Tilbake  Annies Gjestekro  Matsider  Historie  Kultur  Vindkraft  Adresser/kart  Diverse  Sidekart 
Veikro - mat - overnatting - catering
Vindkraft  Vindparken  Byggetrinn  Pressemeldinger  Intervju  Direktoratet  Meniger  Hydrogen  Bilder fra parken 
Vindtabell  Se kart  Generatoren  Kongeprogram  spec. 2MW gen. 

Hydrogen


image
Hydrogen, drivstoffet som bragte oss til månen

Hydrogen er et av de mest energirike drivstoffer vi kjenner. Faktisk inneholder 1 kg hydrogen nesten tre ganger så mye energi som 1 kg bensin. Dette er årsaken til at hydrogen ble valgt som drivstoff for raketten som bragte oss til månen.


image
Energiinnhold i forskjellige drivstoffer

Hydrogen finnes overalt i naturen. Faktisk består det meste av universet av hydrogen. Solen, Jupiter og Saturn består også vesentlig av hydrogen. Men på Jorden finnes ikke hydrogen fritt. Det er bundet til vann og til organisk stoff, slik som olje og gass. For å frigjøre hydrogenet, trengs det energi. Derfor er hydrogen ingen energikilde. Det er en energibærer. En eller annen form for energikilde er derfor nødvendig for å produsere fritt hydrogen. Denne energien kan f.eks. komme fra vannkraft, vindkraft eller solceller.
Tidligere var spalting av vann ved hjelp av elektrolyse dominerende når hydrogen skulle produseres. Således fikk Norsk Hydro allerede i 1928 sitt forbruk av hydrogen til ammoniakk-produksjonen dekket ved hjelp av elektrolyse.
I dag produseres det meste av hydrogenet ved reformering av naturgass som også inneholder bundet hydrogen.
Elektrolyse kan lett kombineres med fornybare energikilder. Derfor ventes denne prosessen på ny å spille en viktig rolle.

H2 + ½ O2 = H2O + masse energi

Når hydrogen forbrenner, dannes det rent vann. Det dannes altså ikke CO2, karbonmono-oksid eller hydrokarboner slik som ved forbrenning av fossilt brensel. Noe NOx kan bli dannet dersom forbrenningen skjer i en ordinær motor. Det skyldes den høye temperaturen som får nitrogenet i luften til å oksydere. Dette kan ungås dersom en i stedet for forbrenningsmotor benytter brenselceller.
Hydrogen fremstilles i dag for det meste ved reformering av naturgass:

CH4 +2 H2O = CO2 + 4 H2

Dessverre er CO2 et biprodukt. Fordelen er at den dannes på ett sted, slik at den lettere kan tas vare på. Det arbeides i dag med å komme frem til økonomiske metoder for å ta vare på den dannede CO2, f.eks. ved å deponere den i havet eller i dype hull. Deponering skjer i dag på Sleipner feltet i Nordsjøen, men det er CO2 som er fjernet fra naturgassen før den sendes inn på rørledningen.
En annen prosess for dannelse av hydrogen fra naturgass er "Kværnerprosessen":

CH4 + energi = C + 2H2

I denne prosessen dannes ikke CO2 men karbon i form av "carbon black", et fargepigment som bl.a. brukes i plaststoffer o.l. Det kreves imidlertid store anlegg for at prosessen skal være lønnsom.
I motsetning til " Kværnerprosessen "er spalting av vann ved hjelp av elektrolyse en meget fleksibel prosess.

H2O + elektrisk energi = H2 + ½ O2

Der hvor det er elektrisitet tilstede, kan hydrogen produseres. Skalering er ikke noe problem. Anlegget kan dimensjoneres til å dekke et hvert behov.
I "EURO-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project" , et samarbeidsprosjekt mellom EU og Canada, planlegges det at hydrogen skal produseres ved hjelp av elektrolyse i Quebec. Deretter skal det kjøles ned til -253°C hvor det blir flytende. I flytende form skal det fraktes i spesialtankbåter til Europa hvor det skal brukes som drivstoff. Det baserer seg på å utnytte vannkraften i provinsen Quebec.
Et lignende prosjekt ble planlagt mellom Norge og Tyskland, det såkalte "Norwegian Hydro Energy in Germany". Meningen var å utnytte Norsk Hydro sine anlegg for produksjon av hydrogen i Glomfjord. Av ulike årsaker kom dette prosjektet ikke igang, og anlegget i Glomfjord er nå nedlagt.
Kompetansen som Norsk Hydro har på dette feltet er imidlertid tatt vare på. Norsk Hydro Electrolysers, et firma under Norsk Hydro-paraplyen, er i dag verdensledende og produserer elektrolysører for verdensmarkedet. Sammen med bl.a det store Daimler Benz konsernet er de også med i det islandske programmet som tar sikte på å gjøre hydrogen til et dominerende drivstoff på Island innen år 2020.
SWB prosjektet i Nuenburg vorm Wald er et annet viktig demonstrasjonsprosjekt. Forkortelsen står for "Solar-Wasserstoff Bayern". Det er et samarbeidsprosjekt mellom den tyske stat, delstaten Bayern og et konsortium bestående av bl.a. den tyske bilfabrikanten BMW, energiselskapet Bayernwerk, solcelleprodusenten Siemens og gasselskapet Linde. Linde har bl.a. har stor kompetanse på å kjøle gasser ned til flytende tilstand. Prosjektet arbeider med hydrogen produsert ved hjelp av solceller og elektrolyse. I prosjektet arbeides det også med å utvikle fyllestasjoner for flytende hydrogen til bruk i biler.
Også andre fornybare energikilder, slik som vindkraft og bioenergi egner seg som primærkilde for produksjon av hydrogen. Mindre studier med sikte på å utnytte disse energikildene for produksjon av hydrogen foregår imidlertid på en rekke steder.
Hydrogen kan transporteres over land i rørledninger, men over havstrekninger vil transporten foregå som flytende hydrogen. På grunn av det lave kokepunktet (-253°C), kreves det ekstra energi for å kondensere hydrogenet. Når det først er i flytende form, vil fordampningen være neglisjerbar takket være vel utviklet isolasjonsteknologi. Miljømessig vil en slik transport være meget gunstig. Katastrofer av typen Exxon Valdez vil ikke kunne skje fordi hydrogenet bare forsvinner opp i luften.
I kjøretøyer har hydrogen et problem sammenlignet med bensin, diesel og naturgass. Egenvekten til flytende hydrogen er nemlig bare 0.07 g/cm³, altså under 1/10 av vann. Dette fører til at energitettheten pr volumenhet er meget lavere enn de konvensjonelle drivstoffene. Dette er et problem det arbeides aktivt med å løse.


image
Energitetthet basert på volum


Som et ledd i dette arbeidet ser en på muligheten for å lagre hydrogen i metaller. Noen metaller og metallegeringer har nemlig evne til å ta opp store mengder hydrogen i krystallgitteret og danne metallhydrider. Noen av disse metallene kan faktisk ta opp nesten like meget som et tilsvarende volum flytende hydrogen. Palladium, et metall i nær slekt med platina, har lenge vært kjent for sin store evne til å ta opp hydrogen. Men også en rekke legeringer, som f.eks. lantan-nikkel og jern-titan legeringer har vist seg å kunne ta opp store mengder hydrogen. Like viktig som å kunne ta opp hydrogen er også deres store evne til å gi fra seg hydrogenet igjen.
Legeringene er allerede tatt i bruk i nikkel-metallhydrid batterier. Det er en ny type batterier som for en stor del vil erstatte nikkel-kadmiumbatterier og som i dag bl.a. brukes i bærbare PC-er. Når batteriene lades, dannes det hydrogen. Denne lagres i metallegeringen som metallhydrid. Under bruk vil hydrogenet forbrukes.
Selv om energitettheten pr. volumenhet ikke er større enn for flytende hydrogen, har denne lagringsformen den fordelen at det kreves mindre energi for å danne metallhydrid enn for å kondensere hydrogen. Dessuten er det en sikker form for lagring. Ulempen er at vektfordelen forsvinner. Metallet veier for meget.
For å redusere vekten, arbeides det med andre stoffer som kan absorbere hydrogen. Karbon er et slikt stoff. Med sin lave vekt egner det seg godt for lagring. Store mengder hydrogen er f.eks lagret i metan som utgjør over 90% av naturgass. Problemet med metan er at det ødelegges når hydrogenet frigjøres. Derfor egner det seg ikke som lagringsmedium dersom hydrogenet lett skal kunne tas opp og frigjøres.
En forskningsgruppe fra Northeastern University i Boston har nylig funnet at en spesiell form for karbon har en ekstrem evne til å ta opp hydrogen. Denne form for karbon, som går under navnet
"Graphite Nanofibers", består av små grafittplater med en milliontedels millimeter små porer (nanoporer). Disse har evne til å ta opp hydrogen. Forskningsgruppen hevder at opp til 20 liter hydrogen ved standard trykk og temperatur kan lagres i ett gram grafitt nanofiber. Dersom dette virkelig holder stikk, vil vi ha et unikt lagringsmedium for hydrogen.


image 32
Lagring av hydrogen i carbon nanofibre basert på data fra forskningsgruppen ved Northeastern University i Boston
Som ventet er energitettheten pr. vektenhet noe lavere enn for flytende hydrogen. Vekten av grafitt kommer jo i tillegg til vekten av hydrogen. Pr. volumenhet er imidlertid energitettheten betydelig høyere i nanofibrene enn i flytende hydrogen.
Skulle det vise seg at forskningsresultatene kan omsettes i praksis, vil lagringsproblemene for hydrogen nærmest være løst.
I 1839 beskrev Sir William Grove en innretning som kunne omvandle kjemisk energi direkte til elektrisk energi. Den fikk navnet brenselcelle. Benselcellen ligner et batteri med to elektroder på hver side av en elektrolytt. Til forskjell fra batteriet, får brenselcellen kontinuerlig tilført brensel (hydrogen) på den ene siden og oksygen (luft) på den andre siden. Så lenge dette skjer, vil brenselcellen levere strøm.
Det finnes flere typer celler, alt etter hvilke elektrolytt som brukes. De dekker et bredt anvendelsesspekter, fra små celler for bruk i romfart og i kjøretøyer ol. til store stasjonære anlegg for leveranse av strøm bl.a til sykehus. Da de store anleggene ofte opererer i temperaturområdet 600 til 1000°C, vil de også kunne levere varme.
Helt siden Appollo-prosjektene og til nå har brenselceller med alkalisk elektrolytt vært en viktig del av romfartøyenes strømforsyning. Disse brenselcellene har en arbeidstemperatur på under 80°C og egner seg godt for bruk i rommet.
Polymer-elektrolytt brenselcellene er en ny type lavtemperatur brenselcelle som kommer for fullt. Elektrolytten er en protonbytter- membran, derav forkortelsen PEM-celler (Proton Exchance Membrane ). Da elektrolytten er en tynn polymerfilm, kan cellene lages meget kompakte. Den kanadiske bedriften Ballard er ledende i utviklingen av disse cellene. De store bilprodusentene Daimler Benz og Ford har kjøpt seg inn i bedriften for å få tilgang til teknikken.
Brenselcellens store fordel er den høye virkningsgraden. I dag opereres det med en virkningsgrad på vel 60%. Det er meget høyt sammenlignet med andre energiomvandlere, slik som forbrenningsmotorer og gassturbiner.
Hydrogen er det brenslet som egner seg best for bruk i brenselceller. Det er kun de store høytemperaturcellene som i dag kan gå på naturgass.
Den høye virkningsgraden og at hydrogen er vel egnet som brensel, gjør at brenselceller peker seg ut som ideelle i kjøretøyer drevet med hydrogen.
Forurensning av byer og tettsteder skyldes for en stor del utslipp fra kjøretøyer. Allerede i 1990 satte derfor staten California igang sitt "Low-Emission Vehicle" program. Målet med programmet er at over en 15 års periode skal antall forurensende kjøretøyer reduseres slik at 10% av alle biler som selges skal ha null utslipp.
Slike programmer vil antagelig komme flere steder. Dette ser de store bilfabrikantene. De har derfor startet opp programmer for å utvikle kjøretøyer som ikke forurenser.
Som tidligere nevnt, arbeidet man i SWB programmet med å utvikle teknikker for håndtering av flytende hydrogen. Bilfabrikken BMW og bussfabrikken MAN har tatt i bruk denne teknikken i bil og buss.
For å hindre fordampning er det benyttet et system som går under navnet "Superisolasjon". Isolasjonen er så god at bilen kan stå i garasjen i fire døgn uten tap av hydrogen.
Det er utviklet teknikker som gjør det mulig å fylle flytende hydrogen på tanken omtrent som når man fyller bensin uten tap av hydrogen.
Både BMW og MAN benytter en modifisert forbrenningsmotor i sine kjøretøyer. Daimler Benz derimot satser på elektromotorer og PEM brenselceller produsert av Ballard. Fabrikken har som mål å ha ferdig en kommersiell brenselcelledrevet personbil i år 2004.
Allerede i 1993 bygget Ballard sin første brenselcelledrevne buss. Den ble satt i normal rute i Vancouver i Canada. Prototyper av brenselcelledrevne busser har siden vært en del av British Columbias bussflåte. Også Daimler Benz har nå en buss drevet med hydrogen og brenselceller. Denne ble demonstrert i Oslo høsten 1999 og gikk i normal rute mellom Sandvika og Bussterminalen i Oslo.
I motsetning til biler og busser med forbrenningsmotor, som produserer noe NOx, er brenselcelledrevne biler fullstendig forurensningsfrie. Det kommer rent vann ut av eksosrøret.


Oppsummering

Hydrogen finnes over alt i universet. På Jorden finnes det kun i bundet form, slik som i vann og naturgass. For å lage hydrogen, må disse stoffene tilføres energi. Denne energien frigjøres når hydrogen brenner. Dette er årsaken til at hydrogen kalles energibærer. Det meste av hydrogenet som lages i dag er dannet ved reformering av naturgass. Hydrogen kan også lages ved elektrolyse av vann. Fordelen med denne prosessen er at kun vann og elektrisk energi er nødvendig for produksjonen. Derfor egner prosessen seg godt i kombinasjon med fornybare energikilder, slik som vannkraft, sol- og vindenergi.
Når hydrogen forbrenner, er det kun vann som dannes. Derfor er hydrogen et miljøvennlig brensel. Med en energitetthet på nesten 40 kWh pr kg er hydrogen nesten tre ganger så energirik som bensin. Dette er en av årsakene til at hydrogen brukes som drivstoff i romfarten. Energitettheten pr. volumenhet er imidlertid lav. Det skyldes den lave egenvekten (tettheten) til hydrogen. Selv flytende hydrogen har under en tiendedel av egenvekten til vann. Dette, sammen med det ekstremt lave kokepunktet (-253°C), gjør at lagring av hydrogen f.eks. i kjøretøyer er et stort problem som det arbeides aktivt med å løse.
Hydrogen kan brukes som brensel i forbrenningsmotorer. Det vil da bli dannet noe nitrogenoksider. Vel så godt egnet er brenselceller kombinert med elektriske motorer. Da unngås dannelsen av disse oksidene, samtidig som virkningsgraden øker. Både personbiler og busser med denne kombinasjonen er nå på vei til å bli kommersialisert.

Topp