Brenselcelleteknologi i jernbanen : hydrogenisering - en bærekraftig fremtid for Nordlandsbanen?

Abstract

Transportsektoren står for 32% av norske klimagassutslipp og Norge har gjennom en rekke internasjonale avtaler som Parisavtalen og EØS- avtalen forpliktet seg til å redusere klimagassutslipp. Gjennom fornybardirektivet skal Norge øke fornybarandelen, og kraftprognoser for Norden viser at vi går mot et kraftoverskudd med potensielt ”flomtap” av uregulerbar fornybar kraft. Hydrogen produsert gjennom elektrolyse er et eksempel på en lav- til nullutslipps energibærer som kan produseres ved lave elpriser for senere å benyttes som drivstoff i en brenselcelle til blant annet transportformål. Elprisen utgjør over 80% av OPEX ved elektrolyse som gir potensial for lave produksjonskostnader ved lave elpriser. Problemstillingen til denne oppgaven består av å gjøre rede for produksjonskostnader for hydrogen, kostnader for iverksetting av brenselcelleteknologi på Nordlandsbanen, besparelser i CO2- ekvivalenter ved implementering av hydrogendrift framfor dagens dieseldrift og konvensjonell elektrifisering, samt presentere barrierer for hydrogen som teknologi. Metoden for besvarelse av oppgaven er litteraturstudie samt energiberegninger for hydrogenproduksjon basert på simulerte elpriser fra Balmorel- energisystemmodellen. Resultatene viser at det er store besparelser i CO2- utslipp/km av å avvikle dieseldrift samt det å ikke bygge ut infrastruktur for elektrisk drift. Hydrogen ved elektrolyse drevet av elektrisitet fra fornybare energikilder er et godt alternativ som en lavutslipps driftsform på jernbanen, men som investering kreves større forutsigbarhet med hensyn til elpriser da elprisen er utslagsgivende for hydrogenproduksjonens lønnsomhet. Flere bilprodusenter lanserer brenselcellebiler og i Tyskland planlegges den første storsatsning av passasjertog drevet av hydrogen. Dette taler for at markedet er klart for en innføring av hydrogen som energibærer. I dagens marked risikerer hydrogenproduksjon å være ulønnsomt, men en subsidieordning med fritak av nettleie kan være et politisk/økonomisk virkemiddel for å få flere aktører på markedet og således skape større gjennomslagskraft for hydrogenteknologi. Den største ikke-teknologiske barrieren taler for å gjennomføre informasjonskampanjer for befolkningen med generell innføring av hydrogen som energibærer for å skape offentlig aksept.

The transport sector is responsible for 32% of the Norwegian green house gas emissions and Norway has through various international agreements and the EEA agreement made commitments to reducing greenhouse gas emissions. Through the Renewable Energy Directive Norway has to increase its share of renewable energy production and forecasts for the Nordic countries show that due to the rollout of unregulated renewable power we might be experiencing a surplus of energy production. Hydrogen produced by electrolysis is an example of a low to zero emission energy carrier which can be produced when the electricity price is low to be stored and later used as a fuel in a fuel cell in for example transportation purposes. The electricity price makes up over 80% of the electrolysis OPEX which makes hydrogen an energy alternative to produce when the electricity price is low. The research question for this paper is to give an account of the production costs for hydrogen, the costs for implementing fuel cell technology on the Nordlandsbane, the potential reductions in CO2 emissions by discountinuing the current use of diesel fuel and alternatively conventional electrification, as well as presenting barriers for hydrogen as a technology. The method used is litterature study as well as calculations for hydrogen production based on simulated electricity prices from the Balmorel energy system model. The results show that there are large savings of CO2 emissions to achieve in discountinuing operating the Nordlandsbane on diesel fuel and by not expanding an electrical infrastructure. Hydrogen by electrolysis from renewable energy sources represents a low-emission type of operation of the railway, but as an investment requires greater predictability with regards to the electricity prices as it is decisive for the profitability of hydrogen production. Several car- manufacturers are launching fuel cell vehicles and Germany plans to enroll its first commercial fuel cell electric operated passenger trains in the course of the next 2-5 years. These fact suggests that the market is ready for the introduction of hydrogen as an energy carrier. However in today’s market, hydrogen production risks being unprofitable compared to alternatives. As such it might be necessary to implement a subsidy scheme like exepmtion of grid tarrifs to incentivise more producers to enter the market and thus create a market penetration for hydrogen technology. The main non- technological barrier is to create a public acceptance for hydrogen as an energy carrier which can be mitigated by conducting information campagins to the public.