Hydrogen er en energibærer. Det betyr at hydrogen ikke er en direkte energikilde, slik som sollys og vindenergi, men at det er en bærer av energi, som vi kan utnytte når det passer oss. Eksempler på andre energibærere er elektrisitet og bensin. Disse kan vi lagre og bruke når vi vil. Hydrogen brukes i dag til en rekke formål i industrien. Eksempler er produksjon av margarin og metaller. Dessverre er det dyrt å fremstille hydrogen. Dette skyldes at utvinnings-prosessen krever mye energi. Det meste av dagens hydrogen fremstilles fra fossile kilder. Selv om vi sier at Hydrogen er dyrt, vil ikke produksjon av hydrogen koste mer enn produksjon av vanlig bensin og diesel, slik prisene er i dag.

UngEnergis video om hydrogen

Se også: Hydrogenbil og brenselcelle (UngEnergi.no)

Hvorfor har hydrogen energi

Et atom har protoner og nøytroner i kjernen og elektroner som sirkulerer i baner rundt atomkjernen. Når vi ser for oss et atom bruker vi ofte en forenklet atommodell kalt skallmodellen (Niels Bohrs atommodell). Her er atomene illustrert med ett eller flere skall rundt kjernen. Det innerste skallet har aldri mer enn to elektroner. De andre skallene kan ha opp til åtte elektroner. I følge oktettregelen ønsker atomene å oppnå maks antall elektroner i det ytterste skallet.
Hydrogen er det vanligste grunnstoffet i universet og har atomnummer 1. Hydrogen er fjorten og en halv gang lettere enn luft. Et hydrogenatom har kun ett skall, med ett elektron,  hydrogenatomet ønsker derfor å slå seg sammen med et annet atom for å få  to elektroner i  skallet sitt. slik at det har fult ytterste skall. På grunn av dette er stoffet svært reaktivt. I sammenbindingen frigjøres energi. Energien til hydrogengass ligger altså i denne tendensen til å reagere med andre atomer.

Stort sett har hydrogen allerede bundet seg til et annet stoff, og det finnes derfor ikke frie atomer vi kan bruke til energiproduksjon. Derfor sier vi at vi må fremstille hydrogen. Denne prosessen krever tilførsel av energi, og kalles elektrolyse. Da ledes en elektrisk strøm gjennom vann, som fungerer som en elektrolytt, og  mellom to elektroder. Ved elektrodene splittes vannmolekylene til hydrogengass (på den negative elektroden) og oksygengass (på den positive). Det som har skjedd da er en redoksreaksjon. Tilsvarende kan man bruke den motsatte prosessen for å bruke energien lagret i hydrogenet.

Hva er en redoksreaksjon

Ordet redoksreaksjon er sammensatt av ordene reduksjon og oksidasjon. Forenklet pleier vi å si at det er prosesser som skjer når et elektron blir overført fra et stoff til et annet. Reduksjon vil si at stoffet blir tilført elektroner eller når stoffet tar elektroner fra et annet stoff. Oksidasjon som betyr at elektroner blir tatt vekk fra stoffet, da vil ladningen til det oksiderte stoffet øke. Når et stoff blir oksidert betyr det at et annet stoff vil bli redusert.

I noen tilfeller vil vi se at det ikke er en fullstendig overføring av elektroner, men at det fortsatt har skjedd en redoksreaksjon. I kjemi 2 vil vi derfor utvide definisjonen til å gjelde for endring av oksidasjonstall i reaksjonen.

Elektronene som blir overført kan vi føre gjennom ledninger. Dette blir da en elektrisk strøm som vi kan bruke til elektrisk energi.

Elektrolyse skiller atomer

Ved elektrolyse av vann vil stoffet kaliumhydroksid bli tilført vannet slik at det blir basisk. Da vil det bli dannet positive og negative ioner som trekkes mot hver sin elektrode. Det vil skje en reduksjon ved den negative katoden og en oksidasjon ved den positive anoden. Reaksjonene vil føre til at det stiger hydrogengass og oksygengass opp fra elektrodene. Under elektrolysen vil det bli produsert dobbelt så mye hydrogen som oksygen siden vann inneholder to hydrogenatomer per oksygenatom (H₂O). Strømmen av elektroner inn i katoden og ut av anoden drives i en ytre krets av f.eks et batteri eller en spenning fra en solcelle. Slik går det en kontinuerlig strøm gjennom elektrolysøren med en tilsvarende kontinuerlig produksjon av hydrogen og oksygen. Typisk energiforbruk i en elektrolysør er 4,2 kWh per kubikkmeter gass ved atmosfærisk trykk og romtemperatur.

 

Dersom den produserte gassen lagres, f. eks. i en tank, kan den senere omsettes tilbake til energi igjen i en brenselcelle, som kan betraktes som en elektrolysør i revers. Ved katoden (som nå blir positiv) reduseres oksygen og ved anoden (som nå er negativ) oksideres hydrogen. ”Eksosen” blir da rent vann. Dermed sluttes energikretsløpet: vann + energi -> hydrogen og oksygen -> vann + energi. På den måten kan energi fra solceller, vindmøller og andre fornybare energikilder lagres som hydrogen på tank, og kan benyttes når eller der solen ikke skinner, eller når eller der vinden ikke blåser.

 

Forsøk: Elektrolyse av vann

Film: Universitetet i Bergen