Mit érdemes tudni a hidrogénről?

Az utóbbi időben egyre több szó esik a hidrogénről és annak várható szerepéről a klímaváltozás elleni harcban, a vélemények azonban megoszlanak arról, hogy a jövő nagy reménységét jelenti, vagy csupán a fosszilis ipar átveréséről van szó. Vajon használni fogjuk majd a közlekedésben, és ha igen, a személyautókban is vagy csak a hajózásban? Zöldebbé teheti az acélgyártást? Vagy szezonális energiatárolásra fogjuk használni? Ezekre a kérdésekre ma még nem létezik egyértelmű válasz, azt azonban el tudjuk mondani, hogy ma mire mennyit használunk belőle, és hogyan állítjuk elő.

Az előállítása

Bár a hidrogén az univerzum leggyakoribb eleme, tiszta formában alig található meg a Földön, így azt valamely más vegyületből kell kinyernünk, mint például a víz vagy a metán. Ennélfogva a hidrogén nem energiaforrás, hanem egy olyan energiahordozó, amit energia felhasználásával tudunk előállítani, és ebben a tekintetben jobban hasonlít a villamos energiához, mint a földgázhoz.

A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) adatai szerint 2018-ban 74 millió tonna tiszta hidrogént állítottunk elő, további 42 millió tonnát pedig más gázokkal keverten.

A DRI a vas közvetlen redukciójának angol rövidítése, amelyet az acélgyártásban használnak a nagyolvasztó alternatívájaként. Forrás: IEA: The Future of Hydrogen

A gyártás az esetek túlnyomó többségében földgáz gőzreformálásával történik. Ennek során magas hőmérsékleten (700–1100 °C) a vízgőz reagál a metánnal, így szén-monoxid és hidrogén keletkezik, egy második lépés során pedig a szén-monoxidból és vízgőzből további hidrogén nyerhető ki, és melléktermékként szén-dioxid keletkezik.

Egy másik hasonló, főként Kínában használt módszer a szén gázosítása, mely során a szén, oxigén és vízgőz magas hőmérsékleten és nagy nyomás mellett lép reakcióba.

A harmadik módszer, a fizika óráról is ismert elektrolízis, ennek három technológiája létezik: az alkalikus, a protonáteresztő membrános, és a szilárd-oxidos elektrolízis, melyek közül az alkalikus elektrolízis a legérettebb.

Ezeken kívül léteznek még egyéb technológiák is, mint a parciális oxidáció, vagy a termokémiai módszer, amely vízből és hőből állít elő hidrogént, elektromosság felhasználása nélkül, ipari mennyiségben azonban a fenti három eljárással termelnek tiszta hidrogént.

A kimondottan erre a feladatra épített üzemek az IEA adatai szerint évente körülbelül 70 millió tonna tiszta hidrogént termelnek. Ennek 75%-a készül földgázból, 23%-a szénből, a maradék 2% egyéb módon, elsősorban olajból és elektrolízissel. Az elektrolízissel történő gyártásnak azonban csak egy kis része történik vízbontással, melynek aránya az össztermelés 0,1%-a (a többi jellemzően klóralkáli elektrolízis). A tiszta hidrogén 0,7%-át állítják elő megújuló energiából, vagy szén-dioxid-leválasztásos technológiával.

Megemlítendő még, hogy az erre a feladatra létesített üzemek termelésén kívül további körülbelül 4 millió tonna tiszta hidrogén keletkezik melléktermékként.

Energia- és vízfelhasználás, szennyezés

Jelenleg a világ földgáztermelésének 6%-át, és a széntermelésének 2%-át fordítjuk hidrogéngyártásra.

Egy tonna hidrogén földgázból történő előállítása 10 tonna szén-dioxid keletkezésével jár, szén esetében azonban 19 tonna szén-dioxid szabadul fel, évente pedig összesen 830 millió tonna szén-dioxid keletkezik, ami Indonézia és az Egyesült Királyság együttes kibocsátásának felel meg. Ebből 130 millió tonnát felhasználnak műtrágyagyártásra, de a többi a légkörbe kerül.

A vízbontással történő elektrolízis során körülbelül 50-55 kWh elektromos áram és 9 liter víz felhasználásával állítható elő 1 kg hidrogén. Melléktermékként 8 kg oxigén is keletkezik, amit az ipar és az egészségügy tud felhasználni.

Ha a teljes 70 millió tonnás mennyiséget elektrolízissel állítanánk elő, annak áramigénye 3,6 PWh lenne (a világ áramtermelése kb. 26 PWh), illetve 617 millió m³ vizet használnánk el, ami az energiaszektor vízfogyasztásának 1,3%-a, és körülbelül a duplája a földgázból történő előállítás vízigényének. Tengerparti területeken sótalanított tengervizet is lehet használni, a deszalináció csak elhanyagolható mértékben, néhány centtel növelné meg a hidrogén kilogrammonkénti árát.

Költségek

A gőzreformálással történő előállítás esetében a legjelentősebb költségelem a földgáz ára, ezért azokban az országokban, ahol ez olcsón elérhető (Pl. Oroszország, USA), alacsonyabb az ily módon előállított hidrogén gyártási költsége. A földgázból előállított hidrogén kilogrammonkénti ára, régiótól függően 1 és 2 dollár között mozgott az elmúlt években. Szén-dioxid-leválasztás alkalmazása esetén az ár nagyjából 0,5 dollárral magasabb. A széngázosításos technológiával Kínában vagy Indiában körülbelül 1 dollárért tudnak előállítani 1 kg hidrogént, és ez az ár még szén-dioxid-leválasztással sem lesz sokkal magasabb 1,5 dollárnál.

A földgázból történő előállítás költségszerkezete. A CCUS a szén-dioxid-leválsztásos technológia alkalmazását jelenti. Forrás: IEA: The Future of Hydrogen

Ha vízbontással gyártunk hidrogént, az eljárás költsége számos tényezőtől fog függeni: a tőkeköltségtől, az elektrolízis hatékonyságától, az elektrolizáló kihasználtságától és az áram árától.
A tőkeköltség 50-60%-át az elektrolizálók költsége teszi ki. Az alkalikus elektrolizálók ára 2018-as adatok szerint 500-1400 USD/kWe, a PEM elektrolizálók ára 1100-1800 USD/kWe, a szilárd-oxidos elektrolizálók ára pedig 2800-5600 USD/kWe volt. A technológia fejlődésével valamint a méretgazdaságosságnak köszönhetően ezek az árak a jövőben várhatóan csökkenni fognak.

Ezen kívül a minél nagyobb kapacitáskihasználtság és az olcsó áram tudja lejjebb vinni az árakat, amihez a megújuló energia nagy mennyiségű túltermelése és/vagy dedikáltan a hidrogéntermelés céljából felépített erőművek termelése is szükséges. Ebből a szempontból bizonyos helyszínek, mint például Ausztrália vagy a Közel-Kelet jelentős előnyt élveznek. A zöld hidrogén árát a Bloomberg NEF 2,5-6,8 USD/kg közé tette, ami 2030-ig szerintük potenciálisan 1,4 USD/kg-ra csökkenhet.

Infrastruktúra

Az elektrolizáló berendezések globális kapacitását 0,5 GW-ra becsülik, melynek nagy része Európában található.

A hidrogén tárolásának és szállításának már ma is létezik infrastruktúrája, a legtöbbször azonban a gyártás és a felhasználás egymás közelébe települ: az esetek 85%-ában a termelés helyszínen kerül felhasználásra, és csak a 15%-át szállítják, tartálykocsikkal vagy vezetékeken. A világon jelenleg 5000 km hidrogénvezeték létezik, ami eltörpül a 3 millió kilométernyi gázvezetékhez képest. A legtöbb gázvezeték 15-20% arányban bekevert hidrogént még képes kezelni, az infrastruktúra más elemei azonban ennél szűkebb keresztmetszet jelenthetnek.

Az IEA becslése szerint 1500 km-nél rövidebb távon a hidrogén vezetékes szállítása a legköltséghatékonyabb, ennél nagyobb távolság esetén azonban már jobban megéri ammóniává alakítani és hajón szállítani. A szállítás és az elosztás költsége kilogrammonként 4-6 dollár között mozog, amiből a hosszú távú szállítás maga 1-2 dollár közötti összeget tesz ki. Ha azt nézzük, hogy az olcsóbb és a drágább helyeken történő gyártás közötti árkülönbség kevesebb, mint 1 USD/kg, akkor máris világossá válik, hogy miért éri meg jobban inkább helyben gyártani, mint messziről importálni.

Forrás: IEA: The Future of Hydrogen

A hidrogént jelenleg csak tartályokban szokták tárolni, a nagyobb mennyiségű tárolás geológiai tározókban, sóbarlangokban vagy kimerült gázmezőkben lehetséges. Az előbbinek 0,6 USD/kg a költsége, az utóbbié még nem ismert.

Felhasználás

A legnagyobb felhasználó az olajfinomítás, amely a nyersolaj hidrokrakkolása és kéntelenítése során alkalmazza a hidrogént. A teljes tiszta hidrogénfelhasználás bő fele, évi 38 millió tonna megy erre a célra.

A második legnagyobb felhasználó az ammóniagyártás, amelynek évi 31 millió tonna az igénye. Az ammóniagyártás többnyire a Haber-Bosch eljárással történik, ennek során légköri nitrogént és tiszta hidrogént használnak alapanyagként. Az ammónia legnagyobb részéből, körülbelül 80%-ából műtrágya készül.

Az egyéb jellegű felhasználási területek körülbelül évi 4 millió tonna hidrogént igényelnek. Ide tartozik a vegyipar, a fémgyártás, az elektronikiai ipar és az üveggyártás.

A más gázokkal kevert hidrogént főként metanol és acél gyártására, illetve hő előállítására használja az ipar – vagyis egyszerűen elégetik.

A hidrogénről ennél is átfogóbb információk találhatóak az alábbi oldalunkon.

Hidrogén

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.