UiO-forskere viser vei mot hydrogensamfunnet

Hydrogen. Hydrogensamfunnet. Det smaker av renhet, bærekraft og grønn framtidstro. Men hva er hydrogen egentlig, og hvorfor slik optimisme knyttet til det?

Drikk "eksos"!

Vi har spurt vår kjemiprofessor (som også sitter i Hydrogenrådet og gir regjeringen anbefalinger på veien mot "det norske hydrogensamfunnet"). Av ham får vi omtrent denne forklaringen:
- Hydrogen er en fargeløs gass uten lukt og smak. I Solen og universet er hydrogen det dominerende grunnstoffet. På Jorden finnes det nesten ikke i ren form, men derimot i utømmelige mengder bundet til oksygen i vann. Når hydrogen brenner, dannes det ikke CO2, men vann. Tenkt deg at alle verdens biler slipper ut vann i stedet for eksos, så rent at du kan drikke det, sier Truls Norby.

Det er viktig å merke seg at hydrogen ikke selv er noen energikilde, men et stoff som kan lagre og transportere energi. Hydrogen utvinnes fra hydrogenholdige råvarer som for eksempel naturgass eller vann. Å utvinne hydrogen fra naturgass er billig og koster ikke ekstra energi, men det tærer på naturgassressursene og slipper ut CO2 som biprodukt. Å utvinne hydrogen fra vann krever energi og energikildene til denne bruken kan være allslags, ikke minst fornybar energi; sol-, vind- og bølgekraft. Det er altså hvordan hydrogenet produseres, som bestemmer hvor miljøvennlig det er - globalt sett.

Omdiskutert forskning

- Det er litt kontroversielt at vi driver forskning på hydrogenbiler, medgir Norby. "Hvorfor ikke heller bruke ressursene på å utvikle batterier til den 'vanlige' elbilen istedenfor de kostbare og energikrevende hydrogenbilene?"

Norby lar ikke innvendingene legge noen demper på arbeidsgleden. Ikke kollegene ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi heller. Her er forskningsaktiviteten høyere enn noen gang, og kvalitet og relevans ble sist høst bekreftet med finaleplass i SFF-konkurransen.

- Brenselcellebilen, som drives av hydrogen, vil bli miljøkjøretøyet par excellence om noen år, spår professoren.

- Brenselcelle?
- Ja, i framtidens bærekraftige energisamfunn har en oppdagelse fra 1839 en helt sentral plass; brenselcellen. Brenselcellen omdanner hydrogen og oksygen elektrokjemisk til vann, og i denne prosessen dannes elektrisitet. Prinsippet har vært kjent i 168 år, men det er først etter krigen at det har fått praktisk betydning, først i romfarten og snart for transport på Jorden. Hele poenget med hydrogenbilen er at den er miljøvennlig.

Hele veien til hytta

- Men er ikke elbilene miljøvennlige nok?
- Jo, for så vidt. Men det er noen men. Bare tenk på elbilenes batterier, basert som de ennå er på tungmetaller som bly, nikkel og kadmium; ekstremt miljøfarlige stoffer. Hydrogen sammen med brenselceller kan erstatte bruken av batterier i biler og andre steder. En annen ting er at elbilene ikke har lang nok radius, batteriene må stadig lades opp. En brenselcelle, derimot, blir ikke utladet; den tilføres brensel.

- Hvor langt kan en hydrogendrevet brenselcellebil gå, uten påfyll?
- Hele veien til hytta, 40 mil uten problem. Og om noen år går den dobbelt så langt. I løpet av et par års tid åpner Hydrogenveien mellom Oslo og Stavanger, den første sammenhengende sådan i Europa. Da kan vi fylle tanken mange steder langs denne ruta.

Norby viser til at brenselcellen er overlegen forbrenningsmotoren på flere måter.
- Brenselcellebilen spyr ikke klimagasser. Dessuten tjener den miljøet ved å utnytte brennstoffet bedre enn selv den beste forbrenningsmotoren. En brenselcelle på hydrogen kan allerede med dagens teknologi utnytte 60 prosent av energien, og teoretisk er det mulig med en langt høyere utnyttelsesgrad. De nyeste forbrenningsmotorene utnytter tilsvarende langt under 50 prosent, påpeker Norby. Han tror brenselceller vil dekke framtidas energibehov på de fleste områder, som strøm til boliger og forretningslokaler.

Designer nye materialer

Mange setter nå sin lit til at materialvitenskapen skal kunne løse menneskehetens største og mest presserende problem; den akselererende miljøkrisen. Og her kommer vår professor og hans kolleger inn med full tyngde. Atom for atom studerer de nemlig materialer og setter atomer og molekyler sammen til helt nye funksjonelle materialer, materialer med egenskaper - elektriske, optiske, magnetiske og kjemiske - som kan utnyttes til et mylder av ulike formål, og ikke minst til miljøformål.

Ved senteret i Forskningsparken er Norby og forskerkollegene opptatt av problemstillinger knyttet til hydrogen som energibærer. Hydrogen i gassform tar mye plass i forhold til den energimengden den inneholder. Hydrogenbilene sliter ennå med store, tunge drivstofftanker. Lagring av hydrogenet er derfor en stor utfordring for forskerne.
- Vi satser sterkt på å utvikle materialer der hydrogen kan lagres i fast form. Dette er sikrere og mer effektivt enn å lagre gass i flytende form eller som gass, forteller Norby. Materialforskerne på UiO og samarbeidspartneren Institutt for energiteknikk er ledende i verden på å utvikle metallhydrider til dette formålet.

Publisert i Nature

Norby har i mange år forsket på en gruppe funksjonelle materialer, keramer, som er stabile, men ikke alltid de beste strømlederne. For mange år siden oppdaget forskningsgruppen et stoff som viste seg å være en protonleder, og dermed en strømleder, helt opp til 1000 °C. Siden har han forsket på høytemperatur-brenselceller. For et par år siden påviste Norby og medarbeiderne en ny slik protonleder med lovende egenskaper som elektrolytt i en brenselcelle.

- I dag blir det brukt polymermateriale i brenselcellene. Men polymeren tåler ikke høye temperaturer, og elektrodene tåler ikke bruk av naturgass. Det nye protonledende materialet vi nå har funnet, har den fordelen at det ikke krever hundre prosent rent hydrogen. Dermed er det mulig å utvinne hydrogen fra naturgass, som ofte er forurenset blant annet av karbonmonoksid.
- Oppdagelsen vår ble publisert i tidsskriftet Nature Materials. Det var stor stas, medgir Norby, og legger til at han og kollegene har fått assistanse fra Birkeland Innovasjon til å ta patent på oppdagelsen i Norge og internasjonalt.

Fint med naturgass

Norby tror at hydrogen produsert fra fossilt materiale kommer til å være den rimeligste hydrogenkilden en stund framover. Han ser for seg en glidende overgang til fornybare energikilder på veien til hydrogensamfunnet.
- Det er bare fint at hydrogen nå kommer fra naturgass. CO2 - som er biproduktet - er relativt enkelt å deponere, for eksempel ved å sende det tilbake til oljebrønnene i Nordsjøen. På denne måten får teknologien modnet seg og folk kommer i gang med å ta hydrogen i bruk.

Tenk om Think blir hydrogenbil ...
En eim av optimisme hviler over senteret for tiden.
- Vi ser at det skjer ting i samfunnet nå. Det er en ganske annen oppmerksomhet og vilje til handling på miljøområdet enn for bare kort tid siden. I dette "gunstige klimaet" griper vi muligheten til å utvikle en brenselcelle med nye materialer til bruk i hydrogenbiler, forteller Norby.

Han snakker mye og varmt om den norske elbilen Think. Firmaet i Aurskog ble stiftet i 1990 under navnet Pivco og hadde den første prototypen ferdig utviklet til OL på Lillehammer. Siden gikk bilen utenlands til Ford. Det har vært nye prøving og feiling og tre konkurser, men nå har en gruppe norske investorer spyttet inn millioner og vil ha produksjonen tilbake til Norge.

- Tenk om vi kunne sette en brenselcelle inn i Think, og at bilen ble satt i produksjon med norsk brenselcelle ... en besnærende tanke! utbryter Norby.

Han mener at det nå fins idealisme nok til at dette kan begynne å rulle.
- Det eneste som trengs, er folk som tør å satse. For om Think bare klarer å levere et produkt som tusler og går, så vil bedriften få avsetning - nesten uansett pris, tror Norby.
- I løpet av to-tre år vil vi kunne demonstrere en brenselcelle for hydrogenbiler. Om det skjer, så er det i så fall et fantastisk konkret resultat av forskningen vår. Men det vil nok komme til å koste blod, svette og tårer. Og mange søvnløse netter.

HYDROGENSAMFUNNET:

- Fornybare energikilder
- Hydrogen som energibærer

Scenario: Fornybar energi (sol og vind) omdannes til elektrisk energi og denne "rene" energien brukes til å produsere hydrogen ved elektrolyse. Hydrogen lagres i metaller og energien kan dermed brukes ved behov - for eksempel i brenselceller. Brenselcellen, et slags batteri, produserer kontinuerlig strøm ved hjelp av hydrogen - til biler, boliger og fabrikker. Avfallsproduktet er vann - så rent at du kan drikke det! (Illustrasjon: Hanne Utigard)