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
auto
2024. 04. 23. kedd

Hidrogén

 Az elmúlt években sok cikkben foglalkoztunk már a hidrogénnel, hiszen mind az energiatermelésben, mind pedig a közlekedésben felmerül, mint lehetséges jövőbeni megoldás. Ebben a cikkünkben a hidrogénnel kapcsolatos tudnivalókat foglaljuk össze röviden, linkelve a korábbi anyagokat, amelyek sokkal bővebb, részletesebb áttekintést nyújtanak egy-egy adott területtel kapcsolatosan. A teljes képhez mindenképpen érdemes a kiemelt és a csak linkként beszúrt cikkeket is elolvasni.

A hidrogén sokak szerint kulcsszerepet játszhat a kibocsátási célok elérésében, mivel sokoldalúsága és az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának csökkentésében rejlő lehetőségei miatt számos ágazatban felhasználható. Vonzereje abból a tényből ered, hogy két alapvető módon hasznosítható: egyrészt az üzemanyagcellák üzemanyagaként villamos energia előállítására, másrészt égetéssel hőtermelésre.

Az üzemanyagcellákban történő felhasználás során a hidrogén kémiai reakcióba lép az oxigénnel, amelynek egyetlen mellékterméke a vízgőz. Ez a tulajdonság különösen jelentős, mivel tiszta alternatívát jelent a hagyományos, fosszilis tüzelőanyagokon alapuló villamosenergia-termeléssel szemben, amely világszerte a szén-dioxid-kibocsátás egyik fő forrása. Ezen túlmenően a termelt villamos energia a legkülönbözőbb alkalmazásokhoz használható, a járművektől kezdve az épületeken át az ipari folyamatokig.

Másrészt a hidrogén elégetésekor hő keletkezik, ami szintén alapvető energiaszükséglet a különböző ágazatokban. A fosszilis tüzelőanyagok égetésével ellentétben, amely szén-dioxidot és más káros szennyező anyagokat bocsát ki, a hidrogén elégetésekor csak vízgőz szabadul fel, így tiszta megoldást jelent a fűtési igények kielégítésére. A hidrogén ezen aspektusa kritikus fontosságú azokban az ágazatokban, ahol a szükséges hőmennyiség elérése megújuló energiával vagy villamos energiával kihívást jelenthet.

Éppen ebből a sokoldalúságból adódik, hogy jó néhányan nagy várakozással tekintenek erre az elemre, az élet legkülönbözőbb területein. Melyek azok a felhasználási formák, ahol a hidrogén fontos szerepet játszhat, és melyek azok, ahol ez kevésbé valószínű? Mielőtt ezt a kérdést megpróbálnánk megválaszolni, érdemes lehet áttekintenünk a legfontosabb tudnivalókat.

Mit érdemes tudni a hidrogénről?

Mit érdemes tudni a hidrogénről?

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

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 szén felhasználásával, 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.

A vízbontással történő elektrolízis során körülbelül 50-55 kWh elektromos áram és 9 liter víz felhasználásával állítható elő 1 kg hidrogén.  Ha a teljes 70 millió tonnás mennyiséget elektrolízissel állítanánk elő, annak áramigénye 3,6 PWh lenne (a világ áramtermelése kb. 30 PWh).

A földgázból előállított hidrogén kilogrammonkénti ára, régiótól függően 1 és 2 dollár között mozgott az elmúlt években. A zöldhidrogén árát a BloombergNEF 2,5-6,8 USD/kg közé tette, ami 2030-ig szerintük potenciálisan 1,4 USD/kg-ra csökkenhet.

A legfőbb felhasználási területei közé az olajfinomítás és műtrágya-gyártás tartozik.

Most, hogy a legfontosabb számokat már ismerjük, nézzük meg, hogy melyek azok a területek, ahol a hidrogén jól használható, vagy egyenesen megkerülhetetlen.

Ahol a hidrogénnnek komoly szerepe lehet

A szezonális, vagyis a heteken, hónapokon átívelő energiatárolás nehezen képzelhető el hidrogén nélkül. A megújuló energiát hasznosító rendszerek túlméretezésével gyakran fog előállni olyan helyzet, amikor túltermelés keletkezik a hálózaton, máskor pedig hiánnyal kell szembenéznünk. A termelés hosszabb időskálán jelentkező ingadozását vízbontással, illetve az így keletkező hidrogén felhasználásával egyenlíthetjük ki.

Zöld hidrogén előállítása

Ehhez persze rengeteg elektrolizálóra lesz szükség. Szerencsére ez a terület is gyors fejlődésen megy keresztül: míg 2020-ban 300 MW-on állt az elektrolizálók globális kapacitása, ami 2021-ben 510 MW-ra emelkedett (+70%), 2022-ben pedig 1,4 GW-ra várták a növekedést. A bejelentett projektek alapján a globális kapacitás 35 GW-ra fog növekedni 2025-ig, és a Nemzetközi Eneriaügynökség úgy kalkulál, hogy 2030-ban valahol 134 és 240 GW között lesz az elektrolizálók összesített teljesítménye. Amennyiben ez megvalósul, az évtized végére évi 10-20 millió tonnányi zöldhidrogén előállítása válik lehetségessé.

Robbanás előtt a zöld hidrogén

Az EU hidrogénstratégiája 2030-ig 40 GW-os termelési kapacitás elérését tűzte ki célul. Az első nagyobb spanyolországi üzem 2022-ben kezdte meg működését. A magyar kormány által elfogadott Nemzeti Hidrogénstratégia célkitűzése 2030-ra évi 20 ezer tonna karbonszegény (kék), és 16 ezer tonna karbonmentes (zöld) hidrogén előállítására, illetve 240 MW elektrolizáló kapacitás kiépítésére irányul.

Megnéztük az első magyar zöldhidrogén üzemet

Az elektrolízis mellett más módokon is készíthetünk hidrogént a nap fényének segítségével. Ezek közé tartozik a fotobiológiai módszer, a termokémiai vízbontás, a legígéretesebb technológia azonban a fotoelektrokémiai vízbontás.

Napfényből hidrogént? Így működik egy hidrogénpanel

Az első naphidrogénes erőmű 2022-ben kezdte meg termelését Portugáliában.

Természetben előforduló hidrogén

Végül azt is meg kell még említenünk, hogy rengeteg természetes hidrogént rejt a föld mélye, amely 0,5 EUR/kg-os árával olcsóbban termelhető ki, mint amennyibe ma a fosszilis eredetű hidrogén kerül. És akár még a földgázzal szemben is versenyképes lehetne.

Rengeteg természetes hidrogén van a föld alatt, csak ki kellene termelnünk

A hidrogén tárolása

A megújuló energia segítségével előállított hidrogént akár hónapokon keresztül is tárolnunk kell, mielőtt felhasználnánk. Ennek az egyik legkézenfekvőbb módja a földalatti tárolók kialakítása, amelyek gyakorlatilag úgy néznek ki, mint egy nagy, földbe süllyesztett acélhenger.

Európa számos régiójában húzódnak sókőzetek a föld mélyén. A só önmagában is kiváló szigetelést képes biztosítani, így a benne kialakított kavernák (üregek) az egyik leginkább költséghatékony módját jelentik a nagy mennyiségű hidrogén hosszabb időszakon át történő tárolására. Egy tanulmány szerint kontinensünkön akár 23 petawattórányi hidrogénes tárolókapacitást is ki lehetne alakítani a sókőzetekben, ami Európa 3 éves villamosenergia-felhasználásának felel meg.

Mennyi hidrogént tudnánk sókavernákban tárolni?

Az Egyesült Államokban Utah államban a Mitsubishi már épít egy 300 GWh kapacitású sókavernás tárolót.

Egy másik ígéretes kutatási irány a szilárd fázisú tárolás. Erre számtalan különféle megoldás létezik, az egyik leginkább kutatott terület a fém-hidridek alkalmazása. A fém-hidrides tárolás alapelve az abszorpció, egy olyan fizikai-kémiai jelenség, melynek során gázok vagy gőzök atomjai-molekulái folyadékkal vagy szilárd testtel érintkezve abban elnyelődnek. A szilárd fázisú hidrogéntárolás nagyobb volumetrikus energiasűrűséggel, azaz kisebb helyigénnyel rendelkezik, mint a ma kapható akkumulátorok, és valamivel kompaktabb, mint a cseppfolyós vagy gáz halmazállapotú tárolást alkalmazó rendszerek. Ami még fontosabb: teljesen biztonságos, és nincs szivárgás. Ezek a tulajdonságok rendkívül vonzóvá teszik az abszorpciós tárolást a szigetüzemű rendszerek használói számára.

Abszorpciós hidrogéntárolással oldanák meg a szigetüzem legnagyobb problémáját Japánban

A hidrogén szállítása

A tárolás mellett a másik fontos megoldandó feladat a szállítás. Felvetődik a kérdés, hogy a zöldáramot, vagy inkább magát a végterméket, azaz a hidrogént lehet hatékonyabban szállítani? Egy tanulmány szerint 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.

Meglepő eredmény: olcsóbb hidrogént szállítani, mint áramot

Az Európai Unió tervei szerint a hidrogén tagállamok közötti szállítása céljából kiépítendő gerinchálózatnak (EHB) 2030-ra 28.000 km, 2040-re pedig 53.000 km hosszúságot kell elérnie. Ennek a törekvésnek a megvalósíthatóságát segíti, hogy a már meglévő gázvezetékek viszonylag kevés ráfordítással alkalmassá tehetőek hidrogén szállítására is.

Az előállítás, a szállítás és a tárolás infrastruktúrájának kiépítését követően a nap- és szélerőművek, az akkumulátorok és a hidrogént hasznosító erőművek egyetlen nagy rendszerbe integrálva képesek lehetnek arra, hogy folyamatos energiaellátást, azaz zsinóráramot biztosítsanak a felhasználók számára.

Zsinóráramot fognak termelni a nap- és szélerőművek ennek a német projektnek köszönhetően

Mennyire hatékony energiatároló a hidrogén?

Felmerülhet a kérdés, hogy mennyire hatékony a villamos energiát hidrogénné, majd azt újra villamos energiává alakítani. A Siemens brosúrája szerint az oda-vissza konverziót magába foglaló teljes ciklus hatásfoka 70% körül alakul, ha az összes rendelkezésre álló hulladékhőt sikerül felhasználni, enélkül viszont 40% alatt marad.

Ennyire hatékony egy hidrogénes erőmű

A szezonális tárolásnak köszönhetően egész gyárakat is elláthatunk kizárólag napenergia segítségével, de akár egyes háztartások szigetüzemű ellátása is megoldható, még akár olyan északi helyeken is, mint Finnország.

Hagyjuk már! – A napenergia télen használhatatlan lenne?

Hidrogén az aclégyártásban, a repülésben és a hajózásban

A hidrogén az áramtermelés mellett megoldással szolgálhat az olyan nehezen dekarbonizálható szektorok számára is, mint amilyen az acélgyártás, a repülés vagy a hajózás.

Így szabadulhatunk meg az olajtól a hajózásban

Szintetikus üzemanyagok

A hajók és a repülök nemcsak közvetlen formában, hanem szintetikus üzemanyagként is felhasználhatják a hidrogént. Ennek az a legfőbb előnye, hogy a már meglévő járművek és a már meglévő infrastruktúra könnyen átállítható a használatukra.

A szintetikus üzemanyagok előállítása ugyanakkor jelentős energiaveszteséggel jár: a Shell szerint egy liter e-benzinhez nagyságrendileg 23-27 kWh (82-99 MJ) villamos energia szükséges. Ennyi energiával egy villanyautó, a töltési és energiatárolási veszteséget is figyelembe véve hozzávetőleg 80-100 km-t fog tudni megtenni – a pontos távolság persze sok mindentől függ. Eközben egy belső égésű motoros autó az egy liter e-benzinnel körülbelül 15 km-re jut, a különbség tehát öt-hatszoros. Éppen ezért a közúti közlekedésben aligha kaphat szerepet a szintetikus üzemanyag, ám a hosszabb távú repülőutak esetében valószínűleg megkerülhetetlen lesz.

Mi az az e-üzemanyag és mi vele a probléma?

A hajózás esetében kézenfekvő megoldás lehet még a zöld metanol alkalmazása is, melyet valamivel kisebb energiaveszteséggel lehet előállítani, mint a többi e-üzemanyagot. Európában Spanyolország lehet a zöld metanol előállításának egyik központja.

Vízre bocsátották az első zöld metanollal hajtott konténerszállító hajót

A hidrogén az élelmiszeriparban

Érdemes még azt is megemlítenünk, hogy léteznek a hidrogén felhasználásának olyan egzotikus formái, amelyek ma még inkább tűnnek scifinek mint valós üzleti lehetőségnek, nem kizárt azonban, hogy ezek némelyike a nem túl távoli jövőben el fog terjedni, és komoly keresletet támaszt a hidrogén iránt.

Az egyik ilyen technológia a biomassza fermentáció. Ennek során hidrogenotróf mikroorganizmusok hidrogénből, szénből, nitrogénből és nyomelemekből úgynevezett egysejt-fehérjét állítanak elő, ami emberi fogyasztásra vagy állatok takarmányozására egyaránt felhasználható.

Nem vicc: ők tényleg a levegőből készítenek ennivalót

Mivel az élelmiszeripar számára felhasználható egysejt-fehérjék előállításához nagy mennyiségű hidrogénre van szükség, a hidrogénhez pedig villamos energiára, így a mezőgazdaság és az energiatermelés között érdekes új szinergiák alakulhatnak ki.

Energiatárolás fehérjében, avagy szükségünk van-e még egyáltalán termőföldre?

Ahol valószínűtlen a hidrogén elterjedése

Sokan gondolják úgy, hogy a hidrogén fontos szerepet játszhat majd a közúti közlekedésben, így például a személyautók esetében is, lévén, hogy egy olyan tiszta meghajtási módról van szó, amely gyors tankolást tesz lehetővé és nagy hatótávot biztosít. Fundamentális okok miatt azonban nem túl valószínű, hogy ezek a várakozások valóra fognak válni.

Hidrogén a közúti közlekedésben: nem valószínű

Először is, a ma használatos technológiákkal 70-80%-os az elektrolízis hatékonysága – tehát nagyjából 20-30% energiaveszteséggel kell számolnunk az előállítás során. Egy kg hidrogén előállításához nagyjából 50 kWh energia szükséges – ez a mennyiség kb 100 kilométerre elég a Toyota Mirainak. Egy mai, átlagosan hatékony villanyautó ennyi energiával elmegy 350 kilométert – és akkor még a veszteségekkel nem is számoltunk. A hidrogénes hajtás hatásfoka még a Volkswagen szerint is mindössze 25-35%, ami messze elmarad a villanyautók hatékonyságától.

Hagyjuk már! – Ezért felejtős a hidrogén

Az infrastruktúra teljes hiánya úgyszintén gátolja az elterjedést, valamint a hidrogén tárolásával is vannak gondok. Egy teli tank hidrogén néhány hét állás alatt teljesen kiürül, mert a H2 lassan elszivárog (diffundál) a tartály falán keresztül. A szállítás többletköltsége talán kiküszöbölhető helyi vízbontókkal, de ezek szisztematikus telepítését egyetlen cég sem kezdte el.

És végül az is megemlítendő, hogy az akkumulátortechnológia fejlődésének köszönhetően egyre inkább elolvad az üzemanyagcellás autók legfőbb előnye, nevezetesen a gyors újratöltés, hiszen ma már az elektromos autók akkumulátora is feltölthető 80%-ra kevesebb mint 20 perc alatt.

Az üzemanyagcella halott ötlet! Vagy mégsem?

Mindezek fényében nem is csoda, hogy az üzemanyagcellás autók értékesítésének növekedése messze elmarad az akkumulátoros autók számának növekedésétől.

Üzemanyagcellás autók a villanyautók ellen: melyiknek áll jobban a szénája?