Svar på ofte stilte spørsmål

Norge skal bli et lavutslippssamfunn i 2050, og for å få til dette må klimagassutslippene reduseres i alle deler av samfunnet. Elektrifisering er den viktigste klimaløsningen for å få til dette, men det er også behov for andre løsninger der elektrifisering enten ikke er mulig eller svært krevende og dyrt å gjennomføre. Det kan for eksempel være på grunn av at industrielle prosesser krever andre løsninger enn elektrisitet, fysiske begrensninger knyttet til batteriets vekt og størrelse eller høye kostnader for lade- og nettinfrastruktur. Her kan hydrogen bidra. I tillegg kan hydrogen være en viktig kilde til fleksibilitet i det europeiske kraftsystemet. Hydrogen er altså ikke en konkurrent til elektrifisering og batteri, men et supplement.  

Norge har snart 100 års industriell erfaring fra produksjon og bruk av hydrogen, for eksempel til produksjon av kunstgjødsel og i raffinerier. Hydrogen brukes nå i mange sektorer, og det er det samme hydrogenet som benyttes over alt:

• Industri, som innsatsfaktor (f.eks. i produksjon av kunstgjødsel) og varmekilde (f.eks. i stålproduksjon)
• Maritim transport, som hydrogen, ammoniakk, LOHC eller metanol, i ferger, hurtigbåter, bulkskip, fiskefartøyer, offshore-skip med mer
• Luftfart, i propellfly (brenselceller) eller jetfly
• Tog (brukes i flere land i Europa)
• Lastebiler, personbiler, varebiler, gaffeltrucker
• Arbeidsmaskiner og «ikke-veigående» maskiner
• Bygge- og anleggssektoren, som strømproduksjon hvor det ikke er bygd ut nett
• Fleksibilitetskilde i kraftsystemet 

Det finnes ulike metoder for produksjon av hydrogen. De mest aktuelle metodene er spalting av vann ved vannelektrolyse og reformering av naturgass/biogass.  

Vannelektrolyse – innebærer elektrokjemisk spalting av vann til hydrogen og oksygen. Selve elektrolysøren (cellepakken) opererer gjerne på 75-80°C med en energieffektivitet på rundt 80-85 %. Legger man til energitap i alle hjelpesystemer (transformatorer, kompressorer, pumper, varmeelement og liknede), kan man regne med en energieffektivitet på 70-72%. En hydrogenfabrikk forbruker totalt 50-60 kWh pr. kg hydrogen levert. Ved å øke temperaturen på cellepakken til over 100°C (høytemperatur vannelektrolyse) kan energiforbruket typisk reduseres med 15-20 %.  

Det eksisterer og utvikles en rekke teknologier for vannelektrolyse. Alkalisk elektrolyse (AEL) opererer under atmosfærisk trykk. I Proton-membran elektrolyse (PEM) transporteres protoner gjennom en protonledende membran – i alkalisk elektrolyse er det hydroksidioner som transporteres gjennom en vandig elektrolytt. PEM-elektrolysører responderer raskt på endringer i strømtilførsel under drift, men har høyere investeringskostnader enn AEL. Begge disse teknologiene er modne og velprøvde teknologier. Andre teknologier i ulike utviklingsløp er fastoksid elektrolyse (SOE og PCE) og anionmembran elektrolyse (AEM). De forskjellige teknologiene har ulike fordeler og ulemper, og valg av teknologi vil dermed i stor grad være avhengig av driftsbehov i det enkelte anlegget. 

Hydrogenproduksjon ved vannelektrolyse betegnes som fornybart hydrogen om produksjonen gjennomføres og sertifiseres i henhold til gjeldende rettsakter i EUs fornybardirektiv. I dagligtale er synonymet for dette «grønt hydrogen». 

Naturgass-/biogass-reformering med fangst og lagring av CO2 (CCS) – i denne prosessen reagerer metan og vanndamp i en reaktor med hydrogen, karbonmonoksid (CO) og CO2 som produkter. Reaksjonen trenger varme, som kan tilføres på flere måter. Tilsatt vanndamp reagerer med karbonmonoksidet og danner mer hydrogen og karbondioksid. Innenfor denne prosessen er den vanligste metoden dampreformering (SMR), som gir de laveste produksjonskostnadene når det ikke er relevant å fange mest mulig CO2 fra prosessen. Under autotermisk reformering (ATR) tilføres varmen ved partiell oksidering av naturgass med oksygen i reaktoren. Denne prosessen gir høyere CO2-fangstrater på normalt rundt 94-95% og er derfor mest aktuell som klimatiltak. Energieffektiviteten til reformeringsprosessen er omtrent som for vannelektrolyse, altså rundt 70%. 

Andre metoder er protonmembranreformering (PMR) og sorpsjonsforbedret reformering (SER). Det er også mulig å produsere hydrogen basert på biogass, biomasse og ikke-gjenvinnbart restavfall (som plast, gummi, olje). Biogass kan benyttes i ATR-anlegg, mens biomasse må gjennom gassifisering i forkant av ATR. Med høyt biogent innhold i hydrogenproduksjon fra avfall kan prosessen gi negative utslipp, altså at CO2 fjernes fra naturens kretsløp.  

Hydrogenproduksjon ved dampreformering og CCS betegnes i henhold til EUs foreslåtte definisjon som lavkarbon hydrogen om produksjonen reduserer utslippene med 70 % sammenlignet med fossil hydrogenproduksjon. Det tilsvarer en øvre grense på 3,3 kgCO2e/kgH2. I dagligtale er synonymet for hydrogen produsert fra naturgass med CCS «blått hydrogen».  

Energieffektiviteten eller virkningsgraden avhenger av en rekke faktorer som produksjonsanlegget, teknologivalg og bruksområde. Det er derfor svært vanskelig å gi enkle fasitsvar på spørsmål rundt effektiviteten til hydrogen, for eksempel ved bruk som drivstoff. Vi forsøker her å gi noen generelle svar på spørsmålet om effektivitet fra produksjon til bruk av hydrogen og ammoniakk. 
Virkningsgraden ved produksjon av hydrogen er omtrent 70 %, både ved elektrolyse og reformering av naturgass. For produksjon av ammoniakk er virkningsgraden ca. 55 %. Det er i dag stort fokus på å utnytte overskuddsvarme og oksygen fra hydrogenproduksjon. Det gir høyere virkningsgrad og kan gi bedre lønnsomhet. I en lastebil vil f.eks. varme fra brenselcellen varme opp førerhytten, mens man for en batterielektrisk lastebil må bruke av energien i batteriet til dette formålet.  
Ved bruk av hydrogen og ammoniakk som drivstoff i brenselcelle er virkningsgraden henholdsvis ca. 55 % og ca. 35 %.  

Sammenlignet med diesel, som har virkningsgrad på ca. 40 %, har hydrogen dermed høyere og ammoniakk tilnærmet lik virkningsgrad. 

Det pågår samtidig betydelig teknologiutvikling, og for eksempel utvikles det ammoniakk-brenselceller som kan oppnå 61-67 % virkningsgrad.  

Hydrogen og ammoniakk er dermed fullgode erstatninger til fossile drivstoff. 

Innen kjemi refererer ordet «derivat» til en kjemisk forbindelse som fremstilles av en annen forbindelse. Hydrogen er en slik forbindelse, og danner utgangspunkt for fremstilling av andre energibærere eller hydrogenderivater. De forskjellige energibærerne har ulike egenskaper som gjør dem egnet til forskjellige formål, for eksempel innenfor transportsektoren eller i industri. Her følger en oversikt over sentrale hydrogenderivater:

• Ammoniakk – fremstilles ved hjelp av hydrogen og nitrogen. Ammoniakk er helt sentral for produksjon av kunstgjødsel og benyttes også til andre industrielle formål. Ammoniakk kan også tas i bruk som drivstoff i transportsektoren, både i brenselceller, forbrenningsmotorer og gassturbiner.
• Flytende organiske hydrogenbærere (LOHC) – ved å binde hydrogen med en organisk forbindelse kan hydrogenet ta flytende form. Hydrogenet bindes og reagerer kjemisk med den organiske forbindelsen ved hjelp av hydrogenering i en eksoterm reaksjon, under høyt trykk og temperatur, og i nærvær av en katalysator. Hydrogenet kan frigjøres og tas i bruk, for eksempel til å produsere elektrisk energi i en brenselcelle, ved å separere forbindelsen gjennom dehydrogenering i en endoterm reaksjon. Bruk av LOHC er blant annet relevant for transport av hydrogen med skip over lange strekninger.  
• Metanol – brukes som råstoff i kjemisk industri, for eksempel til fremstilling av plastprodukter, maling, lim og drivstofftilsetninger. Metanol kan også brukes som drivstoff. Metanol produseres i Norge på Tjeldbergodden ved hjelp av partiell oksidasjon av hydrokarboner fra naturgass. Ved fremstilling av utslippsfri e-metanol behøves både hydrogen og CO2 til hydrogenering av karbonmonoksid under høyt trykk i nærvær av katalysatorer (metanolsyntese). Karbonet kan fanges fra industrielle prosesser, hentes fra biologiske restråstoffer og avfall fra skog, landbruk og havbruk eller fanges fra luften (Direct-Air-Capture – DAC).  
• Syntetiske drivstoff (e-fuels) – i likhet med dagens fossile drivstoff fremstilles syntetiske drivstoff med hydrogen og CO2. Forskjellen er imidlertid at syntetiske drivstoff produseres med strøm og at CO2 fanges fra industrielle prosesser, hentes fra biologiske restråstoffer og avfall fra skog, landbruk og havbruk eller fanges fra luften. E-Metanol, e-kerosen og e-metan er eksempler på slikt drivstoff, og disse kan tas i bruk direkte i eksisterende forbrenningsmotorer. 

Energiinnholdet i 1 kg hydrogen tilsvarer ca. 2,8 kg bensin eller diesel.   
Energiinnholdet i hydrogen kan synliggjøres ut fra ulike fysiske størrelser. For hydrogen i gassfase er det mest vanlige å benytte kg eller Nm3, mens for flytende hydrogen (LH2) benyttes gjerne liter:  
33,33 kWh/kg <-> 120 MJ/kg  
3,00 kWh/Nm3 <-> 10,8 MJ/Nm3  
2,359 kWh/l LH2 <-> 8,495 MJ/l LH2   
Ser vi på andre drivstoffdata:  
Råolje ≈ 11,6 kWh/kg  
Diesel ≈ 11,9 kWh/kg  
Bensin ≈ 12,0 kWh/kg  
N (normal): Gassegenskaper ved trykk på 101,325 kPa (=1 atmosfære) og temperatur 20°C. 

Det kreves ca. 50 kWh for å produsere 1 kg hydrogen. Med 1 kg hydrogen på tanken vil en brenselcellebil typisk kunne kjøre 10 mil. 

Hydrogen finnes hovedsakelig i to relevante tilstander:

1. Komprimert hydrogengass som er trykksatt, ofte til 200-700 bar.  
2. Flytende hydrogen, altså hydrogengass som er kjølt ned til -253 grader Celsius og dermed kondenserer og går over i væskeform.  

Komprimert hydrogen blir vanligvis lagret og transportert i sylinderformede tanker. For lave trykk opp til 250 bar benyttes sylindere i stål. For høyere trykk dominerer kompositt eller en kombinasjon av metalliske og plastmaterialer. En standard container er 40 fot med kapasitet på ca. 880 kg. komprimert hydrogen.

For flytende hydrogen kreves det isolerte kryogene tanker og bunkringsløsninger (rør og slanger) for transport og lagring. Lavt trykk gjør at man kan benytte større enkelttanker for flytende hydrogen enn for komprimert hydrogen. Med høyere energitetthet muliggjør flytende hydrogen transport av større energimengder. 

Hydrogen er ikke en energikilde, men en bærer av energi. Det kan sammenlignes med et batteri. Fordelen med energibærere er at vi kan benytte oss av energien lagret i dem til bestemte oppgaver på bestemte steder. Sol og vind er ikke energibærere, siden vi ikke kan kontrollere dem, eller lagre dem som de er – vi kan kun nyte sola mens den skinner, og seile mens vinden blåser. Elektrisiteten fra f.eks. sol- og vindkraft kan vi lagre i batterier eller hydrogen. Hydrogen kan lagres på en rekke måter, både i gassform, flytende og i fast form. På samme måte som naturgass lagres i stor skala i Europa i dag, kan store geologiske formasjoner under jorden som saltgrotter tas i bruk for storskala sesonglagring av hydrogen i Europa. Lagring på havbunnen er også mulig. 

Fylling av hydrogen på kjøretøy skjer i et lukket system, og hydrogen vil derfor ikke lekke ut til omgivelsene verken under fylling eller når slangen kobles til og fra kjøretøyet. Forbrukeren kan selv trygt fylle hydrogen på samme måte som bensin og diesel. 

En hydrogenlekkasje av en viss størrelse kan antenne. Ved høye gasskonsentrasjoner (over ca. 15 %) vil ofte konsekvensene av en slik antennelse bli større enn for en tilsvarende naturgasseksplosjon. Ved lavere konsentrasjoner (under ca. 15 %), vil ofte konsekvensene bli mindre enn for en tilsvarende naturgasseksplosjon. 

Lekkasjer unngås eller begrenses ved å ikke bruke større utstyrsdimensjoner enn strengt nødvendig og ved å bruke interne strømningsbegrensninger (som mekaniske ventiler).  

Utstyr monteres i åpne områder for å sikre rask uttynning av eventuelle lekkasjer, og det skal være gode utluftningsmuligheter fra de høyeste punktene i tak eller overbygg. 

De fleste lastebilene blir elektriske, men det er ikke alltid energieffektivitet er det viktigste for brukeren. De har logistikkoppgaver som skal løses, og spesielt for de tyngste og lengste transportene er hydrogen av mange ansett som den beste løsningen. 
  
Hydrogenlastebiler har flere fordeler:

• Lang rekkevidde (500-1.500 km) og kort fylletid (ca. 15 min). Det gir samme bruksmåte som diesel.  
• Tilnærmet samme rekkevidde sommer som vinter.
• Med lang rekkevidde får man også mer fleksibilitet i bruken av lastebilen – man er ikke så avhengig av ladestasjoner. Det er viktig flere steder i landet.
• Hydrogenlastebilene har samme nyttelast som diesellastebiler.  
• Det kan være vanskelig å bygge ut ladeinfrastruktur noen steder på grunn av mangel på strøm eller kapasitet i nettet. Hydrogen kan avlaste behovet for effekt og utbygging av nett.
• Varme fra brenselcelle/motor gir oppvarming av førerhytta.
• Hydrogen kan transporteres og lagres, som gir god forsyningssikkerhet og beredskap der lastebilene skal kjøre. 
   

Et brenselcellekjøretøy er et elektrisk kjøretøy der batteriet er erstattet av en brenselcelle og en hydrogentank. Hydrogen fra tanken og oksygen fra et luftinntak omdannes i brenselcellen til elektrisk energi, varme og vanndamp. En elektrisk motor gir bilen framdrift. Brenselcellen avgjør hvor mye effekt man får ut av systemet (kW) og hydrogentankens størrelse avgjør hvor mye energi som lagres (kWh). Kjøretøyet har også et batteri som gjør at den kan lagre energi ved regenerativ bremsing og gjenbruke denne ved akselerasjon. Dermed spares drivstoff og brenselcellen får en mer jevn belastning som også forlenger levetiden. Batteriet er mindre enn framdriftsbatteriet vi finner i batterielektriske kjøretøy. 
Med 1 kg hydrogen på tanken vil en brenselcellebil typisk kunne kjøre 10 mil.   
Hydrogentankene i en personbil inneholder komprimert hydrogengass med 700 bars trykk. Det høye trykket gjør at man får plass til mye energi på et lite volum. Busser har bedre plass til hydrogentanker og benytter derfor 350 bars trykk. Det er billigere, da hydrogensystem med høyt trykk gjør at man må bruke sterkere materialer som koster mer. Noen lastebiler bruker 350 bar, men de fleste produsenter velger nå 700 bar også her. Daimler har varslet at de vil bruke flytende hydrogen i sine lastebiler. Det gjør at man kan få med enda større energimengde på samme volum.   

Som et alternativ til hydrogenelektriske lastebiler (H2 FC), utvikler alle de store lastebilprodusentene hydrogenlastebiler med forbrenningsmotor (H2 ICE). Under synliggjør vi derfor forskjellige egenskaper knyttet til de to løsningene. 
H2 FC (Fuel Cell): Brenselcellen produserer strøm av hydrogen og oksygen. Strømmen brukes av elektriske motorer som driver bilen framover. Det er kun vanndamp som er utslipp. 
  
H2 ICE (Internal Combustion Engine): I en forbrenningsmotor brukes hydrogen på samme måte som diesel. Hydrogenmotoren er en tilpasning av dieselmotoren. Det er noe utslipp av NOx (mindre enn Euro 7-kravet) og små mengder CO2 på grunn av smøremidler i motoren. Hydrogen forbrenningsmotorlastebil er klassifisert som utslippsfri lastebil i EU. 
H2 ICE bruker litt mer hydrogen enn H2 FC. 
H2 ICE kan komme raskere på markedet i store volum da produsentene har produksjonslinjer for forbrenningsmotorene. 
H2 ICE blir billigere i innkjøp enn H2 FC i tidlig fase da det er færre nye komponenter og produksjon basert på samme prinsipper som konvensjonelle lastebiler med fossil drift. 
H2 FC blir billigere i drift enn H2 ICE pga. lavere energiforbruk. 

For å kunne bruke hydrogen trenger man en energiomformer. En brenselcelle er en slik omformer som effektivt gjør hydrogenets kjemiske energi om til elektrisk energi. Brenselcellen får hydrogen fra en tank, oksygen fra luften og produserer elektrisitet, varme og vann. En brenselcelle genererer ca. 0,7 volt (V). For å få en høyere spenning kobles mange brenselceller sammen i en såkalt brenselcellestack. En brenselcelle har en anodeside og en katodeside som separeres med en membran. På anodesiden deler en katalysator opp hydrogenatomene i protoner og elektroner. Protonet kan bevege seg gjennom membranen mens elektronet må gå rundt. Da dannes det elektrisk strøm som vi kan utnytte.  

Figur. I brenselcellen produseres strøm, varme og vann fra hydrogen og oksygen. Kilde: Statkraft