Hydrogen som energibærer

Hydrogen er en miljøvennlig energibærer. Som drivstoff til brenselceller gir det ingen andre utslipp enn rent vann. Brenselceller omdanner hydrogen og oksygen elektrokjemisk til vann, og i denne prosessen dannes elektrisitet. Hydrogen er også en fleksibel energibærer som kan brukes i forbrenningsmotorer med minimale utslipp.

Hydrogen er det enkleste og minste grunnstoffet vi har. Det er derfor så lett at det ikke finnes fritt i naturen. Andre energibærere som for eksempel olje eller ved finner vi i naturen. Hydrogen må derfor fremstilles fra hydrogenholdige råvarer som for eksempel gass eller vann.

Fordi hydrogen relativt enkelt kan fremstilles fra en rekke forskjellige råstoff og med mange ulike metoder, kan avhengigheten mange land har til olje bli redusert. Tyskland, Japan og USA er storforbrukere av importert fossil energi. Disse landene leder an i utviklingen av teknologier mot en hydrogenbasert transport. Oljeavhengighet i kombinasjon med potensialet for næringsutvikling og miljøforbedring er hovedmotivasjonen for å satse på hydrogen som energibærer verden over.

Hydrogen i transportsektoren
Vanlige bensinmotorer kan bygges om til hydrogendrift, men forbrenningsmotorer har lav effektivitet. Den svært velutviklede forbrenningsmotoren utnytter bare 20-30 prosent av energien i drivstoffet. En brenselcelle på hydrogen har allerede med dagens teknologi en tilsvarende effektivitet på over 50 prosent, og teoretisk mulighet for langt høyere utnyttelsesgrad av energien. Det utvikles også fly og tog som bruker hydrogen som drivstoff.

Andre bruksområder
Hydrogen vil i økende grad bli brukt i stasjonære turbin- og brenselcellekraftverk. På mange felt vil hydrogen sammen med brenselceller erstatte bruk av batterier. Hydrogen kan også anvendes på de fleste områder der en bruker brenngass.

Produksjon
I dag produseres hydrogen hovedsakelig fra naturgass hvor gassen benyttes innen eller er et restprodukt fra ulike industrier.

Av verdensproduksjonen i dag på ca. 500 milliarder Nm3 H2 (normalkubikkmeter) kommer ca. 90 prosent fra fossilt materiale og ca. fire prosent fra elektrolyse av vann. De største forbrukerene av hydrogen er petroleums- og kunstgjødselindustrien.

Omtrent halvparten av verdensproduksjonen blir fremstilt ved dampreformering av naturgass. Naturgassen blir i denne prosessen tilført vanndamp ved 1100 °C, prosessen gir også CO2 som da må renses og deponeres.

Hydrogen produsert fra fossilt materiale kommer til å være den rimeligste hydrogenkilden en stund fremover. Denne produksjonen genererer store mengder av blant annet CO2, men punktifiserte utslipp fra store produksjonsanlegg er enklere å rense og deponere enn rensing av mange små utslipp (f. eks. fra bensindrevne biler).

Hydrogenøkonomi
Fremstilling av hydrogen fra fornybare energikilder er basisen for hydrogenøkonomien, en visjon om et bærekraftig energisystem med hydrogen som energibærer. Elektrolyse av vann med energi fra fornybare energikilder kan bli en viktig produksjonsform i fremtiden.

Hydrogenproduksjon ved hjelp av direkte hydrogenspaltende solceller, alger eller bakterier er også mulig, men med disse prosessene gjenstår det en del forskning og utviklingsarbeid før de kan tas i kommersiell bruk.

Lagring og transport
Siden hydrogen er et svært lett gass tar den mye plass i forhold til den energimengden gassen inneholder. Det gjør at lagring av hydrogen er en teknisk utfordring i seg selv. Lagringsteknologien har imidlertid utviklet seg raskt de senere årene.

· Komprimert gass

· Flytende form

· Metallhydrid

· Absorbert i kullfiber

· I hydrogenrike væsker

· Kombinasjonsteknikker av de overnevnte

Komprimert hydrogen (”CH2” ved 350-700 bar) i høytrykkstanker av stål eller komposittmateriale er økonomisk og velutprøvd. De fleste bilprodusenter

benytter lagring av gass ved 700 bar i dag i sine prototyper.

BMW har drevet med utstrakt utprøving av flytende hydrogen (-253°C) i cryo-tanker for biler. DaimlerChrysler og Toyota har prototypebiler som reformerer metanol til en hydrogenrik gass ombord i bilen, men metanol er svært giftig. Brukt i brenselceller gir metanol i forhold til bensin bare ca. 30 prosent reduksjon av karbondioksid og lavere ytelse enn med hydrogen.

Enkelte typer metaller og legeringer (f. eks. jern­titan) kan binde opp hydrogen som metallhydrid. Mazda og Toyota har valgt metallhydrid som lagringsform i enkelte av sine hydrogenbiler.

Absorpsjon av hydrogen i enkelte typer kullfiber som Carbon Black og Fullerene er en svært lovende lagringsmetode under rask utvikling.

For å øke lagringsevnen går utviklingen mot kombinasjonsteknikker av hydrogenabsorberende materialer under trykk eller trykksatte cryo-tanker Honda har tatt i bruk kombinasjonsteknikker i en av sine prototyper.

Frakt av flytende hydrogen (”LH2”) med skip er i prinsippet likt frakt av flytende naturgass (LNG) som er anvendt teknologi.

Både flytende og komprimert hydrogen kan transporteres i rør. Det finnes i dag omlag 2.220 km rør for transport av hydrogen i USA og Europa. Eksisterende rør av stål for naturgass kan med modifiseringer benyttes til hydrogentransport. Hydrogen kan også transporteres innblandet i naturgass.

Sikkerhet
Hydrogen fordamper svært raskt – langt raskere enn bensin – og brenner nesten uten strålevarme. Alle drivstoff er brennbare og kan være eksplosive, det er derfor de kan brukes som drivstoff. Det finnes derfor ikke noe 100 prosent sikkert drivstoff, alle drivstoff krever forsvarlig behandling ut fra sine fysiske egenskaper. Industrien har over 100 års erfaring med sikker bruk av hydrogen. NASA, som er verdens største forbruker av hydrogen til transportformål, blant annet som drivstoff til romfergene og Titanrakettene, klassifiserer hydrogen som det sikreste drivstoffet de bruker. I en kollisjon med tankbrudd vil en hydrogenbil med metallhydridlager av flere grunner være langt sikrere enn en bil med bensintank. Bensin og diesel og eksosen fra disse er allergi- og kreftfremkallende.

Hydrogen i Norge
Norge har de beste forutsetninger for å ta i bruk hydrogen som energibærer, så som mye utbygd vannkraft og stort potensiale forvindkraft og andre fornybare energikilder. Norge disponerer dessuten nesten halvparten av gassreservoarene i Vest-Europa. Norge kan bli storleverandør av hydrogen. Norsk industri er godt rustet til å møte de utfordringene hydrogensamfunnet stiller, og innenfor frakt av flytende hydrogen kan norsk skipsfart få en tilsvarende ledende posisjon som ved frakt av LNG.

Kortfakta om Hydrogen
Tetthet 0,09kg/Nm3

Energitetthet, lav /høy brennverdi:

Etter vekt: 33,33kWh/kg-39,41kWh/kg

(ca. 3 ganger høyere brennverdi enn bensin)

Etter volum:3,00kWh/Nm3/3,55kWh/Nm3

Kokepunkt -253C

Hydrogen-gass (H2) reagerer meget lett med andre stoffer. Det finnes ikke fritt i naturen og må fremstilles. Hydrogen er således ikke en primær energikilde, men en energibærer

Referanser og videre lesning
”Hydrogen as an energy carrier”, C. J. Winter et al,

Springer Verlag 1988

”Hydrogen Power”, David Hart, FinancialTimes 1997

”Harnessing hydrogen – The Key to Sustainable Transportation”, J. S. Cannnon, Inform 1995

”Rensing og deponering av CO2”, Bellona Faktaark