Ekspertintervjuet: Strøm + vann = hydrogen – Energi og Klima

Ekspertintervjuet: Strøm + vann = hydrogen

Og kommer strømmen fra fornybare kilder får vi grønt hydrogen. Velaug Myrseth Oltedal fra Høgskulen på Vestlandet forklarer.

Det er på sett og vis det motsatte av det som skjer i en brenselcelle. Men der reaksjonen i en brenselcelle skjer av seg selv og produserer strøm, må en elektrolysereaksjon tilføres strøm for at den skal skje. I tillegg trengs det en katalysator, forteller Velaug Myrseth Oltedal.

Ekspertintervjuet

Foto: HVL

Velaug Myrseth Oltedal er assisterende instituttleder ved Institutt for maskin og marinfag ved Høgskulen på Vestlandet. Der underviser hun også i det nyopprettede faget hydrogenteknologi.

<2°C: – Helt enkelt: Hva er elektrolyse?

Velaug Myrseth Oltedal: – Det er generelt et vidt begrep: Det er en kjemisk reaksjon der det skjer en overføring av elektroner. Det som er mest interessant med tanke på hydrogen, er vannelektrolyse. Da splitter du et vannmolekyl i enkeltkomponenter: Hydrogen og oksygen. Det er på sett og vis det motsatte av det som skjer i en brenselcelle.

– Og hvis en brenselcelle produserer elektrisitet så må du her tilføre strøm?

– Riktig. Elektrolysereaksjoner skjer ikke spontant. Så der brenselcellen bare skal føre hydrogen og oksygen sammen, må vi her tvinge reaksjonen i motsatt retning. Det gjør vi med strøm.

Men i tillegg til strøm og vann må du ha en katalysator. For å si det litt enkelt: Det er ofte en barriere for å sette i gang en kjemisk reaksjon, katalysatorens jobb er å gjøre den barrieren lavere. Du får i gang reaksjonen litt lettere.

Ad
Vi støtter Tograder-prosjektet:

Virkningsgrad: Ca. 70 prosent

Dette intervjuet er gjort i forbindelse med vårt nye temanotat: Hydrogen som klimaløsning. Her finner du mer informasjon om ulike vippeelementer og vippepunkter, fortalt gjennom intervjuer med ledende forskere på området.

Les notatet her

– Og katalysatoren, hva består den av?

– Stort sett metallpartikler, kanskje legeringer, altså en kombinasjon av et metall og andre grunnstoffer. Disse små partiklene er avsatt på en overflate, en bærer. Vi kaller dette ofte for bærestrukturer.

Det som er viktig i slike strukturer er at partiklene er små, og overflaten størst mulig. Slik at man får mest mulig kontakt med vannet av katalysatoren. Da fungerer den optimalt.

– Blir katalysatoren slitt ut med tiden?

– Det kan den så absolutt. Så det er viktig å sørge for at vannet er så rent som mulig – fordi forurensninger kan ødelegge katalysatoren. I tillegg kan de små partiklene i katalysatoren smelte sammen, spesielt hvis temperaturen er høy. Da får du mindre overflate, og dårligere effekt.

– Så du tilfører energi, og får ut igjen hydrogen som energibærer. Men hva er virkningsgraden? Hvor mye av energien du putter inn får du ut i form av hydrogen?

– Det typiske tallet folk opererer med er rundt 70 prosent.

Elektrolysører i alle størrelser

– Hvor blir det av resten?

– Her, som i mange andre kjemiske reaksjoner, får du utviklet varme. Den vil du sjelden klare å fange opp, og noe av tapet går der. Men du har flere andre typer tap. Går reaksjonen for raskt, blir ikke elektronene flyttet over raskt nok, og du taper energi der. I tillegg dannes det gass som må fraktes vekk fra katodeoverflaten, hvis ikke blir reaksjonen forhindret. Og så er det tap knyttet til barrieren, aktiveringsenergien, som jeg nevnte i sted.

Allerede i 1927 begynte Norsk Hydro med alkalisk elektrolyse på Notodden. Da ble hydrogenet brukt som innsatsmiddel i produksjon av kunstgjødsel. Alkaliske elektrolysører er driftssikre, billige å bygge og krever lite vedlikehold.

– Hvor stor er en elektrolysør?

– Du får dem i alle størrelser. Vi har en modellbil her på kontoret, som har en innebygget elektrolysør. Kobler vi den til strøm, produserer den litt oksygen og hydrogen i bittesmå beholdere, som vi kan bruke i brenselcellen på bilen og få den til å kjøre sakte. Den bilen er 10-15 cm lang. Så du kan få dem i skrivebordsstørrelse. Men det som er kanskje mer kommersielt interessant er større enheter.

Du kan da enten lage én stor enhet, eller lenke sammen flere mindre enheter. Men da må vi snakke litt om ulike elektrolyseteknologier.

Alkalisk, PEM eller noe annet?

– Som for eksempel?

– Vi kan begynne med alkalisk elektrolyse, som er den eldste teknologien vi har utnyttet kommersielt i Norge. Den begynte Norsk Hydro med på Notodden i 1927 for å lage hydrogen til produksjon av kunstgjødsel. Dette er en prosess vi har lang erfaring med i Norge, som det er relativt lave kostnader til. Ulempen er at elektrolysørene gjerne er store, og de er meg bekjent ikke modulære på samme måte som den neste teknologien.

PEM kan stå for både Proton-exchange membrane og polymer electrolyte membrane, men prinsippet er det samme: Mellom katoden og anoden er det en membran som kun slipper gjennom protonene – altså den positivt ladde hydrogenkjernen. Det er voksende interesse for PEM-elektrolyse. (Illustrasjon: JHaland.com)

Den heter PEM-elektrolyse. Der er katoden og anoden adskilt med en membran. PEM dukket opp på 50-60-tallet, og er generelt en dyrere metode. Fordelen med den er at den er modulær – du kan sette sammen mindre elektrolysører til et system som leverer den mengden hydrogen du trenger, og den har lav responstid – du kan skru den lett av og på, eller produksjonsmengden opp og ned.

– Er det forskjell på katalysatorene de bruker?

– Ja, litt av grunnen til at PEM er dyrere, fordi de foregår i surt miljø – det er en syre som er elektrolytten. Det krever såkalte edelmetaller som katalysatorer, og de er dyre. Det er ikke så mange metaller som tåler det. Det kan for eksempel være palladium, platina eller ruthenium. Mens i en alkalisk elektrolysør kan du bruke for eksempel nikkel. Et billig metall som er relativt lett tilgjengelig.

Hydrogen rett fra solen

– Kan man gjenvinne materialene?

– Du må bytte ut membranen i PEM-elektrolysører med jevne mellomrom. Men i prinsippet skal det ikke være noe i veien for at du kan resirkulere materialene på samme måte som for mange batteriteknologier.

Utfordringen er at vi foreløpig er avhengig av materialer som vi har begrenset tilgang til. Hvis vi skulle erstattet alle fossile brensler i verden med bare strøm, batteri og hydrogen, finnes det per dags dato ikke tilstrekkelig med råmaterialer til å produsere batteriene, elektrolysørene og brenselcellene. Derfor er det viktig at vi utvikler nye typer materialer som vi har nok tilgang på.

Det forskes også på andre typer elektrolyse til hydrogenproduksjon. For eksempel SOEC eller fastoksidelektrolyse. I den er membranen fremstilt av keramiske materialer og prosessen kan ha høyere energieffektivitet enn de to mer utbredte variantene. Til gjengjeld krever den svært høy temperatur (600–900 °C) for å fungere.

Et interessant felt vi forsker på her på Høgskulen på Vestlandet, med tanke på hydrogenproduksjon som kan bli stort i fremtiden, er produksjon med fotosensitive materialer. Da utnytter man prosesser som minner litt om fotosyntesen: Du stråler sol på et fotosensitivt materiale, gjerne nedsenket i vann, og hydrogen bobler opp.

Grønt hydrogen: Skalerbart og rent

– Hvis vi ser på vannelektrolyse i forhold til andre måter å produsere hydrogen på – hva er fordelene?

– Det er en veldig miljøvennlig måte å produsere hydrogen på dersom du bruker fornybar strøm. Da kan du produsere hydrogen helt uten utslipp av CO2, altså det som kalles grønt hydrogen. Det kan brukes til alle formål man trenger hydrogen til. Med PEM får du også veldig rent hydrogen, dersom det er et krav.

PEM er også en god kombinasjon med fornybart fordi det er modulært og skalerbart, og du kan bruke det til å utnytte all produksjonskapasiteten fullt ut. Når det blåser eller solen skinner men du ikke får omsetning for kraften, bruker du kraftoverskuddet til å lage hydrogen. Siden kan du bruke hydrogen-brenselceller til å produsere kraft når vinden eller solen svikter. Det kan også brukes som til balansering av kraftnettet.

… og en god match til fornybart

– I Norge har vi også en del av det vi kaller innestengt kraft – småkraftverk som har konsesjon til å produsere ganske mye mer strøm enn det er behov for der de ligger, og der strømnettet ikke er tilstrekkelig utbygget til å frakte strømmen videre til andre steder. Her kan hydrogenproduksjon være et godt alternativ for å utnytte mer av kraften. Et slikt prosjekt er på gang i Hellesylt – der skal de i et pilotprosjekt produsere grønt hydrogen av overskuddskraft.

Dette er ikke noe problem Norge er alene om: På Orknøyene er det mange vindturbiner som må slås av halvparten av tiden, fordi nettverket fra øyen inn til Skottland er ikke godt nok. Det taper kraftprodusentene masse penger på. Kunne du utnyttet den overskudsstrømmen å produsere hydrogen, er det en smart måte å utnytte kraften på.

For offshore vindkraft kan hydrogen også være et alternativ når det er overskuddskraft. Skal man elektrifisere petroleumsindustrien, må man ha forutsigbarhet i kraftproduksjonen. Hydrogen laget av overskuddskraft er et godt alternativ. Eller man kan se for seg offshore bunkringsanlegg, der alt fra servicebåter til fiskefartøy og cruiseskip kunne fylt hydrogen som drivstoff på veien.

<2°C eies av

I samarbeid med