Japans hydrogen-framtid

Under Statsminister Bondeviks offisielle besøk til Japan nå sist i mai, ble det invitert til en tre dagers studietur med besøk ved det Japanske handels og industridepartementet, forsknings- og utviklingsorganisasjoner samt industri innenfor temaet hydrogen- og brenselcelleteknologi.

Norges Eksportråd, gjennom sitt Tokyo kontor, stod for planlegging og gjennomføring av arrangement - i et opplegg som karakteriseres som svært vellykket. Vi som var så heldige å være med på arrangementet gir helhjertet honnør både til Eksportrådet som arrangør og til de organisasjoner som ga oss en god innføring i prioriterte områder og utviklingsstatus innenfor et representativt tverrsnitt av denne satsning.

Hydrogen som energibærer er omfattet med økende interesse også i Norge. Vi benytter derfor denne anledning til en oppsummering av noen hovedinntrykk fra den nevnte studietur som omfattet besøk til:

- Ministry of Economy Trade and Industry (sentral myndighet for teknologiutvikling og markedsintroduksjon).

- The Japan Steel Works, Ltd. (produksjon av metallhydrider, leverandør av lagrings- og hjelpesystemer for hydrogenteknologi).

- EBARA CORPORATION (Utviklings og leverandørorganisasjon for en lang rekke miljøprodukter inkl. små brenselceller for husholdningsmarkedet i samarbeid Ballard og vannelektrolyseanlegg for hydrogenproduksjon basert på Norsk Hydros teknologi).

- Tokyo Gas Co., Ltd. (Naturgassleverandør og leverandør av el. og termisk energi. Utvikling av ny teknologi for produksjon av hydrogen fra naturgass ved desentrale system samt verifikasjon og praktisk uttesting av tilgjengelige brenselcelle systemer).

- Iwatani International Corporation (Utvikling og bygging av naturgass fyllestasjoner).

- Japan Automobile Research Institute (Forsknings og utviklingsorganisasjon med bred aktivitet rettet inn mot øket anvendelse av brenselceller i automobilmarkedet, bla. ved utvikling av regelverk, sikkerhetsanalyser og systemstandardisering. Uttesting av alternative brenselcelleteknologier og -utforminger, brenselkvaliteter og overvåknings-/ hjelpesystemer).

- NEC Laboratories (Utvikling av karbon nanomateriale for ulike anvendelser bl.a. som elektrodemateriale i brenselceller og som hydrogen lagringsmateriale).

- National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Energy Electronic Institute (Forsknings og utviklingsorganisasjon for innovative, nye systemløsninger for elektrisitetsproduksjon basert på bruk av elektronikk/mikroelektronikk, ny materialteknologi og informasjonsteknologi).

Nasjonal strategi

Den Japanske satsning på hydrogenteknologi er betydelig. For inneværende år, 2003, fordeler offentlige utviklingsmidler fordelt på de enkelte hovedområder seg slik (omregnet til norske kroner etter dagens kurser):

- PEFC brenselcelleteknologi: 321 mill NOK

- Hydrogenteknologi/produksjonsanlegg: 456 mill NOK

- Demonstrasjonsprosjekter for PEFC baserte brensescelleapplikasjoner: 638 mill NOK

- MCFC og SOFC brenselcelleteknologi: 216 mill NOK

- Demonstasjonsprosjekter for MCFC og SOFC brenselcelleapplikasjoner: 215 mill NOK

Samlet utgjør dette offentlige midler for 2003 alene på rundt 1 840 mill NOK, for øvrig en økning på rundt 36 % fra 2002.

I tillegg til dette kommer egenfinansieringen fra japansk industri, som er omfattende, men ikke nærmere kvantifisert. Det er for øvrig ambisjon om ytterligere fremtidig økning av offentlige bevilgninger innen dette område.





Målsetninger

I samarbeid med industrien har Japanske myndigheter formulert følgende hovedmål for den pågående satsning:

- 2000 - 2005, Basisutvikling og teknologi demonstrasjonsfasen:

Implementering av en omforent «Utviklingsstrategi for Brenselcelleteknologi», grunnleggende FoU arbeider, gjennomføring av verifiserende demonstrasjonsprosjekter samt utvikling av regelverk/standarder.

- 2005 - 2010, Brenselcelle introduksjonsfasen:

Akselerert introduksjon av praktiske brenselcelleapplikasjoner, med øket pålitelighet og reduserte kostnader. Start installasjon av høyeffektive hydrogen leveransesystemer.

- Fra 2010, Markedspenetrering:

Markedsutvikling på kommersielle betingelser. Utbygging av hydrogen logistikkjeder i en takt som sikrer disse mål for markedsutviklingen i hjemmemarkedet:

- Innen år 2010: 50 000 brenselcelle drevene kjøretøy (FCVs) og 2.1 GWh el. produksjon fra stasjonære brenselcellekraftverk.

- Innen år 2020: 5 mill. brenselcelle drevene kjøretøy (FCVs) og 10 GWh el. produksjon fra stasjonære brenselcellekraftverk.





Hydrogenlagring

For å kunne kommersialisere «nullutslippsbiler» (»zero emission vehicles» forkortet ZEV) må effektiv og sikker lagring av hydrogen gis fullgod løsning. Som utviklingsmål er det satt at slike biler skal lagre 5 kg hydrogen, nok til å kjøre 500 km, når de introduseres på markedet.

Hydrogen kan lagres som nedkjølt væske, komprimert gass eller absorbert i faste stoffer. Det første krever temperaturer under -253oC (20 K) og er uegnet for de fleste formål. Lagring som komprimert gass kan gjøres ved romtemperatur og teknologien er velkjent og enkel. En ulempe er at systemet blir voluminøst. 5 kg hydrogen komprimert til 350 bar tar opp et volum på 175 liter. Komprimeringen er energikrevende, og strenge krav til sikkerhet må ivaretas. Denne lagringsformen er nærmest enerådende i de nyeste generasjoner av ZEV-prototyper.

Det tredje alternativet er å la metaller og legeringer absorbere hydrogen under dannelse av metallhydrider (MH). Absorpsjonen er eksoterm og reversibel, og hydrogen fås tilbake ved oppvarming. Denne lagringsformen har høy volumetrisk hydrogentetthet; faktisk høyere enn i flytende hydrogen. Sikkerheten er godt ivaretatt siden hydrogenet er kjemisk bundet og avgivelsen skjer endotermt. Tyngden av systemene gjør imidlertid at denne lagringsform ennå er lite egnet for mobile applikasjoner.

Det er derfor en utfordring å utvikle MH-materialer med høyt gravimetrisk hydrogeninnhold og egnede egenskaper (rask absorpsjon og desorpsjon ved moderat temperatur og trykk, toleranse mot forurensninger, lite tap av kapasitet etter gjentatt absorpsjon/desorpsjon) samt akseptable materialkostnader). En forskningsgruppe ved National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Energy Electronic Institute (AIST) ledet av Professor Etsuo Akiba utviklet i 1993 en titanvanadium legering med reversibel hydrogenkapasitet på over 2 % på vektbasis. Materialet, kalt bcc-legering pga. sin romsentrerte krystallstruktur, ble forbedret ved innlegering av zirkonium, krom og mangan. Toyota har i 1996 og 2001 lagd ZEV-prototyper med hydrogenlagre basert på AISTs legeringer.

Nylig fant AIST i samarbeid med Mazda en ny bcc-legering basert på titan og lettmetallet magnesium. Legeringen absorberer imidlertid foreløpig ikke hydrogen. For å oppnå dette arbeides det med modifikasjoner som reduserer hulrommene i materialstrukturen slik at de blir attraktive for hydrogen. Hvis dette lykkes, bør målsetningen om lagringskapasitet på 5 vekt % kapasitet være innenfor rekkevidde.

Japan Steel Works (JSW) har energirelaterte materialer som kjerneområde. De leverer MH-baserte hydrogentanker i ulike størrelser og utforminger. De minste er 5 cm i diameter, veier i underkant av et kilo og rommer 6 g hydrogen. Dette tilsvarer faktisk 70 liter gass ved standardbetingelser. Tankene gir i overkant av 1 bar ved romtemperatur, og varmeutveksling skjer direkte med luft. De større tankene lagrer fra 100 g til 7 kg hydrogen og har varmevekslingssystem basert på vann eller luft. Ved påfylling av hydrogen kjøles tanken ned for å sikre rask absorpsjon og hindre overoppheting. Tanken varmes opp, gjerne med restvarme fra brenselcelle, for å regulere utløpstrykket når hydrogen forbrukes. Trykk opp mot 10 bar kan oppnås, og tankene kan brukes som hydrogenkompressorer.

JSW leverer legeringer tilpasset kundens behov. Alternativene er AB5-, AB2- og bcc-legering. Sistnevnte scorer høyt på kapasitet (2,77 vekt %), men mister ca. 20 % av denne allerede etter 100 påfyllinger og har lav toleranse for forurensninger. Et kortsiktig mål er økning til 3 vekt % ved 100oC gjennom forbedring av bcc-legeringen. Det langsiktige målet sammenfaller med Japans målsetting om 5,5 vekt % ved 150oC. Det kan realiseres gjennom nye legeringer av Mg og Ca.





Brenselceller

Japans satsing på brenselceller har de siste årene i økende grad dreid mot en utførelse betegnet «Proton Exchange Membrane Fuel Cell» (PEMFC). Dette fordi disse kan brukes både innen transport (busser og biler) og i stasjonære anlegg (distribuert kraft).

Ifølge Ministry of Economy Trade and Industry (METI) er hovedutfordringene med å få introdusert brenselceller i markedet tredelt:

(1) Tekniske forhold (virkningsgrad, størrelse/vekt, levetid, pris).

(2) Infrastruktur (fyllestasjoner).

(3) Regelverk og standarder, inkl. testmetoder.

Japan satser på alle disse områdene og arbeider med klare mål om å utvikle konkurransedyktige løsninger i nær framtid (i løpet av 5-10 år).

Ett fokusert tiltak som skal hjelpe utviklingen er det omfattende demonstrasjonsprosjektet «Japan Hydrogen and Fuel Cell» (JHFC), som ble startet opp i 2002 og planlegges avsluttet i 2004. Dette er den første demonstrasjon i Japan som både inkluderer hydrogen fyllestasjoner (5 stykker i alt, alle med ulike energibærere for produksjon av hydrogen) og kjøretøy drevet av brenselceller fra alle de store bilprodusentene (Toyota, Nissan, Honda, General Motor og DaimlerChrysler).

Mye av PEMFC-utviklingen i Japan foregår bak lukkede dører hos bilprodusentene, og det er derfor vanskelig å få en helhetlig oversikt over hvor langt Japan egentlig har kommet med den samlede utvikling innenfor fremtidens hydrogenteknologi.

Regelverk og standarder

Ved det nasjonale forskningssenteret Japan Automobile Research Institute (JARI) arbeides det med å etablere koder og standarder for kjøretøy drevet av brenselceller. Her inngår også standardisering av arbeidet på sikkerhet (drivstofftank, nødsituasjoner) og systemkomponenter (brenselceller og reformere), og testing av ytelse (effektuttak, utslipp) og drivstoffegenskaper (urenheter, tilsetningsstoffer).

Andre muligheter

Av fundamentalt viktige teknologiske framskritt kan det nevnes at elektronikkprodusenten NEC nå kan framstille såkalte karbon nanohorn, et materiale som på en ypperlig måte kan støtte katalysatorpartikler (platina) i PEM-celler fordi de er kjemisk stabile og elektrisk ledende. Denne teknologien vil i første omgang inngå i NECs kompakte direkte methanol PEM-brenselceller for mobiltelefoner og bærbare PC-er.

Av andre framskritt, denne gang på systemnivå, viste energileverandøren Tokyo Gas Co at de var kommet langt på å optimalisere design og drift av små, kompakte anlegg for naturgass reformering og energikonvertering ved bruk av PEMFC brenselceller, beregnet for anvendelse i boliger. Disse vil typisk legges ut med produksjonskapasitet på 1 kW el. og ca. 1.2 kW termisk energi. Ved hjelp av avanserte styringssystemer er det målsetningen at slike anlegg skal kunne forsyne den typiske, fremtidige boligsektoren i Japan (rundt 50 m2 boareal) med både strøm og varme, i anlegg med en svært høy systemvirkningsgrad (80-90%).

Under vår studietur ble det ved flere anledninger vist til de problemstillinger Japans økonomi har vært gjennom de siste år. Mot dette bakteppe er både nivå og langsiktighet i de investeringer som legges ned i hydrogenteknologi på bred basis kort sagt imponerende. Fundamentet for denne satsing forklares ved: Behovet for reduserte miljøbelastninger fra energibruk og Fremtidige industriarbeidsplasser i Japans industri.

Besnærende enkelt, ja vel, men et utgangspunkt som åpenbart evner å integrere offentlig og privat satsning mot felles mål. Vi ser derfor med stor interesse frem til den videre oppfølging.