2. Teknologier for lagring av energi

Det finnes ulike teknologier for lagring av energi. Disse kan deles inn i følgende hovedkategorier (klikk på lenkene for å lese mer om hver av kategoriene):

 

2.1 Mekanisk lagring  
2.2 Elektrisk lagring
2.3 Elektrokjemisk lagring
2.4 Kjemisk lagring
2.5 Lagring av termisk energi 

 

De ulike alternativene er illustrert i figuren under.

 

Ulike teknologier for energilagring. Illustrasjon: Multiconsult

Hvilket alternativ som er mest aktuelt å benytte avhenger av blant annet av hvor stor mengde energi man ønsker å lagre, over hvor lang tid energien ønskes lagret, tap og kostnader knyttet til lagringsmetoden samt hvor sikker metoden er. Figuren under viser hvilke lagringsmuligheter som er aktuelle i forskjellige tidsskalaer. F. eks er pumpekraftverk et godt alternativ for langtidslagring av store mengder energi (i vannmagasin), mens for variasjoner over kortere perioder er batterier og svinghjul gode alternativer. 

Forskjellige teknologier for energilagring og deres bruksområder.

De ulike teknologiene er nærmere beskrevet under. 

 

2.1 Mekanisk lagring 

2.1.1 Pumpekraftverk

Lagring av energi i pumpekraftverk har eksistert lenge, og de første anleggene ble bygget i Italia og Sveits på slutten av 1800-tallet. Pumpekraftverk er en moden teknologi med høy virkningsgrad. Av energien som puttes inn i systemet er det mulig å gjenvinne mer enn 80 prosent. Pumpekraftverk er også den metoden som er i stand til å lagre den største energimengden og samtidig ha den største effekten. På verdensbasis står pumpekraftverk for nesten all lagringskapasiteten.

Et pumpekraftverk består i hovedsak av to vannmagasiner på forskjellig høyde. Ved det nederste magasinet plasseres en turbin som kan kjøres begge veier, eventuelt en pumpe og turbin montert på samme generator. Generatoren fungerer som motor ved pumping. Når man lagrer energi, pumpes vann opp til det høyeste magasinet. Energien hentes ut ved å la vannet renne tilbake gjennom turbinen. Energimengden som kan lagres er avhengig av høydeforskjellen mellom magasinene og magasinstørrelsen, mens effekten bestemmes av størrelsen på pumpeturbinen. 

I Norge finnes bare noen få pumpekraftverk i drift. Det største er Saurdal i Rogaland. Effekten er 640 MW og det er 500 høydemeter mellom magasinene. Det øverste magasinet, Blåsjø, er Norges største magasin målt i energi. Som for de fleste andre pumpekraftverkene i Norge er formålet med Saurdal sesonglagring av energi fra sommer til vinter, i tillegg til utnyttelse av nedbør. Andre steder i verden benyttes pumpekraftverkene i hovedsak til døgnregulering, det vil si at vannet pumpes opp om natten mens det om dagen produserer strøm. Se også beskrivelsen av tidevannsdemninger i kapittelet om havenergi.

For pumpekraftverk er mye av teknologien den samme som for vannkraftverk og derfor må omtalen av pumpekraftverk i dette kapittelet sees i sammenheng med kapittelet om vannkraft.

2.1.2 Komprimert luft (CAES)

Komprimert luft som energilager (engelsk: ”Compressed Air Energy Storage” - CAES) er en lagringsteknologi som har vært i bruk siden 1970-tallet. Konseptet går ut på at elektrisitet blir brukt til å komprimere luft og lagre den enten i underjordiske strukturer (huler, akvifer formasjoner, nedlagte gruver etc.) eller i et system ledninger og trykktanker over bakken. Når det er bruk for energien igjen, blandes luften med naturgass, brennes og benyttes i en modifisert gassturbin. En gassturbin består av en kompressor, et forbrenningskammer, en turbin og en generator. Kompressoren og turbinen sitter på samme aksling. Forbrenningskammerets hensikt er oppvarming av den komprimerte luften. Turbinen driver både kompressoren og generatoren. Gassturbiner som brukes i energilager med komprimert luft skiller seg fra vanlige gassturbiner ved at kompressor og turbin settes på forskjellige akslinger, slik at de kan kjøres uavhengig av hverandre. I forhold til en vanlig gassturbin, bruker dette systemet 40 prosent mindre energi til kompresjonen, ettersom det er elektrisk energi som driver kompressoren. Avhengig av virkningsgraden til kompressor, turbin og reservoar, vil denne typen energilager gjøre det mulig å gjenvinne 70–80 % av den lagrede energien.

Komprimert luft som energilager er en forholdsvis kostbar teknologi. For at det skal være lønnsomt å bygge, bør tiden mellom lagring og produksjon være kort. De få anleggene som finnes kjøres ofte for døgnregulering. Det eldste anlegget sto ferdig i 1978 i Huntorf i Tyskland. Trykkluftreservoaret er en underjordisk hule som ligger 650–800 meter under bakken. Den øvre trykkgrensen er på 70 bar. Ved full effekt leverer turbinen 290 MW i maksimalt tre timer.

Ulempen er knyttet til spillvarmen som oppstår ved komprimering. Dette medfører at totalvirkningsgraden er på kun ca. 40 %. Dersom denne spillvarmen kan gjenvinnes, vil totalvirkningsgraden kunne økes til ca. 70 %. Det tyske selskapet RWE Power har deltatt i et EU-

finansiert prosjekt hvor denne teknologien er testet og skal utvikle den videre sammen med andre partnere i utviklingsprosjektet ADELE.

Testanlegget for gjenvinning av spillvarme fra CEAS anlegg. Kilde: RWE Power.  

2.1.3 Svinghjul

Bruk av svinghjul for lagring av energi er en teknologi som innebærer at energi blir lagret i en roterende skive. Skivens hastighet, masse og radius bestemmer hvor mye energi som kan lagres. Den roterende skiven er tilkoblet en elektrisk motor som også fungerer som generator. Energi tilføres ved å øke rotasjonshastigheten med motoren, mens energien hentes ut ved at motoren anvendes som generator. Tilførsel og uthenting av energi skjer svært raskt. Derfor har svinghjul ofte samme bruksområde som superkondensatorene (les mer om disse nedenfor).

Prinsippet for energilagring med svinghjul har vært kjent og brukt siden man begynte å konstruere maskiner. Likevel har det de senere årene blitt utviklet en ny type svinghjul som består av komposittmaterialer som tåler svært høye rotasjonshastigheter. Denne svinghjulteknologien benytter seg av magnetiske lagre og plasseres i en tank med vakuum for å redusere aerodynamiske tap. Et moderne svinghjul har derfor svært lave tap. Det er mulig å gjenvinne ca. 90 % av den lagrede energien. Levetiden til et svinghjul er ca. 20 år og det tåler flere titalls tusen ladesykluser. Teknologien er forholdsvis moden og det finnes flere kommersielle produkter på markedet.

Svinghjul brukes ofte i nødstrømsforsyning for å levere strøm mens et nødstrømsaggregat med lengre oppstartstid starter opp. Svinghjul blir også brukt i basestasjoner for mobiltelefoner. Kjente leverandører av svinghjul er Beacon Power (USA), Active Power Inc. (USA) og Piller Power Systems Gmbh (Tyskland). 

 

2.2 Elektrisk lagring 

2.2.1 Superkondensatorer

I kondensatorer lagres energi i form av et elektrisk felt, i motsetning til batterier der lagringen skjer via elektrokjemiske reaksjoner (se kapittel 2.3.1). Det elektriske feltet skapes ved at to elektrisk ledende overflater, atskilt av et tynt isolerende materiale, tilføres likestrøm. På den ene overflaten vil man få et overskudd av elektroner, mens den andre får et tilsvarende underskudd.

Fordi det ikke inngår faseoverganger eller kjemiske reaksjoner i denne prosessen, har kondensatorer svært høy virkningsgrad. De tåler dessuten flere ladesykluser enn batterier (opptil en million sykluser, mot noen tusen sykluser for batterier). Kondensatorene kjennetegnes ved relativt lav lagringskapasitet (målt i kWh) og at de både lades og utlades svært raskt. Andre fordeler er høy pålitelighet, ikke noe vedlikehold, lang levetid og virkeområde i et stort temperaturspekter. I superkondensatorer benytter man seg av materialer med ekstremt stor overflate sammenliknet med vekt og volum. Et godt eksempel på et slikt materiale er aktivert karbon. Det kan ha en spesifikk overflate på 1 000–2 300 m2/g. Mellom positiv og negativ overflate i en superkondensator benytter man seg også ofte av en elektrolytt, slik at man får et dobbelt sjikt av ladninger, ettersom positive og negative ioner i elektrolytten vil samles ved den overflaten som har motsatt ladning. Derfor kalles også ofte superkondensatorer ”Electric Double-Layer Capacitor” - EDLC). En superkondensator kan ha lagringskapasiteter på opp til 3 Wh/kg med en effekt på 30 kW/kg.

På grunn av høye kostnader er superkondensatorer lite brukt til energilagring. Det er først og fremst i nødstrømsforsyning og i elektriske biler at superkondensatorene har blitt brukt. Men det forskes mye på både produktforbedring og kostnadsreduksjon, slik at superkondensatorene etter hvert kan bli tilgjengelige for flere anvendelser.

2.2.2 Superledere (SMES)

Superledere (Superconducting magnetic energy storage – SMES) kan også benyttes til lagring av energi. Dette gjøres ved at superlederen brukes til å skape et sterkt magnetfelt som man senere kan omdanne til elektrisitet gjennom utladning av superlederen. Fordelene med bruk av superledere til energilagring er høy responstid og pålitelighet. De fleste kjente superledere krever svært lave temperaturer. Dette medfører at de trenger kjøleaggregater som krever energi og dermed senker den totale virkningsgraden. Den totale virkningsgraden kan, avhengig av kjølesystemet, likevel bli høy (85-90 %).

Per i dag finnes det flere mindre SMES systemer som er kommersielt tilgjengelig. Disse brukes i hovedsak til kontroll av kvaliteten til elektrisiteten i fabrikken som behøver høy kvalitet på kraften, som for eksempel produksjon av mikrobrikker (edb). Større SMES systemer (>10 MW) brukes i hovedsak i energikrevende partikkel detektorer som brukes i fysikk eksperimenter og kjernefusjoner. 

 

2.3 Elektrokjemisk lagring 

2.3.1 Batterier

Et batteri kan omdanne kjemisk energi direkte til elektrisk energi via en elektrokjemisk oksidasjon-reduksjon (redoks) reaksjon. Denne typen reaksjoner innebærer overføring av elektroner fra et materiale til et annet, og i batteriet sørges det for at denne elektronstrømmen går gjennom en ytre krets slik at vi kan utnytte den. Den drivende kraften i prosessen er graden av edelhet til stoffene som er kapslet inn i batteriet. Et batteri består vanligvis av en anode på den ene siden, en katode på den andre og en elektrolytt i midten. I vanlige batterier er de nødvendige kjemikaliene (reaktantene) fysisk festet til elektrodematerialet.

Litium er et eksempel på et veldig lite edelt stoff som vil reagere elektrokjemisk med et edlere stoff som sølv. Folk flest kjenner til batterier for småelektronikk som mobiltelefoner, lommelykter og musikkavspillere. Mange av disse batteriene har veldig god lagringskapasitet, som for eksempel litium-ion og nikkel-metallhydrid batterier.

Batterier deles vanligvis inn i to typer:

1.      Oppladbare batterier

2.      Strømningsbatterier

2.3.2 Oppladbare batterier (secondary batteries)

Blybatteri (LA)

Blybatteriet er den eldste og mest kjente batteritypen. Bilbatterier er nesten uten unntak av denne typen. Blybatteriet baserer seg på en reaksjon mellom bly og svovelsyre. Fordi blybatterier er forholdsvis billige, er de ofte brukt innen nødstrømsforsyning eller til anvendelser med et lite behov for mellomlagring. I Norge brukes dette i kombinasjon med solceller på hytter som ikke er tilkoblet kraftnettet. For lagring av store mengder energi har blybatteriene for lav holdbarhet. Likevel har det blitt bygd anlegg på opp til 40 MWh.

Nikkel-kadmium (NiCd) og nikkel-metall hybrid (NiMH) batterier

Nikkel-kadmium batterier har vært kommersielt tilgjengelig siden rundt 1915. Sammenliknet med blybatterier har nikkel baserte batterier en høyere energitetthet og muligheter for flere ladesykluser. Disse batteriene er også de eneste som fungerer bra ved lave temperaturer (-20 til -40 grader). På grunn av giftigheten til kadmium har bruk av nikkel-kadmium batterier vært forbudt hos forbrukerne siden 2006.

Nikkel-metall batterier har blitt utviklet for å erstatte nikkel-kadmium batteriene, og har vært på markedet siden ca. 1995. Nikkel-metall batteriene har stort sett de samme positive egenskapene som nikkel-kadmium med unntak av lagringskapasiteten som er rundt ti ganger lavere. Samtidig har nikkel-metall batteriene mye høyere energitetthet.

Litiumionbatteri (Li-ion)

Litiumionbatterier har gjennomgått en enorm utvikling de siste årene, og man begynner derfor å gå bort fra nikkelholdige batterier. Litiumionbatterier har rundt to til tre ganger så høy energitetthet som nikkel-kadmium og fire ganger så høy energitetthet som blybatterier. Lav vekt og høy lagringskapasitet er sentrale egenskaper for batterier, og de nye litiumionbatteriene har vært en forutsetning for utviklingen av dagens el-biler og for ladbare hybridbiler (engelsk: ”plug-in”). De ladbare hybridbilene har, som konvensjonelle hybridbiler, både en forbrenningsmotor og en elmotor. En ladbar hybridbil skiller seg fra en vanlig hybridbil ved at batteriene kan lades fra strømnettet i tillegg til at de lades fra forbrenningsmotoren. Og der dagens hybridbiler kjører kun 10-20 % på elektrisitet som produseres ved hjelp ev en bensin- eller dieselmotor, kjører ladbare hybridbilene typisk 80 – 90 % på elektrisitet som i tillegg kan lades fra strømnettet. I følge bilprodusenten Nissan gir et 75 kilos batteri en småbil 100 kilometers rekkevidde og fullading skjer på halvannen time. Litiumbatterier har fremdeles en høy kostnad, men også et stort utviklingspotensial.

Metall-luft (Me-air) batteri

Noen stoffer er i stand til å reagere elektrokjemisk med oksygenet i luften, og batterier av denne typen kalles ofte for batteri-hybrider. Et metall-luft-batteri bruker et metall, som litium eller sink, som anoden, og oksygen som katoden – mens elektrolytten pleier å være noe flytende. Foreløpig er det kun sink-luft batterier som er teknisk tilgjengelige.

Et metall-luft batteri er relativt lite, veldig lett og kan lagre store mengder energi. Levetiden til batteriene er derimot kort, energieffektiviteten er forholdsvis lav, og produksjonskostnaden er fremdeles høy.

Natrium-svovelbatteri (NaS)

Natrium-svovelbatteriet (NaS), er et høytemperatur-batteri som i dag blir mest brukt til elektriske biler. I dette batteriet består elektrodene av flytende natrium og svovel, mens elektrolytten i fast form og består av et natriumioneledende keramisk materiale. Den høye driftstemperaturen som er nødvendig for å muliggjøre prosessen krever at batteriet er godt isolert. Batteriet har lav responstid og høy energitetthet.

2.3.3 Strømningsbatterier (flow batteries)

I vanlige batterier er de nødvendige kjemikaliene fysisk festet til elektrodematerialet. Strømningsbatterier skiller seg fra vanlige batterier på dette punktet. Batteriet er bygd opp av to lagertanker for flytende elektrolytt (redusert/oksidert) og en regenerativ brenselcelle (se også kapittel 2.4.2). Fordelen med strømningsbatteriet er at reaktantene ikke lagres i kontakt med elektrodene, slik at selvutladningen blir svært lav. På grunn av tap i den elektrokjemiske prosessen og pumpearbeid er ikke systemvirkningsgraden høyere enn 60–85 prosent. Vanandium, polysulfid/bromid og sink/bromid er eksempler på elektrolytter som egner seg til strømningsbatterier.

Vanadiumbatteriet 
Et eksempel på et strømningsbatteri er vanadiumbatteriet. Denne batteritypen baserer seg på vanadiumspesier, dvs. at vanadiumet er oppløst i svovelsyre. Vanadium er et grunnstoff i gruppen overgangsmetaller, og det forekommer rikelig i naturen. Driftstemperaturen på vanadiumbatteriet er ca. 250 °C. Vanadiumbatteriene har en modulær oppbygging og finnes i enheter med mellom 5 og 50 kW ytelse. Har man behov for større effekt kan flere moduler kobles sammen, og for større lagringsbehov kan mengden elektrolytt økes. Fordeler med vanadiumbatteriet er at opplading og utlading går like fort, og at en veldig stor andel av den lagrede energimengden kan gjenvinnes.

Vanadiumbatterier kan fungere godt sammen med variabel kraftproduksjon som for eksempel vindkraft, og i Østerrike, Japan og USA finnes det slike systemer. Generelt er strømningsbatterier mest lønnsomme på steder hvor prisene varierer gjennom døgnet, men de brukes også som alternativ til oppgradering av nettkapasitet.  

 

2.4 Kjemisk lagring 

2.4.1 Hydrogen

Hydrogen (H2) er det grunnstoffet vi finner mest av i universet, men på jorden finnes det naturlig kun i kombinasjon med andre stoffer. For å frigi hydrogen må det derfor tilføres energi. Hydrogen regnes derfor ikke som en energikilde, men som en energibærer. Dette betyr at den må produseres fra en annen energikilde, for eksempel naturgass. Elektrisitet og hydrogen har begge som hovedfunksjon å transportere energi fra kilde til forbruker og kan derfor sammenlignes. På jorden er den største forekomsten i form av vann (H2O), men hydrogen inngår også i en rekke organiske og uorganiske forbindelser som for eksempel olje, naturgass, kull, planter og metalliske forbindelser.

Det frigis 33,3 kWh dersom én kg hydrogen får reagere med oksygen. Dette er ca. 3 ganger mer enn ved forbrenning av én kg bensin, diesel eller fyringsolje. Produktet fra reaksjonen mellom hydrogen og oksygen er vann.

Produksjon

Hydrogen inngår som et viktig råstoff i flere veletablerte industrielle prosesser, som for eksempel oljeraffinering og produksjon av kunstgjødsel. På verdensbasis produseres det i dag mer enn 500 millioner normalkubikkmeter (Nm3) årlig. ”Normal” (N) brukes her for å betegne at volumet er målt ved normaltilstanden som er definert som 101,325 kPa (1 atm) og 273,15 K. Kun en svært liten del av dette benyttes i energiproduksjon. I den industrielle hydrogenproduksjonen dominerer dampreformering og elektrolyse. Hydrogen fra fossile kilder står for ca. 95 prosent av verdensproduksjonen, hvorav naturgass utgjør den største andelen.

Dampreformering
Dampreformering av naturgass er i dag den billigste og mest brukte metoden for utvinning av hydrogen fra fossile kilder. Reaksjonen kan forenklet beskrives som: 

CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2

Reformering oppnås ved å varme opp en blanding av metan (naturgass) og vanndamp i en reaktor. Gassen (H) skilles fra vannet (H2O) slik at resultatet blir rent hydrogen og ren CO2.

Vanndamp blir tilført naturgassen ved høy temperatur, vanligvis er driftstemperaturen mellom 700 og 850 °C. Prosessvarmen tilføres ofte ved å brenne noe av naturgassen. Kostnadene vil av den grunn bli høyere og energiutbyttet mindre enn om man hadde benyttet naturgassen direkte. Typisk virkningsgrad for prosessen er på 80–90 %. For at kravet til miljøvennlig energibruk skal kunne oppfylles, må man fjerne og lagre karbondioksidet (CO2). Dette krever ytterligere energi, og senker virkningsgraden. 

Elektrolyse av vann
Når man produserer hydrogen ved vannelektrolyse brukes elektrisitet til å spalte vannmolekylet til hydrogen og oksygen. Ved å senke en katode og en anode ned i vann og tilsette spenning trekkes de negative hydrogenatomene mot katoden, og de positive oksygenatomene mot anoden. Reaksjonen kan forenklet beskrives som: 

2H2O + energi → 2H2 + O2 

Elektrolyse et velkjent prinsipp som i tillegg til hydrogenproduksjon benyttes i stor skala til for eksempel fremstilling av aluminium og overflatebehandling av for eksempel smykker. Elektrolyse er også forbundet med tap, dvs. at energiinnhold i hydrogen som produseres er lavere enn elektrisk energi som gikk med i produksjon.

Konverteringstabell for hydrogen. Energiverdiene er basert på mengden elektrisitet som trengs for å produsere hydrogen ved elektrolyse. Kilde: Knut Harg, Hydro.

Andre metoder for fremstilling av hydrogen er:

  • Biogass eller gassifisert biomasse kan reformeres og renses på samme måte som naturgass.
  • Gassifisering av kull.
  • Direkte splitting av vann ved hjelp av fotoelektroder (dvs. en fotospenning generert av en fotoelektrode utnyttes for å drive elektrolysen).
  • Noen typer alger kan produserer hydrogen, og denne prosessen har fått økt oppmerksomhet de senere årene.
  • Ved hjelp av solvarme kan man splitte sinkoksid (ZnO) til ren sink (Zn) og fremstille hydrogen. Ved å la sinken reagere med vann til sinkoksid og hydrogen (H2). På denne måten kan solenergien overføres til hydrogenet.

Lagring

Hydrogen kan lagres som gass, væske eller i fast form innlagret i metallhydrid. Hydrogen har ca. 3 ganger høyere energiinnhold per kg enn f. eks. bensin. Likevel er energitettheten per volum mye lavere for hydrogen, ca. 1,5 kWh/liter i komprimert gassform (under 700 bar trykk) og ca. 2,5 kWh/liter for hydrogen i flytende form (nedkjølt til -253 grader C). Til sammenligning er energitetthet for bensin 9,1 kWh/liter og for diesel 10,1 kWh/liter. Volumetrisk energitetthet for hydrogen er dermed kun ca. ¼ av energitettheten for dagens viktigste drivstoff, dvs. bensin og diesel. Lagring av hydrogen er derfor en av de største tekniske utfordringene ved bruk av hydrogen som energibærer, spesielt til transportformål. I praksis reduseres energitettheten ytterligere som følge av tankenes vekt og plassbehov.

Den lave volumtettheten gjør det vanskelig å designe lagringstanker med tilstrekkelig lagringskapasitet for anvendelse i biler, busser, lastebiler, fly etc. Videre kan hydrogen forårsake sprøhet og brudd i enkelte metaller slik at materialvalget er begrenset. Hydrogenmolekylet er dessuten så lite at det kan oppstå lekkasjer selv gjennom de minste sprekker. Dette gjør at sikkerhetskravene til materialbruk for lagringstanker for hydrogen svært høye.

Grovt sett kan lagringstanker deles inn i tanker for stasjonære og for mobile anvendelser. For stasjonære anvendelser er det mest vanlig å lagre hydrogenet som komprimert gass. Ettersom kravene til energitetthet (vekt og volum) ofte er lavere for denne typen anvendelser, kan det benyttes konvensjonell teknologi. Det betyr at hydrogenet lagres i ståltanker med et trykk på ca. 200 bar. For anvendelse i transportsektoren spiller vekt- og volum av tanken en stor rolle for kjøretøyets ytelse. Systemet må i tillegg være energieffektiv, dvs. at energien som går med i lagringsprosessene må være så lave som mulig. I dag har de fleste demonstrasjonskjøretøyene derfor blitt utstyrt med høytrykks kompositt tanker (inntil 700 bar) for komprimert eller flytende (-253 °C) hydrogen. Av de ulike teknologiene som finnes for å lagre hydrogen oppfyller ingen samtlige ønskede krav. Det forskes derfor på en lang rekke forskjellige metoder for optimal lagring av hydrogen. En oversikt over de mest vanlige teknologiene er gitt i tabellen under.

Best tilgjengelig teknologi for de forskjellige metodene for hydrogenlagring. Tallene er beregnet for lagring av 3 kg hydrogen. For øvrig vil hydrogen komprimert til 800 bar ha samme volum som det har i flytende form, dvs 90 liter. Kilde: (IEA-HIA, 2006). 

Distribusjon

Dersom hydrogen fremstilles sentralt, må det transporteres frem til kunden. Transport av hydrogen kan fungere på samme måte som transport av naturgass, og gjøres gjennom rørledningsnett eller på tankbiler. Transportmetoden vil være avhengig av mengde og avstand. Den lave volumtettheten for hydrogen er imidlertid en stor ulempe. Ved atmosfærisk trykk og temperatur har 1 kg hydrogen et volum på mer enn 11 000 liter, mens den samme energimengden i form av bensin har et volum på 3,8 liter. Derfor må den volumetriske tettheten økes før hydrogen kan transporteres. Som nevnt i kapittelet om lagring må gassen komprimeres ved å øke trykket eller kjøles ned til -253 °C.

For å unngå behovet med transport av hydrogen kan man også se for seg desentralisert hydrogenproduksjon. I dette tilfelle transporteres energien i form av elektrisitet og hydrogen produseres lokalt i en elektrolysør. Elektrolysører er forholdsvis enkle å skalere slik at de kan bygges i en størrelse tilpasset forbrukeren. Desentralisert hydrogenproduksjon fra fossile kilder kan også være en fordel med tanke på transport. Naturgass og olje har en allerede etablert infrastruktur og kan være lettere å transportere frem til de lokale brukerne enn hydrogen, men man er avhengig av å ha en reformator lokalt som kan omdanne brenslet til hydrogen. Dersom hydrogen fremstilles av fossile brensler vil det ikke være noe miljøgevinst da fjerning av CO2 blir ansett for å være økonomisk urealistisk for slike små systemer.

NEL Hydrogen er et norsk selskap som er verdensledende innen alkalisk elektrolyse for produksjon av hydrogen. Selskapet leverer løsninger som gjør at elektrolyse kan bli gjort lokalt på stedet, noe som gir høy fleksibilitet. Teknologien leveres blant annet til fyllestasjoner for hydrogen som drivstoff. Selskapet har levert komplette fyllestasjoner for hydrogen med integrert elektrolyseanlegg til Hamburg og Berlin. I Norge benytter hydrogenprosjektet HyNor denne teknologien, les mer prosjekteksempelet her: Hydrogenveien Hynor.

Hydrogen i energisystemet
På verdensbasis produseres i dag ca. 600 mrd. m3 hydrogen per år. Mesteparten av hydrogenet brukes imidlertid til mange forskjellige industrielle anvendelser som for eksempel:

·        Fremstilling av ammoniakk

·        Hydrogenering av fett og oljer, bl.a. til fremstilling av margarin

·        Hydrocrakking

·        Avsvovling med hydrogen

·        Bearbeiding av glass etc. 

I dag benyttes hydrogen kun i liten grad som energibærer. Unntaket er romfart hvor hydrogen har blitt brukt i mange år som rakettdrivstoff. Mange steder foregår det forsøk med hydrogen som energibærer både innenfor transportsektoren og til stasjonær energiforsyning. Kun i USA fines det mer enn 600 selskaper og institusjoner som arbeider med utvikling, testing og kommersialisering av ulike løsninger for hydrogen.

Likevel vil det gå mange år før hydrogen kan spille en sentral rolle i vårt energisystem. I første omgang vil man kunne se hydrogen brukt som drivstoff i busser og i noen personbiler som skal gå på norske veier. Etter hvert kan også anlegg som produserer både el og varme til bygninger komme på markedet, men inntil hydrogen er tilgjengelig vil disse benytte for eksempel bioenergi eller naturgass som brensel.

Hydrogen kan spille en viktig rolle i et fremtidig energisystem gjennom å redusere utslipp av klimagasser og sikre energiforsyning spesielt innenfor transportsektoren som i hovedsak er avhengig av fossile brensler. Hydrogen må imidlertid konkurrere med andre nye teknologier som f. eks. elbiler.

Det er en stor teknisk og økonomisk utfordring å få etablert en komplett ny infrastruktur for hydrogen. Siden hydrogenbiler normalt ikke kan benytte tradisjonelt drivstoff vil det ikke bli lønnsomt å selge hydrogen som drivstoff på kommersiell basis før det finnes et stort antall hydrogenbiler på veiene. Samtidig er det få som vil kjøpe slike biler før det finnes mange nok fyllestasjoner til at det blir et praktisk alternativ å kjøre på hydrogen.

Verdens råeste hydrogenbil, en Mecedes F125 med fire elmotorer og 230 kW er vist i bildet under. Tankene i bilen er integrert i chassis og kan lagre 7,5 kg hydrogen ved 700 bar. Med et angitt drivstofforbruk på 0,79 kg H2 per 100 km, (tilsvarer 0,29 liter diesel) er rekkevidden på over 900 km.

Den hydrogendrevne bilen Mercedes F-125. Foto: Per Erlien Dalløkken

2.4.2 Brenselceller

Det som virkelig gjør hydrogen til en aktuell energibærer er brenselceller. Brenselcellene konverterer hydrogenets kjemiske energi til elektrisitet og varme. Restproduktet er rent vann. Hydrogen er det mest vanlige brenselet, men det finnes også brenselceller som kan benytte naturgass, metanol eller bensin. Virkningsgraden i en brenselcelle er høy (ca. 60 %), og kompenserer i stor grad for energitapet som er knyttet til produksjonen av hydrogen.

Funksjonsprinsippet ble oppdaget i 1838 av den sveitsiske forskeren Christian Friedrich Schönbein og den første brenselcellen ble bygd av engelskmannen William Robert Grove i 1839. Det viste seg imidlertid å være vanskelig å overføre teknologien til praktiske anvendelser.

Det var først med NASA sitt romprogram Apollo i 1960-årene at de første brenselcellene kom i praktisk bruk. Til dette bruksområdet var brenselcellene spesielt godt egnet, ettersom hydrogen ble benyttet som drivstoff i romfartøyene. I tillegg ble «eksosen» fra brenselcellene, dvs. vann, benyttet av astronautene som drikkevann. På denne måten kunne brenselceller benyttes som sikker strømforsyning samtidig som totalvekten ved start kunne reduseres i forhold til alle andre tilgjengelige systemer. Også i dag benytter NASA brenselceller til strømforsyning i sine romferger.

I løpet av de siste 20-30 årene har det blitt nedlagt store ressurser i forskning og utvikling av brenselceller. Drivkraften i denne utviklingen har hele tiden vært brenselcellens spesielt gode egenskaper med tanke på effektiv omdanning av kjemisk energi til elektrisk energi. Grovt regnet kan virkningsgraden for en brenselcellebil mer enn fordobles i forhold til en bil med dagens bensinmotor. De viktigste fordelene ved bruk av brenselseller er økt virkningsgrad, dvs. bedre utnyttelse av brenselet og lavere utslipp. Dersom en benytter hydrogen som brensel, vil det eneste utslippet være vann. Brenselceller nevnes derfor ofte som en miljøvennlig og utslippsfri teknologi. Dette forutsetter imidlertid at også hydrogen produseres og transporteres uten utslipp.

I tillegg til at brenselceller som driver el-motorer kan erstatte forbrenningsmotorer i kjøretøy, kan de også sammen med hydrogen produsere elektrisitet og varme for bygninger og andre bruksområder. I Japan er det blant annet installert over 30.000 brenselceller som leverer strøm og varme til vanlige husholdninger. De minste brenselcellene leverer lav effekt og kan benyttes til mobile anvendelser i for eksempel mobiltelefoner, PC, videokamera og annet elektronisk utstyr.

Hvordan fungerer en brenselcelle?

En brenselcelle består av forskjellige typer plater som er presset sammen. Noen av platene har som oppgave å lede hydrogengass gjennom brenselcellen, andre leder luft. Mellom platene er det en membran, som kun tillater protoner fra hydrogengassen å passere, mens elektronene tvinges til å ta omveien rundt. Platen som leder hydrogengass kalles for anode, platen som leder luft (oksygen) kalles for katode og membranen er elektrolytten. Når hydrogen passerer, først via en katalysator og så gjennom brenselscellen fra anodesiden, deles hydrogenmolekylene i ioner (protoner) og elektroner. Prosessen er illustrert i figuren under.

Prinsippskisse av en brenselcelle. Illustrasjon: Endre Barstad 

Siden elektronene ikke kan passere gjennom membranen ledes de gjennom en ekstern elektrisk krets der de utnyttes i for eksempel en elektrisk motor i en bil. På den andre siden av membranen, katodesiden, kommer elektronene tilbake til ionene og kobler seg sammen med oksygenatomene fra lufta, og danner vannmolekyler (H2O). En enkelt brenselcelle genererer cirka 0,7 volt. For å få en høyere spenning stables mange separate brenselceller sammen i en såkalt brenselcellestack. Strømmengden som produseres er proporsjonal med overflatearealet til membranen og tilført brensel. Derfor er brenselceller lette å skalere; flere seriekoblede brenselceller gir høyere spenning og større areal gir mer strøm.

Brenselcellen er i prinsippet bygget likt et batteri, men mens batteriet har lagret den kjemiske energien internt, tilføres brenselcellen kjemisk energi fra en ekstern kilde. Brenselcellen kan dermed produsere strøm så lenge det tilføres oksygen (luft) og brensel.

På samme måte som man har oppladbare batterier kan man også utforme brenselceller som kan kjøre begge veier. Man snakker da om «regenerative brenselceller» som enten opereres i «brenselcellemodus» eller «elektrolysemodus», avhengig av om det forbrukes eller lages hydrogen. En slik brenselcelle har dårligere virkningsgrad enn en ren brenselcelle eller elektrolysør.

Lær mer om brenselceller ved å lytte til Prof. Tom Fuller fra Georgia Institude of Technology University.

Alternativ på norsk: Klikk på figur for å følge nettforelesning ”Hydrogen istedenfor Bensin” fra kjemisk institutt ved Universitetet i Bergen.

 

Brenselcelleteknologier

Det finnes flere typer brenselceller som vanligvis kategoriseres etter driftstemperatur og membranmaterial eller benyttet elektrolytt.

Avhengig av benyttet membranmaterial har de ulike brenselcellene en karakteristisk arbeidstemperatur som ofte benyttes til inndeling i hovedgrupper.  De vanligste brenselcelle-teknologiene er:

  • Molten-Carbonate Fuel Cell (MCFC) 
  • Phosphoric-Acid Fuel Cell (PAFC)
  • Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC, PEM)
  • Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
  • Alkaline Fuel Cell (AFC)
  • Molten-Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Smeltekarbonat brenselcellen er i likhet med fastoksid brenselcellen (SOFC) best egnet for stasjonær storskala kraftproduksjon. Brenselcellen opererer ved 600 °C, og produserer overskuddsdamp som kan benyttes til elektrisitetsproduksjon i en dampturbin. Siden den operative temperaturen er noe lavere enn for fastoksid brenselcellen (SOFC) blir materialkostnadene lavere, og dermed er smeltekarbonat brenselcellen noe mindre kostbar.

Phosphoric-Acid Fuel Cell (PAFC)

Fosforsyre brenselcelle har potensial for bruk i stasjonær småskala kraftproduksjon. Brenselcellen opererer ved høyere temperaturer enn Polymer Exchange Membrane brenselcellene og bruker lenger tid til oppstart. Dette gjør den uegnet for bruk i biler. Potensialet for bruk av PAFC- brenselceller ligger i stasjonær småskala kraftproduksjon.

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC, PEM)

Protonutvekslingsmembran- brenselcelle (PEMFC eller PEM) er en brenselcelle som opererer ved lave trykk- og temperaturforhold, 50-100 °C. Dagens bruk er hovedsakelig i transportsektoren og romfratmidler fordi brenselcellen har en rask oppstart i tillegg til å operere ved lave temperaturer. PEM-brenselceller kan også bli benyttet i småskala varmekraftanlegg, som reservekraft eller lignende anlegg som trenger rask oppstart.

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Fastoksid brenselcellen egner seg best for stasjonær storskala kraftproduksjon, som f. eks produksjon av til industri eller byer. Brenselcellen opererer ved høye temperaturer (700-1000 °C). Den høye temperaturen gjør at denne type brenselcelle er mindre pålitelig, og kan bli lettere ødelagt enn andre typer brenselceller grunnet den store temperaturforskjellen cellen opplever mellom av og på modus. Fastoksid brenselceller har derimot vist seg å være meget stabile ved kontinuerlig bruk, og har demonstrert den lengste driftslevetid av alle brenselceller under gitte forhold.

Den høye temperaturen er også en fordel da damp produsert av brenselcellene kan benyttes til elektrisitetsproduksjon i en dampturbin. Denne prosessen kalles ”co-generation of heat and power” (CHP). Prosessen forbedrer effektiviteten og dermed den totale virkningsgraden for systemet.

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Den alkaliske brenselcellen var en av de første brenselcelleteknologier som ble benyttet. USAs romprogram har benyttet denne type brenselceller siden 1960- årene. Den alkaliske brenselcellen er veldig følsom for forurensing, og det er derfor viktig å benytte rent hydrogen og oksygen. Det er lite sannsynlig at denne typen brenselcelle blir kommersialisert da prisen er veldig høy sammenlignet med andre typer brenselceller.

Tabellen under gir en oversikt over de viktigste brenselcelletypene, delt inn i hovedgruppene lavtemperatur brenselcelle, mellomtemperatur brenselcelle og høytemperatur brenselcelle, og noen av deres egenskaper.

 

Oversikt over de viktigste brenselcelletypene og noen av deres egenskaper.

I tabellen over ser man at virkningsgraden for de fleste brenselcellene er relativt høy. Denne kan man øke ytterligere ved å la brenselcellen operere under høyt trykk. En slik prosess kan være spesielt attraktiv for høytemperatur-brenselceller, ettersom de kan integreres med en termisk maskin som for eksempel gass- eller dampturbin. Denne type prosess betegnes ofte som hybridprosess. Et eksempel kan være et system bestående av en SOFC og en gassturbin. I en slik prosess «bytter» man ut brennkammeret i gassturbinen med en SOFC og bruker avfallsvarmen fra brenselcellen til å drive turbinen.

Brenselceller i energisystemet

Brenselceller kan spille en viktig rolle i arbeidet med å redusere de menneskeskapte klimaendringene da man kan anvende brensel som ikke medfører utslipp av klimagasser, samtidig som teknologien gir mulighet til å øke energieffektiviteten betydelig.

For å illustrere hvor energieffektiv denne teknologien er, kan man følge med på ECO-marathon som Shell arrangerer hvert år. Shell Eco-Marathon startet som en intern konkurranse hos Shell allerede i 1939, og har eksistert i sin nåværende form siden 1985NTNU satte verdensrekord i 2009 da de kjørte 1246 kilometer på en energimengde tilsvarende en liter drivstoff med sin DNV Fuelfighter. Likevel, akkurat som for kommersielle biler må brenselceller konkurrere med andre teknologier, og i 2012 valgte NTNU-teamet å starte med Fuelfighter 2 hvor brenselcellene ble byttet ut med batterier.

 

Fuelfighter med brenselcelle satte verdensrekord i 2009. Den tilbakela 1246 km med bruk av en liter bensin.

Fleksibiliteten vil gjøre det mulig å utvikle brenselceller til anvendelser nesten overalt hvor det er behov for elektrisitet. Likevel bør man være klar over at det også finnes begrensninger og at også andre teknologier kan vise til en rivende utvikling. Elektrisitet lagret i moderne batterier, benyttet til fremdrift av elbiler vil kunne være betydelig mer energieffektivt enn brenselceller. På den andre siden har brenselcelleteknologien fordeler mht. raskere fylletid og større rekkevidde.

Til kraftproduksjon har man sett for seg brenselcellen som en del av et system for distribuert kraftproduksjon. For det første er virkningsgraden til brenselcellen nesten uavhengig av størrelse, slik at selv det minste anlegget kan oppnå høy virkningsgrad. I tillegg har brenselceller høyest virkningsgrad ved dellast, noe som er en stor fordel til elproduksjon ved hjelp av gass- eller dieselmotorer. Dersom elektrisitetsproduksjonen skjer lokalt, er det lettere å nyttiggjøre spillvarmen til for eksempel oppvarming av tappevann. Flere store leverandører av gasskjeler som Viessmann, Baxi International og Vailland utvikler oppvarmingssystemer for bygg med integrerte brenselceller for kombinert el- og varmeproduksjon.

I et system der hydrogen produseres fra fornybar elektrisitet i elektrolysører er det mest sannsynlig at brenselcellen vil bli brukt innen transportsektoren. Grunnen er at energitap i hele kjeden, dvs. fra elektrisitet til hydrogen og tilbake til elektrisitet, er mer kostbart enn direkte distribusjon av elektrisitet. Da vil det være mer lønnsomt å produsere hydrogen til transportsektoren, ettersom man da konkurrerer med motorkonsepter med dårligere virkningsgrad (bensin- og dieselmotorer) og brensel med relativ høye avgifter. Et slikt system vil bety en større integrasjon mellom stasjonær og mobilt energiforbruk. Det kan være både en fordel og en ulempe for reguleringen av det totale energisystemet. Eksempelvis kan det nevnes at i energisystemer med høy andel fornybar energi kan det hyppig oppstår perioder med overskudd av elektrisitet. I disse perioder kan elektrolyseanlegg benyttes til produksjon av hydrogen. Dette vil stabilisere markedet for elektrisitet samtidig som det produseres fornybar og klimanøytral drivstoff.

Oslo er en av verdens første byer som har fått brenselcellebusser i vanlig rutetrafikk.

 

Brenselcellebuss i Oslo. Foto: Ruter 

 

2.5 Lagring av termisk energi 

Termisk energi, eller varme, kan lagres i nært sagt alle typer materialer. Dette gjøres i praksis gjennom å varme opp eller kjøle ned et lagringsmedium slik at energien kan benyttes på et senere tidspunkt enten for oppvarming/kjøling eller elektrisitetsproduksjon. Systemer for lagring av termisk energi brukes spesielt i bygg og industrielle prosesser.

For kommersielle anvendelser ser man gjerne etter materialer med høy varmekapasitet sammenliknet med volum og kostnader. Tykkelsen på isolasjonen rundt lagringsmediet eller volumet av lageret avgjør hvor lenge energien kan lagres.

Termiske energilagringssystemer kan være enten sentraliserte eller desentraliserte. De sentraliserte systemene brukes normalt i fjernvarme- eller fjernkjøleanlegg, store industrianlegg og kombinerte kraft- og varmeproduksjonsanlegg (CHP). Desentraliserte anlegg brukes vanligvis bygninger. 

2.5.1 Vann som lagringsmedium

Vann er et godt egnet lagringsmedium for termisk energi. Det brukes ofte der varmen skal benyttes til oppvarming av bygninger.

I vannbårne systemer med sentralvarme benyttes ofte en vanntank som akkumulator. I systemer med solfangere (se kapittel om solenergi) er vanntanken et sentralt element for at man skal kunne lagre varme mellom natt og dag. Det finnes også store solfangersystemer hvor man benytter seg av svært store varmelagre for å kunne lagre solenergi fra sommer til vinter. Slike lagre må være store for å få en rimelig bra økonomi og må derfor også være tilknyttet et fjernvarmeanlegg.  

2.5.2 Oljer og salter som lagringsmedium

Soltermisk elektrisitetsproduksjon benytter konsentrerte solstråler til å varme lagringsmediet til over 100 °C. Da blir oljer eller smeltet salt mer hensiktsmessig som energilager. Hensikten er å få jevnere elektrisitetsproduksjon, både gjennom døgnet og når skyer skygger for innstrålingen.

Ulike saltlegeringer har ulike smeltetemperaturer og kan også brukes i forbindelse med lavtemperatur varmelagring, for eksempel i forbindelse med lagring av overskuddsvarme i bygninger. I slike løsninger er det varmeutvekslingen rundt faseforandringen (fra fast stoff til væske) som utnyttes. Denne teknologien for energilagring er valgt ved solkraftverket Gemarsolar for å kunne produsere elektrisitet i opptil 15 timer uten solinnstråling. Se også kapittelet om teknologi for termiske solkraftverk.

2.5.3 Varmelagring i grunnen

For bygninger som har behov for både kjøling og oppvarming kan det være hensiktsmessig å lagre energi mellom de forskjellige sesongene. Det mest hensiktsmessige lagringsmediet til dette formålet er som regel i grunnen.

Å bruke grunnen som energilager er relativt ukomplisert. Det er imidlertid forbundet med tap, ettersom varmelageret i grunnen vil spre seg til omliggende områder. Slike lagre må derfor være meget store (flere 10 000 m3) for at varmetapet skal bli akseptabelt. Dette kan forklares ved at varmetapet er proporsjonalt med overflaten til lageret. Volumet øker raskere (tredje potens) enn overflaten (annen potens), og det spesifikke varmetapet (W/m3) blir dermed mindre desto større volum lageret har. Anleggene må derfor knyttes til store varmebehov, for eksempel et fjernvarmeanlegg.

Et grunnvarmelager kan også bestå av en varmepumpe i kombinasjon med energibrønner. Varmepumpen kan kjøres begge veier, slik at overskuddsvarme pumpes ned i grunnen på sommeren, mens den hentes opp på vinteren. Dermed opereres det også med såpass små temperaturdifferanser at varmetapet blir begrenset. Se også kapittelet om geotermisk energi