Hydrogen er det grunnstoffet det finnes mest av i universet. Hydrogenmolekylet H₂ frigjør også store mengder energi når det brenner og reagerer med oksygen. Hvis vi hadde hatt tilgang til store mengder hydrogengass, kunne vi høstet den energien med bare vann som sluttprodukt, og alle våre energiproblemer ville vært løst for lengst. Vi har imidlertid ikke lett tilgang til masse hydrogengass. Derfor må vi fremstille den, og det koster. Og her begynner utfordringene med hydrogen som energibærer.

2°C: – Hydrogen var hett tidlig på 2000-tallet, så stilnet det litt. Nylig har interessen tatt seg opp igjen. Hvorfor det?

Johan Hustad: – Det er kanskje ikke én enkelt årsak som forklarer det, heller flere sammenfallende grunner som har slått til samtidig. For det første begynner mye av teknologien å bli interessant, og moden for kommersialisering. Dette gjelder spesielt teknologiene som har med brenselceller og elektrolyse å gjøre. Vi har nettopp hatt en hydrogenkonferanse her i Trondheim, og der så vi den utviklingen tydelig. Både tysk og japansk bilindustri jobber med hybridsystemer og rene brenselcellesystemer. Både Honda og Toyota, for eksempel, satser på brenselcellebiler.

Grunnen til at oppmerksomheten er økt nå, er kanskje at vi ser at det er grenser for hva man kan få til med batteridrift alene i overskuelig fremtid. Det er en del områder der dette ikke egner seg så godt, som for eksempel på tyngre kjøretøyer og over lengre distanser. Slike kjøretøyer bidrar ofte til lokale forurensingsproblemer, eksempelvis i Kina. Dermed har man gjerne interesse av å finne alternativer som kan fungere nå. Da er hydrogen og brenselceller interessant.

Dette kan spesielt være aktuelt for rutebusser – som følger faste kjøremønstre, der det er lett å forutse energibehovet. Men det kan også være interessant for en del av varetransporten. Her i Trondheim har for eksempel ASKO satt opp egne elektrolysestasjoner for å fylle egne lastebiler med hydrogen. Noe av det samme ser vi innen maritim sektor også: Stadig flere begynner å prøve ut hydrogen, spesielt på de litt lengre distansene, der ren batteridrift er uegnet i dag.

– Generelt, hva er fordelene med hydrogen som energibærer?

– Den viktigste og største fordelen er at hydrogen forbrennes og kan også produseres helt rent og utslippsfritt. Når hydrogen omdannes i en brenselcelle, er vanndamp det eneste sluttproduktet. Det er ingen partikkelforurensing eller NO_X eller CO₂ eller svovelkomponenter – bare rent vann. Du kan også utvinne hydrogen fra rent vann, og dersom du bruker ren, fornybar kraft til det, har du en kjede som er totalt utslippsfri.

Samtidig er det sjelden akkurat slik i praksis. Produserer du hydrogen fra fossile kilder – i California, for eksempel, er 95 prosent av hydrogenet som brukes utvunnet fra naturgass – må du skille ut CO₂. Skal det være klimavennlig, må CO₂-gassen lagres etterpå. Stort sett gjøres ikke det i dag. Til slutt er det et spørsmål om kostnad.

– Hvis vi tar for oss transportsektoren spesielt – hva er bra og mindre bra med brenselcellebiler?

– Rekkevidde er kanskje den største fordelen, og tidsbruk på å fylle. Det tar relativt kortere tid å fylle hydrogen enn det tar å lade et batteri, og du får som regel større rekkevidde av det også. På hydrogenkonferansen her fikk vi noen regneeksempler som illustrerte dette: Hvis en vanlig dieselbil kjører fra Stuttgart til Wien, tar det ca. 7 timer – da trenger man ikke fylle underveis. Med både brenselceller og batteri trenger du påfyll. Men mens en batteribil vil ta fra 9-10,5 timer avhengig av forbruk og batterikapasitet, vil en hydrogenbil bare trenge 7,5 timer. Det er mindre bryderi, mindre å tenke på når du skal flytte deg fra A til B og dermed attraktivt for forbrukeren. Forutsatt at man har infrastruktur til å fylle hydrogen underveis, selvsagt.

Og da er vi inne på det mindre bra, for i all hovedsak mangler slik infrastruktur. I tillegg er det høyere kostnader, fordi dette er ung teknologi, verdikjeden er ung, og vi har ikke nok insentiver til å forbedre dette i dag.

– Hvorfor er hydrogen så dyrt, og hvordan kan vi gjøre det billigere?

– Det er gjerne slik med ny teknologi: Det er dyrt inntil du får produsert nok til at du kan lære av feilene dine, optimalisere og få ned kostnadene. Pris faller også med økte investeringer, med skala og med forskning og utvikling. Hele det dynamiske spillet som vi har hatt innenfor solceller, vindturbiner og delvis også batterier i over 15 år, gjør disse teknologiene billigere og billigere, og gir folk stadig sterkere insentiver for å kjøpe dem. Slike systemer mangler vi for hydrogen. Uten subsidier vil det imidlertid ta lang tid før dette blir lønnsom teknologi, og det begrenser hvor mange som vil satse på den.

Ta Ålborg i Danmark: De ønsket å satse på hydrogenbusser, de kunne kjøpe inn tre stykker, og fant ut at det ville koste dem 800.000 euro per buss. Hadde flere byer verden over tatt steget over, ville man kunnet skalere opp produksjonen. Da ville de fått minst to busser for samme prisen. Det er det samme med hydrogen som det var med sol- og vindkraft i Tyskland, eller med elbiler i Norge: Du må utvikle markedet samtidig som teknologien må masseproduseres. Da får du læringskurven, og kostnadsreduksjonene som følger.

Fra Statoil satte i drift sin første flytende vindturbin på Karmøy, til de åpnet verdens første offshore vindpark utenfor Skottland i fjor, sank kostnadene med 75 prosent. Slikt krever målrettede subsidier og en klar politisk og langsiktig satsing. Da tør næringslivet å satse. De vet at teknologiutvikling kan ta lang tid før det blir lønnsomt.

– Hvordan produserer man egentlig hydrogen?

– Det finnes mange ulike teknologier som er på ulikt modenhetsnivå og nivå på skala. De mest anvendte er elektrolyse og dampreformering.

I elektrolyse bruker man elektrisitet til å spalte vann til hydrogen og oksygen. Dette skjer typisk i mindre anlegg: Det største anlegget er på 6 MW og produserer 1200 kubikkmeter med hydrogen i timen. For ett kilo hydrogen, kreves det 8 liter vann og 41,4 kWh elektrisk strøm. Hvor klimavennlig slik hydrogen er, avhenger da først og fremst av energikilden – om den er fornybar eller fossil.

I dampreformering bruker man katalysatorer for å få lette hydrokarboner – for eksempel naturgass – til å reagere med vanndamp. Da får man hydrogen og CO₂ som sluttprodukter. Men også denne teknologien kan gjøres klimavennlig, dersom man lagrer all CO₂. Dette er den teknologien som er mest anvendt, og spesielt ved bruk av naturgass som energikilde. Dette er storskalateknologi, der man kan produsere alt fra 1000 kubikkmeter til 100.000 kubikkmeter hydrogen i timen, i anlegg på opptil 500 MW effekt. Anlegget til tyske Linde – en av verdens største produsenter – gir for eksempel 100 000 kubikkmeter pr time, altså omtrent 100 ganger større enn det største elektrolyse-anlegget.

Til slutt kan man også produsere hydrogen fra faste brensler som biomasse og kull, og i prinsippet også fra petroleumsprodukter. Dette skjer gjennom ulike prosesser som kalles gassifisering og delvis oksidasjon. Men disse metodene er mindre anvendt enn elektrolyse og dampreformering i dag.

– Hva er fordeler og ulemper ved elektrolyse?

– Fordelen ved elektrolyse er at det kan produsere akkurat den mengden du trenger – i alle fall hvis du kan planlegge forbruket ditt. I tillegg krever den ingen omfattende infrastruktur annet enn tilgang til vann og strøm. Norske Nel leverer for eksempel mange slike småskalaanlegg til for kjemiindustrien og til transportformål.

I tillegg kan det brukes til strømforsyning på avsidesliggende steder. Vi har for eksempel vi en historie her i Trøndelag, der TrønderEnergi – som hadde leveringsplikt til et lite samfunn på en øy – fikk utredet at det ville koste 30 millioner med en ny sjøkabel til øyen. I slike tilfeller kan det bli vesentlig billigere med et elektrolyseanlegg, der lokalt produsert fornybar energi – for eksempel sol og vind – brukes, og overskuddet går til elektrolyse av vann og hydrogenproduksjon. Når de fornybare kildene ikke leverer nok, kan man bruke hydrogenet som er produsert i et brenselcellekraftverk.

Ulempene med elektrolyse er at dette først og fremst egner seg for småskalaanlegg. Det er kostnadstungt å skalere opp og derfor vanskelig å få til økonomisk, i alle fall på kort sikt. Mindre skala blir også ofte dyrere enn større skala, dette har med volumet du produserer i forhold til materialene du bruker. Det er viktig å understreke at det ikke er noe galt i seg selv med småskalaproduksjon, og det er mange anvendelsesområder for hydrogen der dette faktisk er best tjenlig, i alle fall i dag.

– Og dampreformering?

Fordelen ved dampreformering, er at den opererer i stor skala og har muligheten til å skaleres opp ytterligere. Og så er det pris – det har potensial til å bli svært økonomisk lønnsomt på sikt. Det er en lineær kurve: Dess større anlegg, dess lavere pris.

Utfordringene her henger imidlertid sammen med dette med skala. Det må bygges ut infrastruktur for distribusjon. Gassen må settes under trykk for å transporteres, det krever energi. Og skal det tas i bruk også som en erstatning for naturgass kreves det mye ny teknologi, fordi gassen oppfører seg ulikt naturgass. Naturgass brukes i dag først og fremst direkte i husholdninger, til oppvarming av bygg, varmtvann og matlaging, for eksempel. Det kreves systemer for distribusjon, nye brennere og så videre. Og sist, men absolutt ikke minst: Skal du gjøre dampreformering klimavennlig må du ha lagring av CO₂. Og CO₂-lagring koster.

– Hva er utfordringene fremover? Praktiske, teoretiske, politiske, økonomiske?

– Praktisk handler det om å få til systemer som man kan utvikle videre, slik at man reduserer kostnadene. Lærekurver, altså. Teoretisk handler det om å utvikle nye og innovative prosesser og teknologier som kan redusere kostnadene på enkelt-teknologier. Politikk og økonomi henger sammen: Som nevnt trenger vi subsidiesystemer som kan drive all denne utviklingen raskere fremover, slik vi har sett på sol, vind, elbiler og så videre.

Med klokt innrettede systemer vil disse hydrogenteknologiene bli konkurransedyktige etter hvert, det er helt sikkert. Men da må ikke ansvarlige politikere tenke på neste stortingsvalg når de planlegger for fremtiden: De må tenke 3-4 stortingsvalg fremover i tid.

Det var dette man fikk til i andre europeiske land med sol- og vindenergi. Kostnadene har sunket, og investeringsviljen har økt. Dermed kan man nå kutte subsidiene, og vi ser eksempler nå på at nye sol- og vindanlegg er blitt billigere enn fossil kraft da dette konkurranseutsettes i auksjoner. Forbrukeren må betale i første omgang, gjennom at staten subsidierer, men tjener på det i neste – når kraften blir billigere og renere.

– Hva forskes det på nå, på NTNU og andre steder?

– Dette er et felt det skjer veldig mye på internasjonalt, så jeg kan ikke nevne alt. Men det forskes generelt på mange ulike teknologier og prosesser. Fra hydrogen-produksjon fra ulike kilder til anvendelse av hydrogen på ulike områder. For eksempel både landbasert og maritim transport, i industri, i bygningsoppvarming og i mer sentral kraftproduksjon. Her på NTNU jobber også vi med veldig mange ting. For eksempel med nye materialer, teknologiutvikling, nye prosesser og bedre systemer og for å øke effektivitet, minske materialbruk og mye annet. Dette gjelder ulike teknologier, noen som er nesten modne nok til det kommersielle markedet, andre mer på det eksperimentelle stadiet.

Statoil, Vattenfall og nederlandske Gasunie holder på med en mulighetsstudie på et hydrogenkraftverk i Nederland. Selv om kraftverk på naturgass er godt kjent, oppfører hydrogen seg som nevnt annerledes. Derfor må det forskes på hvordan man kan lage hydrogen-gassturbiner der forbrenningen foregår sikkert og optimalt.