Hvordan Hydrogenenergi Brukes i Elektrisitetsproduksjon

Strømproduksjon ved bruk av hydrogen skjer hovedsakelig gjennom to metoder: brenselceller og forbrenningsturbiner som er tilpasset for bruk av hydrogen. Brenselcelleteknologi fungerer ved å produsere strøm gjennom elektrokjemiske prosesser, og når den kombineres med varmegjenvinningsystemer, kan disse oppnå omtrent 60 % virkningsgrad. Mange eksisterende forbrenningsturbiner som opprinnelig ble bygget for naturgassdrift, kan nå håndtere hydrogenblandinger eller til og med rent hydrogen, noe som gir nettoperatører mye ønsket fleksibilitet for å opprettholde stabil kraftforsyning. Produksjon av grønt hydrogen innebærer å spalte vannmolekyler ved hjelp av fornybare energikilder som vind- og solkraft gjennom en prosess som kalles elektrolyse. Dette grønne hydrogenet lagres til det oppstår et fall i tilgjengeligheten av fornybar energi, hvoretter det kan konverteres tilbake til elektrisitet. Ta Tyskland som eksempel, der flere offshore vindkraftanlegg allerede produserer grønt hydrogen. Disse prosjektene har klart å redusere avhengigheten av kullkraftverk med omtrent 40 % i visse testområder, selv om resultatene varierer avhengig av lokale forhold og implementeringsdetaljer.

Integrasjon av hydrogen i eksisterende strømnett

Hydrogen bidrar til å gjøre strømnettet renere samtidig som det holder det stabilt. Når det er ekstra fornybar energi tilgjengelig, lagres denne energien som hydrogen og gis deretter ut igjen når etterspørselen øker. Ta Danmark som eksempel – deres pilotprosjekter har vist at lagring av hydrogen i saltkammer reduserer spilling av energi med mellom 15 og opp til 20 prosent hvert år. Vi ser nå at slike hybridløsninger dukker opp, der solanlegg arbeider sammen med elektrolyseutstyr, selv om det krever ganske avansert energistyring for å få alt til å fungere smidig, siden energistrømmen går begge veier gjennom systemet. Se på hva California gjør med sitt Renewable Hydrogen Backbone-prosjekt – de bruker faktisk hydrogen til å holde strømnettet stabilt under intense varmebølger som nylig har forstyrret normal drift i stor grad.

Case-studie: Hydrogendrevne anlegg i Tyskland og Japan

Energiepark Mainz i Tyskland kombinerer en 6 megawatt elektrolyseanlegg med vindenergi for å produsere rundt 200 tonn hydrogen hvert år. Dette anlegget kan faktisk levere strøm til omtrent 2 000 husholdninger ved strømbrudd gjennom sitt brenselcellesystem på 1,4 MW. Over Stillehavet har Japan utviklet noe enda større kalt Fukushima Hydrogen Energy Research Field, eller FH2R for kort. Med en kapasitet på 10 MW er det verdens største anlegg for grønt hydrogen. Det bidrar ikke bare til å forsyne deler av Tokyo med strøm, men forskere bruker det også til å eksperimentere med transport av hydrogen over hav. Det som gjør disse prosjektene spesielle, er deres imponerende effektivitet på omtrent 95 %. De klarer denne høye ytelsen fordi de justerer mengden produsert hydrogen basert på hva strømnettet faktisk trenger i hvert øyeblikk.

Utfordringer ved skalert bruk av hydrogen for basislastkraft

Tre store barrierer begrenser hydrogens rolle i basislastkraft:

• Kostnad : Elektrolyseurs kapitalkostnader er fortsatt omtrent tre ganger høyere enn kostnadene for naturgass turbiner.
• Effekt tap : Den sirkulære prosessen med å konvertere elektrisitet til hydrogen og tilbake igjen resulterer i et energitap på 30–35 %.
• Infrastruktur : Mindre enn 15 % av globale gassrørledninger kan trygt transportere hydrogenblandinger over 20 %.

En bransjevurdering fra 2021 fremhevet holdbarheten til brenselceller og sprøhet i rørledninger som viktige prioriteringer for forskning og utvikling, og anslår at det vil være behov for infrastrukturinvesteringer på 1,2 billioner dollar innen 2040. Selv om hydrogen supplerer fornybar energi, mangler det for øyeblikket kostnadseffektivitet for bredbasert kraftproduksjon.

Hydrogen til oppvarming: Dekarbonisering av industrielle og boligsystemer

Rollen til hydrogenenergi i dekarbonisering av oppvarmingssystemer

Ifølge IEAs data fra i fjor kommer omtrent 40 prosent av alle CO2-utslipp fra energiforbruk verden over fra oppvarming, og derfor ser mange eksperter på hydrogen som en reell game changer for erstatning av fossile brensler både i industriovner og hjemmekjeler. At hydrogen brenner ved temperaturer som nærmer seg 2800 grader celsius, gjør det spesielt egnet for tungindustri som stålproduksjon. Noen tester med mikrokraftvarmeanlegg basert på brenselceller viste også imponerende resultater, med en effektivitet på rundt 90 prosent når de ble brukt i fjernvarmenett. Det som er interessant, er at hydrogen faktisk fungerer ganske godt i omtrent 20 prosent av dagens gassrørledninger uten at infrastrukturen må endres, noe som kan akselerere bruken av denne teknologien i ulike sektorer.

Blanding av hydrogen med naturgass i rørledninger

Blanding av hydrogen i eksisterende gassnett gir en overgangsløsning:

Europeiske forsøk viser at 20 % blanding kan redusere utslipp med 6 millioner tonn årlig samtidig som sikker drift opprettholdes. Men på grunn av hydrogenets lavere volumetrisk energitetthet, må strømningshastighetene øke med 15–25 % ved høyere blandingsgrader.

Pilotprosjekter i Storbritannia og Nederland som bruker hydrogen til oppvarming av hjem

HyDeploy-programmet i Storbritannia klarte å blande hydrogen inn i gassforsyningen for rundt 300 husholdninger med omtrent 20 %, og de fleste virket fornøyde – omtrent 8 av 10 deltakere oppga at de var tilfredse. I Nederland ble det enda mer interessant med H2Stad-eksperimentet, der de faktisk byttet ut gasskilerne i 1 500 hjem til hydrogendrevne kiler. Resultatene var også svært imponerende, ettersom utslipp relatert til oppvarming ble redusert med nesten 90 % sammenlignet med vanlige naturgassystemer. Selv om disse testprogrammene viser at hydrogen kan fungere i større skala, er det noen bekymringer som bør nevnes. Tester av materialer tyder på at hvis rørledninger transporterer rent hydrogen hele tiden, kan levetiden forkortes med mellom 12 % og kanskje 18 %. Ikke så godt, men likevel håndterlig med riktig planlegging.

Effektivitets- og sikkerhetsutfordringer ved hydrogenbasert oppvarming

Hydrogengjenvinner kjører med en effektivitet på rundt 85 til 90 prosent, noe som faktisk er litt lavere enn det vi ser med naturgass, som er omtrent 94 %. Det med hydrogen er at det tennes mye lettere, siden det bare trenger 0,02 mJ sammenlignet med metans 0,3 mJ. Dette betyr at vi trenger svært gode lekkasjedeteksjonssystemer som kan oppdage selv minste mengde, kanskje så lite som 1 % konsentrasjon. Ifølge noen nyere studier fra DNV i 2023, trengrer hydrogen seg gjennom polyetylenrør omtrent 30 ganger raskere enn vanlig gass gjør. På grunn av dette problemet vil de fleste eldre rørnett sannsynligvis trenge spesielle komposittforinger montert et eller annet sted i systemet. Og la oss heller ikke glemme riktig ventilasjon. Når bygninger blir ombygd på riktig måte, kan denne enkle tiltaket alene redusere eksplosjonsfaren med nesten 92 %.

Hydrogen i transport: Fra brenselceller til luftfart

Hydrogenbrenselcellebiler som et rent transportalternativ

Brenselcellebiler fungerer ved å produsere strøm gjennom kjemiske reaksjoner inne i cellen, og de slipper egentlig bare ut vanndamp som avgass. Det store fordelen er at påfylling tar mindre enn fem minutter, og disse bilene kan kjøre over 500 kilometer før de trenger påfyll igjen. For ting som lastebiler til langdistanse og fraktskip, gjør dette at de er bedre enn vanlige batteridrevne løsninger, siden de kan pakke mer energi ned i mindre rom uten å ofre for mye lasteplass. Selskaper som Toyota og Hyundai har nylig begynt å satse stort på hydrogen-teknologi for sine større transportbehov.

Innføring av hydrogenbusser og -lastebiler i California og Sør-Korea

Californias H2 Frontier-prosjekt har utplassert over 50 hydrogendrevne busser i 12 kollektivtrafikkdistrikter siden 2023, noe som reduserer utslipp med 1 200 tonn årlig. I Sør-Korea driver havnen i Ulsan 120 brenselcelle-lastebiler for containertransport, støttet av nærliggende elektrolyseanlegg drevet av vindkraft fra offshore-vindparker.

Hydrogendifrivede tog i Tyskland og Frankrike

Tysklands Coradia iLint-tog tilbakelegget 220 000 utslippsfrie kilometer i 2023. Frankrikes TER Occitanie-linje erstattet 15 dieselenheter med hydrogenhybridtoger, som bruker bakkmonterte brenselceller for å øke rekkevidde på ikke-elektrifiserte strekninger.

Nye bruksområder innen sjøfart og luftfart

Sjøfartsoperatører bruker hydrogengenerert ammoniakk til å drive fire lasteskip i Nordsjøen, noe som reduserer CO2-utslippene med 85 % sammenlignet med tungolje. I luftfarten forventes nullutslipps regionalfly drevet av væskeformig hydrogen forbrenning å tas i bruk innen 2035, med nåværende prototyper som fullfører testflyvninger på 750 km.

Infrastrukturutfordringer for hydrogenopplastingsnett

Det finnes færre enn 1 000 hydrogenopplastingsstasjoner globalt, hvorav 42 % ligger i Europa og 38 % i Asia. Lagring under høyt trykk er fremdeles dyrt – 1 800 USD per kg i 2024 – og sprøhet i rørledningsmaterialer skaper utfordringer for distribusjon i stor skala.

Produksjon av grønn hydrogen: Fremme bærekraftige metoder

Grå vs. blå vs. grønn hydrogen: Miljømessige og økonomiske avveininger

Det finnes flere ulike måter å produsere hydrogen på, og de har alle sin egen miljøpåvirkning og pris. Grått hydrogen kommer fra dampmetanreformering (SMR) og slipper ut mellom 9 og 12 kilo CO2 for hvert kilo produsert hydrogen. Prisen? Omtrent 1,50 til 2,80 dollar per kilo ifølge International Energy Agency i 2023. Deretter har vi blått hydrogen, som i utgangspunktet bruker samme SMR-prosess, men med tilleggsutstyr for karbonfangst. Dette reduserer utslippene med omlag 80 til 90 prosent, men gjør det dyrere – ca. 2,50 til 4 dollar per kilo. Til slutt har vi grønt hydrogen, som lages når strøm fra fornybare kilder driver elektrolyseutstyr. Denne metoden slipper ikke ut noen direkte utslipp og koster for tiden mellom 3 og 5 dollar per kilo. Det er faktisk en betydelig nedgang fra hva prisen var for et par år siden, da den lå rundt 4 til 6 dollar per kilo.

Fremgang i elektrolyse øker produksjonen av grønn hydrogenenergi

Protonbyttemembran (PEM) elektrolyseapparater oppnår nå en effektivitet på 75–83 %, opp fra 60 % i 2010. Alkaliske systemer har en effektivitet på 65–70 % og levetid på over 60 000 timer. Fastoksidelektrolyseapparater (SOEC), som opererer ved 700–900 °C, har oppnådd en effektivitet på 85 % i forsøk, noe som viser potensial for industriell produksjon av grønn hydrogen (ScienceDirect 2024).

Kostnadstrender og skalerbarhet for hydrogenproduksjon drevet av fornybar energi

Kostnaden for å produsere hydrogen ved hjelp av solkraftdrevet elektrolyse har falt dramatisk, med omtrent 62 % siden 2015. I 2024 ser vi nå priser mellom 3 og 4,50 dollar per kilo. Der nede i Australia produserer vindparker over 1 000 tonn grønn hydrogen hvert år til omtrent 3,80 dollar per kg. I mellomtiden i Kina gjør store elektrolyseinstallasjoner produksjonen billigere hvert år, med kostnadskutt på rundt 18 % årlig. Fremover spår BloombergNEF at grønt hydrogen kan komme ned i bare 1,50 dollar per kg innen 2030. Dette vil skje ettersom fornybare energikilder fortsetter sin raske utbygging og forventes å utgjøre nesten 85 % av all ny kraftproduksjon verden over.

Ofte stilte spørsmål

Hva er de viktigste metodene for å generere elektrisitet ved bruk av hydrogen? De viktigste metodene er gjennom brenselceller og forbrenningsturbiner tilpasset hydrogen.
Hvordan bidrar hydrogen til stabilitet i kraftnettet? Hydrogen lagrer overskuddsenergi fra fornybare kilder og slipper den ut i perioder med høy etterspørsel for å sikre nettstabilitet.
Hva er noen nåværende utfordringer ved bruk av hydrogen for grunnlastkraft? Høye kostnader, tap i effektivitet under energiomforming og infrastrukturelle begrensninger er store utfordringer.
Hvordan brukes hydrogen i varmesystemer? Hydrogen kan erstatte fossile brensler i industrielle og boligbaserte varmesystemer og tilbyr et bærekraftig alternativ.
Hvilke fremskritt er gjort innen produksjon av grønt hydrogen? Utviklinger i elektrolyseteknologi og store anlegg har betydelig redusert kostnader og økt effektiviteten.