Hvordan virker hydrogen

Selv med batteriframskritt: Vi kommer ikke utenom hydrogen

Hva vi enn mener om batterier og deres høye virkningsgrad, så trenger vi hydrogen. Både som drivstoff i transport og til erstatning for kull som reduksjonsmiddel.

Prosjektet HySHIP ledes av Wilhelmsen og består av 14 partnere fra Norge og EU-land. Det skal resultere i skipet Topeka og et komplett distribusjonssystem for grønn hydrogen fra 2024. Topeka blir det første hydrogenfartøyet som går i kommersiell frakt mellom forsyningsbaser langs norskekysten.
Prosjektet HySHIP ledes av Wilhelmsen og består av 14 partnere fra Norge og EU-land. Det skal resultere i skipet Topeka og et komplett distribusjonssystem for grønn hydrogen fra 2024. Topeka blir det første hydrogenfartøyet som går i kommersiell frakt mellom forsyningsbaser langs norskekysten. (Illustrasjon: Wilhelmsen)

Hva vi enn mener om batterier og deres høye virkningsgrad, så trenger vi hydrogen. Både som drivstoff i transport og til erstatning for kull som reduksjonsmiddel.

Begeistringen rundt hydrogen som CO2-fritt drivstoff har blomstret opp gang på gang. På slutten av 90-tallet var alle enige om at elektriske kjøretøyer som fikk strøm fra hydrogen via brenselceller var fremtiden. Både Daimler (Mercedes) og General Motors annonserte masseproduksjon av hydrogenbiler fra 2003. Men så var det litiumbatteriet da. Man lærte å produsere det stadig billigere og anført av Tesla fikk elbilene lengre rekkevidde. Da var ikke hydrogenfremtiden så åpenlys lenger. 

Men vårt letteste grunnstoff har ikke blitt borte fra energiradaren selv om personbiler og mange varebiler åpenbart bør gå på batteri. Kjøretøyer som er tunge og skal langt har ikke noen fossilfrie alternativer om vi ser bort fra biodrivstoff. 

Lav vekt – men også stort volum

Dette har rett og slett med vekten på energilageret og gjøre. I batterier veier ikke drivstoffet, det vil si elektronene noe, men materialene som skal til for å lagre elektronene veier masse. Hydrogen veier i seg selv også svært lite. Her er det brenselcellen og lagertankene som veier mest, men totalt sett mye lettere enn batterier.

I en stor trailer som skal gå 40–50 mil på en fylling er faktisk vekten av fremdriftssystemet allerede i dag mindre når den går på hydrogen enn på diesel. Altså hydrogenlastebilen kan ta litt mer last enn dieselversjonen. Dette avhenger av at det er plass om bord. For en hydrogentank blir veldig stor, selv når trykket er høyt. Sammenliknet med diesel, er hydrogentankene fem til ti ganger større i volum for samme rekkevidde.

I en batteri-elektrisk trailer vil batteriene veie så mye at det går alvorlig ut over evnen til å frakte last. Dessuten vil det ta lang tid å lade det enorme batteriet, mens en hydrogendrevet trailer kan fylles på 10-15 minutter. I små biler vil hydrogen fylle uforholdsmessig mye, og redusere tilgjengelig plass for personer og last. Jo større kjøretøyet er, jo mer volum er tilgjengelig for energilageret, slik vi f.eks. allerede er vant til å se med gassbusser med tanker på taket. Vekten av kjøretøyet påvirker i betydelig grad energiforbruket, og hvis man skal opp i luften, er det avgjørende at fremdriftssystemet har lav vekt. Men først til den velkjente kjepphesten:

Virkningsgrad

Ankepunktet mange anfører mot hydrogen er virkningsgrad. Det er energitap når man lager H2 både ved elektrolyse eller fra naturgass, og når hydrogen komprimeres, transporteres og til slutt konverteres til strøm igjen i brenselcellen. Spesielt er det energikrevende å produsere flytende hydrogen som vil bli brukt i fly, skip og langtransport. 

Men av og til er strømmen gratis. Jo mer vind- og solkraft vi bygger ut, jo flere perioder (dager, uker og måneder) er det vanskelig å bli kvitt den. Kanskje ikke spesielt i Norge hvor vi bare kan skru igjen vannkraftkrana, men slik lagring er ikke vanlig i resten av verden. Da er det lurt å kunne produsere hydrogen. Og når strømprisen er lav, blir hydrogenet i tillegg billig.

Det er mulig å komme godt over 90 prosent i virkningsgrad ved elektrolyse, men i praksis ligger den på 70 til 80 prosent med høytrykk alkaliske elektrolyseanlegg.

Når gassen skal komprimeres, trengs det også energi. Rundt 10% av energiinnholdet i hydrogengassen går med hvis den skal komprimeres til 700 bar, som er det trykket som benyttes i personbiler.

Les også

Kjøling krever minst 30 prosent

Skal hydrogen gjøres flytende er det svært energikrevende. Minst 30 prosent av energiinnholdet går i dag tapt i løpet av prosessen med å kjøle ned hydrogen til 20 K (-253°C). Men SINTEF har i samarbeid med blant andre Shell vist at dette energitapet kan reduseres til rundt 15%.

En brenselcelle kan også oppvise god virkningsgrad. Den elektriske virkningsgraden kan være over 60 prosent, men bare ved lav belastning. Jo mer cellen belastes, jo lavere blir virkningsgraden fordi de ohmske tapene øker, akkurat som i batterier. Til gjengjeld produserer brenselcellen varme som i noen sammenhenger kan utnyttes, f.eks. til å varme opp transportmidler, og beholde rekkevidden selv i kaldt nordisk klima. Den totale energiutnyttelsen (strøm pluss varme) kan dermed under optimale forhold komme opp i 80-90 prosent.

Det er også mulig å benytte overskuddsvarme til kjøling ved å bruke et varmedifferensial.

I noen sammenhenger kan det være lønnsomt å ha brenselceller med stor kapasitet og å kjøre dem med lav belastning og dermed oppnå høyere virkningsgrad. Hva som er lønnsomt er avhengig av prisen for brenselceller, som ennå er høy så lenge produksjonsvolumet er lavt.

Selv om virkningsgraden er lavere ved bruk av brenselceller enn i batterier, er dette for en del anvendelser det eneste alternativet for nullutslipp. Fordelen er at hydrogen kan gi nullutslipp i segmenter av transport, der batterier ikke strekker til.

Komprimert eller flytende

Hydrogen er det drivstoffet som har høyest energiinnhold per vektenhet, om lag 3 ganger høyere enn diesel. Når gasser komprimeres, oppfører de seg ikke nødvendigvis lineært som man skulle tro. Også på dette området er hydrogen en spesiell gass. Når trykket i en hydrogentank dobles, får man ikke med seg dobbelt så mye hydrogen. Og når man fyller hydrogen, og gassen utvider seg i det den strømmer inn i tanken, øker temperaturen, helt motsatt alle andre gasser. Dette er grunnen til at man må forkjøle hydrogen til minus 40 grader før den fylles på personbiler som har lagringstrykk på 700 bar.

For noen anvendelser er det hensiktsmessig å benytte hydrogen i flytende form. Denne løsningen er blant annet benyttet som drivstoff for utskyting av romfergene. Volummessig er energiinnholdet for hydrogen derimot mye lavere enn i diesel. Energiinnholdet til en liter flytende hydrogen er kun en firedel av en liter diesel. Komprimert hydrogengass ved 350 bars trykk tar 12 ganger større plass enn diesel for samme energimengde. Selv ved 700 bars trykk, fyller hydrogen et volum som er 7-8 ganger høyere enn diesel. Hydrogentanken til første generasjon Toyota Mirai (700 bar) er på 122 liter, og det gir bilen en rekkevidde på rundt 500 km.

Svært mange er med rette opptatt av virkningsgrad. Vi må få mest mulig ut av tilgjengelig energi uansett form. I biler får man dobbelt så mye fremdrift per kWh om strømmen kommer fra nettet sammenliknet med hydrogen. Kommer derimot energien fra naturgass, som er en viktig energikilde rundt om i verden er det ganske likt mellom batteri og hydrogendrift. kommer fra nettet sammenliknet med hydrogen. Kommer derimot energien fra naturgass, som er en viktig energikilde rundt om i verden er det ganske likt mellom batteri og hydrogendrift. Illustrasjon: Kjersti Magnussen
Les også

Lagring i metallhydrider

Et alternativ til å lagre hydrogen i komprimert eller flytende form er å lagre gassen i metallhydrider. Det er ulike metallegeringer som danner kjemiske forbindelser med hydrogen. I slike forbindelser strippes elektronene i gassen fra den positive kjernen (protonet) som blir en del av metallgitteret. Protonene omsluttes av metallets mange elektroner, og tiltrekkes av disse. Det gjør at man kan pakke hydrogen tettere i metallhydrider enn når gassen er flytende, men man får metallvekten med på kjøpet. Metallet virker omtrent som en svamp, men utgjør i seg selv mer enn 96 % av totalvekten.

Metallhydrider kan være en effektiv og lite energikrevende måte å lagre hydrogen på, men det krever en del ekstra utrustning som tanker for driftstrykket på rundt 10 bar, sirkulasjonspumper, varmevekslere og ventiler for å få gassen inn og ut.

Lagringsteknologien kan være godt egnet for gaffeltrucker, båter og på andre områder hvor vekt ikke betyr så mye.

Tunge kjøretøy

Volumbehovet til hydrogen kompenseres delvis med kompakte elmotorer, men likevel: Volumet til motorsystemet i en hydrogenlastebil (hydrogentank + brenselceller + elmotorer) blir fort ganske mye større enn det i en diesellastebil (dieseltank + forbrenningsmotor + overføring) for å få samme rekkevidde. Vekten derimot er mindre enn i en dieseldrevet lastebil.

Maritim fremdrift

Det er ikke bare i store kjøretøyer som skal langt at hydrogen er et egnet drivstoff. Mens batterier er en ypperlig løsning for mindre fartøyer med kort driftstid mellom lading og moderate hastigheter, vil hydrogen tilsvarende egne seg for større fartøyer på lengre samband og høyere hastighet. For lengre hurtigbåtsamband som Trondheim – Kristiansund (3 timer) vil et hydrogenbasert fremdriftssystem kun veie en firedel av det et batteri-elektrisk system vil veie.

Fly langt

Det å fly korte ruter, med mindre passasjerfly, er fullt mulig med batterier. Spesielt hvis man skifter batterier på flyplassen. Det kan være en ideell løsning for det norske kortbanenettet. 

Men for de større flyene som skal lengre, er det hydrogen som peker seg ut som den beste nullutslippsløsningen. Flyprodusenten Airbus har slått fast at fremtidens fossilfrie luftfart er hydrogendrevet med fly på mellomlange avstander. De ser for seg hybride systemer hvor viftene i motoren både kan drives elektrisk og med hydrogen som forbrennes i turbiner. Flyene vil ha en forlenget flykropp med et lager av flytende hydrogen bakerst. Vingene vil ikke ha tanker og vil være mye slankere. Derfor kan flyene bli mer aerodynamiske enn dagens fossildrevne. 

Flyene vil ha brenselceller som lager strøm til elmotorene. Ved å ha mulighet til både elektrisk og hydrogenforbrennende drift kan man optimalisere etter virkningsgrad. Man kan ha mindre hybridmotorer hvor begge systemer jobber under takeoff, eller man kan systemer med større elektromotorer som overtar helt i marsjhøyde.

Les også

Flere metoder

Hvor miljøvennlig hydrogen er bestemmes av hvor gassen kommer fra. I mange land er H2 en industriell overskuddsgass og følgelig tilnærmet «gratis». På Herøya finnes det store mengder slik industrigass, tilsvarende hydrogenbehovet til 100.000 personbiler. Denne benyttes i dag som brenngass for å utnytte varmen.

  • Reformering av metan
    Det aller meste av hydrogenproduksjonen i dag er grå, og skjer via reformering av naturgass. Det er ikke ansett som bærekraftig å bruke slik gass om man ikke gjør noe med CO2-en som blir igjen. Det er likevel enklere å håndtere større CO2-mengder tidlig i verdikjeden enn å samle CO2 fra mange hundre tusen eksosrør.
  • Reformering med CCS
    Det som kalles «blå hydrogen» er hydrogen reformert fra naturgass og hvor CO2 håndteres med karbonfangst og -lagring (CCS). En stor mulighet for videreforedling av naturgassen i Norge i tråd med de politiske føringer vi ser i Europa.
  • Reformering av kull med CCS
    Det er også mulig å hente ut hydrogen fra kull. Ofte er det like mye hydrogen som karbon i kull. De amerikanske ideene rundt «clean coal» går ut på å hente ut hydrogenet og brenne det karbonet som er igjen. På den måten blir eksosgassen mye mer CO2-rik og lettere å injisere i stabile formasjoner.
  • Fra strøm ved elektrolyse
    «Grønn hydrogen» er definert ved at den er produsert fra fornybare kilder. Og gitt at dette er en nullutslippsløsning, er dette svært viktig for klima og miljø så lenge den ikke konkurrerer ut bedre måter å bruke strømmen på.

Jo mer fornybar kraft vi får (i land uten store vannkraftmagasiner) jo oftere opplever man at det ikke er noe marked for strømmen. Da er det fornuftig å produsere hydrogen som kan drive transportløsninger og erstatte kull i industrielle prosesser som reduksjonsmiddel.

Kilder: Forskningsdirektør i Sintef med dr.grad på brenselceller, Steffen Møller-Holst og sjefsforsker ved Sintef Materialfysikk og professor II ved Fysisk institutt ved UiO, dr.scient. Ole Martin Løvvik. Artikkelen ble først publisert i Teknisk Ukeblads papirmagasin 10/2020.

Les også

Kommentarer (182)

Kommentarer (182)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå