Hva er hydrogen?

Hydrogen er et grunnstoff og en grunnleggende byggestein i vann, hydrokarboner og mange andre

kjemiske stoffer. Stoffet ble først identifisert som ”brennbar luft fra metall” av Henry Cavendish i 1766. Hydrogen kommer fra gresk og betyr ”som danner vann”. Ved normalt trykk og temperatur er hydrogen en luktløs og fargeløs gass som er lettere enn luft. Ved temperaturer under -253 grader Celsius blir hydrogen flytende. Hydrogen er den vanligste stoffet i universet men finnes stort sett ikke fritt i naturen.. Hydrogen kan produseres fra vann, biomasse, olje, gass, kull og lignende. Verdens årlige hydrogenproduksjon var 545 milliarder Nm3 (2001). Hovedsakelig brukes hydrogen i ammoniakkproduksjon (51 %), ved raffinering av olje (45 %) og i annen kjemisk industri (3 %). Hydrogen kan brukes som drivstoff i forbrenningsmotorer, turbiner og brenselceller. En liten andel (som i dag er økende) brukes allerede i transportsektoren og som drivstoff av romfartsindustrien. Hydrogen og brenselceller kan også brukes i bærbar elektronikk som mobiltelefoner og PC er i stedet for batterier og til energilagring i enkeltstående fornybare energisystemer.

Hydrogen kan sammen med elektrisitet og biodrivstoff bli like viktig som oljen er i dag.

Hvorfor hydrogen?

Med hydrogen som drivstoff vil kjøretøy kunne ha null eller minimale utslipp, og produksjonen av hydrogen kan gjøres uten utslipp. Potensialer for å produsere hydrogen utslippsfritt er enormt. Samtidig er mulighetene gode for at hydrogenkjøretøy kan bli så gode at de kan konkurrere på kvalitet med dagens bensin- og dieselbiler.

energiforbruket.

Energiforbruket i Europa følger i grove trekk det samme mønsteret som verdens totale energiforbruk. Den viktigste forskjellen er at kjernekraften, med en andel på ca 13,5 prosent, har en større utbredelse i Europa. Motsvarende er kullets andel ca 21 prosent lavere i Europa enn i verden totalt.

 

PEM-brenselcelle

En PEM brenselcelle har en elektolytt av fastpolymer som leder protoner (hydrogenioner). Brenselcellen består av bare faste materialer (ikke flytende) og opererer ved lav temperatur (70-90C

Elektrolyse er en kjemisk prosess der elektrisk energi brukes for å bryte vann ned til sine ulike bestanddeler, hydrogen og oksygen. I en brenselcelle skjer akkurat det motsatte.

En brenselcelle er oppbygget lagvis av elektroder som slipper gjennom gass. Mellom disse platene ligger en membran som slipper gjennom protoner, en elektrolytt. På fagspråket kalles den polymer membrane, eller PEM.

Anoder og katoder

Elektrisiteten skapes ved at hydrogen strømmer gjennom brenselscellen på anodesiden av membranen (PEM), mens oksygen strømmer igjennom på den andre siden (katodesiden).

Strømmen utvikles så ved at protonene trenger seg gjennom membranen, mens elektronene blir igjen.

 

Membranen holder oksygenet og hydrogenet atskilt fra hverandre, og kontrollerer dermed den kjemiske reaksjonen. I tillegg til å skille oksygen og hydrogen fungerer membranen som en katalysator, som øker hastigheten på reaksjonen som splitter hydrogenet inn i elektroner og protoner.

Overskuddet av negativt ladede partikler samles ved anoden, mens overskuddet av positivt ladde elektroner samles ved katoden. Deretter føres strømmen ut av brenselscellen. Ved å samle flere celler i en såkalt "stack" kan man utvikle nok elektrisitet til å drive for eksempel en elektromotor som har energi nok til å drive en bil.

Biproduktet av den kjemiske reaksjonen som oppstår i brenselscellen er vann.

Motorer som enkelt kan konverteres til hydrogendrift.

Vi bruker her betegnelsen varmemotorer om motorer som omgjør varmeenergi til mekanisk energi. Med forbrenningsmotorer mener en motorer med intern forbrenning. Stirlingmotoren er en varmemotor men den har ikke intern forbrenning. Begrepet varmemotor er derfor et videre begrep enn forbrenningsmotor. Det finnes mange ulike typer varmemotorer. Vanligst er ottomotorer, det en vanligvis kaller for bensinmotorer, og dieselmotorer. Dette er motorer som blir masseprodusert i store kvanta. Spesielt ottomoterer kan enkelt konverteres til hydrogendrift.

For å få en fullstendig (støkiometrisk) forbrenning mellom luft og hydrogen, er blandingsforholdet 34:1. Det vil si at for hver del hydrogen trengs 34 deler luft. For bensin er dette forholdet 14,7:1. Fordi hydrogen er en gass, opptar den større plass enn for eksempel bensin. Ved blandingsforholdet 34:1 opptar hydrogengassen omlag 30% av plassen i forbrenningskammeret mot omlag 1-2 prosent ved bensindrift. Fordi hydrogen har svært vide antennelsesgrenser, kan hydrogen brennes med blandingsforhold fra 34:1 til 180:1. Det vil si at man kan bruke en svært mager blanding noe som gir muligheter for forbrenningsforhold som gir lav NOx dannelse og høy effektivitet i motoren.

Siden varmemotorer har en lang forhistorie i transportsektoren, innledes denne delen med en historisk gjennomgang av varmemotorens utvikling og bruken av hydrogen i denne sammenhengen. Etter dette følger en kort gjennomgang av ulike varmemotorer.

Ottomotorer

Det er grovt sett tre måter å konvertere en ottomotor til hydrogen; sentral injeksjon, port injeksjon eller direkte injeksjon. Ved sentral injeksjon sprøytes hydrogen inn ved luftinntaket på inntaksmanifolden med en egnet forgasser. Dette er den enkleste metoden å utføre, men kan gi problemer med uregelmessig forbrenning som kan føre til motorhavari. Ved port injeksjon blir hydrogen sprøytet inn i inntaksportene til hver enkelt sylinder nær innsugningsventilene. Dette regnes som en driftssikker metode. Ved direkte injeksjon sprøytes hydrogen direkte inn i sylinderen etter at inntaksventilen er stengt inn og luft-hydrogenblandingen dannes inne i sylinderen.

Hydrogen i en vanlig ombygd ottomotor vil i utgangspunktet gi litt lavere effekt dersom man ikke bruker en form for overlader eller direkte innsprøytning. En er med andre ord nødt til å ha et høyere innsprøytningstrykk enn ved bensin fordi hydrogengassen tar større plass og fordi man oftest bruker en ekstremt mager blanding. Ved direkte innsprøytning kan man øke motoreffekten ved hydrogendrift. Effekten fra en hydrogenmotor med direkte innsprøytning vil typisk være 20% høyere enn en bensinmotor og 42% høyere enn en hydrogenmotor som bruker forgasser (College Of The Desert, 2001). BMW hevder at de oppnår høyere virkningsgrad med hydrogen i ottomotorer enn med bensin (37%) (BMW 2003). Ford rapporterer det samme.

På grunn av den høye temperaturen i en varmemotor kan man få dannet NOx, og motorolje som blir brent i motoren kan gi opphav til CO, CO2 og HC. De sistnevnte er kun tilstede i svært små konsentrasjoner i en normalt fungerende motor.

NOx utslippene er avhengig av flere faktorer, men ved en mager hydrogenblanding, dvs. en blanding med mer luft enn det som er nødvendig for fullstendig forbrenning med hydrogen, er det mulig å redusere NOx-dannelsen betraktelig. Andre metoder for å redusere dannelse av NOx er resirkulering av eksosgass (EGR) eller injeksjon av vann. Det er også mulig å bruke katalysator for å fjerne NOx. Det vanligste NOx tiltaket i hydrogenbiler til nå har vært å bruke en mager blanding, noe som også gir økt virkningsgrad.

Wankelmotorer er en rotasjonsmotor utviklet av F. Wankel. Rotoren er trekantet og rotorhuset ovalt. I 1957 ble den første wankelmotoren prøvekjørt og det ble lagt ned et stort utviklingsarbeid fra mange motorfabrikker. Fordeler med wankelmotoren er at den er lett, har få deler og jevn gange. Det har vært knyttet store problemer til denne motoren, spesielt kan det nevnes store eksosutslipp av hydrokarboner, problemer med tetning mellom rotor og rotorhus, samt lav virkningsgrad.

I dag er det kun Mazda som produserer denne motortypen.

En Mazda med wankelmotor ble som tidligere nevnt konvertert av Billings og Lynch på 70-tallet.

Dieselmotor

I dieselmotoren er det kompresjonsvarmen som antenner drivstoffet og ikke en elektrisk gnist. Dieselmotoren har høyere virkningsgrad enn ottomotoren, men kan ikke benyttes til hydrogen uten en del endringer. Det må blant annet installeres tennplugger i brennkammeret. Noe arbeid er gjort på dette feltet, blant annet som et arbeidsfelt i HYSOLAR 1992 -1995 og HYPASSE. I sistnevnte prosjekt ble en dieselbuss konvertert til hydrogen. En ombygd dieselmotor er i bruk ved den tekniske høyskolen i Straalsund, men så vidt en kjenner til, bruker denne bare en mindre andel hydrogen.

Turbiner

I gassturbinen utnyttes strømningsenergien til forbrenningsgassene. I grunnprinsippet er turbiner en enkel innretning, men i praksis er gassturbiner avanserte maskiner og det er en utfordring å oppnå høy effektivitet, særlig ved lav last. En fordel med turbiner er høy energitetthet.

Turbiner kan drives med hydrogen. I likhet med forbrenningsmotorene er det i turbiner nødvendig å ta hensyn til at det kan dannes store mengder NOx. Innsprøyting av vann, resirkulering av eksosgass eller bruk av katalytisk brenner er teknologier som kan brukes for å redusere eller eliminere dannelse av NOx. Norsk Hydro innehar mye kompetanse på dette området fordi man for noen år siden utredet mulighetene for storstilte hydrogenkraftverk i Norge. I dette tilfellet var det tenkt å bruke en stor andel nitrogen i fødegassen for å holde NOx-dannelsen under kontroll. Det er også en del andre hensyn som må tas ved bruk av hydrogen i turbiner, men i utgangspunktet er hydrogen godt egnet for bruk i turbiner.

Inntil nylig har turbiner stort sett vært beregnet på storskala stasjonær kraftproduksjon og til kjøretøy med svært store effektkrav slik som stridsvogner. Turbiner er også aktuelt til bruk i skip. En del mindre turbiner, såkalte microturbiner, har begynt å dukke opp på markedet, og enkelte bil og buss/lastebilprodusenter ser på bruk av turbiner. Om turbiner har en fremtid i biler som skal produseres i store serier er ikke sikkert. Det ble utviklet prototypebiler med gassturbiner på femtitallet, men disse var for dyre for produksjon.

 

Gassturbin

 

I en gassturbin genereres elektrisitet ved at varme forbrenningsgasser ekspanderer, og driver turbinen rundt. Turbinen er koblet til en generator, som produserer elektrisitet.

Normalt benyttes som brensel i gassturbiner, men også andre typer brensel kan benyttes.

Gassturbinen i seg selv har en relativt beskjeden virkningsgrad (opp mot 40%, avhengig av utforming og størrelse).

For å forbedre utnyttelse av brenselet, benytter en i de større anleggene gjerne de varme avgassene til å generere damp som ekspanderer i en dampturbin.

 

Kompressor

En kompressor suger luft fra omgivelsene, og komprimerer den (øker trykket). Den komprimerte luften benyttes i forbrenningen av brenselet (gass/lettolje) i brennkammeret. De varme trykksatte forbrenningsgassene (eksosen) ekspanderer gjennom turbinen. Arbeidet gassen utfører på turbinen i det den ekspanderer til atmosfæretrykk, overføres til en aksling. Noe av den mekaniske energien benyttes til å drive kompressoren. Resten overføres til en generator, hvor elektrisiteten produseres.

 

Dampturbin

I en dampturbin genereres elektrisitet ved at overopphetet damp ekspanderer (utvides) og driver turbinen rundt. Turbinen er koblet til en generator, som produserer elektrisitet.

Varme tilføres vanligvis prosessen i en kjel. Her kan mange ulike typer brensel benyttes, avhengig av type kjel. Eksempler på aktuelle brensler er kull, olje, avfall og andre typer biodiesel.

I og med at dampturbinen er brenselsuavhengig, kan den for eksempel også benyttes til å produsere elektrisitet basert på varme avgasser som for eksempel avgis fra en gassturbin.

Systemer som benytter en kombinasjon av gassturbiner og dampturbiner går under betegnelse "Combined Cycle"-systemer.

Avhengig av ved hvilken temperatur dampen har når den kommer inn på kondensatoren, kan varme utnyttes i ulike prosesser (gjerne i industri) eller til oppvarming. For å kunne utnytte varmen til oppvarming, må dampen som regel forlate turbinen før den er utnyttet optimalt til elektrisitetsproduksjon. Jo høyere temperatur varmtvannet skal ha, jo mer redusert blir elektrisitetsproduksjonen.

 

Naturgass

I følge statistikker påviser verdens utvinnbare reserver for naturgass, med dagens uttak vare i ca. 60 år. Mer enn 70% av alle naturgassressursene er påvist i tidligere Sovjetunionen og Midt-Østen, omtrent likt fordelt. Andre land med store naturgasseserver er Norge som også har relativt betydelige naturgassressurser.

USA og Russland dominerer innen produksjon av naturgass, hver med omtrent 30%. Det er Russland som er verdens største eksportør av naturgass, mens USA, Tyskland og Japan er har den største importen. Europa står for omtrent 12% av den samlede naturgassproduksjonen i verden, hvor de største produsentlandene er Storbritannia, Nederland og Norge.

Naturgass, i den form den utvinnes fra gassfeltene, inneholder som regel en blanding av tørrgass og våtgass, og går under betegnelsen rikgass. Våtgassen inneholder kondenserbare hydrokarboner som propan og butan, noe som egner seg dårlig for rørtransport over lengre avstander. Våtgassen skilles derfor ut i et prosesseringsanlegg som kondensat. Tørrgassen, hvor ca. 85% består av metan, kan deretter transporteres videre til sluttbrukere. (Kilde: NOU)

 

Linker til: