Ekspertintervjuet: Ren energi fra vann - Energi og Klima

Ekspertintervjuet: Ren energi fra vann

Det finnes mange måter å lage hydrogen på. For den reneste gassen og mest klimavennlige prosessen bør du bruke elektrolyse med strøm fra fornybar energi. NTNUs Frode Seland forklarer.

Fyllestasjoner som tilbyr hydrogen på tanken kan utstyres med egne elektrolysører - apparater som kan produsere hydrogen fra vann. Her får en bil påfyll av hydrogen fra en slik stasjon i Long Beach, California.Dennis Schroeder/NRELcbnd

Vannelektrolyse er ikke akkurat noen nymotens teknologi: Selve metoden ble første gang beskrevet i 1789. Norsk Hydro brukte elektrolyse av vann i store deler av forrige århundre for å produsere hydrogen som innsatsfaktor til kunstgjødsel. På NTNU har de forsket på ulike prosesser for å produsere hydrogen gjennom elektrolyse av vann i over 50 år.

2°C: – Kort fortalt: Hva er egentlig elektrolyse?

Frode Seland: – Det er en teknikk hvor man bruker elektrisk likestrøm til å drive en kjemisk reaksjon som ellers ikke ville skjedd, altså motsatt vei av det du ser i naturen. For eksempel spalting av vann: Du vil ikke se at vann spaltes helt av seg selv til hydrogen og oksygen. Men bruker du strøm, kan du tvinge vannmolekylene til å spaltes i hydrogen og oksygen.

– Hvor mye energi kreves det for å lage hydrogen med vannelektrolyse?

– Det avhenger av flere faktorer, blant annet hvilken elektrolyseteknologi man bruker. Norske NEL Hydrogen leverer for eksempel en elektrolysør som ifølge reklamen skal bruke så lite som 3,8 kWh per Nm3 hydrogen. En slik enhet – kalt stakk – har en effekt på opptil 2,2 MW, og kan dermed produsere 1000 kilo hydrogen per dag.

– Hvor langt kan dette skaleres opp?

Vi støter Tograder-prosjektet:

– I utgangspunktet er det ingen begrensninger. Hver av disse stakkene kan levere en bestemt mengde og krever en gitt mengde strøm, men det er ikke noe problem å kjøpe eller bygge flere stakker i serie. Da er det bare kostnader som setter grenser. På Norsk Hydros anlegg i Glomfjord, som var i drift fra 1953 til 1991, hadde de på det meste 168 enheter som produserte til sammen 30.000 Nm3 per time. Kraftbehovet var på 135 MW. Det var det største vannelektrolyseanlegget i verden, Norsk Hydro brukte hydrogenet til å produsere ammoniakk i kunstgjødselproduksjon.

Ekspertintervjuet:

Foto: Svein Sunde

Navn: Frode Seland
Stilling: Førsteamanuensis, Institutt for materialteknologi, Fakultet for naturvitenskap NTNU
Aktuell: De siste 15 årene har Frode Seland forsket på hydrogenteknologi.

– Hva er fordelene med hydrogen produsert på denne måten i forhold til andre metoder?

– Den klart største fordelen er at du får helt ren hydrogengass ved vannelektrolyse. Bruker du andre metoder, for eksempel dampreformering, får du både CO og CO2 som biprodukter. Disse må renses vekk og eventuelt lagres, og det er kostbart. Vannelektrolyse gir også helt ren O2-gass som biprodukt ved den andre elektroden, som også har kommersiell verdi. Jeg hørte for eksempel nylig om at man bruker O2 fra vannelektrolyse til oppdrett av fiskeyngel: Økt oksygeninnhold i vannet gir bedre vekstvilkår for yngelen.

Begreper

Illustrasjon: Aqua Mechanical, etter en original av A. Jahandier i Gaston Tissandier: «L’Eau» (1869)

En elektrolysør er en enhet som brukes til å produsere hydrogen og oksygen ved å spalte vann. Disse består av en eller flere stakker med enkeltceller.

Cellen er selve kjernen i elektrolysøren. Den er en enhet bestående av to elektroder på hver side av en ioneledende skillevegg, en såkalt membran eller et diafragma. Elektrodene kan også bare være i kontakt med vann som inneholder ioner. Disse ionene gjør skilleveggen eller vannet elektrisk ledende – og utgjør da en elektrolytt. Ved elektrodene skjer ladningsoverføringen. Ved den ene, anoden, lages oksygengass samtidig som det overføres elektroner til elektroden. Ved katoden tas elektronene opp og det dannes hydrogengass.

Det finnes i all hovedsak tre typer elektrolysører. Alkaliske, PEM – som står for proton exchange membrane – og fastoksidelektrolyse. Av disse har PEM den høyeste energieffektiviteten. Alkaliske elektrolysører er imidlertid mer driftssikre, billigere å bygge og krever lite vedlikehold, og dette er også de mest brukte til nå. Det henger sammen blant annet med at denne teknologien er mer moden.

Vannelektrolyse er bare én type elektrolyseprosess. Elektrolyse brukes ellers til en rekke formål, som å utvinne metaller, til prosesser i kjemisk industri og mye annet.

Enheten Nm3. Når du produserer gass, måler du gjerne mengden på produktet i stor normalkubikkmeter, eller Nm3. Dette er et mål på én kubikkmeter gass ved standardiserte temperatur- og trykkforhold: 0°C og 1 atm (eller 101 325 Pa).

En annen fordel med vannelektrolyse, i alle fall med én av teknologiene, PEM, er at den har kort responstid. Det betyr at produksjonshastigheten kan endres relativt enkelt, altså at man kan produsere hydrogen etter behov, eller etter tilgang på billig kraft. Produserer du etter behov, unngår du problemer med stor lagringskapasitet. Det at du kan produsere når kraften er billig, gjør at vannelektrolyse kan komplementere fornybar energiproduksjon, hvor hydrogen da fungerer som energilager. Kostnaden avhenger nemlig direkte av strømprisen. Har man tilgang til billig energi, kan dette være en god måte å lagre energi på. Derfor bruker man gjerne elektrolysører til små energianlegg. Det kan også brukes for å lage hydrogen fra for eksempel sol- og vindkraftanlegg, når de produserer overskuddsstrøm.

I tillegg til responstiden, kan slike elektrolysører være ganske kompakte. Dermed kan man plassere dem der man trenger hydrogen, og heller frakte strømmen dit i stedet for å frakte hydrogen fra et sentralt anlegg. Fordi strøm er lettere å frakte enn hydrogen. Det er i tillegg et enkelt oppsett – gassene separeres ved elektrodene, og er lett å ta ut. Det er ingen bevegelige deler, og dermed lave vedlikeholdskostnader.

Til slutt er dette systemer med høy effektivitet. Energien fra strømmen du får inn, er omtrent lik det du får ut i hydrogen og oksygen. Mange har gjerne hørt at det er så dyrt med vannelektrolyse – det er fordi strømprisen har vært så dyr at hydrogen ikke har vært konkurransedyktig med for eksempel dampreformering, i tillegg til anskaffelses og vedlikeholdskostnadene. Det har imidlertid endret seg, og med høyere karbonpriser og kostnader knyttet til fangst og lagring av CO2 og større fokus på fornybar energi, kan vannelektrolyseveien fort være den billigste. Og helt til slutt: Det er ingen begrensninger i råvarer. Vann har vi nok av, og vi får det attpåtil tilbake igjen når vi bruker hydrogenet.

– Er det noen ulemper?

– Som jeg sier til studentene mine: Det er ingen ulemper ved å produsere hydrogen fra vannelektrolyse. Med mindre du bruker strøm fra ikke-fornybar energi. Da blir dette litt meningsløst, kanskje med unntak av i store byer hvor lokal forurensning er et stort problem. Ellers har som nevnt høye strømpriser tidligere gjort vannelektrolyse lite konkurransedyktig. Med overgangen til fornybare energiformer har dette endret seg, særlig fordi vi i perioder da får kraftige fall i energiprisene.

PEM eller alkalisk?

De to vanligste elektrolysørene har ulike fordeler og ulemper, ifølge Seland:

Alkaliske elektrolysører er billige i produksjon, har lang levetid – 30-40 år, kanskje – og lave vedlikeholdskostnader. I tillegg kan de produseres i store enheter, som kan produsere over 1000 Nm3 hydrogen i timen.

Ulempene ved dem er at de har relativt lang responstid. Det gjør dem vanskeligere å kombinere med variabel kraftforsyning. Det er også høyere motstand i systemet, som gir lavere strømtetthet – altså mindre strøm per kvadratmeter. De er også vanskelige å sette under trykk. Trykksetting gir blant annet økt hastighet på reaksjonen og kortere responstid. I tillegg slipper du å komprimere gassen som kommer ut. Hydrogen må komprimeres før den fraktes eller brukes, og det koster penger og energi. Men trykksetting får man ikke så godt til i alkaliske elektrolysører, og dette er noe av det man jobber med å forbedre.

PEM finnes i mer kompakte og generelt mer effektive enheter. Her er elektrolytten en fast protonledende membran. PEM kan settes under trykk, og man kan ha ulikt trykk på hver elektrode. Systemet har høyere strømtetthet og lavere fotavtrykk. I tillegg kan man klare seg uten kompressor, siden det kan settes under trykk. Det har lav responstid, og er derfor ideelt i kombinasjon med variable kraftkilder, som sol eller vind. Eller til hydrogenproduksjon der tilgjengelig areal er begrenset. For eksempel fyllestasjoner i byer hvor man ikke kan lagre store mengder hydrogen til enhver tid.

Ulempen er at PEM foregår i et surt og korroderende miljø som setter klare begrensninger på hvilket materiale elektrodene kan bestå av. De koster derfor mer, har kortere levetid og PEM-elektrolysører er derfor dyrere i produksjon og drift. Også katalysatorene er kostbare: Platina brukes typisk som katalysatormateriale for hydrogenutviklingen, mens iridiumoksid brukes som katalysator for oksygenutviklingen. Platina er dyrt, mens iridium er en svært begrenset ressurs. Det forskes derfor på å finne andre alternativer eller løsninger.

En tilleggsutfordring ved PEM er at strømsamlere og separasjonsplater typisk består av et titanbasert materiale, fordi disse tåler det sure miljøet. Men når titan settes under trykk i et oksygenrikt miljø, kan det begynne å brenne. I verste fall eksplodere. Derfor ønsker man gjerne ikke å trykksette oksygensiden så mye, noe som har konsekvenser for driften av elektrolysøren.

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

– Ved NTNU og SINTEF forsker vi både på alkaliske og PEM vannelektrolysører. Vi har for eksempel flere studenter, stipendiater og forskere som prøver å utvikle katalysatorer som er mer aktive og mer stabile enn de som brukes kommersielt i dag. Formålet er å kunne produsere mest mulig hydrogen ved lavest mulig energiforbruk. Det betyr at vi må redusere spenningstapene. Høy overspenning gjør at det kreves ekstra energi for å kjøre reaksjonene. Internasjonal forskning på alkaliske membraner har nylig ført til utvikling av mer stabile membraner til bruk i alkaliske elektrolysører. Dette vil kunne gi mange av de fordelene som både PEM og alkalisk elektrolysører har. NTNU og SINTEF samarbeider med enkelte av disse gruppene hvor vi tester disse membranene sammen med selvutviklede katalysatorer.

Internasjonalt forsker man også på andre former for vannelektrolyse, som SOEC eller fastoksid-elektrolyse. Jeg vil også nevne at det ikke bare er vannelektrolyse og hydrogenproduksjon det forskes på. Elektrolyse er viktig i prosessindustrien, for eksempel i metallproduksjon. I store deler av denne industrien, for eksempel i produksjon av sink og kobber, brukes fortsatt blyelektroder. For denne industrien er forskningen vi gjør på katalysatorer også relevant og viktig, for utvikling av nye og mer effektive, ikke-blyholdige elektroder.

– Når kommer det store gjennombruddet, og hva vil det bestå i?

– Vel, dette er en over 200 år gammel teknologi, som har vært brukt industrielt i Norge i 100 år – så det spørs hva du legger i ordet «gjennombrudd». En stabil alkalisk membran ville selvsagt kunne gi et vesentlig bidrag i utviklingen av mer kostnadseffektive og kompakte systemer. Vi ser jo konturene av et system der energilagring og fornybar energi går hånd i hånd. Samtidig er det også slik at du kan komme langt med ingeniørvitenskap og prosessutvikling, men det vil ikke komme noen vei uten økonomi og markedsutvikling, og da handler det ofte om politikk.

Jeg jobbet med metanolbrenselceller for snaut 20 år siden, og husker jeg kom over en artikkel om metanolbiler som spådde at «det store gjennombruddet» ville komme i 2004. Javel, tenkte jeg, det er bare fem år unna, det blir spennende å se hvordan det skal gå til. 2004 kom og gikk, det var et par prototyper på veiene, men gjennombruddet uteble. Det ble utsatt til 2010. Og lite hendte også da. Problemet med all slik ny teknologi er at du må ha etterspørsel blant forbrukere for å få produksjonen opp i skala og gjøre det til lønnsom industri. Og den etterspørselen kommer ikke av seg selv.

Det som er opplagt, er at økt bruk av fornybar energi bare er mulig dersom det kobles til en form for energilager. Nesten all fornybar energi krever en lagringsform som kan håndtere svingninger i kraftproduksjon for best mulig å kunne høste den tilgjengelige energien. Om det er batterier eller i form av hydrogen avhenger av til hvilket formål lageret skal brukes til. Hydrogen og batterier er bare til en viss grad konkurrenter, først av alt utfyller de hverandre.

Jeg har vært på mange konferanser der man har snakket om høna og egget: Batteriet vant frem raskere enn hydrogen, fordi vi har strøm overalt. Du hadde allerede høna, infrastrukturen. Gunstige økonomiske ordninger skapte markedet. Hydrogen er mer komplisert, fordi vi mangler både høne og egg, både infrastruktur og marked. Hvem skal ta ansvar for å bygge opp disse? Teknologien finnes, den fungerer godt. Produsenter som NEL kan i dag levere elektrolysører til hvem som helst hvor som helst. Men vi må skape etterspørselen også. Det krever politiske beslutninger.

Bli abonnent!

2°C drives av

I samarbeid med

Støttes av

Skriv en kommentar

Debattregler på Energi og Klima