Smart-H

Nå skyter hydrogen fart: Fremtidens kull er vann

Allerede i 1875 spådde Jules Verne at hydrogen produsert ved hjelp av elektrolyse av vann ville sikre jordens energibehov for all fremtid. Nå, 145 år senere, har hydrogenballen virkelig begynt å rulle.

Her monterer post.dok Dong Wang mikrsostrekkmaskinen i et skaningelektronmikroskop. Dette kan registrere sammenhengene mellom spenning og tøyning, som er viktig for å forstå oppførselen til et materiale, ikke minst hvordan hydrogen påvirker egenskapene. Hele forløpet dokumenteres med både bilder og video, så kan forskerne teste med og uten hydrogen, og se forskjellene. (Foto: Joachim Seehusen)
Her blir en liten metallprøve satt inn i en mikrostrekkmaskin. Denne kan programmeres slik at prøven blir belastet etter et bestemt mønster, ofte strekkes prøven til brudd. (Foto: Joachim Seehusen)
Ingebjørg Telnes Wilhelmsen, generalsekretær i Norsk Hydrogenforum mener virkemiddelapparatet i for stor grad er rettet mot pilotførsøk. Hun mener teknologien er kommet langt og at industrien er klare for mer enn pilotforsøk, selv om det fortsatt er behov for støtte. (Foto: Joachim Seehusen )
Professor Roy Johnsen og seniorforsker Vigdis Olden studerer resultatene av en test fra skanningelektronmikroskopet, ofte kalt SEM, som sees bak dem. Øverste høyre skjerm viser et Electron BackScatter Diffraction-bilde som gir forskerne informasjon om mikrostrukturen i metalliske materialer. (Foto: Joachim Seehusen)
Stålet er strukket til brudd mens den er utsatt for hydrogen. Hydrogen vil ofte føre til sprøtt brudd, som på bildet. Uten hydrogen får man normalt duktile brudd. Forskerne får også informasjon om hvordan bruddet forplanter seg i mikrostrukturen til stålet og hvordan utfellinger påvirker initiering og vekst av brudd. (Foto: Joachim Seehusen)
Professor Roy Johnsen foran spesialutstyr laget for å måle opptak av hydrogen og se hvor raskt det diffunderer i materialet. Forskerne kan teste ulike metalliske materialer under forskjellige forhold, blant annet komponenter eksponert mot hydrogen-gass under trykk. (Foto: Joachim Seehusen)
Vigdis Olden har plassert et stykke stål i et kammer med saltvann for å teste styrken og utmattingsegenskapene. Kammeret simulerer forholdene utstyr på havbunnen blir utsatt for, der offeranoder er brukt. Prøven utsettes for mekanisk belastning, statisk eller dynamisk, til brudd oppstår. Nå har NTNU og Sintef bestilt utstyr for å utføre tilsvarende tester på Tiller der prøvene vil stå i hydrogen under trykk og temperatur opp til 500 bar og 200°C. (Foto: Joachim Seehusen)

Allerede i 1875 spådde Jules Verne at hydrogen produsert ved hjelp av elektrolyse av vann ville sikre jordens energibehov for all fremtid. Nå, 145 år senere, har hydrogenballen virkelig begynt å rulle.

I juni la regjeringen frem en hydrogenstrategi, i juli la EU frem sin. Produksjonskapasiteten skal mangedobles på få år. Det åpner for omfattende industriutvikling, nye produkter og tjenester.

– Ja, her ligger det betydelige muligheter for industrien. Norsk industri kan bli en global leverandør av hydrogen og hydrogenteknologi, sier Ingebjørg Telnes Wilhelmsen, generalsekretær i Norsk Hydrogenforum.

Wilhelmsen legger til at foreningen, som nå har drøyt 60 medlemmer, blant dem tunge aktører som Equinor og Statkraft, merker økt pågang fra bedrifter som tradisjonelt har levert utstyr og installasjoner til olje- og gassektoren.

Men det er skjær i sjøen. Ett av dem er at det enkle hydrogenatomet lett trenger inn i andre materialer, både metaller, polymerer og andre materialer. Den inntrengningen kan gjøre materialene sprø og bidra til sprekkdannelser i tanker, rør, pakninger, koblinger og ventiler, i verste fall brudd.

Hydrogen

  • Grunnstoff med atomnummer 1 i det periodiske systemet.
  • Et nøytralt hydrogenatom inneholder kun ett elektron og kjernen inneholder bare ett proton, derfor er hydrogen det enkleste av alle atomer.
  • Hydrogen er det elementet det er mest av, forskere antar at 75 prosent av universets masse er hydrogen.
  • Det finnes svært lite fritt hydrogen, noe er påvist i vulkanske gasser, naturgasser, i kullgruver og oljekilder. Så er jordkloden omgitt av et tynt hydrogenhylster i høyder mellom 2.000 og 20.000 meter.
  • Det meste av hydrogenet finnes i vann, 11,2 masseprosent (vektprosent) av vannet er hydrogen. Dette kan frigjøres gjennom elektrolyse – som krever energi. Derfor er hydrogen ingen energilde, men en energibærer.
  • Øvre brennverdi for hydrogen er 141,9 MJ/kg. Nedre brennverdi, som er hva man faktisk kan nyttiggjøre seg når varmetap er trukket fra, ligger på 119,9 MJ/kg. Til sammenligning ligger nedre brennverdi for diesel på 43,1 MJ/kg.
  • Energitettheten er lav for hydrogen. I gassform, ved atmosfærisk trykk er den kun 0,01 MJ/liter. Komprimert til 70 MPa er den 4,5 MJ/l og nedkjølt og flytende øker den til 8,5 MJ7l. Diesel ligger betydelig over med 36.2 MJ/l.

NTNU og Sintef har nå fått midler fra Forskningsrådet til å bygge ny forskningsinfrastruktur for å ruste både akademia og norsk industri for en fremtid der stadig mer hydrogen blir produsert, transportert og brukt. Infrastruktur for materialforskning knyttet til hydrogentransport, kalt Smart-H, vil bli lokalisert ved NTNU og Sintef i Trondheim.

Det er eksisterende laboratorielokaler som får nye instrumenter og utstyr. Makro-mekanisk testing blir lagt til Flerfaselaboratoriet på Tiller. Der kommer blant annet en testrigg i en innkapsling som tåler 500 bars trykk og en temperatur på 200°C. På Gløshaugen kommer et nano-mekanisk laboratorium og en analytisk lab der forskerne skal se på hvordan hydrogen diffunderer og tas opp i materialer og hvordan det påvirker materialets egenskaper på mikroskala.

Sprekkdannelser

Sprøheten forårsaket av hydrogen ble første gang beskrevet under en forelesning i Royal Academy i London i 1776. Selv om fenomenet var kjent, var det ikke fullt ut forstått, og skapte derfor utfordringer da rørledninger ble bygget, blant annet til Åsgard på 90-tallet.

Ingeniørene valgte rustfritt stål, med offeranoder på utsiden for å hindre korrosjon.

– Vi trodde det var trygt, og vi ble overrasket da det oppstod sprekkdannelser etter kort tid, sier professor Roy Johnsen ved Institutt for maskinteknikk og produksjon på NTNU.

Bruk av offeranoder utvikler hydrogen på metallet de skal beskytte.  Dette trengte inn i materialet og gjorde det utsatt for sprekkdannelser.

– Det var omfanget som overrasket oss, ingen var forberedt på de problemene hydrogen forårsaket da vi gikk over til mer tynnvegget høyfast stål og rustfritt stål i rørledningene, sier Johnsen.

Professor Roy Johnsen og seniorforsker Vigdis Olden studerer resultatene av en test fra skanningelektronmikroskopet, ofte kalt SEM, som sees bak dem. Øverste høyre skjerm viser et Electron BackScatter Diffraction-bilde som gir forskerne informasjon om mikrostrukturen i metalliske materialer. Foto: Joachim Seehusen

Siden har kunnskapen økt og utfordringene for industrien knyttet til hydrogen fra katodisk beskyttelse er til å leve med. Nå skal fagmiljøet vende seg mot hydrogen fra hydrogengass under trykk og øke forståelsen for hvordan dette miljøet påvirker egenskapene i materialer, slik at sprekker og lekkasjer unngås.

Seniorforsker Vigdis Olden ved Sintef Materialer og Nanoteknologi forteller at internasjonale og nasjonale standarder og regelverk knyttet til hydrogengasstransport delvis er på plass, men arbeid gjenstår. Et oppdatert regelverk er en viktig forutsetning for trygg bruk av hydrogen, og forskning er en viktig basis for standardutviklingen. 

Forskjell på grønt og blått

Et av forholdene forskerne skal se på er forskjellene mellom grønt hydrogen fra elektrolyse av vann og hydrogen fra reformert naturgass.

Reformert hydrogen vil inneholde ørsmå mengder reststoffer fra naturgassen. Det kan få konsekvenser.

Problemet er at bransjen på flere områder er klare for å ta i bruk hydrogen i større skala, og i en introduksjonsfase er det behov for risikovillig kapital

– Når hydrogenet først har trengt inn i materialet, spiller det ingen rolle hvor det kommer fra. Men, det kan tenkes at hydrogen fra naturgass har inhibitorer som bremser inntrengingen, eller til og med stoffer som fremmer inntrenging. Jeg ser for meg at dette kan bli et forskningstema, sier Olden.

Nå skal det bygges laboratorier. Forskningsrådet forutsetter at dette blir fulgt opp med prosjektsøknader både til Forskningsrådet og forskningsprogrammene i EU samt med industriprosjekter.

Produksjon av hydrogen

  • Den globale etterspørselen etter hydrogen er 79 millioner tonn. Av dette er 76 prosent produsert fra naturgass, 23 prosent stammer fra kull mens kun én prosent kommer fra elektrolyse av vann. Produksjonen av hydrogen i Norge var i 2018 225.000 tonn, alt fra naturgass, melder NVE. I Norge brukes hydrogen hovedsakelig i industriprosesser, Yara er vår største bruker av hydrogen.
  • Det skilles mellom grønn, blå og grå hydrogen.
  • Grønn hydrogen er produsert gjennom elektrolyse av vann og gir ingen utslipp. Typisk behøves 50-55 kWh elektrisitet for å produsere en kilo hydrogengass med et energiinnhold på 33 kWh.
  • Blå hydrogen er reformering av naturgass til hydrogen og CO2, der karbondioksidet blir fanget og lagret. Over 95 prosent kan fanges.
  • Grå hydrogen er også reformert naturgass, men uten CO2-fangst. For hvert tonn hydrogen gir det 8 tonn CO2.
  • Under reformering omdannes metan omdannes til hydrogen og CO2 ved hjelp av varme og vanndamp.
  • 90 prosent av dagens hydrogenproduksjon bruker reformering. Det gir store utslipp av klimagasser, og store utfordringer om disse skal fanges og lagres.

– Vi har allerede fått forespørsler vi har måttet si nei til, både fra England knyttet til å bruke hydrogen som rakettdrivstoff og fra en større norsk industribedrift fordi vi har manglet mulighet til å teste i hydrogengass under trykk. Når denne infrastrukturen er oppe og går vil den nok være i bruk tilnærmet 24/7, behovet er enormt, sier Johnsen.

Wilhelmsen sier seg enig, men melder at virkemiddelapparatet ikke er tilstrekkelig tilpasset en situasjon der hydrogen spiller en viktigere rolle.

– Interessen er der fra både Enova, Innovasjon Norge og Forskningsrådet, og det er positivt at det fra politisk hold legges til rette for pilotforsøk og demonstrasjonsanlegg. Problemet er at bransjen på flere områder er klare for å ta i bruk hydrogen i større skala, og i en introduksjonsfase er det behov for risikovillig kapital. Vi har holdt på med hydrogen siden tidlig på 1900-tallet, det ble brukt hydrogen på Apollo-ferdene fra 1960- tallet og busser har brukt hydrogen i et par tiår.

Nye bruksområder

Hun sier også at kompetansen er så høy i norsk industri og forventet etterspørsel gjør at det ikke vil være behov for store summer over lang tid.

– Dette kommer til å lønne seg etter få år. Selv om EU på lengre sikt ønsker grønn hydrogen, vil blått hydrogen fra naturgass være nødvendig i lang tid. Nå ser det jo også ut til at karbonfangst kommer på plass, så her ligger det store muligheter for Norge som energinasjon, sier Wilhelmsen.

Brennbart vann

I boken «Den mystiske øya» av den franske forfatteren Jules Verne, utgitt i 1875, lar han ingeniøren Curys Smith (i noen versjoner kalt Curys Harding) spå hydrogensamfunnet. Scenen er en debatt om krisen som vil oppstå når kullet er brukt opp. Aktørene er strandet på en øde øy etter å ha rømt fra krigsfangenskap under den amerikanske borgerkrigen.

«Hva skal det da gå videre med?», spurte Pencroff. «Skal vi fyre opp i ovnen med vann?»

«Ja, med vann, svarte Cyrus Smith, «med vann som blir oppløst i sine enkelte bestanddeler ved hjelp av elektrisitet. På den tiden vil elektroenergien ha åpnet uante muligheter. Det er i det hele tatt merkelig hvordan de forskjelligste oppfinnelser supplerer hverandre som ved en hemmelighetsfull overenstemmelse. De to utskillbare elementene i vann, nemlig vannstoff og surstoff, vil i uoverskuelige tider sikre jordens energitilførsel. En dag vil lokomotiver og dampbåter ikke ha noen kullbunkere, men gasstanker hvorfra den komprimerte gassen blir ført i rør til dampkjelen. Vannet er fremtidens kull.»

Denne oversettelsen er fra Den norske bokklubben, 1969. I de fleste norske versjoner er Jules Vernes bøker sterkt forenklet og kortet ned. Men Verne var en kunnskapsrik forfatter som i stor grad brukte teknologi, realfag og ingeniørkompetanse i sine bøker.

I dag er det hovedsakelig prosessindustrien som trenger hydrogen, gjødselprodusenten Yara er Norges største bruker. Kampen mot utslipp åpner for en rekke andre anvendelser, hovedsakelig i tungtransport og i skip.

Norcem, Felleskjøpet og Grønt skipsfartprogram har sammen startet et prosjekt med mål om å få bygget et utslippsfritt bulkskip med rekkevidde opptil 500 nautiske mil. I praksis er det tre alternativer, batteridrift, ammoniakk eller hydrogen. 1. oktober gikk fristen ut for å melde inn interesse og konsepter.

– Vi fikk mye mer respons enn vi hadde turt å håpe på. Det er klart at mange mener dette vil lykkes, sier transportleder Lars Erik Marcussen i Norcem.

Han forteller at selv om det er flere konsepter så er hydrogendrift dominerende i forslagene, og grønt hydrogen laget ved elektrolyse av vann virker realistisk. Prosjektet skal nå velge tre til fem finalister, før en endelig vinner blir valgt tidlig på nyåret.

Parallelt har det vært invitert opp mot 20 aktører til å komme med forslag og synspunkter om en forsyningskjede på strekningen mellom Oslo og Bergen.

– Selv om karbonfangst har kommet nærmere, håper vi i denne sammenhengen å kunne bruke grønt hydrogen, og så langt ser elektrolyse svært aktuelt ut, sier Marcussen. Om dette går videre er det naturlig å tenke seg at aktørene som skal bygge dette skipet vil ha stort behov for de tre nye labbene i Trondheim.

Professor Roy Johnsen foran spesialutstyr laget for å måle opptak av hydrogen og se hvor raskt det diffunderer i materialet. Forskerne kan teste ulike metalliske materialer under forskjellige forhold, blant annet komponenter eksponert mot hydrogen-gass under trykk. Foto: Joachim Seehusen

Mangedobler produksjonen

EU vil bygge elektrolyseanlegg med minimum 6 GW kapasitet og produsere 1 million tonn grønt hydrogen innen 4 år. Dette skal øke til 40 GW og 10 millioner tonn innen 2030.

IEA har tall som viser etterspørselen etter grønn, eller ren, hydrogen er 70 millioner tonn/år. Mens den globale kapasiteten til å bruke vann og elektrolyse i 2010 var 1 MW hadde den nådd 25 MW i fjor. I en rekke EU-land brukes også gass til oppvarming og koking. Her kan hydrogen erstatte naturgass. Igjen vil det utløse behov for å løse materialtekniske problemer der NTNU og Sintef sitter med det beste og mest avanserte utstyret i Europa.

Vi støter på problemer forårsaket av hydrogen nesten daglig

I tillegg har NTNU og Sintef samarbeid med japanske Kyushu University som har verdens største laboratorium for testing av hvordan hydrogen virker på forskjellige materialer.

– Japanerne er veldig åpne, de har satset på hydrogen mye lenger enn vi har i Europa. Dette samarbeidet vil også gi utveksling av masterstudenter og doktorgradsstipendiater, sier Johnsen.

Både han og Olden er klare på at norske miljøer nå blir i stand til å gå fra å bøte på skader til å hindre at de oppstår.

– Vi støter på problemer forårsaket av hydrogen nesten daglig. Hittil har det vært mye etterforskning når en skade har oppstått. Nå blir vi i stand til å ligge i forkant, og bruke legeringer og løsninger som tåler hydrogen bedre, sier Johnsen.

Les også

Hydrogenfeller

Olden legger til at det også er en vei å gå for polymerer, ikke minst i pakninger.

– Vi vet fra Japan at polymerer byr på utfordringer, de tar opp hydrogenmolekyler og blir porøse og stive. Dette er et eget forskningsområde, og her har vi et stykke å gå her til lands.

Hun sier at det også er andre metoder å se på, under transport kan trykkes reduseres. Så er det mye å gjøre på materialsiden. En løsning er å utvikle materialer med hydrogenfeller.

– Små innslag av titan som binder seg til hydrogen og hindrer at det påvirker materialet. Ulempen er at når disse fellene er fylt, så fortsetter hydrogen å bevege seg i materialet og gjøre skade.

Stålet er strukket til brudd mens den er utsatt for hydrogen. Hydrogen vil ofte føre til sprøtt brudd, som på bildet. Uten hydrogen får man normalt duktile brudd. Forskerne får også informasjon om hvordan bruddet forplanter seg i mikrostrukturen til stålet og hvordan utfellinger påvirker initiering og vekst av brudd. Foto: Joachim Seehusen

Dagens infrastruktur av rørledninger til havs for gasstransport er imidlertid også en god kandidat for transport av hydrogengass, og dette forskes det på ved Sintef og NTNU akkurat nå. 

Sett fra forskernes ståsted er en annen stor gevinst at det etter hvert kommer en helt ny generasjon ingeniører som har kunnskaper om hydrogen generasjonene før dem ikke hadde.

– Vi har de siste 20 årene ikke vært noen underdog, men vår kunnskap har vært på hydrogen fra katodisk beskyttelse. Nå skal vi bygge kompetanse om påvirkning fra hydrogen fra gass, det er viktig for å kunne ha god sikkerhet i hydrogensamfunnet, sier Johnsen.

80 prosent forskning, 20 prosent industri

Når de nye instrumentene og testmaskinene er på plass, anslår Olden og Johnsen at 80 prosent av kapasiteten blir brukt til forskning og utdanningsformål av professorer, forskere og studenter.

– De resterende 20 prosentene vil vi stille til disposisjon for industrien. Vi er avhengige av prosjekter, og Forskningsrådet har jo forutsatt det når vi fikk midlene.

Fra Norsk Hydrogenforum sitt perspektiv kan norske leverandører av stålprodukter dra stor nytte av hydrogen.

– De bruker i dag fossile energikilder. Om de blir i stand til å skifte til hydrogen, kan de selge sine produkter som grønne. Det er mange bruksområder for hydrogen, vi er jo en skipsfartsnasjon og  eksport av hydrogenfartøy fra norske verft vil bidra til at Norge kan styrke sin posisjon innenfor maritim sektor. Nå har Volvo og Daimler nylig lansert et samarbeid om hydrogen, som viser at de store lastebilprodusentene satser, og det er konkrete planer for å rulle ut hydrogendrevne lastebiler på norske veier. I Tyskland går det tog som bruker hydrogen og Østerrike har nylig startet med tester. Her hjemme kan vi bruke hydrogen på både Nordlandsbanen, Raumabanen og Rørosbanen, sier Wilhelmsen.

Les også

Kommentarer (67)

Kommentarer (67)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå