Prisfall på brenselceller: Neste generasjon som produseres i 100,000 enheter/år kan gi en pris på ca. 50 USD/kW (Bilde: US DoE 2015)

Hydrogen og batterier

Hydrogen og batterier trenger ikke være enten eller. Kanskje er den ultimate løsningen hybrid

Stort forskningsprosjekt i Norge.

Det er kanskje ikke så rart at Norge har hatt et langvarig forhold til hydrogen. Norsk Hydro har fremstilt gassen siden 1927 for å produsere kunstgjødsel. I dag er vårt letteste grunnstoff omfatter med fornyet interesse fordi den er så energirik.

Mange tror dette er den energibæreren vi trenger til tyngre elektriske kjøretøyer, båter, tog og andre transportmidler som krever stor energilagringskapasitet. Batterier opplever allerede en voldsom vekst, men de kan også forbedres.

Sammen kan de to energibærerne spille en viktig rolle i hybride systemer.

260 millioner kroner

Nylig ble et bredt norsk initiativ etablert for å se på de nye mulighetene. MoZEES (Mobility Zero Emission Energy System) er organisert som en såkalt FME - forskningssentre for miljøvennlig energi.

Totalbudsjettet er på 260 millioner kroner over åtte år, hvorav 140 millioner kroner er bevilget fra Forskningsrådet.

Foran fyllestasjonen ved Åråsen: Prof. dr. ing. Øystein Ulleberg skal lede det nye forskningsprogrammet MoZEES. Fredrik Aarskog er forsker ved senteret.
Foran fyllestasjonen ved Åråsen: Prof. dr. ing. Øystein Ulleberg skal lede det nye forskningsprogrammet MoZEES. Fredrik Aarskog er forsker ved senteret. Foto: ORV

Dette skal finansiere langsiktig og målrettet forskningsaktivitet for de syv forskningspartnerne i senteret (IFE, SINTEF, NTNU, UiO, TØI, FFI og HSN). Forskningen skal danne kunnskapsgrunnlaget for nye utviklingsprosjekter og investeringer for de syv offentlige og 26 kommersielle og industrielle partnerne i MoZEES de neste åtte årene.

Skiftes ut: Det meste av den gamle forskningsutrustningen i senteret skal skiftes ut med nye batterier og brenselceller.
Skiftes ut: Det meste av den gamle forskningsutrustningen i senteret skal skiftes ut med nye batterier og brenselceller. Foto: ORV

Aktiviteten vil bli delt i fire områder. NTNU vil lede forskningen på batterimaterialer, Sintef på materialer for hydrogenteknologi, mens IFE skal ta hovedansvaret for forskningen relatert til batteri- og hydrogensystemer. I tillegg vil TØI få ansvar for policy og teknisk-økonomiske analyser.

Det skal forskes på materialer og prosesser. Målet er å etablere «grønne jobber» i ny eksportrettet industri og nye løsninger for transport med spesielt fokus på maritime anvendelser.

Hydrogen og batterier

Nullutslipp i transport: Ulike anvendelsesområder krever ulike løsninger.
Nullutslipp i transport: Ulike anvendelsesområder krever ulike løsninger. Foto: IFE

På IFE Kjeller har det foregått forskning på hydrogen i flere tiår, og det er etablert et nasjonalt testsenter, IFE Hynor Hydrogen Technology Center, i Akershus EnergiPark rett nord for Åråsen Stadion.

I dette testsenteret skal det nå etableres nye laboratorier for testing av batteri, brenselcelle- og hydrogensystemer, som en del av nasjonale forskningsinfrastrukturmidler fra Forskningsrådet.

Her skal samspillet mellom hydrogenteknologi og batterier studeres, noe som er spesielt viktig for tyngre transportløsninger.

– I mange anvendelser, slik som i et skip, er en hybrid løsning med hydrogen og batterier svært interessant. Batteriene kan levere store effekter, mens hydrogen kan lagre mye energi. Dette gjelder elektrisk drevne skip, som trenger mer rekkevidde enn korte fergeruter. Vi ønsker nå å se nærmere på løsninger der hydrogendrevne brenselceller dekker grunnlasten, det vil si mellom 20 og 30 prosent av maksimal effekt, mens batteriene dekker topplastene, mellom 70 og 80 prosent, sier Ulleberg.

Logikken ligger i at det er altfor kostbart å utstyre skip med brenselceller nok til å ta effekttoppene. Samtidig blir det alt for dyrt å utstyre et skip med nok batterier til å kjøre langt.

Alternativer for null-utslipp: De tre forskjellige måtene å lagre energi på for bruk i transport har svært ulike egenskaper
Alternativer for null-utslipp: De tre forskjellige måtene å lagre energi på for bruk i transport har svært ulike egenskaper Foto: IFE

– Brenselcellen liker seg best på 80 til 90 prosent av nominell last. Da får den lengst levetid, selv om virkningsgraden er noe lavere enn ved litt lavere last. En elektrisk ferge kan bruke 1 MW mens den går. Avhengig av hvor lang fergestrekninger er kan vi beregne hvor stort batteri og hvor stor brenselcelle som er den optimale kombinasjonen for en hybrid energipakke, sier forsker ved det nye senteret, Fredrik Aarskog.

Batteri til korte strekninger

I følge Ulleberg klarer batterier jobben alene hvis fergeruten er inntil 20 til 30 minutter i sjøen. Utover det er kan hybriddrift med hydrogen være et godt alternativ.

Hydrogen fungerer som en rekkeviddeforlenger, men vil også være en sikker kilde til strøm om noe skulle skje med batteriene.

– Det er satt i gang fergeprosjekter med ren batteridrift, og det ser satt i gang et utviklingsprosjekt sammen med Statens vegvesen der man skal se nærmere på mulige løsninger med hydrogenbasert hybriddrift, sier han.

Energitetthet: batterier og hydrogen
Energitetthet: batterier og hydrogen Foto: IFE

På en måte er det batteriene, og de raskt fallende prisene, som har flyttet interessen for utslippsfrie energialternativer bort fra hydrogen. Men Ulleberg ser det på en annen måte.

– Nå er det batterier som kommer til assistanse og gir hydrogen en ny mulighet gjennom hybridisering. Det trengs, for brenselceller må gjennom den samme oppskaleringen som har kommet batterier til gode, hvor produksjonsvolumene, mer enn tekniske forbedringer, har sørget for et voldsomt prisfall, sier han og peker på at hydrogen er ett av de få nullutslippsalternativene vi har.

Han tror hydrogen vil bli mer viktig i fremtidens energinett enn tidligere. Kraftproduksjonen vil variere mye mer med tilgangen på sol og vind og da er det trengs hydrogen til å utnytte toppene som ellers kan gå tapt. Det er en mulighet for norsk industri.

Silisium og hybriddrift

Ulleberg, som leder MoZEES, ser i første omgang to store industrielle muligheter for Norge.

Det ene er å produsere nye materialer for litiumionebatterier, og det er spesielt silisium til anodesiden som peker seg ut. Lykkes de med denne forskningen kan vi få i gang mer avansert prosessindustri av den typen Elkem har klart for superrent metallurgisk fremstilt silisium til solceller.

Det andre norsk muligheten er maritim bruk av batterier og brenselceller for å skape en ny generasjon nullutslippskip.

– Vi tenker også på tog i denne sammenhengen. Det vi gjør vil kunne ha stor overføringsverdi til andre plattformer. Vi ser for oss hybride enheter på 1 til 2 MW basert på moduler fra 100 til 200 kW. Moduler vil forenkle masseproduksjon og gi stor redundans i kraftsystemene, sier Ulleberg.

Trekkraft fra bil

De to forskerne tror de vil få god hjelp fra bilindustrien som for alvor har satt i gang produksjon av hydrogenbiler. Det vil bidra til å redusere kostnadene ved produksjon av brenselceller.

Toyota snakker om å produsere 30.000 hydrogenbiler i 2020 og i tillegg kommer busser og gaffeltrucker.

– Det foregår også forskning og utvikling av brenselceller på størrelse med en mobiltelefon som kan generere 1 kW, men det normale er 3 kW/liter. Vi har allerede sett en del av de prishalveringene, som har kommet batterier og solceller til nytte, på brenselceller uten at det har gått ut over virkningsgraden. Men på et punkt må vi låse teknologien. Vi kan ikke bare sitte å vente på forbedringer, sier Aarskog.

Ulleberg tror det er de store produsentene i Japan, Korea, Canada, USA og Tyskland som vil lede utviklingen av brenselceller. Det vil bli mer satsing på masseproduksjon basert på automatisering og da vil prisene falle ytterligere.

Trenger billig hydrogen

Det er ikke bare brenselceller som trenger prisfall, det samme gjelder hydrogenproduksjons- og forsyningssystemene.

For å nå en fornuftig hydrogenpris er det viktig å etablere sentrale eller lokale produksjonsanlegg med en viss størrelse og god utnyttelsesgrad. Det er en forutsetning for at investeringene i utstyr skal bli lønnsom. 

– Vi må produsere minst ett tonn H2 i døgnet for å få prisen lav nok til de anvendelsene vi sikter oss inn på. En så stor produksjon gir høy nok utnyttelse av all utrustningen som må til. Men et tonn H2 er mye energi og da må vi tenke på en fergerute, et tog, eller en flåte med tyngre kjøretøy, sier Ulleberg.

Han tror Norge har svært gode forutsetninger til å ta en ledende rolle på batterier, hydrogen og hybridisering med batterier og brenselceller. I tillegg til de industrielle mulighetene på materialer og utstyr, kan Norge bli en stor produsent av hydrogen fra fornybare kilder som vindkraft og overskudds vannkraft.

– Vi bør tenke langsiktig på nye verdikjeder og tjenestemarkedet som vil oppstå på disse områdene, sier han.

Kommentarer (26)

Kommentarer (26)