Hydrogen løftes stadig oftere fram som en viktig del av framtidas energiløsning, og tas nå etter hvert i bruk i kraft-, varme- og transportsystemer over hele verden – også i Norge. Årsaken er at hydrogen kan framstilles og anvendes helt uten direkte utslipp av CO2.
Her svarer to av Norges fremste hydrogenforskere på det du lurer på om hydrogen.
Hvordan framstilles hydrogen?
Det er i hovedsak to framstillingsmåter:
Hydrogen produseres i dag hovedsakelig ved reformering av naturgass, men kan også fremstilles ved vannelektrolyse.
Vannelektrolyse er en velkjent teknologi som har vært benyttet i Norge i industriell skala, fra oppstarten av Norsk Hydros anlegg på Rjukan (1940) og i Glomfjord (1953). Ved vannelektrolyse spaltes vann ved hjelp av elektrisitet til hydrogen og oksygen.
Seniorforsker Kyrre Sundseth ved Hvams og Norges nyeste hydrogenstasjon. Bilen er en Toyota Mirai som går på hydrogen. I dag koster denne bilen mindre enn en Tesla. Foto: SINTEF
Dersom hydrogen framstilles på denne måten med strøm fra vannkraft, solceller eller vindturbiner, er dette helt CO2-fritt.
Å produsere hydrogen fra overskuddskraft fra for eksempel vind eller uregulert småkraft er derfor en smart måte å lagre energi som ellers ville gått tapt. SINTEF jobber blant annet med dette ved vindparken på Raggovidda i Finnmark. Les mer om det i disse to artiklene:
Her er to andre EU-prosjekter som SINTEF koordinerer:
Den andre hovedmetoden for hydrogenproduksjon er å reformere naturgass. I praksis betyr det å gjøre om metangass – den verdifulle hovedbestanddelen i naturgass – til hydrogen og CO2 ved hjelp av varme og vanndamp.
I denne metoden spiller membraner en viktig rolle, noe det forskes mye på fordi separasjon ved hjelp av membranteknologi reduserer energiforbruket i prosessen. Les mer om dette her.
Såkalt reformering av metan krever imidlertid at man samler opp og lagrer CO2-en, slik at løsningen blir klimavennlig. Forskere viser at Norges naturgassreserver har et enormt potensial dersom vi lykkes med fangst og lagring av CO2-en. I Norge har vi mer naturgass enn olje. Lykkes vi med det skaper vi også nye arbeidsplasser både innenfor fangst og lagring av CO2. Les mer om det i denne kronikken av SINTEF sin bærekraftdirektør, Nils Røkke.
Er hydrogen farlig?
Nei. Hydrogen er en fargeløs og luktfri gass og er i seg selv ikke farlig. Men når den trykksettes foreligger det en risiko slik det også gjør for andre energirike gasser. Hydrogen er ikke farligere enn andre drivstoff, som for eksempel bensin, men vi må håndtere hydrogenet ut fra dets egenskaper, svarer hydrogenforsker Kyrre Sundseth i SINTEF.
Ny rapport om hydrogen i framtida:
Nylig slapp SINTEF, NTNU og IFE rapporten "Hydrogen i framtidens lavkarbonsamfunn", som tar for seg produksjon, lagring og distribusjon av hydrogen, hydrogen i transportsektoren, hydrogen i industrien, hydrogen og oppvarming av bygg, og hydrogen i kraftsektoren.
Forskerne konkluderer med at hydrogen kan bidra til at Norge når sine klimamål og bli en nøkkelfaktor i Norges ambisjon om å skape grønn industrivekst og i omstillingen av norsk prosessindustri.
- Her finner du hydrogenrapporten i sin helhet.
– I Norge har vi snart 100 års erfaring med å håndtere hydrogen i stor skala. Hydrogen er en gass som er lettere enn luft og stiger opp. I kjøretøy er dette tatt hensyn til: Det er installert sensorer som svært tidlig varsler om en eventuell lekkasje, og hydrogentankene er plassert slik at det er minst mulig risiko ved kollisjon. Drivstofftankene er forsterket med karbonfiber og er svært robuste. De er i tillegg konstruert sånn at en temperaturfølsom sikkerhetsventil vil slippe ut hydrogenet på en kontrollert måte dersom det skulle oppstå en brann.
Er brenselceller en umoden teknologi?
– Nei, brenselceller finnes i dag kommersielt tilgjengelig i flere tusen hydrogendrevne personbiler (Hyundai, Toyota og Honda). Disse brenselcellebilene har gjennomgått langtidstester og er teknologisk sett svært modne. Toyota kjørte 100 000 km med sin hydrogenbil Mirai i 2015, helt uten tekniske problemer. Toyota reduserte kostnaden for brenselceller med 95 % mellom 2008 og 2014. Kostnadene for brenselceller er stadig på vei ned, men videre reduksjon avhenger sterkt av masseproduksjon. Med dagens produksjonsvolum på noen tusen per år er brenselceller fremdeles dyrere enn forbrenningsmotorer, svarer Sundseth.
Et eksempel på at teknologien er i daglig bruk i Norge er Asko, grossistselskapet til NorgesGruppen. De har gjort elektriske og hydrogendrevne biler til et satsingsområde. Hydrogendrevne gaffeltrucker er allerede i bruk i grossistens lager i Trondheim, og i løpet av høsten ruller Askos første hydrogendrevne lastebiler fra Scania på norske veier.
Snart skal nullutslipps-tvillinger av tungbilen i bakgrunnen fylle grønt hydrogen her, hos grossistselskapet ASKO i Trondheim. Samarbeidspartnerne Jørn Arvid Endresen (ASKO Midt-Norge) (til venstre), Anders Ødegård og Steffen Møller-Holst (begge fra SINTEF) gleder seg til det. Foto: Thor Nielsen / SINTEF
– Årsaken er at hydrogenteknologi har et stort potensial som nullutslippsalternativ for lastebiler med høy last på lengre distanser. Mens elektriske lastebiler som henter energi fra batterier, egner seg mer for bynær distribusjon, sier seniorforskeren.
Hydrogenet Asko bruker produseres fra solceller montert på taket til distribusjonslageret deres i Trondheim og lagres i tanker på anlegget. Pilotprosjektet (2017-2019) innebærer bruk av fire hydrogenlastebiler og ti gaffeltrucker i selskapets kjøle- og fryselager.
I tillegg har blant andre Felleskjøpet, TINE og Posten forhåndsbestilt Nikola Tre-lastebiler, som også går på hydrogen.
Er hydrogen først og fremst egnet til bruk i kjøretøy?
Nei. Et godt eksempel har vi i Japan. Der er 250 000 brenselceller installert i hus for å produsere strøm og varme. I USA kjører mer enn 18 000 hydrogendrevne gaffeltrucker rundt i distribusjonssentre og varehus, forteller Steffen Møller-Holst i SINTEF.
Elektrolyseanlegg benyttes i stadig flere land for å balansere kraftnettet i regioner der det er stort innslag av sol- og vindkraft. Det er nemlig gunstig å produsere hydrogen i perioder med overskuddskraft fra fornybare kilder når prisene på elektrisitet er lav. SINTEF koordinerer EU-prosjektet Refhyne, der verdens største PEM-elektrolyseanlegg (10 MW) settes i drift i Tyskland i løpet av høsten.
– I Europa er det faktisk stadig oftere eksempler på negative el-priser i perioder. Da er det smart å lage hydrogen og bruke denne som drivstoff eller til å lage elektrisitet igjen i perioder man får godt betalt for strømmen, utdyper Møller-Holst.
Det utvikles også konsepter for hydrogendrevne skip, fra små fiskebåter til store cruiseskip. SINTEF samarbeider med Fiskarstrand Verft om utviklingen av en hydrogenferge i HybridSkip-prosjektet. Norled vant nylig kontrakten på å bygge en hydrogenferge på oppdrag fra Statens Vegvesen.
Prosessindustrien bruker i dag kull som reduksjonsmiddel. Dette karbonet kan byttes ut med hydrogen og det kan eliminere CO2-utslippet fra prosessen. Selskapet TiZir Titanium & Iron AS i Tyssedal planlegger nå å erstatte kull med hydrogen, mens flere aluminiumprodusenter utenfor Norge vurderer bruk av hydrogen som brensel til kraftproduksjon og varme i sine prosesser.
Samtidig ser aktører innen norsk olje- og gassnæring på mulighetene for å kutte CO2-utslipp ved økt bruk av hydrogen i prosessene sine eller til kraftproduksjon offshore.
(Saken fortsetter under illustrasjonen.)
Hydrogen (H) har atomnummer 1 i det periodiske systemet og er det letteste grunnstoffet av alle. Ved standard temperatur og trykk opptrer hydrogen som en gass bestående av to atomer (H2 ). Hydrogen er det elementet det er mest av i universet og antas å utgjøre hele 75 prosent av universets totale masse. På jorden opptrer vanligvis hydrogen i kombinasjon med oksygen ogdanner vann. Illustrasjon: Thinkstock.
Vil vi snart se hydrogenfly i rute?
Det vil nok ta fem til ti år før vi ser hydrogenfly i ordinær rutetrafikk. En rekke prototyper av hydrogenfly har vært testet ut de siste 10 årene. I 2017 ble en fireseter demonstrert i Tyskland med en rekkevidde på 750 km. Et tolv-seters og et 40-seters hydrogenfly som kan fly mellom 400 og 1000 km er under planlegging.
For alt som skal opp i luften, er vekten av drivstoffet og motorene avgjørende. For lengre distanser, er hydrogen og brenselceller mye lettere enn batterier. Begge løsninger benytter elmotorer, som er kompakte og veier lite, men vil i overskuelig fremtid forbli adskillig tyngre enn flytende drivstoff og gassturbiner som brukes i dag. Alle tre løsninger vil likevel spille en viktig rolle med hensyn til å redusere utslippene fra luftfarten.
I et 2030-perspektiv, vil mindre batterielektriske fly med opptil 20 passasjerer kunne betjene ruter med inntil en halv times flytid, som for eksempel Widerøes melkerute mellom Tromsø og Kirkenes, forutsatt at batteriene hurtiglades ved hver mellomlanding i Sørkjosen, Honningsvåg, Mehamn, Berlevåg og Vadsø. Hydrogen vil egne for seg for noe større fly både på korte og mellomlange distanser inntil 2500 km. For de største flyene og virkelig lange distanser (for eksempel fra Europa til Asia eller USA), vil vi trolig fremdeles i 2030 benytte konvensjonelle flymotorer (gassturbiner), men da fyrt med biodrivstoff basert på bærekraftige kilder.
Er hydrogendrevne brenselceller en teknologi som «hvermannsen» vil ta i bruk i overskuelig framtid?
– Vi kommer til å se en betydelig økning i bruken av hydrogen- og brenselcelleteknologi framover, svarer Kyrre Sundseth.
Hyundais hydrogenbil Nexo koster 580 000 kr i dag. Det er mindre enn en Tesla, og rekkevidden for hydrogenbilen er 700 km. Den norske infrastrukturen for hydrogenbiler er imidlertid svært begrenset – i dag er det kun mulig å fylle hydrogen i Oslo-området, i Bergen og i Trondheim, men dette vil endre seg etter som det vil bli tøffere krav til 0-utslipp. Her vil hydrogenkjøretøy bli en viktig del av transportløsningen sammen med batterielektriske kjøretøy.
Hydrogen er som nevnt fordelaktig ved store kjøretøy som skal langt og som har mye last. Askos nye hydrogenlastebiler har faktisk litt høyere lastekapasitet enn dieselutgaven, og en rekkevidde på 400 km. En tilsvarende batterielektrisk lastebil har redusert lastekapasitet og en rekkevidde på 100-150 km.
(Saken fortsetter etter illustrasjonen.)
Slik virker en brenselcelle – minikraftverket i hydrogenbiler: Brenselcella omdanner hydrogen og oksygen (fra lufta) til elektrisk strøm, vann og varme. Hydrogen gir fra seg elektroner (e-) og blir til protoner (H+) på anoden. Protonene vandrer gjennom membranen, mens elektronene strømmer gjennom bilens elektromotor til katoden. Der slår elektronene seg sammen med protonene og ett oksygenatom og danner vann.
Illustrasjon: Raymond Nilsson/SINTEF
Krever hydrogen dyr infrastruktur?
Infrastruktur for hydrogenkjøretøyer er noe billigere enn for ladbare kjøretøyer, hvis begge har høy utnyttelsesgrad. Lønnsomhet i hydrogenverdikjeder krever altså volum, fastslår Sundseth, og tilføyer:
– Vi bør se på utviklingen av etterspørselen for hydrogen i det store bildet: vegtransport, maritim transport og industri må sees i sammenheng. Da kan produksjon og distribusjon gradvis og kostnadseffektivt skaleres opp og til enhver tid dekke etterspørselen.
For at en hydrogenstasjon skal være lønnsom, er man avhengig av at denne benyttes mye, omtrent 75 prosent kapasitetsbenyttelse, ifølge forskning fra SINTEF og NTNU.
– Men dette er utfordrende å få til fordi det fremdeles er få biler «der ute». Her har vi fremdeles høna-og-egget problemstilling.
En av fordelene med hydrogen er at den kan produseres i distriktene, fra for eksempel lokale småkraftverk. På denne måten slipper vi å transportere hydrogenet over lange avstander. Det kan bidra til lokal og regional verdiskaping i grisgrendte strøk.
Hvor høyt er energitapet i framstilling av hydrogen?
Energitapet i fremstilling av hydrogen er rundt 30 prosent, både basert på elektrisitet og fra naturgass. Energitapet frigis i form av varme fra elektrolysøren og dette kan med fordel utnyttes. Batteridrevne elbiler utnytter mellom 70 og 90 prosent av elektrisiteten de lades med under optimale forhold, mens en hydrogenbil vil utnytte 30-40 prosent. Men sammenlikner vi med en dieselmotor har hydrogendrevne brenselceller en høyere virkningsgrad. Tallene er 40-65 prosent for hydrogen i brenselcelle, mot 25 – 45 prosent for diesel, avhengig av motorens størrelse.
Å benytte elektrisitet direkte eller i batteri er derfor den mest energieffektive løsningen for framdrift av et kjøretøy, men behovet for å lagre mer energi enn hva som er mulig i ett batteri og muligheten til å fylle tanken raskt, er gode grunner til å satse på hydrogen. I tillegg er det viktig å huske at dersom man bruker overskuddskraft fra for eksempel vind for å produsere hydrogen, er dette energi som ellers ville gått tapt.
Hvorfor nevnes hydrogen som en løsning for å forlenge det norske olje- og gass-eventyret?
Å produsere hydrogen fra naturgass kan gi Norge store verdier dersom CO2-en som kommer fra prosessen på norsk sokkel. Lykkes vi med det kan Norge eksportere rent hydrogen til Europa, og samtidig generere nye arbeidsplasser både innenfor CO2-fangst og lagring. Les mer om dette i denne kronikken fra SINTEFs bærekraftdirektør Nils Røkke, som også sto i Dagens Næringsliv.
Kan man få «hybridbiler» som både går på el (batteri) og hydrogendrevne brenselceller?
Produsenten av Mercedes (Daimler) har allerede demonstrert en slik ladbar hybrid-hydrogenbil, GLC. Den har en elektrisk rekkevidde på 50 km, og kjører ca 500 km til på hydrogen. Alle hydrogenbiler er faktisk hybrider, fordi de har en liten batteripakke som lades ved oppbremsing. Strømmen fra batteriet benyttes til akselerasjon og dermed sparer man drivstoff (hydrogen), svarer Steffen Møller-Holst i SINTEF.
Man kan også benytte hydrogen som en rekkevidde-forlenger på el-kjøretøy. SINTEF samarbeider med Bosch om å utvikle en slik løsning for busser, i EU- prosjektet GiantLeap.
– I SINTEF forsker vi som nevnt på hybride systemer for hydrogenferger, dette er en løsning som vi tror kommer i skipsfarten først. SINTEF har utviklet matematiske modeller for å dimensjonere slike systemer. Noe av det vi ser på her er størrelsesforholdet mellom brenselceller og batterier. Valget avhenger av hva som er optimalt i forhold til båtenes driftsprofil: altså hvor langt båten skal seile, hvilket effektbehov den har og mulighetene for lading av batterier, tilføyer Kyrre Sundseth.
Er hydrogenet løsningen på «alt»?
Nei. Men det er ingen tvil om at hydrogen blir en svært viktig del av energimiksen i fremtidens bærekraftige energisystem.
Det internasjonale energibyrået (IEA) ga ut en rapport i juni i år, der de bekrefter dette. Hydrogen er også blant bærebjelkene som må på plass for at Europa skal kunne bli klimanøytralt i 2050. Norge har naturgitte forutsetninger for å bli en storprodusent og -eksportør av hydrogen, basert på våre store naturgass- og fornybare energiressurser.
Hydrogen har vist seg å ha spesielt gode forutsetninger for å redusere utslipp fra industrien, men også innen langtransport. Elbiler vil forbli den beste løsningen i bynære strøk og mindre kjøretøyer og fartøyer.
– Som forskere vil vi til sist understreke at det vil være behov for både batteriteknologi, hydrogen og brenselceller, pluss biodrivstoff, for å nå de ambisiøse klimamålene i transportsektoren, sier Steffen Møller-Holst.
Kilder: Seniorforsker Kyrre Sundseth og markedsdirektør for hydrogenteknologi Steffen Møller-Holst, begge i SINTEF.
IEA-rapport: https://www.iea.org/publications/reports/thefutureofhydrogen/
EU-rapport: https://ec.europa.eu/clima/news/commission-calls-climate-neutral-europe-2050_en
