Hydrogen i fokus

Men det har også ulemper – produksjonen er ikke enkel, transport kan være vanskelig og ineffektiv, og på grunn av dette er de faktiske bærekraftsfordelene ikke alltid klare.

Her ser vi på noen av de mest lovende hydrogenteknologiene, tidlige brukere, voksende bruksområder, transport- og lagringsmetoder og det regulatoriske landskapet, i tillegg til offentlige investeringer i hydrogen.

Hydrogenproduksjonsteknologier

Hydrogen er et av de mest forekommende grunnstoffene på jorden. Men det er ofte innebygd i forbindelser – som vann – som krever prosesser for å få tilgang til det. Noen av de viktigste prosessene er:

elektrolyse

Elektrolyse er prosessen med å splitte vann til hydrogen og oksygen ved hjelp av elektrisitet. Denne metoden, spesielt når den drives av fornybare energikilder som vind eller sol, produserer det som kalles grønn hydrogen. Selskaper som Siemens og ITM Power utvikler elektrolyseteknologi, forbedrer effektiviteten og reduserer kostnader.

Høres bra ut ved første øyekast, men det er betydelige utfordringer med å gjøre dette i stor skala.

Viktige problemer med grønn hydrogenproduksjon inkluderer:

1. Energieffektivitet: Nåværende elektrolysører har en effektivitet på 60–70 %, med betydelig energitap. Forbedring av katalysator- og membranteknologi er avgjørende. Avhengighet av fornybar energi, som er intermitterende, byr også på utfordringer.
2. Kostnad: Høye startkapitalkostnader og løpende driftskostnader hindrer utbredt bruk. Teknologiske fremskritt og stordriftsfordeler er nødvendige for å redusere disse kostnadene.
3. Materialer og ressurser: Elektrolysører bruker knappe materialer som platina og iridium. Forskning på alternative katalysatorer pågår. I tillegg krever vannbehovet, selv om det er beskjedent, bærekraftig forvaltning.
4. Infrastruktur: Integrering av elektrolysører med strømnettet og utvikling av distribusjons- og lagringsinfrastruktur er betydelige hindringer. Transport og lagring av hydrogen krever betydelige investeringer i rørledninger, tanker og annen teknologi.
5. Miljøhensyn: Hele livssyklusen til hydrogenproduksjon må være miljømessig bærekraftig. Økt etterspørsel etter fornybar energi til hydrogenproduksjon bør ikke føre til en gjenoppblomstring av fossilt brensel.
6. Teknologiske fremskritt: Alkaliske, PEM- og SOEC-elektrolysører har hver sin unike utfordring. Det er viktig å forbedre effektivitet, kostnader og holdbarhet. Integrering av elektrolysører med variable fornybare energikilder krever hybridsystemer og avansert teknologi.
7. Økonomisk og politisk rammeverk: Det er avgjørende å utvikle et stabilt hydrogenmarked og støttende statlig politikk. Subsidier, skattefradrag og internasjonalt samarbeid kan drive forskning, utvikling og utplassering.

Å håndtere disse utfordringene er avgjørende for at hydrogenelektrolyse skal bli en levedyktig, storskala grønn hydrogenløsning, som støtter overgangen til en lavkarbonenergifremtid.

Steam Metan Reforming (SMR) med karbonfangst og -lagring (CCS)

Dampmetanreformering innebærer en reaksjon mellom metan (CH₄) og damp (H₂O) ved høye temperaturer for å produsere hydrogen (H₂), karbonmonoksid (CO) og noe karbondioksid (CO₂).

SMR er svært effektiv, med en total effektivitet som vanligvis varierer fra 65 % til 75 %. Det er også en moden og godt forstått teknologi, noe som gjør den til den vanligste metoden for industriell hydrogenproduksjon. Infrastrukturen og ekspertisen for SMR er allment tilgjengelig. Sammenlignet med andre hydrogenproduksjonsmetoder er SMR også relativt kostnadseffektiv, spesielt der naturgass er rikelig og billig.

Så mens SMR har definitivt positive ting, de tilhørende karbondioksidutslippene og avhengigheten av fossilt brensel representerer betydelige utfordringer. 

Integreringen av CCS kan bidra til å redusere miljøpåvirkningen, noe som gjør SMR til en levedyktig overgangsløsning etter hvert som verden beveger seg mot mer bærekraftige hydrogenproduksjonsmetoder.

Men denne produksjonsmetoden er bare ment å tjene som en overgangsteknologi, som utnytter eksisterende naturgassinfrastruktur.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs)

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) omdanne hydrogen til elektrisitet gjennom en elektrokjemisk prosess, egnet for stasjonær kraftproduksjon. 

SOFC-er er høyeffektive enheter som genererer elektrisitet ved å reagere hydrogen eller hydrokarboner med oksygen ved høye temperaturer (600 °C til 1,000 °C) ved hjelp av en fast keramisk elektrolytt. De tilbyr fordeler som høy elektrisk effektivitet (50–60 %), drivstofffleksibilitet (hydrogen, naturgass, biogass) og langsiktig stabilitet. De står imidlertid overfor utfordringer som materialforringelse, lange oppstartstider, problemer med termisk styring og høye kostnader på grunn av dyre materialer og produksjonsprosesser.

SOFC-er er egnet for stasjonær kraftproduksjon, industrielle applikasjoner og fjern- eller marin kraftproduksjon, og utnytter deres høye effektivitet og evne til å utnytte spillvarme. Å overvinne de tekniske og økonomiske barrierene gjennom fremskritt innen materialer og produksjonsteknikker er avgjørende for bredere bruk. Til tross for dagens utfordringer, har SOFC-er et betydelig potensial for å bidra til en bærekraftig energifremtid med reduserte klimagassutslipp.

Selskaper som Bloom Energy er ledende innen SOFC-utvikling, og tilbyr effektive, skalerbare kraftløsninger for industriell og kommersiell bruk.

Tidlige brukere og voksende applikasjoner

Transport

Personbiler / hydrogenbrenselcellekjøretøy (FCV-er)

Hydrogen-FCV-er er i forkant av tidlig adopsjon, med selskaper som Toyota (Mirai) og Hyundai (Nexo) som produserer kommersielt tilgjengelige personbilmodeller drevet av hydrogen. Disse kjøretøyene tilbyr lengre rekkevidde og raskere fylling av drivstoff sammenlignet med batterielektriske kjøretøy (BEV-er). Men selv om antallet drivstoffstasjoner vokser sakte, er de ennå ikke utbredt.  

Spesielt Toyota har holdt fast ved sin visjon om utbredt bruk av hydrogenbiler: dette forklarer delvis hvorfor de har ligget etter i utviklingen av en elbilportefølje.

Tungtransport

Hydrogens høye energitetthet og raske påfylling gjør den ideell for tunge applikasjoner som lastebiler, busser og tog. 

Viktige fremskritt inkluderer Nikola Motors' hydrogenlastebiler med rekkevidde på opptil 500 kilometer og Hyundais XCIENT brenselcellelastebiler i Europa. Europeiske byer og Kina tar i bruk hydrogenbusser, mens Alstoms Coradia iLint hydrogentog opererer i Tyskland. Den maritime sektoren utvikler hydrogendrevne skip, som Norleds ferger i Norge, med sikte på nullutslippstransport. 

Veksten av hydrogenfyllingsstasjoner for lastebiler akselererer globalt. Nord-Amerika og Europa utvider nettverkene sine, med betydelige prosjekter fra selskaper som Nikola Motors og statlige initiativer i byer som tar i bruk hydrogenbusser, noe som sikrer praktisk og utbredt infrastruktur for fylling av drivstoff.

 industriell bruk

Hydrogen kan i teorien brukes i mange industrielle og kjemiske produksjonsprosesser. Den relative vanskeligheten med å produsere, transportere og lagre det betyr imidlertid at det ofte ikke er et praktisk eller kostnadseffektivt alternativ til tradisjonelle fossile brensler som kull.

Stålproduksjon

Stålindustrien, en betydelig CO2-utslipper, utforsker hydrogenbaserte reduksjonsprosesser for å produsere grønt stål. Selskaper som SSAB i Sverige er pionerer i denne tilnærmingen, og har som mål å erstatte kull med hydrogen.

SSAB leder, i samarbeid med LKAB og Vattenfall, HYBRIT-initiativet (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology). HYBRIT har som mål å erstatte kull i stålproduksjonsprosessen med hydrogen, som produserer vann i stedet for CO₂. SSABs pilotanlegg i Luleå i Sverige har allerede produsert verdens første hydrogenreduserte svampjern.

Andre selskaper, hovedsakelig i Europa, eksperimenterer også med hydrogen i stedet for tradisjonelt fossilt brensel.  

Salzgitter AG utvikler SALCOS-prosjektet (Salzgitter Low CO₂ Steelmaking) for å avkarbonisere stålproduksjonen. Dette initiativet inkluderer bruk av hydrogen for direkte reduksjon av jernmalm. Salzgitter har inngått et samarbeid med Sunfire GmbH for å bruke deres høytemperaturelektrolyseteknologi for grønn hydrogenproduksjon.

ArcelorMittal utforsker flere hydrogenbaserte prosjekter for å redusere CO₂-utslipp. I Hamburg, Tyskland, tester de et direktereduksjonsanlegg som bruker hydrogen til å produsere direkte redusert jern (DRI). Dette pilotprosjektet har som mål å demonstrere muligheten for hydrogen som reduksjonsmiddel i stålproduksjon.

Tata Steel jobber med HIsarna-prosjektet ved fabrikken i IJmuiden, som har som mål å redusere CO₂-utslipp ved å integrere hydrogen i stålproduksjonsprosessen. Prosjektet fokuserer på å konvertere jernmalm til jern ved hjelp av hydrogen i stedet for karbonbaserte materialer.

Thyssenkrupp utvikler sitt Carbon2Chem-prosjekt, som inkluderer bruk av hydrogen til å produsere stål. Prosjektet har som mål å fange opp og omdanne utslipp fra stålproduksjon til kjemikalier, med hydrogen som en nøkkelkomponent. Thyssenkrupp planlegger også å bygge et hydrogenbasert direktereduksjonsanlegg i Duisburg.

Kjemisk industri

Grønn hydrogen, produsert via elektrolyse drevet av fornybar energi, forvandler produksjonen av ammoniakk og metanol, viktige kjemikalier med betydelige industrielle anvendelser.

Tradisjonelt produseres ammoniakk gjennom Haber-Bosch-prosessen ved bruk av hydrogen utvunnet fra naturgass, noe som resulterer i betydelige CO₂-utslipp. Ved å bruke grønn hydrogen kombinerer prosessen dette hydrogenet med nitrogen fra luften for å produsere ammoniakk uten å slippe ut CO₂. Denne grønne ammoniakken er viktig for gjødsel og som en potensiell karbonfri energibærer.

Metanol produseres vanligvis fra syntesegass (en blanding av hydrogen, karbonmonoksid og CO₂) utvunnet fra naturgass eller kull, som også slipper ut betydelig CO₂. Grønn hydrogen, kombinert med fanget CO₂, kan produsere metanol gjennom hydrogenering, noe som gir metanol og vann. Grønn metanol fungerer som et kjemisk råstoff og drivstoff, med et mye lavere karbonavtrykk.

Det er verdt å merke seg at Yara International og Siemens-CF Industries fremmer grønne ammoniakkprosjekter. Og Carbon Recycling International (CRI) på Island produserer fornybar metanol ved hjelp av grønn hydrogen og CO₂.

Andre sektorer

Utover stål og kjemikalier utforskes hydrogen i ulike industrielle prosesser for å redusere utslipp og forbedre bærekraften:

1. Sementproduksjon: Hydrogen kan erstatte kull og naturgass i sementovner for å redusere CO₂-utslipp.
2. Glassproduksjon: Hydrogen fungerer som et rent drivstoff for høytemperaturovner.
3. Raffinerier: Å bytte til grønn hydrogen for hydrokrakking og avsvovling kan kutte utslipp.
4. Mat og drikke: Hydrogen driver ovner og kjeler, noe som reduserer bruken av fossilt brensel.
5. Tekstiler og papir*: Hydrogen tilbyr et renere alternativ for oppvarming og dampproduksjon.
6. Gruvedrift: Hydrogenbrenselceller driver tunge maskiner, noe som reduserer miljøpåvirkningen.
7. Elektronikkproduksjon: Grønn hydrogen brukes i halvlederproduksjon.
8. Transport og logistikk: Hydrogenbrenselceller driver lastebiler, busser, gaffeltrucker og materialhåndteringsutstyr.

Denne utviklingen viser hydrogens potensial til å dekarbonisere ulike høyutslippsindustrier, men det er fortsatt et mer kostbart og mindre praktisk alternativ enn status quo.

Energilagring og kraftproduksjon

Energilagring i nettskala

Hydrogen kan stabilisere strømnettet ved å lagre overflødig fornybar energi og frigjøre den under toppbehov. 

I perioder med overskuddsproduksjon av fornybar energi bruker elektrolysører denne overskuddselektrisiteten til å splitte vann til hydrogen og oksygen. Hydrogenet lagres deretter som komprimert gass, flytende hydrogen eller i kjemiske forbindelser. Når etterspørselen overstiger tilbudet, omdannes det lagrede hydrogenet tilbake til elektrisitet via brenselceller eller forbrenningsturbiner. 

Brenselceller genererer elektrisitet ved å kombinere hydrogen og oksygen, mens forbrenningsturbiner brenner hydrogen for å produsere strøm. Denne prosessen bidrar til å balansere tilbud og etterspørsel, gir pålitelig reservekraft og hjelper med frekvensregulering. 

Hydrogenlagringssystemer er skalerbare og kan lagre energi over lange perioder, noe som gjør dem ideelle for integrering med fornybare energikilder og forbedret nettstabilitet. Denne tilnærmingen støtter et mer pålitelig og bærekraftig energisystem ved å sikre jevn strømforsyning til tross for variasjonen i fornybare energikilder.

Prosjekter som det europeiske HyDeploy har som mål å integrere hydrogen i naturgassnettverk, og utnytte eksisterende infrastruktur.

Backup Power Systems

Hydrogenbrenselceller tilbyr pålitelig og ren reservestrøm for kritisk infrastruktur som datasentre. De gir kontinuerlig strøm så lenge hydrogen tilføres, og kan raskt starte for å sikre umiddelbar reservestrøm ved strømbrudd. 

Brenselceller genererer elektrisitet gjennom en elektrokjemisk reaksjon, og avgir kun vann og varme, noe som gjør dem miljøvennlige og reduserer karbonavtrykket, spesielt når de bruker grønn hydrogen.

Brenselceller er svært effektive, modulære og skalerbare, noe som gjør at de kan dekke spesifikke strømbehov samtidig som de tilbyr lavt vedlikehold og stillegående drift. Hydrogenproduksjon og -lagring på stedet forbedrer energisikkerheten, gir strømnettuavhengighet og sikrer en jevn drivstoffforsyning. 

Ved å ta i bruk hydrogenbrenselceller kan datasentre oppnå pålitelig, uavbrutt strøm, redusere utslipp og bidra til bærekraftsmål, noe som gjør dem til et attraktivt alternativ til tradisjonelle dieselgeneratorer.

Selskaper som Microsoft eksperimenterer med hydrogenbrenselceller for datasentrene sine.

Lagring og transport av hydrogen

Oppbevaring

Hydrogenlagring er avgjørende for å kunne bruke hydrogen som energibærer, spesielt for integrering av fornybar energi, transport og industrielle prosesser. Effektive lagringsløsninger må ta tak i utfordringer knyttet til energitetthet, kostnader, sikkerhet og infrastruktur. Noen av de viktigste metodene for hydrogenlagring er:

Lagring av komprimert gass

Hydrogen lagres i høytrykkstanker (350 til 700 bar). Denne velutviklede teknologien er mye brukt, spesielt i hydrogenbrenselcellekjøretøy (FCV-er). Selv om den er relativt enkel, er energitettheten lavere sammenlignet med andre metoder, noe som krever større lagringsvolumer. Høytrykkslagring nødvendiggjør også sterke og slitesterke materialer, noe som øker kostnadene.

Lagring av flytende hydrogen

Hydrogen kjøles ned til -253 °C og lagres som væske i isolerte beholdere. Denne metoden gir høyere energitetthet, noe som gjør den egnet for plassbegrensede applikasjoner som luftfart. Å opprettholde kryogene temperaturer krever imidlertid betydelig energi og spesialisert isolasjon, noe som øker kompleksiteten og kostnadene. Det er også avkokingstap over tid.

Kjemisk lagring

Hydrogen kan lagres i kjemiske forbindelser som metallhydrider, ammoniakk eller flytende organiske hydrogenbærere (LOHC-er). Metallhydrider gir høy volumetrisk energitetthet og sikkerhet, men har lave hydrogenfrigjøringshastigheter. Ammoniakk har høy energitetthet og etablert infrastruktur, men er giftig og etsende. LOHC-er tilbyr sikker håndtering og bruker eksisterende infrastruktur, men krever energikrevende prosesser for å frigjøre hydrogen.

Underjordisk lagring

Hydrogen kan lagres i underjordiske hulrom, saltkupler eller uttømte naturgassfelt. Denne metoden er kostnadseffektiv for store volumer og egnet for lagring i nettskala, men krever egnede geologiske formasjoner og utgjør risiko for lekkasje og forurensning.

Advanced Materials

Forskning på avanserte materialer som metallorganiske rammeverk (MOF-er) og karbonbaserte materialer pågår. Disse materialene kan tilby høy lagringskapasitet ved lavt trykk og omgivelsestemperaturer, men de er fortsatt i forskningsfasen og står overfor utfordringer med skalerbarhet og kostnader.

Transport

Rørledninger

Hydrogen kan transporteres gjennom eksisterende naturgassrørledninger med modifikasjoner eller nye dedikerte hydrogenrørledninger. Prosjekter som European Hydrogen Backbone foreslår å opprette et transeuropeisk hydrogennettverk innen 2040.

Tankbiler

For kortere avstander kan hydrogen transporteres i komprimert eller flytende form ved hjelp av tankbiler. Denne metoden brukes i dag til industriell hydrogenforsyning.

Levering

Flytende hydrogentransport utvikles for internasjonal transport. Kawasaki Heavy Industries har lansert verdens første flytende hydrogentransportør, Suiso Frontier, som legger til rette for storskala hydrogenhandel.

Nye metoder

Nyere transportalternativer dukker også opp, ofte i takt med transport av viktige materialer i industrielle prosesser.

For eksempel kan hydrogen innebygd i jernmalm for transport til stålverk. Dette innebærer å bruke hydrogen til å redusere jernmalm til direkte redusert jern (DRI), noe som reduserer karbondioksidutslippene betydelig i stålproduksjonen. Denne metoden erstatter karbon med hydrogen i reduksjonsprosessen, og produserer vanndamp i stedet for karbondioksid. DRI, som inneholder innebygd hydrogen, transporteres deretter til stålproduksjonssteder for videre prosessering ved hjelp av elektriske lysbueovner (EAF-er), som kan drives av fornybar energi. Denne tilnærmingen avkarboniserer stålindustrien, utnytter eksisterende logistikk for jernmalm og fremmer bruken av grønn hydrogen.

Regulatoriske spørsmål

Sikkerhetsstandarder

Hydrogens brennbarhet krever strenge sikkerhetsstandarder for produksjon, lagring og transport. Reguleringsorganer som Den internasjonale standardiseringsorganisasjonen (ISO) og det amerikanske energidepartementet (DOE) utvikler sikkerhetsretningslinjer for å sikre sikker håndtering.

Infrastrukturutvikling

Regelverk må støtte utvikling av infrastruktur, inkludert rørledninger, bensinstasjoner og lagringsanlegg. Politikk som fremmer offentlig-private partnerskap og strømlinjeformede tillatelsesprosesser er avgjørende.

Insentiver og subsidier

Myndighetene implementerer insentiver som skattefradrag, tilskudd og subsidier for å fremme bruk av hydrogen. EUs grønne avtale inkluderer for eksempel betydelig finansiering av hydrogenprosjekter.

Statlige investeringer

Europa

EU er ledende innen investeringer i hydrogen, og EUs hydrogenstrategi har som mål å installere 40 GW elektrolysører innen 2030. Land som Tyskland, Frankrike og Nederland har betydelige nasjonale hydrogenstrategier, og investerer milliarder i forskning, infrastruktur og pilotprosjekter.

Europe

Japan og Sør-Korea er pionerer innen hydrogenøkonomier. Japans grunnleggende hydrogenstrategi sikter mot et hydrogenbasert samfunn, med investeringer i brenselcellekjøretøy og hydrogenproduksjon. Sør-Koreas veikart for hydrogenøkonomi har som mål å distribuere 5.26 millioner hydrogenkjøretøy innen 2040.

Nord-Amerika

USA øker investeringene i hydrogen, og DOEs Hydrogen Energy Earthshot-initiativ har som mål å koste 1 dollar/kg hydrogen innen 2030. California er en leder, med omfattende infrastruktur for hydrogenfylling og insentiver for hydrogen-FCV-er. Canadas hydrogenstrategi fokuserer på grønn hydrogenproduksjon og eksportpotensial.

Viser potensial, rom for forbedring…

Hydrogen er et allsidig og lovende alternativ til fossilt brensel, med bruksområder som spenner over transport, industrielle prosesser og energilagring. Tidlige brukere innen bil- og tungtransportsektoren demonstrerer potensialet til hydrogen, mens industrielle bruksområder tilbyr betydelige muligheter for dekarbonisering. Effektive transport- og lagringsløsninger er avgjørende for hydrogens suksess, noe som nødvendiggjør fremskritt innen infrastruktur og teknologi.

Reguleringsrammeverk og statlige investeringer er avgjørende for å drive frem bruk av hydrogen. Med robuste sikkerhetsstandarder, støttende tiltak og betydelig finansiering kan hydrogen spille en avgjørende rolle i å nå globale klimamål. 

Men – og dette har vært sant lenge – hydrogen har ikke klart å leve opp til løftet sitt. 

Etter hvert som teknologiske fremskritt og stordriftsfordeler realiseres, bør hydrogens rolle i energiomstillingen fortsette å utvides, noe som gir en mer bærekraftig vei videre.