Så kan solbränsle ersätta fossil energi

Solen lyser på ett fält med solpaneler i långa rader. Men här produceras ingen el. I stället suger solpanelerna åt sig fukt och koldioxid direkt från luften. Med hjälp av energin från solen sönderdelas de infångade molekylerna och pusslas sedan ihop igen till bränsle, som samlas i en tank och kan användas för att driva fordon eller fungera som råvara i industrin.

Den här solparken finns ännu inte, men runt om i världen pågår en rad projekt för att framställa så kallade solbränslen. Med det menas olika typer av bränslen som tillverkas med hjälp av solenergi. Inspirationen hämtas från fotosyntesen hos de gröna växterna. Målet är att hitta ersättningar för dagens fossila olja, kol och gas – resultatet av forna tiders fotosyntes.

– Allt kan inte elektrifieras. Det kommer att behövas bränslen även i framtiden, och de måste vara fossilfria, säger Leif Hammarström, professor i kemisk fysik vid Uppsala universitet.

Han leder även arbetet inom det svenska konsortiet för artificiell fotosyntes. Forskningen inom det här området har pågått i Sverige i mer än 25 år. På Leif Hammarströms labb pågår flera projekt som försöker härma hur de gröna växterna plockar isär vatten och koldioxid för att sätta ihop dem igen till energirika ämnen.

Forskarnas mål är att vässa processen, genom att utveckla nya katalysatorer som sätts på solfångande chip som kan fungera som i exemplet ovan. Men det är komplicerat. Än så länge fungerar det bara i labbskala.

– Det svåra är att bygga ett system som är effektivt och som samtidigt har lång livslängd och går att skala upp, säger Leif Hammarström.

Det hittills mest effektiva chippet klarar att omvandla cirka 20 procent av det inkommande solljusets energi till vätgas.

– Men då har man använt dyra komponenter och lyxiga formel-1-solceller som inte fungerar att användas i stor skala, säger Leif Hammarström.

En annan ansats är att förminska chippen till nanopartiklar som placeras i vattenfyllda plastsäckar. Där fångar de in solljuset och sköter den kemiska omvandlingen.

– Men då är problemet hur du ska få ut det som produceras, till exempel vätgas, säger Leif Hammarström.

Att bygga system som härmar fotosyntesen är bara ett sätt att tillverka solbränslen. Ett annat går ut på att utnyttja den fotosyntes som redan finns i naturen hos vissa mikroorganismer. Utmaningen är att programmera om dem så att de producerar den önskade substansen – i tillräckligt stora mängder. Det sker genom genmodifiering. På så sätt försöker forskarna skapa små levande kemifabriker.

I Uppsala finns även en grupp forskare som utvecklar cyanobakterier för att tillverka butanol, ett ämne som kan användas både som bränsle i fordon och som råvara i kemiska processer. I somras kunde de i en artikel i tidskriften Energy & Environmental Science visa att de kunde öka effektiviteten i processen 11 gånger jämfört med tidigare. Än så länge sker dock tillverkningen i labbskala men planen är att börja tillverka butanol i större skala, berättar Pia Lindberg, medförfattare till studien.

– Vi har bland annat ett samarbete med en partner vid Imperial college, som ska sätta våra stammar i en reaktor som rymmer 120 liter. Nästa steg blir utomhusodling i skalan 1 000 liter i Lissabon.

Försöken ingår i ett EU-projekt som leds av biltillverkaren Volkswagen. Även Volvo deltar. Målet är att ta bränslen tillverkade av mikroorganismer ett steg närmare marknaden. En utmaning är att få ner priset.

– Det måste vara extremt lågt för att kunna konkurrera med fossila bränslen, säger Pia Lindberg.

Det finns redan exempel på företag som utvecklar bränslen tillverkade av mikroorganismer, till exempel amerikanska Algenol som använder cyanobakterier för att tillverka etanol. Men liksom andra företag som satsar på algbränslen säljer de i första hand mer högvärdiga produkter – som hälsotillskott, hudvård och oljor – till ett högre pris. Samtidigt utvecklas tekniken inför framtiden.

Finns det då inget sätt att tillverka solbränslen utanför labbet redan i dag? Jo, och ett exempel finns i Mariestad. Där öppnade i höstas en ovanlig vätgasmack. Vätgas används som bränsle i elbilar som drivs av en bränslecell. Än så länge är den typen av bilar ovanliga men det finns både biltillverkare och energiföretag som tror att vätgas kommer att spela en viktig roll i framtidens energisystem.

Det unika med macken i Mariestad är att den tillverkar sin egen vätgas med hjälp av solceller placerade på en åker intill. Elen från solcellerna driver en elektrolysör, en apparat som spjälkar vatten till vätgas och syrgas. Den producerade vätgasen lagras i tankar vid macken och gör det möjligt att tanka vätgas även när solen inte skiner, och på vintern. Stationen tillverkar också den el och värme den själv behöver med hjälp av en vätgasdriven bränslecell.

Att tillverka vätgas genom elektrolys har man kunnat göra länge, men tekniken har fått ett rejält uppsving på senare år. I takt med att det blir allt billigare att installera solceller och vindkraft ökar produktionen av förnybar el. Ibland blir det till och med överskott. I till exempel norra Tyskland får ibland vindraftsverken stängas av för att elnätet inte kan ta emot all förnybar el. Där pågår flera projekt för att tillverka vätgas av överskottselen, som på så sätt kan lagras och transporteras. Även oljebolagen satsar på tekniken. Shell bygger till exempel en anläggning som ska kunna producera 1 300 ton vätgas om året med hjälp av elektrolysörer som drivs med grön el.

Vätgasen kan också fungera som råvara för att tillverka andra bränslen som metan, huvudingrediensen i naturgas. Ett annat exempel är metanol. I mitten av januari öppnade en fabrik i Kina som tillverkar metanol av vätgas producerad med hjälp av solenergi och koldioxid. Metanolen ska kunna användas bland annat som fordonsbränsle. Biltillverkaren Audi driver ett projekt som går ut på att tillverka syntetisk bensin med hjälp av vätgas och infångad koldioxid.

De olika tillverkningsstegen är dock energikrävande, vilket gör dessa så kallade ”e-bränslen” dyrare än dagens bensin och diesel. För att det ska bli lönsamt krävs effektivare processer och ännu lägre priser på förnybar energi.

På Scilifelab i Solna arbetar forskaren Paul Hudson med att trimma olika typer av mikroorganismer för att producera bränslen. Precis som i Uppsala odlar han cyanobakterier som producerar butanol. Men i ett nytt projekt ska han och kollegorna börja arbeta med en bakterie som inte använder solljus för att absorbera koldioxid, utan vätgas. På golvet i labbet står en liten elektrolysör som ska producera ”mat” till bakterierna. Med hjälp av gensaxen Crispr ska de genmodifieras för att tillverka bränslen.

– Vilket är ännu inte bestämt. I första hand är vi intresserade av att snabba upp kolfixeringen, säger Paul Hudson.

Det återstår en hel del utveckling innan vi kan tanka bilen med solbränsle. Leif Hammarström gissar att den teknik han utvecklar behöver ytterligare 20 år innan den slagit igenom på bred front. Men på labbet har han en bubblare – bokstavligt talat.

Med hjälp av solljus, vatten och koldioxid ska han tillverka solbränsle med hjälp av – såpbubblor.

– Det är lätt att förlöjliga såpbubblor, men de liknar på flera sätt membranen i löven hos gröna växter, där fotosyntesen sker.

EU-projektet, som leds av Leif Hammarström, har fått motsvarande 32 miljoner kronor på tre år. Idén är att tillverka små såpbubblor parvis på ett mycket kontrollerat sätt med hjälp av små kanaler. Bubblorna förses med ett aktivt material som absorberar solljus och får dessutom olika katalysatorer på ytan. När bubblorna sätts samman och belyses driver solenergin en reaktion som förvandlar koldioxiden till kolmonoxid. Kolmonoxiden tas om hand och kan användas som utgångspunkt för att tillverka bränslen eller kemikalier.

– Om det kommer att funka och hur mycket vi får ut – det återstår att visa, säger Leif Hammarström.