Mange drømmer om hydrogensamfunnet, der rent hydrogen kan produseres og lagres effektivt, for deretter å brukes som brennstoff for å lage elektrisk strøm. Når hydrogen forbrenner, er avgassen rent vann. Men det gjenstår noen forskningsutfordringer før hydrogensamfunnet er realiserbart og økonomisk.

Nanoteknologi står sentralt både når det gjelder produksjon, lagring og bruk av hydrogen. Norske forskere studerer alle disse etappene, og de er blant de ledende i verden på sitt felt.

Superfilter for å lage rent hydrogen

Den første etappen handler om å produsere hydrogen. Dette kan gjøres ved å bruke energi til å splitte vann til hydrogen og oksygen. Men for å fremstille store mengder hydrogen, er det billigere å utvinne det fra naturgass. Når naturgass blandes med vann får man hydrogen og karbondioksid, og utfordringen blir da å skille disse på en effektiv måte.

I forbindelse med en Nano-konferanse i Bergen i forrige uke, presenterte Rune Bredesen ved SINTEF i Oslo forskning på membraner, eller “filtre”, som selektivt slipper gjennom rent hydrogen.

Forskere fra SINTEF, UiO og NTNU har lykkes i å fremstille skikt som bare er noen få mikrometer tykke, og som består av en blanding av edelmetallene palladium og sølv. Skiktene fremstilles ved at en silisiumoverflate “bombarderes” med atomer av de to metallene på en kontrollert måte. Til tross for at de er så tynne, er de stabile nok til å tåle et gasstrykk på 26 bar.

- Når en gass-strøm med et trykk på 26 bar treffer membranen, vil gjennomstrømningen av hydrogen være to til tre ganger høyere enn det som er målt med noen andre membraner, sier Bredesen.

- Vi har med andre ord verdensrekorden i å skille rent hydrogen fra en gass-blanding.

Studier på noen av strukturene viser at hydrogengjennomstrømningen kan forbedres ytterligere ved varmebehandling, og forskerne jobber videre med dette.

- Resultatene åpner for en mer effektiv utvinning av rent hydrogen fra naturgass enn det som har vært mulig til nå, konkluderer Bredesen.

Nye materialer til lagring av hydrogen

Det neste steget er å lagre hydrogengassen til man skal bruke den for å lage strøm. Det finnes forskjellige måter å lagre hydrogen på. En måte er å fylle gassen i en tank med høyt trykk, en annen måte er å lagre hydrogen ved svært lav temperatur, der det blir flytende. Ingen av disse mulighetene er særlig godt egnet til hydrogenlagring i fremtidens hydrogenbiler.

De siste årene har en rekke andre lagringsmuligheter blitt studert. Aktuelle kandidater er faste, porøse materialer, der hydrogenatomene legger seg innimellom atomene i det faste stoffet. Metallhydrider er blitt mye studert, men disse er foreløpig for tunge til å kunne plasseres i en bil.

- En ny familie av lovende kandidater er alanater, det vil si forbindelser som inneholder aluminium, sier Ole Martin Løvvik ved Institutt for energiteknikk (IFE) og UiO.

- Målet er å finne et material som kan ta opp en størst mulig vektprosent av hydrogen ved en temperatur som ligger rundt 100 grader.

For å unngå at leteprosessen kun blir prøving og feiling, gjør Løvvik teoretiske beregninger som skal øke forståelsen av opptaket av hydrogen i disse materialene.

- Målet med beregningene er todelt, sier Løvvik.

- På den ene siden leter vi gjennom nye materialsystemer for å se om vi kan finne bedre kandidater enn vi har i dag. På den andre siden ser vi på hvordan vi kan forbedre ytelsen til dagens strukturer, for eksempel ved å tilsette små mengder av grunnstoffet Titan.

For å kjøre en hydrogenbil 500 km, trenger man cirka fem kilo hydrogen i tanken. Hvis hydrogenet lagres i natriumalanat, som per i dag er det materialet som kan lagre mest hydrogen, gir dette en tank som veier 200 kilo.

- Vi er på vei i riktig retning, men dette må fremdeles forbedres, sier Løvvik.

Fra hydrogen til strøm

I siste etappe skal hydrogen forbrennes for å danne elektrisk strøm. Dette gjøres i en brenselcelle, som fungerer etter samme prinsipp som et batteri. Her reagerer hydrogen med oksygen og danner vann, og energien som blir frigjort kommer ut som elektrisitet.

- I mange år har forskere studert brenselceller der negative oksygenioner leder strømmen inne i cellen. Vi ser på helt andre systemer, der det er de positive hydrogenionene som leder strømmen, forklarer Truls Norby fra UiO.

Systemene som forskerne studerer, kalles oksyder, det vil si forbindelser mellom oksygen og et metall. De positive hydrogenionene, eller protonene, hopper fra atom til atom inne i materialet.

- Strukturene vi ser på, har mange fordeler i brenselceller sammenlignet med det tradisjonelle systemene som er blitt studert tidligere, sier Norby. Blant annet vil brennstoffet utnyttes bedre i våre brenselceller, den maksimale effekten er høyere og ytelsen er bedre, legger han til.

Oslomiljøet, med UiO og SINTEF i spissen, er verdensledende på bruk av disse strukturene i brenselceller. Til sammen har de norske miljøene flere patenter både på materialene og prosessen. Nå går forskerne med tanker om å kommersialisere de svært lovende resultatene.