Meglepő eredmény: olcsóbb hidrogént szállítani, mint áramot

Európában a közeljövőben több olyan vezetéképítési beruházás is meg fog kezdődni, amelyeknek az a célja, hogy az Északi-tenger és a Földközi-tenger energiában gazdag térségéből nagy mennyiségű hidrogént szállítsanak a kontinens szívében található ipari központokba.

A villamos energia hidrogénné történő átalakítása veszteséggel járó folyamat, ám ha a hidrogénre, mint ipari nyersanyagra van szükségünk, vagy szezonális energiatárolásra szeretnénk használni, a lépés elkerülhetetlen. Mivel a zöldhidrogén előállításához az energián kívül mindössze csak vízre van szükség, az pedig Európa-szerte rendelkezésre áll, két módja is adódik a szállításának: vagy magát a villamos energiát juttatjuk el a felhasználási helyre távvezetékek segítségével, hogy helyben állítsuk elő a hidrogént, vagy pedig az energiatermelés helyéhez közel gyártunk hidrogént, hogy azután csővezetékeken keresztül szállítsuk a rendeltetési helyére.

Közismert, hogy a hidrogén rendkívül robbanékony és illékony anyag, ezért logikusabbnak tűnne hidrogénvezetékek helyett nagyfeszültségű egyenáramú távvezetékeket (HVDC) építeni, hiszen az áram szállítás látszólag egyszerűbb, biztonságosabb, kiforrottabb és olcsóbb technológiai megoldást kínál, mint a nehezen kezelhető hidrogéné. De akkor miért terveznek mégis inkább hidrogénvezetékeket? Ha közelebbről megnézzük a számokat, gyorsan választ kaphatunk erre a kérdésre.

Az első hidrogénvezeték 1938-ban épült a Ruhr-vidéken, és a mai napig üzemel. A francia-belga határvidéket több száz kilométernyi hidrogénvezeték hálózza be már évtizedek óta. Európában 1500 km, a világban pedig 5000 km hidrogénvezeték működik a Nemzetközi Energiaügynökség adatai szerint, és ehhez képest nagyon ritkán hallunk híreket robbanásokról.

Hidrogénvezetékek Európában. Forrás: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband

A hidrogén vezetékes szállításának kihívásaira tehát közel egy évszázada megtaláltuk a megoldást, így már csak egy kérdés maradt: árban versenyképes lehet-e az alternatívát jelentő HVDC vezetékekkel?

Erre a kérdésre egy 2021-ben megjelent amerikai tanulmány adhat választ, amely azt vizsgálta, hogy hat különböző technológia, úgymint a HVDC távvezetékek, az olaj-, földgáz-, etanol-, metanol- és hidrogénvezetékek milyen költségek mellett képesek egységnyi energiát ezer mérföld távolságra elszállítani a szárazföldön.

Az eredmények pedig azt mutatták, hogy egy MWh villamos energia szállítása nyolcszor annyiba kerül, mint egy MWh hidrogéné, aminek az a legfőbb oka, hogy egy elektromos vezeték megawattban kifejezett kapacitása jóval alacsonyabb, mint egy gázvezetéké.

A tanulmány készítői a villamos energia esetében egy 500 kV-os HVDC távvezetéket, míg a hidrogén (és a többi energiahordozó esetében) és egy 36 hüvelyk átmérőjű csővezetéket vettek alapul. A csővezetékekről elmondható, hogy az átmérő növelésével csökkenthető a fajlagos költségük, de az elérhető eredmény minden egyes centiméterrel egyre kevesebb lesz, miközben a várható kapacitáskihasználtságot is szem előtt kell tartani, ezért a 36 hüvelyk (kb. 91 cm) az esetek nagy részében optimális választásnak tekinthető. Az 500 kV-os elektromos vezeték szintén az egyik leginkább költséghatékony megoldás az iparági adatok szerint.

A számítások során mindegyik vezeték esetében megbecsülték az építés mérföldenkénti költségét, a várható karbantartási költségeket, majd a vezetékek kapacitása, és a szállítás során fellépő veszteségek alapján kiszámolták, hogy egy MWh energia ezer mérföldre történő továbbítása fajlagosan mennyibe kerül a létesítmény teljes élettartama során.

Az eredményt az alábbi grafikon szemlélteti, ahol a zöld szín a beruházási, a kék szín pedig a működési költségek megoszlását jelöli. Mivel alapvetően becslésekről van szó, és maguk a szerzők is bizonytalanok a pontos összegekkel kapcsolatban, ezért a fekete vonal jelöli azt a sávot, ahova 90 százalékos valószínűséggel esik az adott energiahordozó fajlagos szállítási költsége.

Forrás: Cost of long-distance energy transmission by different carriers (DeSantis et al.)

A számítás főbb sarokszámait a következő táblázat tartalmazza. Az első sor azt mutatja, hogy a kérdéses vezetéknek mekkora az „áteresztőképessége”. A hidrogén esetében ez 69,54 kg/s, az 500 kV-os vezeték esetében pedig 6000 amper. A második sor már MW-ra átszámítva mutatja a vezetékek kapacitását; a hidrogénvezeték ebben a konfigurációban óránként körülbelül háromszor több energia továbbítására képes, mint a HVDC vezeték.

Forrás: Cost of long-distance energy transmission by different carriers (DeSantis et al.)

A harmadik sor tartalmazza a szerzők által kiválasztott kapacitású vezeték egy mérföldre eső építési költségét, ami a nagyobb kapacitás ellenére is a hidrogén esetében az alacsonyabb. A negyedik sor a szállítás energiaigényét mutatja meg, ez a HVDC vezeték esetében a vezeték ellenállása folytán fellépő szállítási veszteséget, a csővezetékek esetében pedig a kompresszorállomások áramfogyasztását jelenti, itt ismételten a hidrogén jön ki győztesen.

Az utolsó két sorban már a fajlagos költséget láthatjuk. Az egy megawattnyi kapacitás egy mérföldre jutó építési költség az elektromos vezeték esetében 1502 dollár, a hidrogénvezeték esetében pedig 166 dollár.

Az egy MWh energia 1000 mérföldre történő szállításának fajlagos költsége áramvezeték segítségével 41,5 dollárba kerül – ami hozzávetőleg 14 Ft/kWh-nak felel meg egy olyan távolságon, mintha Barcelonából hoznánk az áramot Budapestre -, míg a hidrogén esetében csupán 5 dollár.

A HVDC vezetékek magasabb beruházási költsége azzal magyarázható, hogy a felhasznált alapanyagok drágábbak, mint a csővezetékek esetében, és az alállomások is többe kerülnek, mint a kompresszorállomások. Érdekesség, hogy a tanulmány szerint egy hidrogénvezeték olcsóbban építhető meg, mint egy földgázvezeték. Ezt azzal indokolják a szerzők, hogy bár a hidrogénvezetékhez valamivel drágább anyagok szükségesek, és a megépítésük is több munkaórát igényel, ezt bőven ellensúlyozza, hogy kevesebb kompresszorállomásra van szükség, mivel a hidrogén áramlási sebessége kevésbé csökken az állomások között.

Forrás: Cost of long-distance energy transmission by different carriers (DeSantis et al.)

A tanulmány konklúziója: „a modellezés eredményei azt mutatják, hogy az elektromos átvitel költségei a szállított MWh-ra vetítve akár nyolcszor magasabbak lehetnek, mint a hidrogén esetében, körülbelül tizenegyszer magasabbak, mint a földgáz esetében, és húszszor-ötvenszer magasabbak, mint a folyékony tüzelőanyagok esetében. Bár az elektromos távvezetékek és a csővezetékek építésének tőkeköltségei nagyjából azonosak (mérföldenként körülbelül 1,5 és 4 millió dollár között mozognak, és jelentősen eltérhetnek az adott projekt méretétől, helyétől, domborzatától, finanszírozási lehetőségeitől stb. függően), az elektromos vezetékek energiahordozó kapacitása sokkal kisebb, mint a csővezetékeké. Több elektromos távvezetéket kellene építeni ahhoz, hogy egyetlen nagy kapacitású csővezetékkel azonos mennyiségű energiát lehessen szállítani. Továbbá a működési energiaveszteségek sokkal nagyobbak az elektromos távvezetékeknél, mint az üzemanyagok szállításánál. E két tényező miatt az elektromos szállítás a vizsgált energiahordozók közül a legdrágább szállítási módszer.”

A tanulmánnyal kapcsolatban fontos még egyszer kihangsúlyoznunk, hogy a hidrogén fentebb kalkulált árelőnye csak akkor áll fenn, ha a célunk az volt, hogy egy felhasználót hidrogénnel lássunk el, míg ha egyszerűen csak villamos energiát szeretnék szállítani, akkor már nem lehet figyelmen kívül hagyni a konverziós veszteségeket, ami jelentős befolyással lenne a végeredményre.

Fordul a kocka: spanyol zöldhidrogén húzza ki Európát az energiaválságból?

Tavaly még sci-finek tűnt ez az építés, most már valóság

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.