Olje, laks og … flytende hydrogen – Norges neste store eksportvare?

Kjøretøy eller kraftverk for å generere elektrisitet som drives av hydrogen, gir kun varme og vann som utslipp. Norge produserer mye vannkraft og vindenergi. Noe av denne fornybare energien kan brukes til å produsere hydrogen gjennom å splitte vann ved bruk av elektrolyse. I tillegg kan noe av Norges naturgass-ressurser konverteres til miljøvennlig hydrogen gjennom reformering kombinert med fangst og permanent lagring av CO₂.

• Forskningsrådets pris for unge fremragende forskere til Øivind Wilhelmsen fra SINTEF

Hydrogen kan, sammen med elektrisitet fra fornybare kilder, bidra til å gjøre livene våre mer energivennlige. For tiden bygger Japan biler, fabrikker og infrastruktur for å gjøre seg klar for det kommende hydrogensamfunnet.  Verdens olje og gassnæring følger nøye med.

• Les mer om SINTEFs arbeid på hydrogen her

Flytende hydrogen eller hydrogen i gassform?

Hydrogen er en lett gass som krever stort volum. Selv når gassen er komprimert til ekstreme trykk slik som 200 bar, tar den opp et stort volum i forhold til mengden tilgjengelig energi. Dette gir utfordringer når man skal transportere store kvanta hydrogen over lengere distanser, som for eksempel fra Norge til Japan. En mulig måte å håndtere denne utfordringen på er å kjøle ned hydrogenet til omtrent -250^oC og deretter få det over i væskeform. Siden væske er tettere enn gass, blir det da mulig å frakte hydrogenet med ett skip (flytende hydrogen) ved atmosfærisk trykk, i stedet for fem skip med høyt trykk (200 bar).

Inntil nå har man ikke hatt bruk for flytende hydrogen i store kvanta. Derfor har det vært lite teknologisk utvikling på området, og teknologien som er tilgjengelig i dag er ineffektiv. I dag trengs det 11-12 kWt med energi for å flytendegjøre 1 kg hydrogen. Dette er ca. 25% av energien som kan utnyttes i en benselcelle etterpå. Det er dermed en betydelig mengde av energien som går til kråka før hydrogenet har kommet fram til kunden.

Energieffektiv flytendegjøring av hydrogen

På SINTEF Energi og NTNU ønsker vi å gjøre noe med dette! Gjennom å forbedre teknologien mener vi det er realistisk å presse energibehovet for å flytendegjøre hydrogen ned under 6 kWt per kilo. Dette vil gjøre det mye mer attraktivt å transportere hydrogen over lange distanser.

Det er et velde av interessante vitenskapelige og tekniske utfordringer som må løses før vi kan realisere energieffektiv flytendegjøring av hydrogen. For eksempel finnes hydrogen i to former, også kalt spinn-isomerer. For den første formen, para-hydrogen, spinner de to protonene i hydrogenmolekylet i motsatt retning. For den andre, ortho-hydrogen, snurrer protonene i samme retning.

Para-hydrogen er spinn-isomeren som har lavest energi, og forskjellen i energi mellom de to typene spinn-isomer øker med synkende temperatur. Det frigis faktisk så mye energi når ortho-hydrogen konverteres til para-hydrogen at det er nok til å fordampe hydrogenet tilbake til gassform igjen. For å unngå at dette skjer i lagertankene for flytende hydrogen, må man gjøre konverteringen fra ortho- til para-hydrogen raskere gjennom å plassere katalysator-pellets på innsiden av varmevekslerne som brukes i flytendegjøringsprosessen.

To måter å øke effektiviteten på

I en nylig publisert artikkel, viser vi at det er minst to veier å gå som kan bidra til å betydelig forbedre effektiviteten i den kryogene delen av flytendegjøringsprosessen:

• Øke effektiviteten til katalysatoren som brukes for å konvertere ortho- til para-hydrogen
• Bruke nye kuldemedier som er nøye utvalgte blandinger av helium-neon-hydrogen

En fordel med å bruke blandinger av helium-neon-hydrogen som kuldemedium i hydrogenflytendegjøringsprosessen, er at blandingen kan skreddersys slik at den fordamper på den kalde siden av varmeveksleren. Denne fordampingen bidrar til å forbedre varmeoverføringen og effektiviteten betraktelig. I artikkelen viser vi at det er faktisk mulig å redusere tapet av energi som kan brukes til nyttig arbeid (eksergi) i varmevekslerne med mer enn 43% ved å utnytte de to mulighetene nevnt over.

SINTEF- og NTNUforskere på forskningsutveksling i London

For å få forbedret effektiviteten til hydrogenflytendegjøringsprosessen på en trygg og presis måte, er det nødvendig å karakterisere og forstå oppførselen og de termo-fysiske egenskapene til blandinger av helium-neon-hydrogen. For eksempel, ved hvilke temperaturer, trykk og sammensetninger vil en slik blanding fordampe? I dag finnes det ingen modeller om kan beskrive disse blandingene nøyaktig.

Forskere fra SINTEF og NTNU er denne våren på forskningsopphold ved Imperial College London for å utvikle modeller som kan brukes for å nøyaktig beskrive nye kuldemedier som kan bidra til å øke effektiviteten til prosessen for å flytendegjøre hydrogen. Her har vi vært en del av forskningsgruppen til Professor Erich Müller, en verdensledende gruppe på termodynamikk og utvikling av fundamentale tilstandsligninger for å beskrive egenskapene til fluider. I de få månedene vi har vært her, har vi lært fantastisk mye om disse nye spennende kuldemediene.

Målet vårt er at vi innen neste år skal ha utviklet unike termodynamiske verktøy som kan hjelpe oss med å forbedre effektiviteten til hydrogenflytendegjøringsprosessen. Dette vil ta oss kvantesprang mot å realisere det som kanskje blir Norges neste store eksportvare – flytende hydrogen.

Forskningsoppholdet i London hadde ikke vært mulig uten god støtte fra NTNUs strategiske satsningsområde ENERSENSE, forskningsprosjektet Hyper og det internt finansierte HYVA-prosjektet ved SINTEF Energi. Vi er veldig takknemlige for å ha fått denne muligheten.

Hilsen fra London

Øivind Wilhelmsen, Morten Hammer og Ailo Aasen