Hydrogen – fremtidens energikilde?

Hva er hydrogen?

Hydrogen er det letteste grunnstoffet vi har, og det rikeligste stoffet i universet (utgjør omtrent 75% av all normal materie i universet). Ved normal temperatur og trykk er hydrogen en fargeløs, luktfri, smakløs, ikke-giftig og svært brennbar gass, men hydrogen omdannes til veske ved minus 423^oF (-253^oC) (Eya, 2023). Forbrenningsentalpien er -286 kJ/mol (CASFNPU, 2023).

Når hydrogen brenner, genererer det energi i form av varme, med vann som biprodukt. Det betyr at energi laget fra hydrogen ikke genererer karbondioksid som oppvarmer atmosfæren, noe som gjør den til en av mange potensielle energikilder som kan bidra til å redusere karbonutslipp og bremse global oppvarming. Hydrogen er en ren energikilde, men det kreves energi å lage hydrogenet i utgangspunktet.

Kjemisk betegnelse

Hydrogen er det kjemiske grunnstoffet med symbolet H og atomnummer 1 (Wikipedia, 2023). I praksis er hydrogen H2 i stedet for H1, da atomært hydrogen er svært ustabilt og ikke eksisterer under normale forhold. Et hydrogenatom har 1 elektron, og den nederste elektronorbitalen har to elektroner. Derfor vil H-atomer sannsynligvis danne en kovalent binding og dele elektroner, noe som gir dem begge to elektroner som fyller orbitalen. Hydrogengass er derfor alltid H2 (Ucla, 2023).

Bruk av hydrogen

Mange bruksområder

Hydrogen brukes ikke bare som et høyeksplosivt drivstoff i romskip og raketter. Hydrogen er også nødvendig for å omdanne hydrogen og nitrogen til ammoniakk som brukes i kunstgjødsel som står for mesteparten av jorden matvareproduksjon. Hydrogen er også nødvendig for raffinering av petroleum, behandling av metaller og bearbeiding av matvarer (Afdc.energy.gov). I fremtiden kan hydrogen også bli en viktig kilde for å avkarbonisere tungindustrien.

Drivstoff

I det siste tiåret har hydrogen også blitt sett på som et interessant drivstoff for fly, skip og tyngre kjøretøy. Spesielt er hydrogen egnet for større kjøretøy som krever stor kraft og hvor batterier ikke er et alternativ på grunn av batterienes størrelse og tyngden som øker energibruken.

De fleste bilmerker har i dag laget modeller som kjører på 100% hydrogen, men det betydelig termisk tapet som er forbundet med forbrenningen gjør at hydrogen fortsatt er en ineffektiv og kostbar energikilde for personbiler. I tillegg er det vanskelig å finne hydrogen stasjoner langs veien.

Oppvarming

I boliger eller kommersielle eiendommer kan forbrenning av hydrogenanriket gass gjøres tilgjengelig for oppvarming og matlaging ved bruk av dagens eksisterende bygassnettverk. Hvis disse gassnettverkene ikke konverteres i fremtiden, risikerer dagens naturgassnettverk å bli stengt. Storbritannias Hy4Heat-program viser at det er mulig å få til en konverteringen fra naturgass til hydrogen med de riktige insentivene (Arup, 2023).

Lagring

Hydrogen kan også brukes som en måte å lagre energi fra intermitterende fornybare kilder. Solen skinner ikke alltid og vinden blåser ikke alltid. I stedet kan verktøy konvertere overskuddsenergien til hydrogen og deretter bruke den til energi senere, som et alternativ til batterilagring (CNBC, 2023).

Hydrogen “kan lagres under jorden så lenge det trenger å være, omtrent det samme som naturgass, og på sesongbasert basis (CNBC, 2023).

Når vi ser at hydrogen har så mange fordeler og det eneste avfallsstoffet er rent vann er det logiske spørsmålet:

“Hvorfor har ikke hydrogen allerede slått an som den nye energikilden?”

Hydrogen er i dag en kostbar energikilde

Svaret på spørsmålet over er at hydrogen koster svært mye penger å produsere. Å lage hydrogen fra naturgass koster rundt 1,80 dollar per kilo, mens blå hydrogen koster ca 2,40 dollar/kg, ifølge EU-kommisjonens hydrogenstrategi fra juli 2020. Grønn hydrogen koster mellom $3/kg og $6,55/kg (Spglobal, 2021). Sammenlignet med naturgass er blå hydrogen dobbelt så dyrt, mens grønn hydrogen er fem ganger så dyrt (Arup, 2023).

En lite effektiv energikilde

Prosessen med å produsere hydrogen, komprimere den og deretter dekomprimere hydrogenet tilbake til elektrisitet eller mekanisk energi er grovt ineffektiv, mener Paul Martin, en ekspert på kjemisk prosessutvikling og medlem av Hydrogen Science Coalition.

Martin mener at det er verdt å tåle mange problemer med et batteri fordi for hver en joule du setter inn, får du 90 % tilbake. Ved produksjon og lagring av hydrogen får du bare 37 % av energien ut igjen. 63% av energien går tapt i prosessen, og det er i beste fall, sier han (CNBC, 2023). 

Produksjon av hydrogen

Å produsere hydrogen krever mye energi fordi hydrogenatomer ikke eksisterer alene. Hydrogenet er nesten alltid festet til et annet atom, ofte et annet element. På jorden er hydrogen spesielt rikelig i form av vann (H2O) og det finnes blant annet i metangass (CH ₄).

For å produsere hydrogen må hydrogenet skilles fra de andre molekylære bindingene til rent hydrogen (H₂) for å kunne brukes som drivstoff. De vanligste måtene å produsere hydrogen på er:

1. Damp-metan reformering står for nesten alt kommersielt produsert hydrogen i dag, da den er den klart mest lønnsomme metoden. Kommersielle hydrogenprodusenter og petroleumsraffinerier bruker damp-metan-reformering for å skille hydrogenatomer fra karbonatomer i metan (CH ₄ ). Ved damp-metan-reformering reagerer høytemperaturdamp (1300 °F til 1800 °F) under 3 bar–25 bar trykk (1 bar = 14,5 pund per kvadrattomme) med metan i nærvær av en katalysator for å produsere hydrogen, karbon monoksid, og en relativt liten mengde karbondioksid (CO ₂ ). Energikilden er her primært naturgass, men det er også mulig å bruke deponigass (biogass) som hydrogenkilde. Biodrivstoff og petroleumsdrivstoff er også potensielle hydrogenkilder (Eia, 2023).
2. Elektrolyse er en prosess som spalter hydrogen fra vann ved hjelp av en elektrisk strøm. Elektrolyse brukes ofte i naturfag på videregående skoler for å demonstrere kjemiske reaksjoner og hydrogenproduksjon. I stor kommersiell skala kan prosessen refereres til som kraft-til-gass, der kraft er elektrisitet og hydrogen er gass. Elektrolyse i seg selv produserer ikke andre biprodukter eller utslipp enn hydrogen og oksygen. Elektrisiteten til elektrolyse leveres i dag av det elektriske kraftnettet, som forsynes med en blanding av fornybare kilder, kjernekraft og fossilt brensel (Eia, 2023).

I tillegg pågår det forskning for å utvikle nye måter å produsere hydrogen på. Dette inkluderer (Energy.gov):

• Termokjemiske prosesser for å omdanne biomasse til gass eller væsker og for å separere hydrogenet
• Fotolytiske prosesser som bruker solenergi til å splitte vann til hydrogen og oksygen
• Biologiske prosesser som bruker mikrober, som bakterier og mikroalger, for å produsere hydrogen gjennom biologiske reaksjoner

Naturgass er i dag den primære kilden til hydrogenproduksjon, og står for rundt tre fjerdedeler av den årlige globale dedikerte hydrogenproduksjonen. 6 % av global naturgass og 2 % av global kull brukes i dag til hydrogenproduksjon. Som en konsekvens av dette står produksjon av hydrogen for CO₂ utslipp på rundt 830 millioner tonn karbondioksid per år. Dette tilsvarende CO₂ utslippet fra Storbritannia og Indonesia til sammen (Iea, 2019).

Mange ønsker derfor at vi skal produsere all hydrogen ved bruk av fornybare ressurser som sol, vind og vannkraft istedenfor naturgass og kull. Noe som er lite realistisk på kort sikt. Å produsere all dagens dedikerte hydrogenproduksjon fra elektrisitet vil resultere i et elektrisitetsbehov på 3 600 TWh, mer enn den totale årlige elektrisitetsproduksjonen i EU (Iea, 2019). Dette er imidlertid et langsiktig mål.

Den største produsenten av hydrogen i dag er China som står for over 1/4-del av verdens produksjon.

Fargekoder

I energibransjen refererer folk til hydrogen som har ulike fargekoder, avhengig av hvordan hydrogenet ble skapt. Følgende fargekoder brukes i dag (CNBC, 2023):

• Grønn hydrogen er når energien som brukes til å drive elektrolyse kommer fra fornybare kilder som vind, vann eller sol.
• Blå hydrogen er hydrogen produsert fra naturgass med en prosess med dampmetanreforming, hvor naturgass blandes med veldig varm damp og en katalysator. Hvis karbondioksidutslippene deretter fanges opp og lagres under jorden, anses prosessen som karbonnøytral, og det resulterende hydrogenet kalles “blå hydrogen”. Kritikere sier at blå hydrogen ikke er karbonnøytral, da naturgassproduksjon uunngåelig resulterer i metanutslipp fra såkalte flyktige lekkasjer (lekkasjer av metan fra bore-, utvinnings- og transportprosessen). Metan varer ikke like lenge i atmosfæren som karbondioksid, men det er mye mer potent som drivhusgass. Over 100 år kan ett tonn metan anses å tilsvare 28 til 36 tonn karbondioksid, ifølge Det internasjonale energibyrået .
• Grå hydrogen er laget av naturgass som reformeres til blått hydrogen, men uten noen forsøk på å fange karbondioksidbiprodukter.
• Rosa hydrogen er hydrogen laget med elektrolyse drevet av atomenergi, som ikke produserer karbondioksidutslipp. (Selv om kjernekraft skaper radioaktivt avfall som må lagres trygt i tusenvis av år.)
• Gult hydrogen er hydrogen laget med elektrolyse fra energinettet. Karbonutslippene varierer sterkt avhengig av kildene som driver nettet.
• Turkis hydrogen er hydrogen produsert fra metanpyrolyse, eller spaltning av metan til hydrogen og fast karbon med varme i reaktorer eller masovner. Turkisblått hydrogen er fortsatt i begynnelsen av å bli kommersialisert, og dets klimabevisste verdi avhenger av å drive pyrolysen med ren energi og lagre det fysiske karbonet.

Etterspørsel etter hydrogen

I dag produseres det rundt 70 millioner tonn hydrogen årlig, med en markedsverdi på USD 155 milliarder i 2022. Etterspørselen etter hydrogen har tredoblet seg siden 1975, og det forventes at den årlige etterspørselen kommer til å øke med 9,3% i snitt i perioden 2023-2030 (Grandviewresearch, 2023).

Markedsverdi:

• 2022 – USD 155 milliarder
• 2023 – USD 170 milliarder
• 2030 – USD 317 milliarder

Spesielt forventes etterspørselen å øke i siste halvdel av 2020-tallet som et resultat av:

1. nye og mer effektive produksjonsteknologier.
2. bedre infrastruktur for produksjon, lagring og distribusjon av hydrogen.
3. innføring av karbon avgift på import av alle produkter til EU som er laget ved bruk av fossile brensler. 

Veksten forventes å være drevet av etterspørselen etter renere drivstoff og det økende statlige regelverket for avsvovling av petroleumsprodukter (Grandviewresearch, 2023).

Etter 2030 kommer etterspørselen til å være rettet mot blå og grønn hydrogen. McKinsey mener at etterspørselen etter grønn hydrogen kan vokse til omtrent 660 millioner tonn årlig innen 2050. I dag produseres det under 25 millioner tonn (McKinsey, 2022). Vi snakker med andre ord om en eksplosjon i produksjonen av grønn hydrogen etter 2030 hvis McKinsey får rett i sine prognoser.

Hva påvirker hydrogen prisen?

Det er spesielt tre faktorer som påvirker prisen vi må betale for hydrogen:

1. Produksjon
2. Transport og lagring (distribusjon)
3. Sluttbrukseffektivitet

Produksjon

Prisen på blått hydrogen er avhengig av prisen på fossilt brensel, reformasjonsteknologien som brukes for å lage hydrogen, og kostnadene ved karbonfangst og langtidslagring. Prisen på grønt hydrogen avhenger av prisen på fornybar energi, elektrolysører og vannet som brukes til å lage hydrogen. I dag er blå hydrogen rimeligere enn grønn hydrogen, men dette forventes å endres rundt 2025 som et resultat av fallende priser på fornybar energi og stordriftsfordeler med økt bruk av elektrolysører (Arup, 2023).

Transport og laging

I likhet med naturgass transporteres hydrogen relativt enkelt og rimelig innenlands i rørledninger, men må hydrogen til flytende form for å transporteres over større områder – fra en verdensdel til en annen – kan denne ineffektive prosessen øke prisen på hydrogen så mye som 50-100% (Arup, 2023).

Sluttbrukseffektivitet

Hydrogen har en energi-til-vekt-tetthet som er tre ganger større enn batterier som lagrer elektrisitet. Selv om dette betyr at hydrogen kan være egnet for langdistanse tungtransporter som lastebil og luftfart, er batterier en bedre kandidat for lettere og mindre brukte kjøretøy. Gitt at gaffeltrucker må fungere 24/7, veier en kostnadsøkning fra hydrogen opp for nedetid for batterilading (Arup, 2023).

Karbonavgift på fossile brensler

For å gjøre prisen for hydrogen og andre ikke-fossile brensler mer konkurransedyktig, sammenlignet med prisen for fossile energikilder, har stadig flere land begynt å innføre en karbonavgift på produkter som er produsert med bruk av fossile brensler. Noe som fordyrer alle produkter som er produsert med fossile brensler uten karbonfangst. Jo høyere denne karbonavgiften settes, jo mer konkurransedyktig blir prisen du må betale for hydrogen. Hvor stor denne avgiften er varierer sterkt fra land til land.

Fra 2026 vil utslipp skapt ved å produsere visse varer eksportert til EU pådra seg en avgift tilsvarende EUs karbonpris – ca. 90 dollar per tonn, eller fire ganger det globale gjennomsnittet. Dette for å unngå at EU-bedrifter blir underbudt av importerte varer fra land som ikke har lavkarbonløsninger. Uten dette ville europeisk industri flyttet offshore.

Sterkt fallende priser

Prisen for hydrogen, og da spesielt grønn hydrogen, har vært den viktigste faktoren for at bruken av hydrogen ikke har tatt av ennå. For å få ned prisen på grønn hydrogen lanserte det amerikanske Department of Energy i 2021 et program kalt Hydrogen Shot, som tar sikte på å redusere kostnadene for grønn hydrogen til 1 dollar per kilo innen 2030. Dette skal de klare ved å fokusere på (CNBC, 2023):

• Forbedre effektiviteten, holdbarheten og produksjonsvolumet til elektrolysatorer.
• Forbedring av pyrolyse, som genererer fast karbon istedenfor karbondioksid som et biprodukt.
• “Avanserte veier,” som er en oppsamlingsplass for eksperimentelle teknologier.

Den norske elektrolysatorprodusenten Nel ASA kunngjorde i 2021 et mål om å produsere grønt hydrogen til 1,50 dollar/kg innen 2025 (NEL, 2023). Dette takke være nye og bedre produksjonsteknologier og større tilgang til rimelig grønn energi. Når prisen når dette målet vil hydrogen være mer konkurransedyktig i pris. Noe som åpner muligheten for å bruke hydrogen som en energikilde for stadig flere prosjekter. 

Oppsummering

Hydrogen har et stort potensial i overgangen fra å bruke fossile brensler til ikke fornybare ressurser i mange bransjer. Spesielt innen kraftkrevende bransjer som ikke enkelt lar seg avkarbonisere. Dette forutsetter imidlertid store investeringer i infrastruktur i de enkelte land. I 2022 identifiserte McKinsey mer enn 680 store hydrogenprosjekter som er annonsert startet, med 240 milliarder dollar i direkte investeringer. Dette omfatter prosjekter knyttet til gigaskalaproduksjon, storskala produksjon i industriell bruk, transport og infrastruktur McKinsey, 2022). Mye skjer derfor i dag på denne fronten for å møte fremtidens etterspørsel og krav.

For at næringslivet og forbrukerne skal gå over til å bruke hydrogen kreves det ikke bare at det finnes en infrastruktur de kan bruke og at hydrogen er tilgjengelig. Hydrogen må også være konkurransedyktig i pris, sammenlignet med fossile brensler. De enkelte land må derfor iverksette sterke intensiv ordninger for at å gjøre hydrogen konkurransedyktig. Karbonavgiften som innføres i EU fra 2026 er et eksempel på et slikt intensiv som kan få flere til å velge hydrogen som energikilde fremfor naturgass, kull og olje.

Det forventes at hydrogen prisen kommer til å falle dramatisk i siste halvdel av 2020-tallet. Noe som vil øke etterspørselen dramatisk hvis infrastrukturen bygges ut og bransjen fortsatt gis intensiver. Det foregår i dag mye forskning på område og det lanseres stadig nye løsninger som skal effektivisere hydrogenproduksjonen.

Kilder:

• Wikipedia – Hentet 04.07.23: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen
• Eia – Hentet 04.07.23: https://www.eia.gov/energyexplained/hydrogen/
• CASFNPU – Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen Production and Use (2004). The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs. National Academies Press. p. 240. ISBN 978-0-309-09163-3.
• Ucla. Hentet 04.07.23: https://lavelle.chem.ucla.edu/forum/viewtopic.php?t=78009
• Energy.gov. Hentet 04.07.23: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-processes
• CNBC. Hentet 04.07.23: https://www.cnbc.com/2022/01/06/what-is-green-hydrogen-vs-blue-hydrogen-and-why-it-matters.html
• Afdc.energy.gov. Hentet 04.07.23: https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_production.html
• Spglobal. Hentet 05.07.24: https://www.spglobal.com/marketintelligence/en/news-insights/latest-news-headlines/experts-explain-why-green-hydrogen-costs-have-fallen-and-will-keep-falling-63037203
• Arup. Hentet 05.07.23: https://www.arup.com/perspectives/when-will-hydrogen-become-a-cost-competitive-industry
• NEL. Hetet 05.07.23: https://nelhydrogen.com/sustainability/
• Iea. Hentet 05.07.23: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
• Grandviewresearch. Hentet 06.07.2023: https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/hydrogen-generation-market
• McKinsey, 2022. Hentet 06.07.2023: https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/five-charts-on-hydrogens-role-in-a-net-zero-future