ytterligare två regionbussar och en stadsbuss.

Fall 3 och 9 samt Fall 5 och 11 har samma storlek på elektrolysör men produktionen av vätgas och biogas är ändå inte exakt samma. Detta beror på att elektrolysörens vätgasproduktion är beroende av energitillförseln. En större elektrolysör behöver in- te nödvändigtvis betyda en större produktion av vätgas. I Fall 7 och 9 är mängden installerad solcellseffekt större och därför har de en något större vätgasproduktion än Fall 1 och 3, även fast det är låglasttid. Med prioritet att producera en maxi- mal mängd biogas bör elektrolysören väljas efter den effekt som bidrar till störst vätgasproduktion. Samtidigt bör inte en elektrolysör vars maxkapacitet är högre än den maximalt tillgängliga energitillförsel väljas då detta bidrar till en onödigt höga investeringskostnader. En nackdel med att välja elektrolysör efter maximal nödvändig effekt är att den större delen av året inte kommer kunna köra på full effekt. Investeringen kan därmed inte utnyttjas fullt ut, utan majoriteten av tiden skulle en elektrolysör med mindre effekt varit tillräckligt. En mindre elektrolysör skulle däremot inte kunna producera lika mycket vätgas om hela årets produktion summeras. En elektrolysör på drygt 1 800 kW skulle då vara nödvändig tillsammans med en tank för att kompensera för säsongsvariationer.

6.2 Lagring och hantering av fluktuationer i energitillförseln

En vätgastank, av den storlek som beskrevs i resultatet, kan användas för att kom- pensera för säsongsvariationer i vätgastillförseln. Vätgas lämpar sig väl för detta ändamål eftersom det är möjligt att lagra i mycket stora mängder. Ett alternativ skulle vara att omvandla vätgasen till biogas direkt när den kommer ut från elekt- rolysören och därefter lagra biogasen i en tank istället. Detta skulle dock ta bort möjligheterna att använda vätgasen till något annat än biogas och därmed göra systemet mindre flexibelt. Elnätet kommer med stor sannolikhet att förstärkas i framtiden. Antas även att fler solceller och vindkraftverk installeras i så stor ut- sträckning att elektrolysören får ett konstant överskott på vätgas skulle överskottet exempelvis kunna användas för att ta fram el med en bränslecell. I det fallet skulle det även kunna bli intressant att integrera ett batteri till systemet för att kompen- sera för variationer i energitillförsel på mycket mindre nivå (t.ex. sekundnivå), se Figur 16. Detta är dock bara intressant då vätgasen används för att göra elektricitet eftersom batteriet levererar elektricitet och inte vätgas.

Figur 16: Hur ett batteri skulle kunna integreras med elektrolysör, vätgastank samt bränslecell. Prio står för prioritet och demonstrerar hierarkin i systemet, det vill säga vilken komponent som får el/vätgas i första hand.

6.3 Var vätgasen gör mest nytta

Figur 15 visar antalet bussar som en specifik mängd vätgas räcker till att driva beroende på om vätgasen används till biogasframställningen eller direkt i en bräns- lecellsbuss. En specifik mängd vätgas räcker till nästan dubbelt så många bränsle- cellsbussar jämfört med biogasbussar. Figur 15 visar diskreta steg eftersom syftet var att demonstrera antalet ytterligare hela bussar som bränslet räcker till att driva under ett år, det vill säga hur många dieselbussar som kan bytas ut. Det är dock viktigt att förtydliga att varje ytterligare mängd vätgas leder till en större mängd bränsle. Det finns även ett annat alternativ för vätgasen och det är att investera i en stor bränslecell för att använda elen som skapas till att driva eldrivna fordon.

Så länge verkningsgraden för den stora bränslecellen inte är mycket högre än för de små bränslecellerna, som finns i de vätgasdrivna fordonen, kommer däremot detta alternativ följa samma trend som den oranga grafen i Figur 15. Utifrån detta skulle en rimlig slutsats vara att vätgasen bör användas direkt som fordonsgas eller tas från en stor bränslecell och driva batteridrivna elfordon och inte till metaniseringen.

Möjligtvis skulle vätgasfordon kunna användas för att transportera substratet till biogasanläggningen, givet att det finns bränslecellsfordon i den klassen. Då skulle fordonen kunna tanka i samband med avlämning av substratet.

Investeringskostnaderna skiljer sig en del mellan de olika bussorterna, vilket Ta- bell 8 visar. Exempelvis kostar en bränslecellsbuss ungefär 6.5 MSEK, en elbuss 3.5 MSEK och biogasbussarna kostar 3-4 MSEK styckevis. Eftersom 60 % av alla bussar idag drivs av biogas finns redan infrastrukturen till detta och en investering i att utöka biogasproduktionen skulle därför göra det enkelt att byta ut de nuva- rande dieselbussarna. Ett första mål för Region Uppsala skulle därför kunna vara att investera i en elektrolysör för att producera grön vätgas och successivt fasa ut dieselbussarna. En fördel med att satsa på biogasen istället för eldrivna bussar är att det inte bidrar till effektbristen. Att driva alla bussar på el skulle i dagsläget bli en belastning på Uppsalas elnät även om bussar laddades på nätterna. Om 100

% av alla bussar istället drevs av grön el skulle detta innebära en stor investering vad gäller exempelvis solceller. Tabell 9 visar skillnaden i pris för bränslet för de tre typerna av fordon. Priset per kilometer för vätgas är där högst, följt av biogasen.

Priset per kilometer är lägst för elfordonen.

7 Slutsats

Med en integrerad elektrolysör på 2 000 kW till metaniseringsprocessen vid Kungs- ängens gård skulle biogasproduktionen kunna öka tillräckligt för att kunna driva ytterligare drygt tre regionbussar och en stadsbuss per år. En vätgastank, alterna- tivt en biogastank, skulle dock behövas för att kompensera för säsongsvariationerna i energitillförsel till elektrolysören. Vätgasen skulle även kunna användas direkt som bränsle i en vätgasbuss eller omvandlas till el genom en bränslecell för att driva en elbuss. Detta skulle göra att vätgasen skulle kunna driva ungefär dubbelt så många bussar.

7.1 Vidare utredning

Förutom högre vindhastigheter kan även placeringen av de vertikala vindkraftverken gentemot varandra spela en betydande roll för hur mycket energi som kan tas upp från vinden och omvandlas till elektricitet. Uppställda i specifika formationer går det nämligen att öka prestationen med upp till 15 %[16]. Detta skulle vara intressant att undersöka vid eventuellt inköp av vertikala vindkraftverk. Energiproduktionen av vindkraftverken skulle i sin tur påverka rimlig effekt hos elektrolysören.

8 Referens

8.1 Litteraturreferenser

[1] Uppsala Vatten. Biogasanläggningen vid Kungsängens gård [broschyr]. Hämtad från: https://www.uppsalavatten.se/globalassets/dokument/hushall/blanketter-och- trycksaker/biogasanlaggningen-vid-kungsangens-gard.pdf

[2] Uppsala Vatten. Nu stänger vi tankstationen i industristaden [internet]. 2020 [Uppdaterad 2020-09-23; citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://www.uppsalavat ten.se/nyheter/nu-stanger-i-tankstationen-i-industristaden/

[3] Gamla Uppsala Buss AB. Biogas som fordonsbränsle, Biogasdrivna bussar [inter- net]. [citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://www.gub.se/gub/miljo/fossilfritt- drivmedel/biogas/

[4] Energigas Sverige. Gasbussar och kollektivtrafik [internet]. [citerad 2021-05-17].

Hämtad från: https://www.energigas.se/fakta-om-gas/fordonsgas-och-gasbilar/gasb ussar-och-kollektivtrafik/

[5] Energigas Sverige. Produktion och användning av biogas och rötrester år 2015 [in- ternet]. Energimyndigheten; 2016; ISSN 1654-7543. Hämtad från: http://www.ene rgimyndigheten.se/globalassets/nyheter/2016/es-2016-04-produktion-och-anvandni ng-av-biogas-och-rotrester-ar-2015.pdf

[6] Vätgas Sverige. Vanliga frågor om vätgas [internet]. Göteborg: Vätgas Sveri- ge. [citerad 2021-05-17]. Hämtad från: https://www.vatgas.se/faktabank/faq/

[7] Vätgas Sverige. Bränslecellsbussar [broschyr]. Vätgas Sverige; 2017. [citerad 2021-05-17]. Hämtad från: https://www.vatgas.se/wp-content/uploads/2017/04/Bu ssfakta.pdf

[8] Ulo. 25 bränslecellsbussar från Solaris (uppdaterad version). Buss Magasinet [in- ternet]. 2020-03-13 [citerad 2020-05-17]; Hämtad från: https://www.bussmagasinet.s e/2020/03/mer-branslecellsbussar-fran-solaris/

[9] Vätgas Sverige. Vätgas och bränsleceller - pusselbitar i det förnybara energisyste- met [broschyr]. Vätgas Sverige, Hynor Lillestrøm, Norsk Hydrogenforum och Kunn- skapsbyen Lillestrøm i projektet Next Move; 2013. Hämtad från: https://www.vatga s.se/wp-content/uploads/2016/03/NM_broschyr130411_lowres.pdf

[10] Nohrstedt L. Världens största fabrik för grön vätgas är igång. NyTeknik [inter- net]. 2019-11-25 [citerad 2021-05-16]; Hämtad från: https://www.nyteknik.se/energi /varldens-storsta-fabrik-for-gron-vatgas-ar-igang-6979547

[11] Nohrstedt L. Vätgasen lyfter mot nya höjder. NyTeknik [internet]. 2018-04- 03 [citerad 2021-05-16]; Hämtad från: https://www.nyteknik.se/energi/vatgasen- lyfter-mot-nya-hojder-6906374

[12] Vattenfalleldistribution. Kapacitetsbristen skapar begränsningar [internet]. Vat- tenfall; [citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://www.vattenfalleldistribution.se/

vart-arbete/kapacitetsutmaningen/

[13] Boverket. Vindkraftshandboken - Planering och prövning av vindkraftverk på land och i kustnära vattenområden. 1. Solna: Åtta.45 Tryckeri AB; 2009. Hämtad från: https://www.boverket.se/globalassets/publikationer/dokument/2013/vindkra ftshandboken.pdf

[14] Ladda ner meteorologiska observationer [internet]. SMHI. Uppsala Flygplats [Använd 2021-05-16]. Hämtad från: https://www.smhi.se/data/meteorologi/ladda- ner-meteorologiska-observationer/param=wind,stations=all,stationid=97530 [15] Energiportal Region Uppsala [internet]. Region Uppsala. [Använd 2021-05-16].

Hämtad från: https://energiportalregionuppsala.se/

[16]Vertical turbines far more efficient in large-scale wind farms. ET (Engineering and technology) [internet]. 2021-04-27 [citerad 2021-05-16]; Hämtad från: https://ean dt.theiet.org/content/articles/2021/04/vertical-turbines-far-more-efficient-in-large-s cale-wind-farms/

[17] Region Uppsala. Miljöredovisning 2019 - Region Uppsala [internet]. Uppsala:

Region Uppsala; 2019. [citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://regionuppsala.se/

globalassets/samverkanswebben/it-service-och-fastighet/miljohandboken/miljoredo visning-2019-for-region-uppsala.pdf

[18] Uppsala kommun. Miljö-och klimatförändringar [internet]. Uppsala: Uppsala kommun; 2021 [Uppdaterad 2021-03-26; citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://w ww.uppsala.se/kommun-och-politik/kommunens-mal-och-budget/mal-och-budget/

trend–och-omvarldsanalys/miljo–och-klimatforandringar/

[19] Konsumenternas energimarknadsbyrå. Vad är biogas? [internet]. 2020 [Uppda- terad 2020-03-10; citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://www.energimarknadsby ran.se/gas/gasmarknaden-i-sverige/fakta-om-naturgas-och-biogas/vad-ar-biogas/

[20] Uppsala kommun. Uppsalaeffekten [internet]. Uppsala: Uppsala kommun; 2020 [Uppdaterad 2020-04-27; citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://www.uppsala.se /kommun-och-politik/sa-arbetar-vi-med-olika-amnen/sa-arbetar-vi-med-miljo-och- klimat/uppsalaeffekten/

[21] Löfstedt D. Ökad elanvändning kan ge effektivare energiförbrukning. Second- opinion [internet]. 2012-04-16 [citerad 2021-05-16]; Hämtad från: https://second- opinion.se/%C3%B6kad-elanv%C3%A4ndning-kan-ge-effektivare-energif%C3%B6r brukning/

[22] Vattenfall. Eldrivna bussar i den moderna staden - så skapas en infrastruktur för laddning [broschyr]. Stockholm: Vattenfall AB; 2015. [citerad 2021-05-17]. Hämtad från: https://www.vattenfall.se/globalassets/foretag/miljo/att-kora-pa-el/broschyr- laddhybridbuss.pdf

[23] Ohlson J. Bränsleceller i taktisk enhet [Självständigt arbete]. Försvarshögsko- lan; 10-12-17. [citerad 2021-05-16]. Hämtad från: http://www.diva-portal.org/smash /get/diva2:380835/FULLTEXT01.pdf

[24] NE. reaktant [internet]. Nationalencyklopedin. [citerad 2021-05-16]. Hämtad från: https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/reaktant

[25] Hushållningssällskapet, HIR Malmöhus, Region Skåne, Life. Faktablad - biogöd- sel [broschyr]. 2014. [citerad 2021-05-19] Hämtad från: https://www.avfallsverige.se/

fileadmin/user_upload/4_kunskapsbank/Faktablad_biogodsel_hela_dokumentet .pdf

[26] Mohseni F. Görling M. Förstudie vätgasproduktion i Uppsala Uppsala: Upp- sala kommun, Vattenfall AB och Uppsala Vatten och Avfall; 2016/2017. [citerad 2021-05-20]

[27] Energimyndigheten. Informationsstöd om elbussupplägg till kollektivtrafikhuvud- män [internet]. Bromma: Energimyndigheten; 2019. ISSN 1403-1892. [citerad 2021- 05-21]. Hämtad från: https://energimyndigheten.a-w2m.se/Home.mvc?resourceId=

[28] William. kW, kWp och märkeffekt för solceller. 2021-02-17 [citerad 2021-06-07].

Hemsol [internet]. Hämtad från: https://hemsol.se/vanliga-fragor/kwp-och-kwh/

8.2 Figurreferenser

[29] Figur 2 - Google 2021. Bilder ©CNES / Airbus, Lantmäteriet/Metria, Maxar Technologies, Karta. [använd 2021-05-21] ©2021

[30] Figur 3 - Energy.gov. [använd 2021-05-21] Hämtad från: https://www.energy.gov /sites/default/files/styles/full_article_width/public/fcto_storage_fuel_density.pn g?itok=qXbRPz2G

[31] Figur 5 - Google 2021. Bilder ©CNES / Airbus, Lantmäteriet/Metria, Maxar Technologies, Kartdata ©2021. [använd 2021-05-21]