Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Hydrogen

15. juli, 2021

Hydrogen kan være nøkkelen til nullutslippssamfunnet, sies det. Energibæreren omtales som en viktig del av løsningen på energiutfordringene fremtiden kommer til å by på. Allerede nå tas hydrogen i bruk i transport-, varme- og kraftsystemer i hele verden. Men hvorfor bruker vi akkurat hydrogen og ikke et annet stoff, og hvor får vi alt hydrogenet fra?

Sammendrag
Hydrogen kan bidra til reduserte \(\text{CO}_2\)-utslipp i flere sektorer dersom man begynner å bruke hydrogen som energibærer. Hydrogen er universets vanligste grunnstoff, og har i tillegg lett for å reagere med andre stoffer. Denne reaktiviteten gjør også at hydrogenet stort sett alltid bundet til et annet stoff i naturen. Derfor sier vi at vi må framstille hydrogenet. Dette kan vi for eksempel gjøre ved elektrolyse av vann. Hvis dette gjøres med elektrisitet fra fornybare kilder, er prosessen utslippsfri. Hydrogen kan også fremstilles gjennom dampreformering av naturgassen metan. Dette er en prosess som gjøres under høyt trykk og høy temperatur og har \(\text{CO}_2\) som et sluttprodukt.

 

UngEnergis video om hydrogen

Film: UngEnergi

Se også: Hydrogenbil og brenselcelle (UngEnergi.no)

 

Hvorfor vil man bruke hydrogen som energibærer?

Strøm fra vindturbiner kan brukes til å framstille hydrogen gjennom elektrolyse. Illustrasjon: UngEnergi

Hydrogen kan bidra til reduserte \(\text{CO}_2\)-utslipp i flere sektorer og forbedret luftkvalitet dersom man begynner å bruke hydrogen som energibærer. Forbedret luftkvalitet er spesielt viktig i verdens storbyer som plages av mye forurensning. Nedenfor har vi satt sammen en liste over noen sektorer som kan ha fordel av å bytte til hydrogen:

 

  • Transport: Hydrogen vil være viktig i dekarboniseringen av transportsektoren som frakter tungt eller langt, og trenger større energimengder enn det som er optimalt for batterier. Dette gjør hydrogen til et godt fornybart alternativ til fossile energikilder.
  • Energilagring: Vi kan ikke kontrollere hvor mye elektrisitet som produseres av energikilder som vind og sol. Overskuddet fra slike kilder kan brukes til å framstille hydrogen slik at energien kan lagres og brukes senere når man trenger mer strøm. Energien kan også lagres i batterier, men dagens batterier sliter blant annet med at de mister lagring over tid, noe som ikke passer når man skal lagre fornybar energi til årstider hvor forbruket er høyt. Batterier er også tungvinte å transportere fra steder hvor man har fornybar kraftproduksjon på grunn av sin vekt. Du kan lese mer om lagring av hydrogen her (UngEnergi.no).
  • Varme: Hydrogen kan erstatte bruken av naturgass til oppvarming og komfyrer i land som har et utviklet gassrørnett. 
  • Kraftproduksjon: en stor andel av kraftproduksjonen i de fleste land baseres i dag på fossile brensler. Hvis disse erstattes med hydrogen, vil en vesentlig del av dagens CO2-utslipp elimineres og luftkvaliteten forbedres. 

 

Hvorfor har hydrogen energi?

Atomer har protoner og nøytroner i kjernen og elektroner som sirkler i baner rundt den. Når vi ser for oss et atom, bruker vi ofte en forenklet atommodell vi kaller skallmodellen eller Bohrs atommodell. Her ser man for seg at atomene har ett eller flere skall rundt kjernen. Det innerste skallet har aldri mer enn to elektroner. De andre skallene kan ha opptil åtte elektroner. Ifølge oktettregelenRundt atomkjernene svever elektronene i lag (skall). Det innerste skallet kan kun inneholde to elektroner, mens resten inneholder åtte. Oktettregelen sier at ethvert atom søker etter å ha det ytterste skallet «fylt opp», det vil si at det ønsker å ha åtte elektroner i det ytterste skallet, eller to, om det kun er ett skall. (åtteregelen) ønsker atomene å fylle sitt ytterste skall. Dette kan de gjøre ved å avgi, ta opp eller dele elektroner. 

 

Illustrasjon av et hydrogenatom ifølge Bohrs atommodell
Hydrogenatom.
Illustrasjon: UngEnergi

Hydrogen er det vanligste grunnstoffet i universet og har atomnummer 1. Et hydrogenatom har kun ett skall, med ett elektron. For å fylle opp sitt ytterste skall, ønsker det derfor å slå seg sammen med et annet atom. På grunn av dette er stoffet svært reaktivt. Når hydrogen reagerer og binder seg til andre atomer frigjøres energi. Energien til hydrogen ligger altså i denne tendensen til å reagere med andre atomer.

 

Stort sett har hydrogen allerede bundet seg til et annet stoff i naturen, og det finnes derfor ikke fritt hydrogen på jorda eller i atmosfæren vi kan bruke til energiproduksjon. Derfor sier vi at vi må fremstille hydrogen. Denne prosessen krever tilførsel av energi, og kan for eksempel gjøres gjennom elektrolyseElektrolyse er en kjemisk metode der vi bruker likestrøm til å framstille grunnstoffer i fri tilstand fra kjemiske forbindelser. Når man lader opp et batteri bruker man elektrolyse. I en brenselcelle går prosessene motsatt vei. eller dampreformering. Dette kommer vi tilbake til senere i teksten.

 

Grunnen til at man ser på hydrogen som en miljøvennlig energibærer, er at både produksjonen og bruken av hydrogen kan være utslippsfri.

 

Fremstilling av hydrogen ved elektrolyse av vann

Redoksreaksjoner

For å forstå hvordan hydrogen fremstilles, må man se på hvordan redoksreaksjoner fungerer. Redoksreaksjoner er den vanligste reaksjonstypen vi kjenner til, og mange av reaksjonene som foregår i kroppen, naturen og industrien er redoksreaksjoner. Eksempler på dette er celleånding, fotosyntese, fremstilling av metaller og forbrenning av olje og gass.

 

Som nevnt, har atomer et gitt antall elektroner i ytterste skall og har til felles at de ønsker å oppfylle oktettregelenRundt atomkjernene svever elektronene i lag (skall). Det innerste skallet kan kun inneholde to elektroner, mens resten inneholder åtte. Oktettregelen sier at ethvert atom søker etter å ha det ytterste skallet «fylt opp», det vil si at det ønsker å ha åtte elektroner i det ytterste skallet, eller to, om det kun er ett skall.. Dette kan gjøres ved at atomene gir bort eller mottar elektroner fra andre atomer. Det er dette som kjennetegner redoksreaksjoner – at atomene som reagerer overfører elektroner mellom seg. Når et atom eller ion gir fra seg elektroner, kalles det oksidasjon, og når et atom eller ion tar til seg elektroner, kalles det reduksjon. “Redoks” i “redoksreaksjoner” kommer nemlig fra navnet på de to delene av reaksjonstypen: reduksjon og oksidasjon. For å huske hva som er hva, kan du tenke på at reduksjoner vil redusere ladningen til et atom (gjøre atomet mer negativt ladd). Siden atomene ikke bare kan ta opp elektroner ut av det blå, kan ikke den ene prosessen skje uten at den andre også skjer samtidig.

 

Vi kommer tilbake til redoksreaksjoner i neste avsnitt hvor du vil kunne se et eksempel på en slik reaksjon.

 

Elektrolyseforsøk
Et forenklet elektrolyseforsøk
Illustrasjon: UngEnergi

En metode å fremstille hydrogen på, er gjennom elektrolyseElektrolyse er en kjemisk metode der vi bruker likestrøm til å framstille grunnstoffer i fri tilstand fra kjemiske forbindelser. Når man lader opp et batteri bruker man elektrolyse. I en brenselcelle går prosessene motsatt vei. av vann . Elektrolyse går ut på å omdanne elektrisk energi til kjemisk energiEnergi som finnes i bindingene mellom atomene i et stoff, og som blir frigitt ved fullstendig forbrenning. Eksempler er bensin og mat. Dessuten kan batterier omforme kjemisk energi til elektrisk energi., det motsatte av det som skjer spontant i galvaniske cellerEt batteri består av en eller flere galvaniske celler (også kalt galvanisk element). I hver celle blir energi frigitt ved kjemiske reaksjoner. Denne energien kan vi benytte oss av i et batteri. Et galvanisk element består av de fundamentale byggesteinene i et batteri: en anode (et metall eller en kjemisk forbindelse), en katode (et annet metall eller kjemisk forbindelse), en elektrolytt (en væske som leder ioner) og en separator/saltbro (som sørger for at anoden og katoden ikke rører hverandre)., eksempelvis batterier. 

 

Ved elektrolyse av vann bruker man elektrisk energi til å spalte vann til hydrogen og oksygen. Denne energien kan vi få tilbake hvis vi lar hydrogenet og oksygenet reagere og danne vann igjen. Elektrolysen kan beskrives med denne enkle reaksjonslikningen:

 

\({\text{elektrisk energi} + \text{vann} \enspace \to \enspace \text{hydrogengass }+ \text{oksygengass}}\)

\({\text{elektrisk energi} + \text{2H}_2\text{O(l)} \enspace \to \enspace \text{2H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)}}\)

 

Her markerer “(l)” og “(g)” hvilken aggregattilstandDe ulike tilstandene et stoff kan være i. Når vi skriver (s), (l) eller (g) i kjemiske formler, refererer vi til aggregattilstanden til stoffet, som er henholdsvis fast, flytende eller gass. stoffene er i. 

 

Hvis den elektriske energien kommer fra fornybare kilder, er denne måten å fremstille hydrogen på regnet som miljøvennlig og utslippsfri. Hydrogen som produseres på denne måten kaller vi «grønn hydrogen».

 

Elektrolyse av vann forklart som redoksreaksjon

Ved elektrolyseElektrolyse er en kjemisk metode der vi bruker likestrøm til å framstille grunnstoffer i fri tilstand fra kjemiske forbindelser. Når man lader opp et batteri bruker man elektrolyse. I en brenselcelle går prosessene motsatt vei. bruker man elektrisk energi til å sette i gang en redoksreaksjon. Derfor kan vi forklare reaksjonslikningen ovenfor som en reduksjon og en oksidasjon som skjer samtidig. Ved elektrolyse vil de to reaksjonene, reduksjonen og oksidasjonen, skje ved hver sin pol, som er koblet til en likespenningskilde. Siden elektrolyse går ut på å tvinge elektroner til å gå motsatt vei av det som skjer spontant, kan man se for seg at likespenningskilden transporterer elektroner fra positiv til negativ pol.

 

Den negative polen har et overskudd av elektroner (det er dette som gir den negativ ladning). Her tar vannmolekylene til seg elektroner og det skjer en reduksjon. Man kan se for seg at ett av hydrogenatomene tar opp et elektron (og oppfyller oktettregelenRundt atomkjernene svever elektronene i lag (skall). Det innerste skallet kan kun inneholde to elektroner, mens resten inneholder åtte. Oktettregelen sier at ethvert atom søker etter å ha det ytterste skallet «fylt opp», det vil si at det ønsker å ha åtte elektroner i det ytterste skallet, eller to, om det kun er ett skall.). Da splittes det fra resten av vannmolekylet, som da bare blir OH-. To og to frie hydrogenatomer slår seg sammen og danner hydrogengass. Når denne reduksjonen skjer, får vi altså hydrogengass ved den negative polen. Dette kan forklares med reaksjonslikningen nedenfor:

$$\text{2H}_2\text{O} + \text{2e}^- \enspace \to \enspace \text{H}_2 + \text{2OH}^-$$

 

Den positive polen har et underskudd av elektroner. Her oksiderer vannmolekylene. Hydrogenatomene gir fra seg sine elektroner, og vannet beholder sine. To og to oksygenatomer slår seg sammen og danner oksygengass. Dette kan forklares med reaksjonslikningen nedenfor.

$$\text{2H}_2\text{O} \enspace \to \enspace \text{O}_2 + \text{4H}^+ + \text{4e}^-$$

 

Disse to reaksjonslikningene kan kombineres og forenkles slik at vi står igjen med likningen vi hadde tidligere:

$$\text{2H}_2\text{O} \enspace \to \enspace \text{2H}_2 + \text{O}_2$$

 

Hvordan kommer man fram til denne reaksjonslikningen?

Vi har to reaksjoner som vi ønsker å kombinere til én:

  • Reduksjon: \({\text{2H}_2\text{O} + \text{2e}^- \enspace \to \enspace \text{H}_2 + \text{2OH}^-}\)
  • Oksidasjon: \({\text{2H}_2\text{O} \enspace \to \enspace \text{O}_2  + \text{4H}^+ + \text{4e}^-}\)
  • Totalreaksjon: \({\text{6H}_2\text{O} + \text{4e}^- \enspace \to \enspace \text{2H}_2  + \text{4OH}^- + \text{4e}^- + \text{4H}^+ + \text{O}_2}\)

 

Denne reaksjonen kan forenkles. Vi kan først ta vekk elektronene ( \(\text{4e}^-\) ) fordi det er like mange på hver side. Dette gir oss følgende likning:
$$\text{6H}_2\text{O} \enspace \to \enspace \text{2H}_2 + \text{4OH}^- + \text{4H}^+ + \text{O}_2$$

Videre vil syren og basen nøytralisere hverandre og danne vann ( \({\text{4OH}^- + \text{4H}^+ \to \text{4H}_2\text{O}}\)) slik at vi står igjen med følgende:
$$\text{6H}_2\text{O} \enspace \to \enspace \text{2H}_2 + \text{4H}_2\text{O} + \text{O}_2$$

Tar vi vekk de fire vannmolekylene står vi igjen med samme likning som vi hadde tidligere:
$$\text{2H}_2\text{O} \enspace \to \enspace \text{2H}_2 + \text{O}_2$$

 

Fremstilling av hydrogen med fossile energikilder

Hydrogen fremstilles i dag hovedsakelig fra naturgass gjennom en prosess som kalles dampreformering. Per i dag, er dette den vanligste metoden å fremstille hydrogen. Her reagerer metangass og vanndamp under høyt trykk og høy temperatur, og danner hydrogengass og karbondioksid. Dette kan beskrives med den forenklede reaksjonslikningen nedenfor:

 

\({\text{metangass } + \text{vanndamp } \enspace \to \enspace \text{hydrogengass } + \text{karbondioksidgass}}\)

\({\text{CH}_4\text{(g)} + \text{2H}_2\text{O(g)} \enspace \to \enspace \text{4H}_2\text{(g)} + \text{CO}_2\text{(g)}}\)

 

Illustrasjon: UngEnergi

Som du ser, er klimagassen \(\text{CO}_2\) et sluttprodukt i reaksjonen. Når det kommer til spørsmål om denne prosessen er miljøvennlig eller ikke må man se på hva som gjøres med \(\text{CO}_2\)-en etterpå. Slippes den ut i atmosfæren vil ikke en slik fremstillingen av hydrogen føre til reduserte klimagassutslipp. Likevel er det mulig å lagre \(\text{CO}_2\) i berggrunnen slik at gassen ikke slipper ut i atmosfæren. Med dagens teknologi kan omtrent 90% av \(\text{CO}_2\)-en fanges. Denne måten å fremstille hydrogen og deretter lagre \(\text{CO}_2\)-en, kaller vi «blå hydrogen».

 

Oppsummering

Vi konkluderer med å svare på spørsmålene vi stilte i innledningen. Det er et ønske om å bruke hydrogen som energibærer fordi hydrogen er universets mest vanlige grunnstoff, og det har lett for å reagere med oksygen til energi og vann. Men for å kunne bruke hydrogen som energibærer, må vi framstille det. Dette kan gjøres uten klimagassutslipp, for eksempel gjennom elektrolyseElektrolyse er en kjemisk metode der vi bruker likestrøm til å framstille grunnstoffer i fri tilstand fra kjemiske forbindelser. Når man lader opp et batteri bruker man elektrolyse. I en brenselcelle går prosessene motsatt vei. av vann og dampreformering av metan.

 

Hvis du ønsker å lære mer om hvordan man lagrer og bruker hydrogenet etter å ha fremstilt det, kan du sjekke ut vår tekst om dette her. Er du interessert i å lære om hydrogenbilen, kan du lese mer her (UngEnergi.no).

 

Forsøk: Elektrolyse av vann

Film: Universitetet i Bergen

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer