- Vi trenger et kvantesprang, innrømmer Magnus H. Sørby.

Sammen med andre forskere på Institutt for Energiteknikk (IFE) på Kjeller, jobber han med å virkeliggjøre drømmen om hydrogensamfunnet.

Tenk deg biler som ikke slipper ut noe annet enn ren vanndamp, eller skip og trailere som ikke forurenser atmosfæren.

Dette kan bli virkelighet, hvis hydrogen en dag erstatter bensin og diesel som drivstoff. Men først må et stort hinder passeres.

Dårligere enn bensin

Foreløpig finnes det nemlig ingen måter å lagre hydrogen på, som gir like kompakt og effektiv energi som bensinen i en bensintank.

- Skal hydrogen ta over for fossilt brennstoff, må vi finne lagringsformer som ikke er særlig dårligere enn dagens løsninger, sier Magnus H. Sørby.

Han har en doktorgrad i kjemi fra Universitetet i Oslo, og har vært tilknyttet IFE siden 2005.

Som et batteri

Det er lett å la seg begeistre av tanken om et drivstoff som ikke skader miljøet. Men dessverre løser hydrogen i seg selv ikke verdens behov for ren energi.

Hydrogen er nemlig ingen energikilde, bare en energibærer, akkurat som et batteri. Det mest aktuelle er å produsere hydrogen fra naturgass, som også gir utslipp av CO2.

Hydrogen kan også produseres ved hjelp av elektrolyse, men da trengs det elektrisk kraft. Hvis kraften kommer fra et forurensende kullkraftverk, er man like langt, i forhold til miljøhensynene.

Håndtere CO2

- Men med tanke på blant annet CO2-håndtering, vil det likevel være en fordel med færre, store utslippspunkter, enn mange små, poengterer Magnus H. Sørby.

Argumentet er at det er enklere å finne løsninger som håndterer utslipp fra ett enkelt kraftverk som produserer hydrogen, enn fra tusenvis av bilmotorer som går på bensin eller diesel.

Men før dette kan bli virkelighet, må forskerne altså finne en sikker, effektiv og praktisk måte å få hydrogen på tanken.

Tre metoder

I hovedsak finnes det tre måter å lagre hydrogen på:

Komprimert hydrogen

Denne lagringsformen er kommersielt tilgjengelig i dag, og det er utviklet flere bilmodeller beregnet på hydrogen i komprimert gassform. Ulempen er at hydrogengass er relativt vanskelig å komprimere, slik at tankene inneholder lite gass i forhold til tankens egenvekt. Det betyr mange og svært plasskrevende tanker i bilen, eller få tanker men desto dårligere rekkevidde.

Flytende hydrogen

Denne lagringsformen har mange fordeler, blant annet lav egenvekt og stort hydrogenvolum i tankene. En slik lagring vil gi en hydrogenbil god rekkevidde. Problemet hydrogen går over i flytende form først ved minus 253 grader celsius. En så sterk nedkjøling krever mye energi, og svært avanserte tanker.

Hydrogen i fast stoff

Denne lagringsformen blir av mange sett på som den eneste realistiske for å virkeliggjøre hydrogensamfunnet. Hydrogenet lagres i et fast stoff, gjerne metallhydrider, og hentes ut ved behov. Dette gir en kompakt og svært sikker lagring, uten behov for trykktanker eller kraftig nedkjøling.

Det er nettopp denne lagringsformen forskerne ved IFE på Kjeller jobber med.

Som en svamp

- Prinsippet kan sammenlignes med en svamp. Akkurat som svampen har den egenskapen at den kan suge opp vann, har noen metallforbindelser den egenskapen at de kan suge opp hydrogengass, sier Magnus H. Sørby.

De aktuelle metallhydridene har nemlig den egenskapen at de dannes ved en direkte reaksjon med hydrogengass, og opptar gassen, selv ved et moderat trykk.

Faktisk har det vist seg at hydrogenet på denne måten kan lagres enda mer kompakt enn som rent, flytende hydrogen.

Varmes opp

Men det holder ikke bare at et metallhydrid klarer å holde på hydrogenet. Poenget er at prosessen må være reversibel, altså at metallhydridet gir fra seg hydrogenet igjen ved behov.

- Dette skjer ved oppvarming. Det ideelle er metallforbindelser som ikke må varmes opp mer enn til hundre grader celsius, sier Magnus H. Sørby.

Holde på vekten

Prinsippene bak lagring av hydrogen i et fast stoff er altså velkjent. Utfordringen ligger i å finne en metallforbindelse som fungerer godt i praksis.

Dette er dette forskerne ved IFE konsentrerer seg om, og et stikkord er vektprosent.

Med det menes hvor mange prosent som er rent hydrogen, i forhold til vekten av selve lagringsmediet.

Tung tank

I mange av metallhydridene det hittil har vært forsket på, har hydrogenet bare utgjort rundt to prosent av den totale vekten.

Ulempen blir åpenbar hvis man tenker seg en vanlig bil der bensintanken veier 100 kilo, og bare rommer to kilo flytende bensin.

Nytt håp

Det Magnus H. Sørby og flere andre forskere ved IFE nå jobber med, er derfor å finne nye, mer egnete metallforbindelser.

De ser etter et metallhydrid som både er lett, og godt egnet til både å ta opp og avlevere hydrogen.

Nå er det grunnstoffet bor som vekker størst interesse blant forskerne på Kjeller.

Lett grunnstoff

- Hovedfordelen med bor er at det er et av de letteste grunnstoffene. Det gjør det mulig å lage borbaserte forbindelser med høyt vektmessig innhold av hydrogen, forklarer Østby.

Det er allerede påvist borforbindelser som kan holde på over 18 vektprosent hydrogen. Problemet er at de samme forbindelsene ikke oppfyller flere av de andre kravene materialet må, for å være praktisk i bruk. 
 

Blant annet krever borforbindelsene relativt sterk og energikrevende oppvarming, før de gir fra seg hydrogenet igjen. Derfor fortsetter forskerne ved IFE på Kjeller å lete.

- Det vi håper er å finne andre borhydrider med egenskaper som er egnet, sier Østby.

Globalt kappløp

Forskere over hele verden deltar nå i kappløpet om finne en praktisk måte å lagre hydrogen i fast form.

En viktig pådriver er bilindustrien, som tvinges til å produsere biler med stadig lavere utslipp.

I dette racet har de norske forskerne en stor fordel: Enkel tilgang til atomreaktoren på Kjeller; JEEP II.

Røntgen

Den mest fundamentale egenskapen ved et materiale er dets oppbygging på atomnivå. Dette kalles også krystallstrukturen.

Den vanligste måten å avdekke krystallstrukturen på, er å se hvordan røntgenstråler spres i møtet med materialet.

- Men med lagringsmaterialer for hydrogen er dette ofte ikke mulig, forklarer Sørby.

Årsaken er at hydrogenatomer er så lette, at de nesten ikke påvirker røntgenstrålen. Det er her JEEP II-reaktoren er uvurderlig.

Som en stråle

For å avdekke krystallstrukturen i metallhydrider for lagring av hydrogen, sender forskerne nemlig nøytroner, eller knøttsmå kjernepartikler, gjennom materialene.

- Nøytronene har nemlig den egenskapen at de påvirkes omlag like mye av de lette atomene som av de tunge, sier Sørby.

Disse nøytronene ledes ut av atomreaktoren JEEP II.

- Svært uvanlig

- I nordisk sammenheng er tilgang på reaktoren helt unikt, siden det ikke finnes andre nøytronkilder i Norden. Det er også svært uvanlig i verdenssammenheng at en forskningsgruppe disponerer en nøytronkilde på den måten vi gjør, forteller Magnus H. Sørby.

Derfor mener han at IFE er verdensledende når det gjelder forskning på den atomære strukturen til metallhydrider.

- Uendelige muligheter

Selv om letingen etter det perfekte metallhydridet er lite som må lete etter nåla i høystakken, er Sørby optimist.

- Jeg er ikke i tvil om at det er mulig å finne en tilfredsstillende løsning for lagring av hydrogen i fast stoff. Kombinasjonsmulighetene innen kjemien er uendelige, så vi må bare lete lenge nok, sier han.

Men å spå om hvor lang tid det vil ta, er vanskelig.

- Det kan kanskje ta fem år, hvis vi er heldige. Men det kan også ta tretti år, eller mer, sier Sørby.

Inntil forskningen bærer frukter, er det mye som tyder på at hydrogensamfunnet må stå på vent.