Medens energi indholdet i kul og olie er meget koncentreret, og disse produkter nemt lader sig transportere med skib og jernbane ved omgivelsernes tryk og temperatur, er brint en mere flygtig og besværlig kilde til energi.
Intentionen er at bruge den overskydende energi, når vinden blæser for meget, til at fremstille brint med elektrolyse, og bruge denne brint som brændsel i særlige power-to-X kraftværker på senere tidspunkter, når vinden blæser for lidt, til at fremstille strøm, og således udligne den ubalance i strømforsyningen, som skabes af det skiftende vejrlig. Da tidspunktet for den forventede produktion af brint således vil være forskellig fra tidspunktet for forbrug, skaber det et opbevaringsproblemproblem.
1. Opbevaring af brint i traditionelle tanke ved omgivelsers temperatur
Et stort problem med sol og vind som energikilde er at vindmøller og solcelleparker producerer elektricitet som vinden blæser og skyerne driver, medens behovet for elektricitet er nogenlunde konstant. Det bringer lagring af energi ind i billedet.
Den grønne omstillings disciple forestiller sig at de kan bruge den overskydende strøm, som genereres af vindmøller i perioder, hvor vinden blæser og solen skinner for meget, til at producere store mængder af brint, som derefter skal lagres og efterfølgende, i perioder, hvor vinden ikke blæser, bruges som brændsel i store Power-to-X brintkraftværker. På den måde forestiller de sig at de kan skabe en stabil elforsyningen på trods af vejrets omskiftelighed.
Bathyscaphe Trieste er et italiensk-bygget forskningsfartøj beregnet til dybe dyk med en besætning på to mand. Som det første nogensinde nåede den i 1960 bunden af Marianergraven nær Guam, hvor der er en dybde på omkring 10.911 meter og et tryk på knap 1100 bar. Fartøjet var ført af den schweiziske havforsker Jacques Picard og den amerikanske flådeløjtnant Don Walsh. Det består af en stor tank fyldt med benzin, hvorunder der er ophængt en kugleformet mandskabskabine med en diameter på 2 meter. Benzinen, der er lettere end vand, giver fartøjet opdrift, medens dets usammentrykkelighed modstår trykket fra det omgivende vand uden at kræve en tung trykbeholder. Den kugleformede mandskabskabine er lavet i stål og har en klædningstykkelse på 127 mm for at modstå trykket. Foto U.S. Navy Electronics Laboratory, San Diego, California. Wikipedia.
Et af problemerne ved lagring af brint skyldes at den er det periodiske systems mindste molekyle. Medens 1 kg naturgas fylder omkring 1 M3 ved stuetemperatur og 1 atmosfæres tryk, fylder 1 kg brint 11 M3. Derfor skal brint komprimeres til et meget højt tryk, typisk 250-700 bar (atmosfærer), for ikke at fylde for meget ved opbevaring. 700 bar anses almindeligvis for at være et interessant kompromis mellem tankens indhold af energi og dens tryk og volumen.
700 bar svarer til trykket i 7 km dybde, for eksempel i Marianergraven ud for Filippinerne, og det er nemt at indse at for at modstå et sådant tryk skal beholdere, rør, ventiler og målere for brint dimensioneres med meget stort materiale forbrug og testes meget omhyggelig, hvilket er fordyrende også i forhold til naturgastanke, som typisk kan arbejde ved 200 bar (CNG Compressed Natural Gas).
Brintrevner i grundmateriale. Foto Gevernova.
Da brintmolekylet er så lille, skal alle rør, fittings og målere i en lagertank for brint være ekstremt tætte, hvilket også vil være fordyrende i forhold til for eksempel tanke for naturgas.
Et tredje problem er de såkaldte brintrevner, som har været kendt længe i forbindelse med svejsning af især stål. Den flydende smelte under svejsning kan opløse ret store mængder brint (fra fugtighed) på samme måde som sodavand - og vand i det hele taget - kan opløse store mængder af CO2. Når svejsesmelten størkner, vil den opløste brint blive fanget i selve materialet og efter nogle timer samle sig i "bobler" med et enormt tryk, som kan få materialet til at revne på karakteristiske måder.
Det er påvist at brintmolekyler også kan diffundere ind i materialer i fast form uden at der er tale om svejsning, for eksempel ved et meget højt brinttryk, og derved skabe revner på tilsvarende måder som ved svejsning. Det vil man søge at modvirke ved at vælge materialer, som ikke er så tilbøjelige til at få brintrevner. Men det vil jo typisk være mindre hårde og dermed mindre stærke materialer, hvilket indebærer yderligere øget dimensionering og dermed øget materiale forbrug i forhold til almindelig valset kulstofstål.
En anden måde at søge at undgå brintrevner på er ved at male tanke og rør indvendig med en polymer maling, som brint ikke kan diffundere igennem. Her er problemet at det kan være svært, måske umuligt, at kontrollere malingens kvalitet indvendig i små rør.
Tanke og rør for brint har kun været i fokus i nogle få år, og reelt har vi ingen viden om, hvorledes mulige brintrevner kan udvikle sig eller ikke udvikle sig, for eksempel over en tiårig periode.
Men disse tekniske problemer er bagateller i forhold til problemet med skala, altså mængder, relateret til den anvendelse af brinttankene, som den grønne omstillings disciple har tænkt sig. En "tankfarm", som skal indeholde brint til blot 14 dages dansk elproduktion i de planlagte Power-to-X kraftværker, vil blive enorm.
Sådan en sfærisk tank fra Ishii Iron Works har en diameter på omkring 16 m. Hvilket medfører at hver tank har et volumen (V = 4/3*π*8*8*8) på omkring 2144 M3.
Hvor mange tanke i tykt stål af den slags skal vi have for at opbevare brint komprimeret til 700 bar ved 20℃ til brændsel for 14 dages elforsyning for Danmark? 3.155.039/2144 = 1.472 stk.
Den nedre brændværdi for brint er 33,3 kWh/kg, altså 33,3 Mwh/ton. Det vil sige at ved afbrænding af brint i de forventede fremtidige Power-to-X kraftværker vil vi få 33,3*0,8*0,45 = 12,0 Mwh elektrisk energi per ton brint ud af anstrengelserne. Hvor 0,8 er den estimerede virkningsgrad ved selve varmefrembringelsen (Dyse eller lign) og 0,45 er virkningsgraden ved fremstilling af strøm med dampturbine, idet det meste jo bliver til fjernvarme. Det er et fremtidsestimat, idet Power-to-X kraftværkerne ikke er konstruerede endnu.
Danmarks elforbrug i 2024 var 38,2 Twh altså 38.200.000 Mwh. Altså for 14 dage 38.200.000*14/365 = 1.465.205 Mwh.
Det vil sige at den nødvendige mængde brint for at holde Danmark forsynet med el i 14 dage uden vind og sol vil da blive: 1.465.205/12 = 122.100 ton brint.
Komprimeret brint ved 700 bar og 20℃ har en vægtfylde på 38,7 kg/M3 altså 0,0387 ton/M3, hvilket vil sige at brintforbruget til at forsyne Danmark med el i 14 dage vil fylde: 122.100/0,0387 = 3.155.039 M3.
2. Opbevaring af nedkølet brint som væske
Vi kender LNG, som betyder Liquefied Natural Gas, fra LNG-tankskibe, som bringer nedkølet naturgas fra felterne ved Qatar til de store byer i Sydøstasien, og fra de amerikanske fracking felter til de europæiske byer.
Kugleformet tank til opbevaring af flydende brint på NASA Spacecenter. Flydende brint og flydende oxygen bruges til raketopsendelser.
I store og meget dyre terminaler bliver naturgas køles ned til -162℃ og bliver derved til en væske, som kan pumpes ombord på de dertil designede LNG-tankskibe. Vi har ikke sådanne terminaler i Danmark, den nærmeste ligger i Rotterdam.
Når naturgassen er omdannet til væske, vil den kun fylde omkring 2 promille af volumen af den oprindelige gas ved standard en atmosfæres tryk, hvilket indlysende er en enorm fordel ved transport - men også i forhold til opbevaring.
Nu kan man forestille sig på lignende måde at køle brint ned til dets kogepunkt og derved omdanne den til væske, som fylder langt mindre ved opbevaring.
Det er teoretisk muligt, og det bliver også gjort, dog i mindre skala og forbundet med store omkostninger. For eksempel bruges flydende brint som raketbrændstof.
Brint skal nedkøles til -253℃ for at blive flydende. Det er kun 20℃ over det absolutte nulpunkt.
Der skal i praksis bruges omkring 10-13 kWh/kg for at nedkøle den hele vejen fra omgivelses temperatur til flydende tilstand - modregnet fortætningsenergien - siges det. Sammenlignet med dens nedre brændværdi, som er 33,3 kWh/kg, ses det således at være en ret uøkonomisk proces.
Vægtfylden af flydende brint er 70.85 kg/M3 ved -253℃ altså 0,07085 ton/M3.
Vi så ovenfor at vi skal bruge 122.100 ton brint som brændsel i de fremtidige Power-to-X kraftværker for at forsyne Danmark med el i blot 14 dage. Hvor meget vil den fylde som flydende brint ved -253℃? 122.100/0,07085 = 1.723.359 M3.
I 2018 skiftede NASA Spacecenter køleprincip for tanke med flydende hydrogen.
Til venstre ses det oprindelige princip: Den flydende brint koger konstant og den derved frembragte gasformede brint lukkes ud gennem ventilen for oven for ikke at øge trykket. Det kan sammenlignes med en gryde med vand på komfuret, der koger konstant og derved mister volumen. Her kan man ikke slukke for varmen, da det er varmt i Florida.
Til venstre ses deres nye princip, hvor beholderen er lukket og den flydende brint bliver kølet med en kølevæske tilført ude fra. Det virker indlysende, men problemet må være at finde en kølevæske, som stadig er flydende under -253℃. Foto NASA Spacecenter.
Det er ikke en meget dramatisk reduktion i forhold til volumen ved 20℃ og 700 bar, men trykket er i følge sagens natur reduceret til lidt over en bar, hvilket gør at tankene kan dimensioneres meget lettere. Men til gengæld skal det være hyper isolerede og aktivt kølede tanke.
Og hvor mange sfæriske tanke på størrelse med Ishii Iron Works tanke, som vist ovenfor, skal vi da bruge for opbevare flydende brint beregnet til brændsel i de fremtidige power-to-X kraftværker til at generere el til Danmark i blot 14 dage? 1.723.359/2144 = 804 stk.
Det japanske Kawasaki Heavy Industries Ltd. har faktisk bygget et tankskib for flydende brint ved navn Suiso Frontier. Som det ses er det ikke særlig stort. Det må ses som en sejlende reklame for Kawasaki koncernens ingeniørmæssige formåen. Foto The Asahi Shimbun.
Det lyder som et ingeniørmæssigt mareridt at holde næsten tusind tanke nedkølede til kun 20 grader over det absolutte nulpunkt under sommerens bagende sol. Og det vil med meget stor sikkerhed også være et økonomisk mareridt. Vi har for eksempel slet ikke medregnet drift og afskrivning af de meget dyre terminaler, som der formentlig skal til for at omdanne gasformet brint til flydende brint og tilbage.
3. Opbevaring af brint i hulrum i salthorste
Så kan man forestille sig opbevare brinten ved et moderat tryk i hulrum skyllet ud i underjordiske salthorste.
I den geologiske periode, som kaldes Perm - for 300 millioner år siden - befandt den del af jordskorpen, som omfatter Danmark, sig på bredde med nutidens Sahara. Den gang var alle Jordens kontinenter samlet i en eneste stor landmasse, som vi kalder Pangæe, hvor der i følge sagens natur herskede et skrækkeligt fastlandsklima, langt værre end det, som vi i dag kender i Eurasiens indre, og værre end noget skrækscenarie, som alarmisterne kan fremmane.
Naturgaslageret i Lille Torup. Foto Ugeavisen.
Et stort landområde blev regelmæssigt oversvømmet af et lavvandet hav og lige så regelmæssigt udtørret igen, med det resultat at der aflejrede sig meget store mængder salt. I de følgende milliarder år blev saltet dækket af andre aflejringer, som med deres vægt pressede saltet mod overfladen gennem huller i de overliggende lag, som man presser tandpasta ud af en tube. De kaldes salthorste, og der findes adskillige i Danmark.
Faktisk driver Energinet et underjordisk naturgaslager i en salthorst, nemlig i Lille Torup ved Viborg. De fortæller at de i Lille Torup netop er ved at omdanne et af deres gaskaverner til lager for brint, der skal være et bufferdepot med henblik på elproduktion i perioder, hvor vinden ikke blæser og solen ikke skinner.
Som beregnet ovenfor skal der bruges mindst 122.100 ton brint som brændsel i de fremtidige power-to-X kraftværker - som end ikke er konstrueret endnu - for at generere el til Danmark i blot 14 dage.
Der er grund til at antage at brinten vil blive lagret ved et tryk på omkring 100 bar i et underjordisk hulrum for at forhindre at kavernen vil blive fyldt op med vand.
Vægtfylden af brint ved 100 bar og 20℃ er 7,806 kg/M3, som er 0,0078 ton/M3. Det nødvendige kavernerumfang vil da blive 122.100/0,0078 = 15.653.846 M3.
Tidsskriftet ingeniøren oplyser at i Lille Torup råder de over 7 kaverner 300 meter høje og 55 m i diameter, hvilket giver et totalt rumfang på 7*π*27,5*27,5*300 = 4.986.713 M3, hvilket kun giver plads til brint for knap 5 dages elproduktion for Danmark i tilfælde af at vinden ikke blæser og solen ikke skinner.
Dette opbevaringsalternativ forekommer dog lidt mindre urealistisk end at opbevare brinten i forskellige tanke.
Desuden råder Energinet over naturgaslager Stenlille mellem Holbæk og Sorø, hvor naturgassen pumpes ned i porøse sandstenslag. Det er dog usikkert om denne opbevaringsmetode er velegnet for brint med de små brintmolekyler.
Lille Torup underjordiske naturgaslager med 7 kaverner. Foto Ingeniøren.
Desuden salthorste ligger, hvor Gud har besluttet at de skal ligge. Nu ligger der altså en i Lille Torup ved Viborg. Men hvis den skal indeholde brint til 14 dages elproduktion i Danmark, så foreligger der et alvorligt transportproblem.
Brint matadorerne forestiller sig at elektrolyseanlæggene til produktion af brint skal ligge som en perlerække langs Vestkysten, klar til at modtage strøm fra hundredvis af havvindmøller. Hvordan skal hundrede tusind ton brint komme fra disse fremtidige elektrolyseanlæg til Lille Torup ved Viborg? Måske med en uendelig karavane af tankbiler? Desuden, når dagen oprinder, hvor vinden ikke blæser og solen ikke skinner, og der bliver brug for brinten i undergrunden i de fremtidige Power-to-X kraftværker, hvordan skal brinten så komme fra Lille Torup til Power-to-X kraftværkerne?
OK, man kan bygge et Power-to-X kraftværk på marken i Lille Torup, men så skal strømmen jo sendes rundt omkring til hele Danmark fra Lille Torup, og det er stærkstrømsnettet ikke designet til.
Det er svært at undertrykke en mistanke om at nogle holder gryden i kog med alle disse populære brint historier med det formål at få del i de mange millioner, som EU uddeler til brintprojekter.
