Kapittel 13: Energilagring - Hydrogen og litium

Odne S. Burheim er professor ved NTNU innen fornybar energi, spesielt knyttet opp til energilagring, energiproduksjon og energibruk. Han har forsket i flere år ved mange internasjonale, høyt anerkjente institusjoner i Europa og i Nord-Amerika. Han har blant annet gitt ut en internasjonal lærebok innen energilagring og har flere publikasjoner og industrisamarbeider innen både hydrogenteknologi og litiumbatteriteknologi.

Denne artikkelen er hentet fra boken Teknologien endrer samfunnet utgitt på Fagbokforlaget i 2017 (ISBN 978-82-450-2297-1).

Boken kan bestilles her: https://www.fagbokforlaget.no/sok/?q=978-82-450-2297-1

Energiproduksjon må tilpasses variasjoner i etterspørsel

Litium-ion-batteriteknologi og hydrogen- og brensel- celleteknologi kan muliggjøre en storstilt innfasing av vind- og solenergi i vår energimiks. På denne måten kan vi få en effektiv energitilgang i bygninger og samtidig bruke bil med samme opplevelse som i dag. Med Li-ion-batteri og litiumteknologi mener vi her batterier som benyttes i moderne oppladbar elektronikk som mobiltelefoner, PC-er, nettbrett og elektriske biler. Med hydrogenteknologi mener vi brenselceller som benytter hydrogen, slik som den vi finner i en Toyota Mirai.

For å forstå sammenhengene mellom energiproduksjon og forbruk må vi vurdere i) hvordan energi produseres og forbrukes ii) hvordan energi lagres og iii) hvilke teknologier som muliggjør produksjon, forbruk og lagring (O.S. Burheim, «Engineering Energy Storage», Elsevier Academic Press, 2017).

Som forbrukere av energi er det i hovedsak to kilder vi direkte benytter oss av: elektrisk energi og kjemisk energi. Elektrisk energi kjenner vi tradisjonelt som elektrisitet i hjemmet, og kjemisk energi kjenner vi i hovedsak som bensin, diesel, flybensin og ved. I tillegg har de fleste av oss fattet bekjentskap med elektrokjemisk lagring av energi i batterier til biler og elektrisk utstyr, der elektrisk energi lagres kjemisk i et batteri. Elektrokjemisk energilagring er noe vi kommer til å se mye mer av, både i batterier og i form av hydrogen.

Tradisjonelt har elektrisitet vært produsert i sentraliserte kraftverk og fordelt til kundene gjennom et nettverk. I et forsøk på å øke andelen fornybar energi, har vi gjennom politiske reguleringer gjort det gunstig for forbrukerne å investere i egenproduksjon av strøm, og da gjennom solceller. Med årene er både solceller og vindenergi blitt rimelig å investere i, og deres ande i elektrisitetsmiksen har økt, se figur 1 (t.v.). Når slikt produksjonsutstyr er installert, er det lave driftskostnader. Lave marginalkostnader innebærer at energimarkedet endrer seg. Den nye billige energien utkonkurrerer de etablerte teknologiene i perioder. Endringen har allerede begynt, og fornybar energiproduksjon er i kraftig vekst.

Figur 1 Andel av elektrisk energi fra fornybare energikilder utenom vannkraft (t.v.) og en oversikt over levert strøm fra sentraliserte kraftverk gjennom et januardøgn i California, USA (t.h) (The Economist, February 25th–March 3rd, 2017).

Tradisjonell energiproduksjon (kull-, olje-, gass-, kjerne- eller vannkraft) og nyere typer (vind- og solenergi) forutsetter avskrivningstider på 20–30 år eller mer. Om det skapes tvil rundt avkastningen i denne sektoren, kan det gi ringvirkninger for flere tiår. Det er en delikat politisk og energisikkerhetsmessig problemstilling.

Investeringene i fornybar energi øker rundt om i verden. Sterke døgnsvingninger er i ferd med å etablere seg – ikke fordi vi bruker energi annerledes, men fordi vi bruker energi fra de store energiproduksjonsenhetene annerledes, og fordi mange brukere selv produserer energi.

Figur 1 (t.h.) viser strømforbruket over en døgnsyklus i California. I 2012 hadde de en tradisjonell etterspørsel med en liten topp i elektrisitetsbehovet om morgenen når husstandene skulle i gang med ulike gjøremål, og en ny topp på kveldstid når husstandene igjen samlet seg og sine til hjemlige aktiviteter. I løpet av de siste fem årene har imidlertid mange investert i solceller på hustak og industribyggtak. Dette gjør at når solen står opp og forbrukerne våkner til live, går elektrisitetsbehovet fra sentralnettet ned i stedet for å øke. Utover dagen med økt solcellestrømproduksjon og et redusert forbruk går etterspørselen av strøm fra sentraliserte kraftverk ned ytterligere. På ettermiddagen, når solen går ned og forbrukerne samles hjemme til den sedvanlige «elforbruksfesten», dobles nesten behovet for sentralprodusert elektrisitet på tre timer. Problemet med dette forbruket og etterspørselen etter sentralisert produsert elektrisk energi er ikke etterspørselen på kveldstid, men a) den store bunnen i etterspørsel på dagtid og b) den raske og store økningen i etterspørselen på kveldstid. Dette gjør at de som investerer i sentralproduserende kraftverk, i løpet av svært kort tid har fått sterkt endrede rammebetingelser.

Dersom det oppstår en gjennomgående vegring for investering i det segmentet som står for mellomsjiktet i elkrafttilbudet, er ikke lenger elkraftmarkedet bærekraftig. Det er likevel grunn til å huske at det skjer en dynamisk utvikling som gjør at prisen på kraft går opp i de timene der etterspørselen blir spesielt stor. Dette vil øke viljen til å få frem kraft til disse tidspunktene og samtidig redusere etterspørselen når prismekanismen får slå inn. Fra kontinentet ser vi for øvrig at de tradisjonelle kraftprodusentene er blitt meget dyktige til å kjøre sin produksjon – også av kullkraft – i samsvar med etterspørselen. En innfasing av effektøkning på 100 % i løpet av tre timer er teknisk mulig, men fordrer meget stor inntjening i noen få timer.

Problemet med den store daglige etterspørselsbunnen kan delvis løses ved hjelp av energilagring, og da primært ved at energi fra solceller lagres lokalt og effektivt. For at dette skal skje, må det innføres en sterkt differensiert pris på timesbasis. Kombinasjonen av små tap ved lagring og etterfølgende bruk og høye timepriser i deler av døgnet skaper et stort potensial for Li-ion-batterier til distribuert energilagring ned på nivå hos den enkelte forbrukeren (J.B Goodenough and Kyu-Sung Park. «The li-ion rechargeable battery: a perspective.» J. American Chemical Society, 135(4): 1167–1176, 2013).

Dersom vi ser på fornybar energi på litt lengre sikt enn bare døgnsykluser, vil vi se at svingninger i energiproduksjonen også knyttes til at det noen dager blåser mer enn andre, og at det i enkelte deler av sesongen blåser mer. Av alle energilagringsteknologier hvor produsert fornybar elektrisitet skal lagres, er det bare hydrogenteknologi som har kapasitet til storskalalagring også for sesonger.

Kapasiteten til langtidsenergilagring og storskalalagring sammen med muliggjøring av bærekraftig og fornybar transport gjør at hydrogen blir en viktig teknologi. Det er bare hydrogenteknologi som teknisk sett tillater en kjørerekkevidde på over 600 km, god vektkapasitet og fylletid på godt under fem minutter for en typisk familiebil (C.E. Thomas. «Fuel cell and battery electric vehicles compared.» Int.J. of Hydrogen Energy, bind 34, s. 9279–9296, 2009).

Hvordan kan vi lagre energi?

For å forstå behovet for kommende energilagringsteknologier og hvor de vil ha sine markedssegmenter og nisjer, må vi først se på hvilke typer energilagring vi benytter i dag. Mer enn 80 % av dagens energiforsyning er fossil, det vil si kull, olje og gass. Disse tre energikildene kommer egentlig ferdig lagret og klar for tank selv om det kreves noe prosessering. De har høy energitetthet med hensyn til vekt og volum. Vi har også tilgjengelig moden teknologi for å konvertere energi til transport og strøm der og når det er behov for dette.

Når vi først vurderer en erstatning av kull, olje og gass, er det verdt å merke seg at en svært stor andel av disse benyttes til elektrisitetsproduksjon i dag. Kull-, olje- og gasskraft har virkningsgrader i området 30–45 % i elektrisitetsproduksjon. Det betyr at hver produserte MWh vindkraft eller solkraft erstatter 2–3 MWh kull, olje og gass til elektrisitetsproduksjon. Innen transportsektoren, og med Li-ion-batterier i bilen, vil 1 MWh fornybar installert energi erstatte opp mot 10 MWh olje. Generelt vil én del fornybar energi sammen med energilagring erstatte mange deler fossil energi.

Når vi skal forstå hvorfor ulike energilagringsteknologier har ulike markedssegmenter, er det vanlig å evaluere energimengden relativt til vekt og volum. Særlig med tanke på transportsektoren er energitetthet viktig. I figur 2 er energitettheten med hensyn på vekt og volum sammenlignet. Vi kan se at hydrogen har desidert høyest energi med hensyn til vekt. Flybensin, diesel og bensin har helt klart mest energi med hensyn til volum. Videre er det vanskelig å skille den spesifikke energimengden for Li-ion-batterier fra etablererte teknologier som vannkraft og luftpumpekraft. (Luftpumpekraft fungerer ved at luft pumpes inn i fjellhaller og gamle gruver, og at luften går gjennom en turbin som lager strøm på et senere tidspunkt.)

Figur 2 Sammenligning (Ragonediagram) av volumetrisk energi (MWh m-3) og spesifikk energi (kWh kg --1) for utvalgte energilagringsteknologier (O.S. Burheim, «Engineering Energy Storage», Elsevier Academic Press, 2017).

Hydrogen, bensin og diesel har nesten hundre ganger så høy energitetthet mht. vekt som Li-ion-batterier. Det innebærer at hydrogen har et klart potensial til å bli et viktig drivstoff innenfor transportsektoren i et marked basert på fornybar energi. Li-ion-teknologi vil kunne ende på en sterk tredjeplass, etter hydrogen og biodiesel, dersom vi kun ser på energitetthet.

Nå er det jo slik at det produseres biler som drives av Li-ion-batterier. Derfor er det innlysende at også denne teknologien passer til transportsektoren. Teknologien passer jo også svært godt til å ta opp elektrisitet i de periodene hvor det er et underskudd i etterspørsel av elektrisk energi. Dette illustrerer paradokset at det ofte er det praktisk beste som er det beste, ikke det energimessig teoretisk beste (C.E. Thomas. «Fuel cell and battery electric vehicles compared.» Int.J. of Hydrogen Energy, bind 34, s. 9279–9296, 2009).

Norge er i en særstilling når det gjelder konvertering til fornybar energi i transportsektoren. Ifølge Statkraft ble det i Norge i 2015 produsert 148 TWh el. Vi importerte 7 og eksporterte 22 TWh, som gir et overskudd på 15 TWh. Norske bensinpumper distribuerer årlig 4,2 mrd. liter diesel og bensin. Dette tilsvarer 42 TWh fossil energi. Forbrenningsmotorer i bil har en virkningsgrad på 15–25 % ved blandet kjøring, slik at det tilsvarende elektriske behovet er 7–10 TWh elektrisitet. Grunnet batteriers virkningsgrad, som vi senere skal se at er 95–98 %, er altså netto eksportert energi nok til å drive transportsektoren i Norge. Bildet er selvsagt mer sammensatt fordi det for lastebiler er nødvendig med diesel av hensyn til volum på tanker, og fordi en god del ønsker kjøretøyer som fylles/lades på tre minutter – noe et langdistansebatteri (500 km+) ennå ikke kan. Poenget er at Norge er svært godt egnet for batteridrevne biler og at fl andre solcelledominerte regioner er i ferd med å bli det. Samtidig finnes det andre land, i fremste rekke per i dag Japan, som importerer majoriteten av sin energi og som hovedsakelig satser på hydrogen fordi det er det som er praktisk gjennomførbart der. I dag fraktes denne i flytende form fra Australia, produsert fra kull som en oppstartsordning.

Li-ion-batteri har hundre ganger så stor kapasitet med hensyn på vekt og volum sammenlignet med den mest etablerte storskala energilagringsteknologien vannkraft, mens hydrogen har henholdsvis ti tusen og hundre ganger så stor kapasitet. Likevel er det slik at vannkraft er en meget viktig energilagringsform. Dette viser at energilagring vil forekomme i mange andre former enn med Li-ion-batterier og hydrogenteknologi. Ved energilagring i hjem og til bruk i personbiler med mellom- stor rekkevidde passer Li-ion-batterier godt. For langtidslagring av energi passer hydrogenteknologi godt. De overlapper hverandre i det spennet som det er behov for innen lagring av fornybar energi.

Når det gjelder lagring av elektrisk energi til transportsektoren, er det to teknologier som er relevante: PEM-brenselcelle, og Li-ion-batteri (C.E. Thomas. «Fuel cell and battery electric vehicles compared.» Int.J. of Hydrogen Energy, bind 34, s. 9279–9296, 2009). Dersom vi ser på evnen til å omforme energi på kort tid, er i dag brenselceller kommet så langt at de har vesentlig bedre evne enn et batteri. Som eksempel leverer svenske PowerCell 100 kW brenselcellestank på 28 liter som veier 32 kg. Dette illustrerer det teknologiske fremskrittet brenselcellen har vært gjennom siden rundt 2010. På den annen side er denne teknologien ennå svært kostbar, og det forventes ikke at prisen er konkurransedyktig før rundt 2020. Dette er en av grunnene til at Li-ion-batterier fortsatt er den foretrukne teknologien til personbiler.

En annen måte å sammenligne teknologiene på er hvor langt de kan frakte en personbil med passasjerer og en del bagasje. Når vi skal kjøre langt, kjører vi gjerne fort, og da er det luft- og rullemotstand som påvirker energiforbruket. Vekt påvirker også kjørelengden. Fordi vi trenger drivstoff til å frakte drivstoff, blir nødvendig vekt en eksponentiell funksjon av kjøretøyets startvekt. Dette begrenser batteribilers kjørelengde.

Sammenhengen mellom rekkevidde og kjøretøyvekt uten fører er vist i figur 3, der en sedan (personbil med fire dører og bagasjerom) kjører med nikkel-metallhydrid-batteri (NiMeH), Li-ion-batteri, diesel og hydrogen. Analysen forutsetter totalvekt på bilen på 1200 kg inkludert en elmotor, alternativt en brenselcelle på 120 kg eller en dieselmotor med generator på 150 kg.

En personbil må veie under 2,5 tonn inklusive passasjerer og bagasje for å matche førerkortklasse B. 5 passasjerer (tre voksne, to barn og bagasje) reduserer maksgrensen for vekt av kjøretøyet med drivstoff og konverteringsteknologi til 2,0–2,2 tonn. Under disse forutsetningene kan Li-ion-teknologi ta deg rundt 400 km, diesel (35 % virkningsgrad) ta deg rundt 700 km og hydrogen (55 % virkningsgrad) 30 000 km.

Figur 3 Vekt for en sedan-personbil som funksjon av kjørelengde med ulikt valg av drivstoff/energilagringsmedium (C.E. Thomas. «Fuel cell and battery electric vehicles compared.» Int. J. of Hydrogen Energy, bind 34, s. 9279–9296, 2009 og O.S. Burheim, «Engineering Energy Storage», Elsevier Academic Press, 2017).

Når det gjelder Li-ion-batterier, er det en allment kjent sak at en Tesla Model S har kjørerekkevidde på rundt 450 km. Den har også en egenvekt (bil og batteri) på rundt 2,2 tonn, og har således strukket kjørelengden til det ytterste. Opel, Audi og Jaguar har også meldt seg på i leveransen av kjøretøy som etter gitte kjøremønstre skal kunne komme opp mot 500 km. Det er verdt å nevne at oppgitte kjørelengde avhenger av valgte kjøremønstermodeller, og at rekkeviddene slik sett er teoretiske. Eksempelvis er Opel Ampera oppgitt med henholdsvis 380 km og 500 km med kjøremodellene WLTP og NEDC.

For eksempelet med diesel, ser vi at det kreves litt over 50 kg diesel for å kjøre 600 km, noe som passer med en typisk bil i dag. For hydrogen ser vi at vi kan kjøre nærmest så langt vi måtte ønske uten å etterfylle. Regnestykket tar selvsagt ikke høyde for volumet av hydrogenet, som i så tilfelle ville være 600 kg og rundt 10 m3, eller en terningformet tank på 2,2 meter i alle tre retningene. Samtidig, for å fylle hydrogen til 600 km kjøring, tar det i dag 3–5 minutter og det er rom for 1,3 tonn bagasje og passasjerer på førerkort klasse B. Aspektet ved volumet til hydrogen slår særlig negativt inn for tungtransport på vei – altså trailere og turbusser. Disse kjøretøyene vil være avhengig av drivstoff med høyere volummessig energitetthet. Dersom vi skal forsyne denne delen av transportsektoren med drivstoff uten CO2-utslipp, vil dette måtte være biodiesel, flytende biogass eller annen syntetisk (fra trevirke og alger) biodiesel. En oppsummering i evaluering av hvilke teknologier som på en bærekraftig måte muliggjør en energisektor med vesentlig hovedvekt på fornybar energi fra sol og vind, i en global analyse, kan altså være at energi bør lagres lokalt, nær småskalaproduksjon for dagsykler, ved hjelp av Li-ion-batterier, mens personbilsektoren bør bruke litt Li-ion-batterier – og hydrogen for dem som ønsker seg lengre rekkevidde og raskere fylling. Tungtransportsektoren trenger det som er tilgjengelig av biodieselressurser. Det er viktig å påpeke at denne typen konklusjoner gjelder for grovtrender og ikke bør tolkes altfor stivt.

Li-teknologi

Et Li-ion-batteri er et sekundærbatteri. I motsetning til primærbatterier betyr det at Li-ion-batterier kan lades opp og utlades mange ganger.

De første Li-ion-batteriene ble brukt til småelektronikk. Etterhvert ble de utviklet til også å fungere i verktøy som krevde høy effekt. Videre har disse batteriene blitt utviklet til å bli større, som igjen har gjort det mulig å ha batterier i personbiler. Prisen for små batterier har i dag flatet ut og er i nærheten av prisen på råmaterialene.

Et moderne Li-ion-batteri har en meget lang levetid sammenlignet med andre batterier, en levetid på 1000–20 000 ladesykluser. For å sette dette i perspektiv kan et batteri med levetid på 1500 sykluser, i en bil med 500 km rekkevidde og gjennomsnittlig daglig kjørelengde på 100 km, vare i ca. 20 år, som ofte er lengre enn bilens levetid.

Ved streng kulde og ved svært høye ladehastigheter er den ohmske motstanden i Li-ion-batterier veldig stor, noe som i disse svært spesielle tilfellene gir redusert virkningsgrad. Det betyr at Li-ion-batterier normalt har svært høy virkningsgrad. Ved langsomme ladesykler, som for hjemmelagring gjennom en dag eller en langtrekkende bil, vil virkningsgrad på 97–99 % absolutt være mulig (O.S. Burheim, «Engineering Energy Storage», Elsevier Academic Press, 2017). Det betyr at lading av batterier i et hjem som magasinerer solcellestrøm til kvelds- og nattestid, kan ha totalvirkningsgrad på over 95 %. Dette er kanskje det største fortrinnet Li-ion-batterier har sammenlignet med andre energilagringsteknologier.

Når vi ser på det praktiske aspektet med litiumteknologi og Li-ion-batterier, er altså virkningsgrad (lavt energitap) et vesentlig fortrinn. Om vi tenker på praktisk gjennomførbarhet, passer også teknologien godt inn i eksisterende infrastruktur (strømnettet). Skalerbarheten er også en stor fordel. I snitt bruker en husstand rundt 1 kW i strøm, som vil si 24 kWh i løpet av et døgn. Om halvparten av denne energien lagres lokalt, tilsvarer batteribehovet et volum på 10–15 liter.

Li-ion-batterier til bil har vist seg gjennomførbart for personbiler. Også kollektivtrafikken er i ferd med å ta i bruk batteri til busser fordi infrastrukturen (ladestrøm) er så lett tilgjengelig. Busser i urbane strøk har den fordelen at de ikke kjører særlig fort, og de har regenererende bremsing. Regenererende bremsing vil si at energi til akselerasjon hentes inn igjen ved bremsing.

Det betyr at rulle- og luftmotstand, som begrenser bilers rekkevidde (kjøre langt, kjøre fort, stor luftmotstand), ikke er så viktig for bybusser. Bussene kan derfor enten lade en litt stor batteripakke over natten eller punktlade litt mindre batteripakker ved endeholdeplassene. Her har det vært pekt på mange mulige tekniske løsninger, for eksempel kjøreledning, induksjon og pantograf. Pantograf, som vi kjenner fra trikk og tog, er en bøyle eller arm som går opp til strømuttak, eller fra strømuttak og ned til buss, og er den løsningen som i dag ser ut til å dominere.

Som nevnt innledningsvis begynner Li-ion-batterier å bli en moden teknologi. Dette betyr at vi i fremtiden egentlig ikke kan forvente vesentlig (halvering/dobling) billigere eller mer ytelse per kg fra Li-ion-teknologi. I hovedsak skiller batterier seg i dag fra hva vi kan forvente med hensyn til hurtiglading og levetid. Forbrukeren vil ofte stå igjen med et valg mellom etablert rimelig teknologi eller en dyrere versjon med bedre ytelse (aldring og hurtigladeegenskap).

Oppsummert finnes det mange ulike Li-ion-batterier i ulik prisklasse og med ulik vektegenskaper, aldringsegenskaper og ladetoleranser. Li-ion-batterier kan ha svært høy virkningsgrad, er enkelt å skalere og passer godt sammen med eksisterende infrastruktur. Det er fleksibilitet og virkningsgrad som i fremtiden gjør Li-ion-batterier til en muliggjørende teknologi for en bærekraftig energiinfrastruktur og energiøkonomi.

Hydrogenteknologi

Fordelen med hydrogen som energibærer er at det er godt tilgjengelig, har lav vekt og at det lett binder seg til andre stoffer som resulterer i frigitt energi som kan utnyttes. Når vi peker på at hydrogen er lett tilgjengelig, mener vi at det finnes bundet i vann. For å tilgjengeliggjøre hydrogen som rent stoff til elektrisitetsproduksjon må vi først bruke energi. I en fornybar kontekst er dette elektrisk energi. Fornybar elektrisk energi kan spalte hydrogen fra vann via elektrolyse, hydrogen kan lagres og distribueres på tank før det brukes i en brenselcelle og lager elektrisk strøm. Vi kan si at fordelen med hydrogen er fleksibiliteten som tillater lang transport og rask fylling, men at total virkningsgrad definitivt er lavere enn for et Li-ion-batteri.

Hydrogen må produseres: fra vann sammen med strøm, kull eller naturgass. Det finnes ikke rent hydro- gen (H2) i naturen. De vanligste produksjonsteknologiene for hydrogen er reformering av kull eller naturgass og elektrolyse av vann. Reformering av hydrokarboner (kull og naturgass) er den dominerende teknologien, og står for langt over 90 % av all hydrogenproduksjon i dag fordi den er billig. Dette er i ferd med å endre seg ettersom det er en høyere investering i uregelmessig fornybar produksjon i form av solceller og vindturbiner. Hydrogenproduksjonen går fra å dekke fossilsektorens behov for hydrogen til å dekke et nyoppstått behov for lagring av energi i elektrisitetsmarkedet.

I et energimarked som i større grad preges av fornybar energi, må vi håndtere enorme mengder overskuddsstrøm, som til tider selges med negative priser. Dette er i ferd med å skape et nytt markedssegment der etterspørselen er energihåndtering – ikke hydrogen i seg selv. Det er her elektrolyse av vann er løsningen fordi overskuddsstrøm på nettet kan bli benyttet. Altså: I dag endres hydrogenproduksjonsmarkedet fra tidligere å dekke etterspørsel etter hydrogen i nærheten av fossile ressurser til å skulle dekke et behov for håndtering av overskuddsenergi i et energimarked med stadig større innslag av sol- og vindenergi.

Hydrogen må lagres etter produksjon. Hydrogen kan produseres på stedet så lenge det er strøm tilgjengelig. Slik vil vi se mye av hydrogenet fra fyllestasjonen i årene som kommer, men hydrogen kan også være en aktuell eksportartikkel. I forbindelse med transport av hydrogen har det over årene vært pekt på flere former for hydrogenlagring, der de teknologiene som dominerer markedet i dag, er de som er praktisk mest gjennomførbare: komprimert hydrogen og flytende hydrogen. Når hydrogen skal fylles på en tank på en bil, har industrien nå samlet seg om en løsning der hydrogen fylles på komposittanker av karbonfiber med et trykk på opptil 700 bar. Tankene tåler over dobbelt så høyt trykk, men dette anses ikke nødvendig fordi dette trykket, sammen med ytelsen i en moderne PEM-brenselcelle, tillater kjørelengder på rundt 600 km uten at for mye volum tas opp og at det samtidig går raskt og smidig å fylle tanken. Dersom hydrogen skal fraktes lenger, er det flytende eller kryogent hydrogen som er ansett som den praktiske løsningen. Flytende hydrogen går relativt raskt å fylle på tankskip og har høyest mulig energitetthet med hensyn på volum. Kawasaki har allerede bygget et slikt skip. Foreløpig er det ingen typegodkjennelser for bruk av hydrogen innen norsk skipsbygging. Det arbeides imidlertid for å få dette for spesielle skipstyper. En visjon som trekkes frem, er at vindkraft fra Finnmark skal brukes til hydrogenproduksjon som sendes i flytende form til Japan gjennom nordøst-passasjen når denne er isfri.

Mange bekymrer seg for brann i forbindelse med hydrogenlekkasjer. Hydrogen er eksplosivt kun innenfor et begrenset blandingsforhold med luft, men er svært flyktig og stiger opp og vekk fra ulykkesstedet. Slik sett er hydrogen ansett som et brannsikkert drivstoff.

PEM-brenselcelle har vært annonsert som markedsklart i løpet av få år i 10–20 år. Utviklingen har kanskje gått noe tregere enn enkelte forventet seg, men også infrastrukturmangel har vært en stor utfordring. «Høna og egget»-problemet har vært at det er få kjøretøyer på markedet og i flåten, og at det derfor ikke har blitt bygget fyllestasjoner. Hvem vil vel kjøpe en hydrogenbil om den bare kan fylles i Oslo og Porsgrunn? Dette har gjort at brenselcellen har utviklet seg gjennom nisjemarkeder der krav til infrastruktur er svært liten.

De to kanskje fremste eksemplene har vært nødaggregater og gaffeltrucker i lagerbygninger. Supermarkedkjeden Wal-Mart har allerede i flere år valgt å kjøre gaffeltruckene på sine hovedlagre med hydrogen og PEM-brenselceller. Hydrogenet lages av egenprodusert fornybar strøm og er valgt fremfor batterier for å unngå logistikkutfordringen med alle truckene som hele tiden måtte lade, og for å få bedre totaløkonomi. Den beste kilden til en oversikt over hva som er state-of-the-art innen PEM-brenselcelleteknologi nå og de neste årene, er olje- og energidepartementet i USA (DOE). De oppgir i 2016 at et komplett brenselcellesystem skal ta en personbil 600 km og vil veie 90 kg innen 2020 og 65–70 kg innen 2030. Dette er halvparten av vekten til en liten bensinmotor med girkasse. Videre oppgir DOE at et slikt system skal fylles på 3,3 minutter og koste 4000 USD innen 2020 og fylles på 2,5 minutter og koste 3000 USD innen 2030. Det som i dag begrenser kostnadene for PEM-brenselceller, er produksjonskostnadene som gjør at frem til storskala serieproduksjon kommer i gang, koster en brenselcellemodul rundt 30 000 USD eller mer. Det er når vi ser på materialkostnadene at vi ser at prisen skal ned til en tidel. Per i dag er det flere bilkonsern som satser på Li-ion-teknologi fremfor brenselcelleteknologi. De selskapene som først og fremst satser på brenselceller, holder til i Asia (f.eks. Hyundi og Toyota), og disse selskapene produserer biler i liten skala, litt som et utprøvingsprosjekt, selv om Toyota har solgt forhåndsbestilte biler for flere år fremover.

Som oppsummering ser vi at hydrogen kan lagre fornybar energi over lange tidsrom, men også i en form som er mulig å transportere, og å overføre til en tank svært hurtig. Vi ser at teknologien er moden med hensyn til ytelse, men ikke på pris. Per nå mangler en utrulling av fylleinfrastruktur og en oppskalering til storstilt serieproduksjon av brenselcellebiler. Hydrogen egner seg altså til langsiktig energibufring, langtransportsektor for persontrafikk og som eksportartikkel globalt.