Avsnitt 1. Brensellens virkning Hydrogen er det minste grunnstoffet. Ved vanlig trykk og temperatur er det en gass. Den finnes ikke naturlig på jorden, men må syntetiseres. Hydrogenmolekyler er sammensatt av to hydrogenatomer. Oksygen er også en gass, og oksygenmolekylet er sammensatt av to oksygenatomer. Omtrent 20 % av luften rundt oss er oksygen, resten er hovedsakelig nitrogen. Hydrogen kan reagere med oksygen og gi vann. Når denne reaksjonen skjer brytes først bindingene mellom atomene i hydrogen- og oksygenmolekylene. Dette krever energi. De frigitte atomene, som nå inneholder mer energi enn de opprinnelige molekylene, går sammen til vannmolekyler. Når bindingene i vannmolekylene dannes, frigis det mer energi enn det som skulle til for å bryte bindingene i hydrogen- og oksygenmolekylene. Når denne reaksjonen først er satt igang, for eksempel ved hjelp av en katalysator, går den av seg selv, meget raskt, og utvikler energi. Reaksjonen kalles eksoterm, og energien som frigis kan enten benyttes som varme eller som elektrisitet. 1
De fleste har på skolen stiftet bekjentskap med knallgass. Det laget vi ved først å utvikle hydrogen ved en reaksjon mellom et metall og saltsyre. Hydrogengassen ble ledet ned i et rør hvor den blandet seg med luften, hvoretter vi tente på og fikk en liten eksplosjon. Eksplosjonen kan foregå i mer kontrollerte former i en bilmotor, akkurat som ved forbrenning av bensin, og i 1930-årene var det flere bilmodeller som gikk på hydrogen. Forbrenningen kan også foregå kontrollert med en flamme som brukes til oppvarming av f.eks. vann. Men det som er mest aktuelt ved benyttelse av energien i hydrogen er å la den reagere med oksygen i en såkalt brenselcelle. Her foregår egentlig akkurat den samme reaksjonen som ved eksplosjon eller forbrenning, men energien som frigis fanges opp som elektrisitet som kan drive en elektromotor, for eksempel i en bil. Vi viser dette med to hydrogenmolekyler som ledes inn i brenselcellen fra en lagertank. På overflaten av en katalysator, laget av platina, brytes bindingene i molekylene. Elektronene, som har utgjort bindingene, blir frigitt, og vi får positive hydrogenatomer, eller protoner. 2
Elektronene fanges opp og går gjennom en ledning til en elektromotor, som derved drives rundt, og videre tilbake til brenselcellen, fordi det alltid må være en sluttet krets. Her tas de opp av et oksygenmolekyl, som er ledet inn på den andre siden av brenselcellen fra luften i omgivelsene. Bindingen i dette brytes på overflaten av en katalysator, hvorved vi får to ladete oksygenatomer, oksygenioner, med to negative ladninger hver. De positive protonene vandrer gjennom en membran og slår seg sammen med de negative oksygenionene og danner vann. 3
I prinsippet virker en brenselcelle på samme måten som et batteri. Forskjellen er at de stoffene som leverer og opptar elektroner i et batteri ikke er gasser men finnes inne i batteriet, i motsetning til brenselcellen hvor hydrogen og oksygen må tilføres under bruken. På denne måten er alt som kommer ut av en brenselcelle energi i form av elektrisitet og rent vann. Ja, faktisk er brenselceller i romskip benyttet til å produsere drikkevann til astronautene ved siden av elektrisiteten. 4
Avsnitt 2. Produksjon av hydrogen I Den vanligste måten å produsere hydrogen på er ved dampreformering av naturgass. Naturgass består hovedsakelig av metan (CH 4 ). Under trykk og ved høy temperatur blir naturgass og vanndamp ledet inn i et rør fylt med en katalysator laget av nikkel. Det dannes først hydrogen og karbonmonoksid: CH 4 + H 2 O = 3H 2 + CO. Hydrogenet skilles fra karbonmonoksidet og samles opp. Karbonmonoksidet ledes sammen med mer vanndamp over en annen katalysator, som er en blanding av krom og jern, og det dannes karbondioksid og mer hydrogen: CO + H 2 O = H 2 + CO 2. Totalt har altså ett molekyl metan og to molekyler vann gitt fire molekyler hydrogen og ett molekyl karbondioksid: CH 4 + 2H 2 O + energi = 4H 2 + CO 2. 5
De energimessige forhold i prosessene kan illustreres i et diagram. Vi starter med et metanmolekyl og et vannmolekyl på et visst energinivå. Energi tilføres så ved hjelp av varme. Energien tas opp av molekylene idet bindingene brytes og det dannes nye bindinger i tre hydrogenmolekyler. Disse har høyere energi enn metan. Karbonmonoksidet reagerer så med et nytt vannmolekyl. Karbondioksid har lavere energi enn karbonmonoksid, og denne energidifferansen tas opp av hydrogenmolekylet som dannes. Det er også mulig å spalte hydrokaboner, f.eks. metan, i bestanddelene karbon og hydrogen uten at det skilles ut karbondioskid. Dette gjøres ved høy temperatur, 1500-1600 grader, som oppnås ved hjelp av en såkalt plasmabrenner. Da er produktetene rent karbon, som kalles "Carbon Black", og hydrogen: CH 4 + energi = C + 2H 2. 6
Ulempen ved denne metoden er at rent karbon har en høyere energi enn karbondioskid. Derfor blir ikke all energien i metanet utnytte slik som i dampreformeringsprosessen. "Carbon Black" kan imidlertid brukes i industrien, bl.a. til produksjon av bildekk. Kværner åpnet en fabrikk for produksjon av "Carbon Black" i Canada i 1999. I prinsippet kan hydrogen fremstilles fra alt organisk materiale, som jo inneholder hydrogen sammen med karbon. En aktuell råstoffkilde er biomasse, det vil si trær og planter. Når biomassen fra et tre reformeres til hydrogen og karbondioksid vil den utviklete mengden karbondioksid kunne forbrukes ved oppveksten av et nytt tre av tilsvarende størrelse. Altså er nettobidraget av karbondioksid til atmosfæren lik null. Biomasse er en fornybar energikilde. 7
Avsnitt 3. Produksjon av hydrogen II Hydrogen kan også fremstilles fra vann. Vannet gjøres basisk ved å løse opp kaliumhydroksid. I løsningen foreligger dette som henholdsvis positive kaliumioner og negative hydroksylioner. Ned i løsningen settes to elektroder som er koblet til en strømkilde, den venstre er positiv og den høyre er negativ. De negative hydroksylionene vandrer til den positive elektroden, også kalt anode. Her leverer de fra seg ett elektron hver. Samtidig slår to av oksygenatomene seg sammen til et oksygenmolekyl, som stiger opp som gass. De to frigitte hydrogenatomene slår seg sammen med hver sin OH-gruppe og danner vann. Reaksjonen ved anoden er altså: 4OH - = 2H 2 O + O 2 + 4e -. De fire frigitte elektroenene trekkes inn til den positive polen på strømkilden samtidig som den negatitve polen sender fire elektroner til elektroden til høyre, også kalt katode. De positive kaliumionene trekkes mot den negative katoden, men de er ikke mottakelige for elektroner under de rådende betingelsene. De fire elektronene leveres derimot til hvert sitt vannmolekyl. Når elektronene tas opp av vannmolekylene dannes det hydroksylioner, mens hydrogenatomene slår seg sammen to og to til hydrogenmolekyler som stiger opp som gass. Hydrogengassen blir fanget opp. Reaksjonen ved katoden er altså: 4H 2 O + 4e - = 2H 2 + 4OH -. Vi legger sammen reaksjonsligningene ved de to elektrodene og ser at netto utbytte fra to vannmolekyler er to hydrogenmolekyler og ett oksygenmolekyl. 8
Hydroksylionene som dannes ved katoden vandrer nå mot anoden og reaksjonene gjentas. Selve prosessen går selvfølgelig kontinuerlig, og ikke trinnvis som beskrevet her, samtidig som det fylles på vann i elektrolysekaret. Det dannes ikke noe karbondioksid ved denne fremstillingsmetoden for hydrogen. Men dersom den elektriske strømmen til elektrolysen kommer fra et kull-, olje- eller gass-fyrt kraftverk vil elektrolysen indirekte medføre utslipp av karbondioksid. Derfor er det bare aktuelt å se denne fremstillingsmetoden i sammenheng med elektrisk kraft fra fornybare energikilder, som vannkraft, vindkraft eller solenergi. 9
Avsnitt 4. Lagring og transport I utviklingen av hydrogen som fremtidens energibærer er lagring og transport av hydrogenet en flaskehals. Hydrogen er som kjent en gass. Ved vanlig trykk veier en kubikkmeter av denne bare 90 gram. Energien i denne mengden tilsvarer tre kilowattimer. Når vi vet at en gjennomsnitts norsk husholdning bruker 25 tusen kilowattimer i året og at det i en vanlig bil brukes omtrent 10 tusen kilowattimer i året, skjønner vi at det ville være ganske upraktisk å lagre og transportere hydrogen som vanlig gass. Men gassen kan komprimeres slik at den tar 200 ganger mindre plass. Enda mindre plass vil den ta, bare en tusendedel av det opprinnelige, dersom den gjøres flytende. Men da må den kjøles ned til minus 253 grader. 10
En tredje mulighet er å lagre hydrogen i, utrolig nok, spesielle metall-legeringer. Hydrogenatomene, som tar liten plass, får plass innimellom metall-atomene i legeringen. Hydrogenatomene kan faktisk pakkes tettere inne i en metallegering enn de er i flytende hydrogen. Uansett hvilken metode som velges, er de teknologiske utfordringene store for å få det til å fungere i stor skala, ikke minst når det gjelder sikkerhet. Små mengder hydrogen, som har lekket ut i luft, gir en eksplosiv blanding, som er meget lett antennelig og vil gi katastrofale følger, f.eks. inne i en bil. 11
Avsnitt 5. Perspektiver Vi har sett at det eneste avfallsproduktet ved bruken av hydrogen i brenselceller er rent vann. Hydrogen lanseres som et forurensningsfritt alternativ til fossilt brennstoff som kull, olje og gass. Men ved produksjonen av hydrogen fra naturgass utvikles karbondioksid. Vi kan ikke vurdere bruken av hydrogen separat når miljøregnskapet for denne energibæreren skal gjøres opp. Det må foretas en totalvurdering av produksjon og bruk. En kilo naturgass vil utvikle 2.67 kg karbondioksid enten denne forbrennes i en bilmotor eller om den brukes til å produsere hydrogen ved dampreformering. 12
Likevel vil utslippet av karbondioksid være relativt noe lavere når energien går via hydrogen fordi virkningsgraden i en brenselcelle er større enn i en forbrenningsmotor. Likevel er målsettingen ved utviklingen av hydrogenteknologien ifølge NOU 2004 nummer 11 "Hydrogen som fremtidens energibærer" at det ikke skal slippes ut noe karbondioksid i det hele tatt. Dette må gjennomføres ved innfanging av karbondioksidet der hydrogenet produseres. Så må det deponeres på et sted hvor det ikke kan unnslippe til atmosfæren. Det mest aktuelle er å lagre det i formasjoner i undergrunnen. På den norske kontinentalsokkelen er det store muligheter for lagring av karbondioksid. Og ved å injisere karbondioksidet i felt hvor det produseres olje, oppnås en ekstragevinst, nemlig det at oljeutvinningen økes. 13
Det er beregnet at dette kan føre til at det blir utvunnet ekstra olje til en verdi av 3-4 hundre milliarder (3-400.000.000.000) kroner i løpet av de neste 10 til 20 år, med en oljeprisen på 40 dollar fatet. I et EU-prosjekt som ble gjennomført i 1996 ble det konkludert med at det på norsk sokkel er kapasitet til å lagre EU-landenes samlete karbondioksidutslipp de neste 200 år. I NOU 2004 nummer 11 fremsettes det visjoner om at Norge skal bli en pådriver for bruk av forurensningsfrie energiteknologier med hydrogen som energibærer. Men det er langt frem. EU har for eksempel som målsetting at fem prosent av drivstofforbruket skal erstattes med hydrogen innen år 2020. 14
Tilslutt må det presiseres at hydrogen ikke er en energikilde, men en energibærer. Fremtidig overgang til det såkalte hydrogensamfunnet er altså avhengig av annen energi, og denne bør kommer fra fornybare kilder som ikke medfører utslipp av karbondioksid. 15