Hydrogensamfunnet - grønn energi

Hydrogen skal farge Europa helt grønt

Hvis vi vil gjøre oss helt frie fra kull, olje og gass, er ikke fornybare energikilder som sol og vind nok. Derfor har EU en plan: Hydrogen skal fjerne de siste svarte flekkene på kartet og gjøre Europa 100 prosent grønt i 2050.

Hvis vi vil gjøre oss helt frie fra kull, olje og gass, er ikke fornybare energikilder som sol og vind nok. Derfor har EU en plan: Hydrogen skal fjerne de siste svarte flekkene på kartet og gjøre Europa 100 prosent grønt i 2050.

Shutterstock & Lotte Fredslund

Cappelle-la-Grande ser ut som en helt vanlig landsby i det nordlige Frankrike. Men den er helt spesiell, for i rørledningene under gatene suser ikke bare naturgass, men også hydrogen, som er skapt av energi fra vindturbiner og solceller.

Sammen med naturgassen brennes den i landsbyens kraftverk, som leverer strøm, fjernvarme og varmtvann til de nesten åtte tusen innbyggerne.

Ved å erstatte en del av naturgassen med grønt hydrogen elimineres sju prosent av landsbyens utslipp av CO2. Det høres ikke mye ut, men det er bare det første skrittet mot å fase ut kull, olje og naturgass.

Hydrogensamfunnet blir den største energirevolusjonen siden industrialiseringen.

Den franske landsbyen er dermed et forsøkslaboratorium som viser hva grønt hydrogen vil bety for energiforsyningen vår de neste tiårene, og hvordan vi kommer fram til EUs endelige mål: et helt grønt Europa i 2050.

Hydrogensamfunnet blir den største revolusjonen i energiforsyningen vår siden kull satte fart på industrialiseringen.

Sol og vind må lagres

Hydrogen er både det enkleste og det vanligste grunnstoffet i universet, og vi har derfor også tilgang til det i ubegrensede mengder.

Hydrogen inngår i et utall av kjemiske forbindelser, for eksempel vann, og den letteste måten vi kan skaffe rent hydrogen på, er nettopp å isolere det fra oksygenet i vannmolekyler. Prosessen, som kalles elektrolyse, går ganske enkelt ut på å sende strøm gjennom vannet via to elektroder.

Strømmen spalter vannmolekylene til hydrogen og oksygen, som i gassform samles ved hver sin elektrode. Slik kan vi lagre den strømmen vi får fra vindturbiner og solceller, til vi får bruk for den. Og det er helt avgjørende hvis vi vil basere energiforsyningen på fornybare kilder.

Hydrogensamfunn elektrolyse

Kjernen i hydrogensamfunnet er elektrolyse. Strøm fra fornybare energikilder spalter vann (H2O) slik at resultatet blir rent oksygen (O2) og rent hydrogen (H2).

© Shutterstock & Lotte Fredslund

Svakheten ved sol- og vindenergien er at den er ustabil. Når solen skinner og vinden blåser, har vi nok av den, mens vi har for lite når det er overskyet og vindstille.

Hvis vi jevner ut forskjellen ved å lagre strømmen i form av hydrogen, kan vi sikre en stabil strømforsyning uten å supplere med energi fra kull, olje eller gass.

Men selv om vi på denne måten forsyner alle bilene, boligene, butikkene, kontorene og bedriftene våre med grønn strøm, fjerner vi bare 80 prosent av dagens CO2-utslipp.

Tungindustri som sementfabrikker, stålverker og glassverker trenger fortsatt svært høy varme, noe elektrisitet ikke kan levere. Men hydrogen kan erstatte gass i turbinene.

Dessuten er dagens produksjon av plast, kunstgjødsel og mange industrikjemikalier basert på oljeprodukter og naturgass. Også her kan hydrogenproduksjon med nye elektrolysemetoder løse problemet, og det vil kunne gi oss grønt drivstoff til fly.

Elektrolyse gir oss rent hydrogen og grønne produkter

Strøm fra sol og vind kan spalte vann til oksygen og hydrogen. Hvis CO2 pumpes inn i vannet, skaper elektrolysen klimanøytralt drivstoff. Og hvis nitrogen tilføres prosessen, blir resultatet grønn kunstgjødsel.

Brintsamfund brint energilager
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Strøm fra sol og vind omsettes til hydrogen

I store elektrolyseanlegg skal ren strøm fra fornybare energikilder som sol og vind spalte vannmolekyler til oksygen (O2) og hydrogen (H2). Hydrogenet blir et energilager vi kan ta i bruk når de fornybare energikildene ikke gir tilstrekkelig strøm.

Brintsamfund drivhusgas grønt brændstof
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Drivhusgass blir til grønt drivstoff

CO2 fra kraftverk eller rett fra atmosfæren kan bli en klimavennlig ressurs. Elektrolyseanlegget spalter vann og CO2, før karbon og hydrogen samler seg i hydrokarbonkjeder til for eksempel bensin eller jetdrivstoff (C10H22).

Brintsamfund kvælstof grøn kunstgødning
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Nitrogen fra luften blir til grønn kunstgjødsel

Det grønne hydrogenet fra elektrolyse av vann kan også reagere med nitrogen (N2) fra luften. Resultatet er ammoniakk (NH3), som blant annet brukes til kunstgjødsel. I dag produserer vi ammoniakk ut fra naturgass i en energikrevende prosess.

Med alle disse tiltakene trenger vi mye mer hydrogen enn den vi kan produsere med den overskuddsstrømmen vi har på solrike og vindfulle dager. Hvis hydrogensamfunnet skal realiseres fullt ut i 2050, blir det nødvendig å bruke en femtedel av vår samlede strømproduksjon til elektrolyse.

Hydrogen takler tungtransport

For noen år siden så det ut til at hydrogensamfunnet ville begynne med hydrogenbiler, som har lengre rekkevidde enn elbiler og raskt kan fylles opp. I dag satser særlig Japan, Sør-Korea og Kina på hydrogenbilene, og til sammen regner landene med å komme opp i et par millioner hydrogendrevne personbiler i 2030.

Hydrogensamfunn blå Toyota

Hydrogendrevne biler har mye større rekkevidde enn elbiler. Rekorden er satt av en Toyota Mirai. Den kjørte i 1360 kilometer etter å ha bruk fem minutter på å fylle tanken.

© Toyota

Til tross for hydrogenbilenes fordeler ser det nå ut til at det er elbilene som stikker av med seieren i Europa. Elbiler bruker grønn strøm mer effektivt fordi den ikke må omsettes til hydrogen og tilbake igjen.

Dessuten har forbedrede batterier gitt elbilene en praktisk rekkevidde på 300–550 kilometer, noe som er nok for de fleste bilister.

I en ny hydrogenstrategi mener EU imidlertid at hydrogen er det beste grønne drivstoffet til tungtransport. Store lastebiler har god plass til hydrogentanker og de brenselcellene som omsetter hydrogenet til strøm til elmotoren.

Hydrogen er også velegnet til bybusser og til tog på lokalbaner der det er for dyrt å sette opp kjøreledninger. I tillegg har rederiet DFDS ambisjoner om å utvikle en hydrogendrevet ferge som skal settes inn på ruten mellom København og Oslo.

Hydrogensamfunn DFDS hydrogenferge

Rederiet DFDS har planer om å utvikle en hydrogenferge drevet av brenselceller som kan levere opptil 23 megawatt. Hvis det lykkes, vil fergen bli et ikon for hydrogenteknologien.

© DFDS/Shutterstock

En annen lovende bruk er gravemaskiner og kraner i byggebransjen og tunge maskiner i landbruk og skogbruk. De store kjøretøyene bruker så mye energi at batterier ikke er nok, både på grunn av kapasitet og ladetid.

Transport- og byggesektoren er dermed også viktige områder der hydrogen kan fylle de svarte hullene i energinettene våre.

Et sentralt element i EUs hydrogenstrategi er raskt å skape et marked for grønt hydrogen som skal drive den teknologiske utviklingen framover.

Derfor undersøker Frankrike, Tyskland, England, Italia, Nederland og Danmark nå mulighetene for å blande hydrogen i de eksisterende naturgassnettene, akkurat som i den franske landsbyen Cappelle-la-Grande.

Analysene tyder på at enkle ombygninger av nettene gjør det mulig å blande 20 prosent hydrogen i naturgassen. Hydrogen har en lavere brennverdi enn naturgass, så 20 prosent grønt hydrogen vil redusere CO2-utslippene fra de gassfyrte kraftverkene med 15 prosent.

På sikt er målet mye mer ambisiøst. Fra 2030 krever EU at alle nye gassturbiner til kraftverk skal kunne gå på rent hydrogen.

Blått hydrogen starter utviklingen

De neste tiårene, mens produksjonen av grønt hydrogen gradvis mangedobles i Europa, kan såkalt blått hydrogen fra Norge spille en viktig rolle for omstillingen av gassnettene, kraftverkene og tungindustrien.

Blått hydrogen produseres med naturgass, men med en avgjørende forskjell. CO2 fra prosessen fanges inn og begraves under havbunnen slik at drivhusgassen ikke slipper ut i atmosfæren og belaster klimaet.

Equinor planlegger nå en rørledning fra en hydrogenfabrikk på land til et depot under bakken på Troll-feltet, der CO2 skal deponeres når framstillingen av blått hydrogen starter i 2024.

Equinor mener at 95 prosent av CO2-utslippene fra hydrogenproduksjonen vil bli fanget inn og begravd 2600 meter under havbunnen.

I begynnelsen skal det blå hydrogenet transporteres til kraftverk og stålverk i England, Tyskland, Belgia og Nederland med tankskip, men Equinor undersøker allerede nå mulighetene for å anlegge en undersjøisk rørledning som skal føre hydrogenet til Europa.

80 prosent av energien i grønn strøm kan i dag omsettes til hydrogen.

Parallelt med at det blå hydrogenet tas i bruk, får forskerne det travelt med å utvikle nye anlegg til produksjonen av det grønne hydrogenet, slik at det blir mer effektivt og billigere.

Samtidig skal hydrogenfabrikkenes størrelse mangedobles slik at de ikke bare kan omsette noen få megawatt strøm til hydrogen, men håndtere flere gigawatt fra store havvindparker og solcelleanlegg.

Nye fabrikker gjør hydrogenet billigere

I dag er de såkalte PEM-elektrolysecellene mest effektive. De omsetter 80 prosent av energien til hydrogen. Det vil trolig stige til 86 prosent før 2030.

I England bygger konsortiet Gigastack nå verdens så langt største elektrolyseanlegg. Det skal omsette 100 megawatt strøm fra havvindturbiner til grønt hydrogen. Det svarer til strømforbruket i 100 000 husstander.

Anlegget skal bestå av 20 moduler som skal håndtere fem megawatt hver. Moduloppbygningen betyr at det framover blir lettere å bygge elektrolyseanlegg i ulike størrelser, og Gigastack mener at industriell produksjon av modulene vil kutte prisen med 40 prosent.

Hydrogensamfunn elektrolyseanlegg England

I England åpner Gigastack i 2025 et moduloppbygget elektrolyseanlegg til produksjon av grønt hydrogen. Anlegget skal kunne håndtere 100 megawatt strøm, som leveres av havvind.

© Gigastack

I dag er grønt hydrogen to til fire ganger så dyrt som svart hydrogen fra naturgass, men EU forventer at det grønne hydrogenet allerede i 2030 blir konkurransedyktig i regioner med adgang til billig strøm.

Etter hvert som produksjonen av hydrogen stiger, blir det nødvendig å lagre den. Her kommer undergrunnen til hjelp. Hydrogenet kan i gassform oppbevares i hulrom i såkalte saltdiapirer en kilometer under jordoverflaten.

Saltdiapirer er nærmest ballongformede formasjoner som blir presset oppover mot overflaten fordi salt er lettere enn stein. Metoden har siden 1970-tallet blitt brukt i USA og England for å lagre svart hydrogen til bruk ved raffinerier.

Geologiske studier viser at lagerkapasiteten i Europa er rikelig for å skape et robust energisystem når hele strømproduksjonen i 2050 baseres på grønne energikilder.

Om trett år har vi med stor sannsynlighet også løst problemene med de svarte hullene i energiforbruket vårt som en grønn strømforsyning ikke kan dekke. Det gjelder ikke minst flytende drivstoff til fly og store skip der batterier ikke inneholder energi nok i forhold til vekt og volum.

CO2 blir en ny ressurs

En ny type elektrolyseceller kan ta jobben. Trikset går ut på å forvandle drivhusgassen CO2 til en ressurs.

Hvis vi pumper CO2 gjennom elektrolysecellene sammen med vann, vil strømmen spalte alle molekylene til atomer. Oksygen fra reaksjonen sendes ut av cellen, mens karbonet og hydrogenet samler seg til hydrokarboner som jetdrivstoff eller metanol.

De neste tiårene kan vi fjerne drivhusgassen fra skorsteinene på kraftverk der CO2 vanligvis utgjør 15 prosent av utslippene.

Senere, når vi ikke lenger har CO2-utslipp fra kraftverkene, kan vi trekke drivhusgassen direkte ut av vanlig luft, der konsentrasjonen bare er på 0,04 prosent.

Imidlertid har metoden den fordelen at vi kan bygge CO2-sugerne hvor som helst, for eksempel der havvinden kommer i land.

Containerskip får grønn metanol

Uansett om vi bruker CO2 fra kraftverk eller fra atmosfæren, blir drivstoffet klimanøytralt fordi det bare inneholder karbon som enten var i atmosfæren fra før, eller som ellers ville blitt sluppet ut i atmosfæren.

Inntil videre har denne typen grønne CO2-drivstoff bare vært produsert i små forsøksanlegg, men det vil det danske energiselskapet Ørsted gjøre noe med. Senest i 2027 skal CO2 fra Avedøre-verket ved København gjøres om til jetdrivstoff til fly og metanol til skipsfarten.

Hydrogensamfunn Avedøreverk

I 2027 skal CO2 suges ut av røyken ved Avedøre-verket i København. Via elektrolyse vil drivhusgassen bli gjort om til grønt drivstoff til fly og til metanol som kan erstatte dieselolje i skip.

© Thomas Vilhelm/Ritzau Scanpix

Verdens største containerrederi, Mærsk, har allerede bestilt 500 000 tonn grønt skipsdrivstoff i året.

Energiøyer leverer hele pakken

I dag dekker fossilt drivstoff 72 prosent av Europas samlede energiforbruk, så hvis vi skal kvitte oss helt med dem – i kraftverkene, transportsektoren og industrien – må vi øke den grønne strømproduksjonen dramatisk.

Den klimanøytrale strømmen vil være en blanding av solkraft, vindkraft, vannkraft, biokraft og kjernekraft. Hovedleverandørene blir store solcelleanlegg i det sørlige Europa og havvindparkene i Nordsjøen.

Midt i århundret skal havvind stå for en fjerdedel av Europas grønne strøm, noe som svarer til 450 gigawatt: en tjuedobling av dagens produksjon. Det målet kan vi nå ved å anlegge kunstige energiøyer som gjør det mulig å bygge og betjene rekordstore havvindparker der vindforholdene er optimale – langt fra kysten.

Danmark skal ferdigstille verdens første kunstige energiøy i 2033. Den vil ligge åtte mil fra land ved vestkysten av Jylland og levere grønn strøm til Danmark, Norge, Tyskland og Nederland via undersjøiske strømkabler.

Hydrogensamfunn Nordsjøen kunstig energiøy

I 2033 vil en kunstig energi i Nordsjøen forsyne tre millioner hjem med strøm fra havvind. Overskuddsstrøm kan blant annet brukes til å produsere ammoniakk som skip frakter til fastlandet.

© Energistyrelsen

Øya skal hvile på senkekasser av betong, fylt med sand, og den får et areal på 120 000 kvadratmeter og en produksjonskapasitet fra vindturbinene på tre gigawatt – nok til å forsyne 3,3 millioner husstander.

Senere utvides øya til 425 000 kvadratmeter, noe som svarer til 64 fotballbaner, og strømproduksjonen stiger til ti gigawatt.

Energiøya vil ha sitt eget elektrolyseanlegg som vil kunne omsette overskuddsstrømmen til grønt hydrogen og til hydrogenbaserte produkter. Et opplagt valg vil være grønn ammoniakk til kunstgjødsel, som elektrolyseanlegg kan produsere med nitrogen fra luften.

Hydrogennett knytter Europa sammen

De neste tiårene vil Nordsjøen få flere energiøyer som forsyner Europa med strøm og hydrogen. Da blir det lønnsomt å anlegge undersjøiske rørledninger som bringer hydrogenet i land. Deretter kan den transporteres videre gjennom et nytt hydrogennett på kryss og tvers av kontinentet.

På 2040-tallet er det realistisk at Europa har et hydrogennett med store rørledninger som går fra Norge i nord via Danmark og Tyskland til Italia og Spania i sør. En tverrgående arm vil gå fra Frankrike i vest gjennom Nederland, Belgia og Tyskland til Polen i øst.

Nettet blir en energimotorvei som leverer hydrogen til de mindre rørsystemene i nasjonale nett, og som samtidig mottar hydrogen fra alle deler av Europa og fra andre deler av verden.

Hele verden blir hydrogenbasert

Tankskip vil transportere flytende hydrogen fra områder med grønn strømproduksjon til land som ikke kan dekke energibehovet sitt selv – på samme måte som oljetankere krysser verdenshavene i dag.

Skipene vil blant annet forsyne Japan med grønt hydrogen fra gigantiske solcelleanlegg i Australia.

Hydrogenskip tankskip med flytende hydrogen

Dagens oljetankere vil de kommende tiårene bli avløst av tankskip lastet med flytende hydrogen. Skipenes egne motorer vil selvfølgelig også være drevet av grønt drivstoff skapt med elektrolyse.

© Shutterstock

All teknologien til å skape en klimanøytral verden basert på sol, vind, strøm og hydrogen eksisterer allerede, men i praksis vil det kreve en gigantisk innsats å fase ut fossilt drivstoff på bare tre tiår og unngå en katastrofal oppvarming av kloden.

Hvis det lykkes, kan innbyggerne i Cappelle-la-Grande med god samvittighet skåle i edle dråper og sette opp en minneplakett på torget med ordlyden: «Hydrogensamfunnet begynte akkurat her, under gatene i vår lille by.»