A globális primer energiaigény több mint 80 százalékát a fosszilis energiaforrások adják, melyek mellett a nukleáris energia, illetve a megújuló energiaforrások részesedése elenyészőnek hat. A felhasználás növekedése a jövőben tovább folytatódik, ezért mértékadónak tekinthető prognózisok szerint a fosszilis energiahordozók magas aránya már nem tartható fenn biztonsággal hosszú távon, esetleg már középtávon sem.

A fosszilis energiahordozókhoz kapcsolódó limitációk, kockázatok napjainkra több oldalról is jelentkeznek, és külön-külön is számottevő a hatásúk. Ezek közül talán a legismertebbek a forrásoldali limitációk, amelyek a készletek nyilvánvalóan véges jellegére utalnak, és amelyeket kicsit részletesebben az olajtetőzés elméletével foglalkozó fejezetben mutatunk be. Az utóbbi években a forrásoldali limitációkkal közel azonos súlyú szemponttá emelkedtek a nyelőoldali limitációk. A fosszilis energiahordozók felhasználásával (leggyakrabban: elégetésével) légszennyező anyagokat bocsátanak ki, leginkább jelentős mennyiségben az üvegházhatású szén-dioxidot, amelyet a Föld atmoszférája, pontosabban teljes ökoszisztémája (amely jelen esetben értelmezhető „nyelőként” is) már nem tud olyan ütemben asszimilálni, mint amilyen ütemben azok kibocsátásra kerülnek. Ennek egyik markáns jele, hogy mindössze hozzávetőlegesen két-háromszáz év alatt, nagy valószínűséggel az emberi tevékenységek következtében kb. 30%-kal megnőtt a légkör szén-dioxid-koncentrációja, amelynek a következménye a – nem minden részletében ismert, de – nagy kihívást jelentő globális klímaváltozás.

A fosszilis energiahordozók felhasználását tekintve további negatív tendenciát jelent az egész EU és különösen Magyarország számára, hogy jelentős mértékben külső importra szorulunk ezen energiahordozók vonatkozásában. Magyarországon a termelés és a behozatal aránya a 2000. évi 42–58%-ról 2010-ig 38–62%-ra változott, energiafüggőségünk tehát erősödött az utóbbi évtizedben, és továbbra is magasabb az uniós átlagnál.

Az importált energiahordozók kilenctizedét a földgáz, a kőolaj és annak különböző származékai tették ki. Egy elöregedő társadalomban, mint amilyen a magyarországi is, ez a jövedelemkiáramlás (az import energiahordozókért kifizetett jövedelem) komoly problémát jelent. Hazánk esetében ez igen jelentős mértékű: a világpiaci árak függvényében Magyarország teljes világpiaci exportbevételének akár 14 százalékát is elköltheti energiaimportra, ráadásul – ahogy fentebb láthattuk – az energiafüggőség tendenciájában növekvő.

A villamos energia, mint szekunder energiahordozó szerepe egyre fontosabbá vált a fejlett országok gazdaságaiban, de e tendencia már a fejlődő országokban is megfigyelhető. Ennek oka, hogy a villamos energiát a legértékesebb energiafajtának tartják, mivel kényelmesen és igen sokféle célra felhasználható, a felhasználás helyén már nem szennyez (viszont termelői oldalon jelentős környezetterheléssel állítjuk elő!), a felhasználás helyén jó hatásfokkal átalakítható azon energiaformává, amelyre éppen szükségünk van, és viszonylag könnyen szállítható. A statisztikai adatok azt mutatják, hogy a teljes energiafelhasználáson belül felhasznált villamos energia részaránya növekvő tendenciát mutat, mind Magyarországon, mind nemzetközi szinten.

Az általános jövőbeni tendenciákat mutatja a 1. ábra, mely szerint a XXI. század első évtizedéig jellemző – a jelenlegi – „fuel to electricity” koncepció (melynek keretében fosszilis energiahordozókból villamos energiát állítunk elő), majd átmeneti időszak következik, és fokozatosan áthelyeződik a hangsúly az „electricity to fuel” rendszerekre. Utóbbi esetében egyre jelentősebb arányban történik közvetlenül villamosenergia-termelés, és például a közlekedési szektoron belül a villamos energiát, vagy közvetlenül használjuk fel közlekedési célokra (akkumulátoros megoldások), vagy – az akkumulátoros technológia problémái, hiányosságai miatt – köztes energiahordozón, pl. a hidrogénen keresztül, erre utal az „electricity to fuel” kifejezés.

1. ábra Forrás: Ludwig–Bölkow Systemtechnik, 2008.

(Megjegyzés: az előző, 2008-as grafikonon 2010 és 2020 közöttre jósolt tetőzése a fosszilis és nukleáris tüzelőanyagoknak sajnos nem valósult meg, a mai előrejelzések ezt az időpontot 2020 és 2030 közé teszik – ld. 2. ábra.)

2. ábra Forrás: DNV GL Energy Transition Outlook 2018

Egy ilyen jövőbeni, a villamos energia „dominálta” energetikai rendszerben a hidrogénnek, mint köztes energiatároló médiumnak, illetve energiahordozónak lehet nagyon fontos szerepe, mert az úgynevezett tüzelőanyag-cellás technológiák segítségével a hidrogén igen jó hatásfokkal villamos energiává alakítható. Némi túlzással, de szemléletes megfogalmazásban a hidrogén és villamos energia „szinonim fogalmakká” válhatnak. A villamos energia egy speciális termék a tekintetben is, hogy nem lehet tárolni – ipari méretekben –, emiatt egy villamos energia dominálta energetikai rendszerben a szabályozás (a villamosenergia-termelés és -fogyasztás pillanatnyi egyensúlya fenntartásának) kérdése még inkább fontossá válik, így a hidrogén a VER (Villamos Energia Rendszer) szabályozási feladataiban is szerepet játszhat a jövőben.

 

A hidrogén a legegyszerűbb kémiai elem, a periódusos rendszer első eleme (vegyjele: H). Henry Cavendish fedezte fel közel 250 éve. „Vízképzőt” jelentő nevét Antoine Lavoisier alkotta szóképzéssel a görög hüdór (ΰδωρ = ’víz’) + gennó (γεννώ = ’nemzeni’) szavakból. Normál állapotban színtelen, szagtalan, íztelen, igen gyúlékony, kétatomos gáz, amely nagyon jó hővezető. A normál állapotú levegőnél sűrűsége kb. 14-szer kisebb, és számottevő diffuzivitással rendelkezik. A hidrogén a világegyetemben leggyakrabban előforduló elem, az univerzum anyagának kb. 75%-a (m/m) hidrogén, de a Földön is igen elterjedt: atomszázalék tekintetében a 2. helyen áll az elemek között, tömegszázalékát tekintve pedig a 9. helyen. A Földön a hidrogén elemi vagy kétatomos gázállapotával nem találkozhatunk, hanem szinte kizárólag vegyületeivel; jelen van a vízben, szinte minden szerves vegyületben, biomasszában. Csak az atmoszféra felsőbb rétegeiben található molekuláris hidrogén kisebb mennyiségben.

Tulajdonságai sok szempontból kedvezőek: nem toxikus, nem korrozív, nem rákkeltő, nem üvegházhatású, nem radioaktív,környezetbe való véletlenszerű kijutása során nem okoz semmilyen visszamaradó környezetszennyezést.

A hidrogén tehát igen gyakori elem, „elvileg korlátlan” mennyiségben rendelkezésre áll, de csak kötött formában, azaz vegyületeiben fordul elő, amelyekből számottevő mennyiségű energia befektetésével lehet előállítani a hidrogént (pl. vízbontással 286 kJ/mol). Viszont előállítása igen sokféle módszerrel történhet, akár decentralizáltan, azaz kisebb léptékben, a felhasználása helyén (on-site) is előállítható, és – tüzelőanyag-cellákban – jó hatásfokkal fel is használható. Ez az elterjedt és nagy mennyiségű földrajzi előfordulás éles ellentétben áll a jelenleg használt fosszilis energiahordozóink előfordulásával, amelyek – különösen pl. az olaj – egyes régiókra koncentrálódnak, és amelyek nem ritkán politikailag instabil régiók. A hidrogén vízben igen kis mértékben oldódik, viszont nagyon jól oldódik egyes fémekben (palládium, platina, nikkel).

A hidrogén nemcsak 250 évvel ezelőtti felfedezése miatt nem tekinthető újszerű „jelenségnek”, hanem igen elterjedt és kb. százéves múltra visszatekintő vegyipari alkalmazása miatt sem.

A hidrogént tehát eddig is használtuk, főként vegyipari célokra, viszont jelenleg, illetve néhány éven belül a hétköznapi, szélesebb körű és kiterjedt energetikai célú felhasználási lehetőségekhez érkezhetünk, érkezünk. Az eddigiek alapján is nyilvánvaló, de talán célszerű hangsúlyozni, hogy a hidrogén nem energiaforrás, hanem egy másodlagos energiahordozó (hasonlóan pl. a villamos energiához; a másodlagos „jelleg” azt jelenti, hogy valamilyen „elsődleges” energiahordozóból (pl. földgáz) vagy annak segítségével állítható elő).

A teljesség kedvéért és részben érdekességként meg kell említeni, hogy a hidrogén kvázi energetikai célú használata már évtizedekkel ezelőtt létezett Magyarországon is, mivel az úgynevezett „városi gáz” egyik, kifejezetten magas arányú (~35% V/V) összetevője volt a hidrogén. A lakosság a városi gázt fűtésre, főzésre használta az 1960-as évekig. (A városi gáz egy másik fontos, ugyanakkor veszélyes összetevője a szén-monoxid volt.)

A hidrogén fűtőértéke az ismert elemek közül a legmagasabb (120 MJ/kg) tömegegységre vonatkoztatva, azonban mivel a hidrogén sűrűsége rendkívül alacsony, a térfogategységre jutó energiasűrűsége viszont meglehetősen csekély. A hidrogén tömeg- és térfogategységre vonatkozó energiatartalmát (fűtőértékét), néhány más, jelenleg alkalmazott energiahordozóval összehasonlításban a 3. ábra mutatja.

3. ábra Forrás: M.Ball: The Hydrogen Economy, 2009.

A hidrogén tömegegységre vonatkoztatott fűtőértéke közel háromszorosa a benzinének, kb. 2,4-szerese a földgázénak és hatszorosa a metanolénak; viszont térfogategységre vonatkoztatott fűtőértéke kevesebb, mint harmada a benzinének, kb. 42%-a a földgázénak és kb. fele a metanolénak.

Hidrogén előállítása megújuló energiaforrásokkal


Szélenergiából

A hagyományos (jelenlegi) hidrogén-előállítási módszerek:

  1. Egyrészről mind meglehetősen környezetterhelőek, közvetlenül vagy közvetetten. Közvetlenül akkor, ha az előállítás során jelentkeznek káros kibocsátások. A villamos hálózatból vételezett energiával történő vízbontás is környezetterhelő, ha az energiamixben domináns a fosszilis eredetű energiahordozók felhasználása, mert bár a vízbontás nem jár káros kibocsátással, majd később a hidrogén felhasználása sem, de a villamos energia előállítása, annak módjától függően igen környezetterhelő lehet (ez jelenti a hidrogén közvetett környezetterhelését).
  2. Másrészről véges fosszilis energiahordozó készletekre alapulnak, így csak cseberből vederbe jutnánk, ha a nagy mennyiségű hidrogén-előállítást is pl. a fölgázra alapoznánk. (Bár a hidrogénenergetika korai szakaszában ez is elfogadható módszer lesz, illetve lehet; mivel kezdetben már a hidrogén-technológiák puszta létének, működőképességének demonstrálása is nagy előrelépés lenne.)

Az előállítási módokat többféle szempont alapján lehet csoportosítani; jelen esetben az energiaforrásból indulunk ki. Ebben a fejezetben elsődlegesen és részletesen a szélenergia segítségével történő hidrogén-előállítás kerül bemutatásra, ez a leginkább érett, megújuló energia alapú előállítási mód, amelyhez minden szükséges eszköz kapható a hagyományos kereskedelmi forgalomban, és jelenleg már néhány ilyen rendszer üzemel is a világban.

A levegő mozgási energiája szélerőművek segítségével mechanikai (forgási) energiává, majd generátorral villamos energiává alakítható. A megtermelt villamos energiával vagy annak egy részével vízbontás segítségével hidrogén állítható elő. Az ilyen előállítási módot az angol szakirodalom a „wind hydrogen” kifejezéssel jelöli, ami magyarul „szél-hidrogén” rendszernek fordítható; az ilyen rendszerek igen csekély (nullához közeli, pontosabban csak az eszközök legyártása során jelentkező) károsanyag-kibocsátással tudnak hidrogént előállítani.

A szélerőművek – illetve az időjárásfüggő megújuló energiaforrások – egyik hátránya, hogy a villamos energiát a meteorológiai paraméterektől (jelen esetben a szélsebességtől) függően időben igen változó módon állítják elő, míg a villamosenergia-rendszer (VER) egyensúlyát minden pillanatban fenn kell tartani. A termelési kapacitás változékonyságára jellemző, hogy önálló szélfarmok esetén a kimenő teljesítmény 10 perc múlva történő megváltozásának fel és le irányú maximuma a beépített teljesítménynek kb. 85–95%-a is lehet. Több és az ország területén elszórtan elhelyezkedő szélfarm esetében a teljes termelés jóval kisebb ingadozásokat mutat. A szélerőművek villamosenergia-termelésének éppen ezen túlzott váltakozó jellegét segíthet „kisimítani” a hidrogén(előállítás), amikor is a VER nem képes befogadni a szélerőművek által termelt villamos energiát. Ebből kiindulva a szélenergiával történő hidrogén-előállítás esetében az alábbi alternatívák merülhetnek fel:

„Szigetüzem”, amikor a szélerőmű mellé ténylegesen telepítik a vízbontó rendszert, és a szélerőmű (illetve megfelelő hidrogéntároló kapacitás), valamint a vízbontó teljesítménye megegyezik, hogy bármely időpillanatban képes legyen felvenni a szélerőműből származó villamos teljesítményt. Ilyen szigetüzemű rendszer, bár technikailag megvalósítható, gazdaságossági szempontból – speciális kivételtől eltekintve – vélhetően nem lesz életképes, főként a beruházás magas tőkeköltsége miatt.

„Vegyes termelés” esetén elsődlegesen villamos energiát termel a szélerőmű, és csak azokban az időszakokban kerül a villamos teljesítmény egy része a vízbontóra, és történik hidrogén-előállítás, amikor a VER nem tudja fogadni a villamos energiát (pl. az éjszakai mélyvölgy időszakában). Egy ilyen rendszerben tehát két termék is előáll: a villamos energia és a hidrogén. Esetlegesen előállhat olyan – ritka – eset is, amikor a vízbontó másik elektródján keletkező oxigént is fel tudják használni (ezt is számos ágazat használja), ebben az esetben elvileg három hasznos termék is lehetséges.

„Intelligens hálózat”: ebben az esetben nincs, vagy általában nincs fizikailag a szélerőmű(park) mellé telepítve a vízbontással működő hidrogéntermelő berendezés, hanem a szélerőmű a villamos hálózatra termel, és esetlegesen földrajzilag távolabb, a felhasználás helyén kerül elhelyezésre vízbontó kapacitás (pl. hidrogén-üzemanyagtöltő kutaknál), és a VER képes intelligens megoldásokon keresztül, az aktuális stabil állapotát fenntartva, távvezérléssel a szükséges villamos kapacitással hidrogént termelni, akár az ország számos pontján, decentralizált módon. Az intelligens villamos hálózatot „smart gridnek” is nevezik, és ez természetesen nemcsak a szélerőművel termelt villamos energia, hanem bármely más megújuló (vagy éppenséggel nem megújuló) energiaforrással termelt villamos energia továbbítására, elosztására alkalmas.

A valóságban már működik néhány szél-hidrogén rendszer, ilyen például a norvégiai Utsira szigetén működő rendszer. Ugyanakkor az egyre terjedő megújuló energiaforrásokkal a VER szabályozása és az energiatárolás kérdése egyre fontosabbá válik, és a jövőben ebben szerepet kaphat a hidrogén is. Különösen igaz ez például Németországra, ahol jelenleg is 20000 MW körül jár a beépített szélerőmű-kapacitás nagysága (megjegyzés: ez az adat 2020-ban már 55GW, ld. https://www.cleanenergywire.org/factsheets/german-onshore-wind-power-output-business-and-perspectives), ami tovább fog növekedni a következő években, és a szivattyús-tározós (SZET) erőművek vagy más megoldások (pl. sűrített levegős tárolás, CAES) nem lesznek képesek önmagukban megoldani a szabályozási feladatokat.

A szélenergiával vagy más megújuló erőforrással előállított hidrogén nem egy „izolált” feladat, amelyben egyedüli cél a hidrogén előállítása lehet; hanem ez egy komplex problémakör, amely szervesen és elválaszthatatlanul illeszkedik a meglévő energetikai infrastruktúrába, és csak olyan fontos tényezőkkel kezelhető és értelmezhető együtt, mint például az intelligens hálózatok.

Napenergiából

A Napból érkező energia – emberi léptékhez viszonyítva – örökös és kifogyhatatlan mennyiségben van jelen: a Földre érkező napenergia ~3,5*1024 J/év, ami kb. 17 000-szerese az emberiség jelenlegi éves energiaigényének. A napenergia alkalmazásával járó probléma részben a napszakok és az évszakok szerinti váltakozó jellege, amit az aktuális időjárás változása (pl. felhősödés) tovább erősít. Ugyanakkor számos előnye is van: belátható időn belül nem fogy el, nem környezetszennyező, nem kell kitermelni és szállítani, nem drágul. A napenergia segítségével történő hidrogén-előállítás elvileg több módon is megvalósítható:

  1. az egyik, technikailag leginkább érett módszer a napenergiából fotovoltaikus (PV) úton történő villamosenergia-előállítás, ennek segítségével pedig vízbontás. Ugyanakkor gazdasági szempontból tekintve, a fotovillamos rendszerekből nyert energia még igen drága, emiatt a napelemes energiatermelés segítségével előállított hidrogén ára is az egyik legmagasabb,
  2. egy másik lehetőség a napenergiával történő hidrogén-előállításra a naperőművek alkalmazása lehet. Ezek a közvetlen napsugárzást egy optikai kollektorrendszerrel egy pontra fókuszálják, és itt igen magas hőmérsékletet állítanak elő. A hőmérséklet elérheti az >1500–2000 °C feletti hőmérsékletet, ahol a víz(gőz) termokémiai bomlása végbemegy, azaz alkotóelemeire, hidrogénre és oxigénre esik szét. Az eddig megépült kísérleti naperőművek villamos teljesítménye 5 kW – 80 MW tartományba esik, de ezek a rendszerek csak napi 4–10 órában tudnak működni, meglehetősen drágák és kockázatokat is hordoznak magukban,
  3. további lehetőség a napenergiával történő hidrogén-előállításra a fotokatalízis, amely jelenleg még nem ismert széleskörűen, viszont napjainkban erősen feltörekvő eljárás. A módszer lényege, hogy bizonyos katalizátorok fény hatására képesek a vizet bontani, ezáltal hidrogént termelni. Ezt a tényt és azt, hogy például a titán-dioxid alkalmas erre, már évtizedek óta ismerték, de korábban csak UV-fény hatására ment végbe a fotolízis. Jelenleg viszont biztató kutatási eredmények vannak olyan nanostruktúrált többkomponensű katalizátorok kialakításáról, amelyek így gazdaságosan, a látható fény tartományában és szobahőmérséklet-közeli állapotokban képesek a vízbontásra. A fotokatalitikus vízbontásra irányuló kutatások Budapesten, az MTA Kémiai Kutatóközpontban is folynak. Megjegyezzük, hogy nemcsak vízből, hanem metanolból is nyerhető hidrogén fotokatalitikus eljárásban.
Biomasszából

Biomassza (amelybe nagyon sok anyag tartozhat, a mezőgazdasági hulladékoktól, melléktermékektől, az energetikai ültetvények produktumán át, egészen a tengeri algapopulációkig) elviekben fontos hidrogénforrás lehetne. Amint a fosszilis eredetű szénhidrogéneknél, a biomassza hasonlóan hidrogénné alakítható elgázosítással vagy pirolízissel, amelyet gőzreformálás követ. E módszer előnye az lehet, hogy már széleskörű tapasztalatokkal rendelkezünk a fosszilis tüzelőanyagok átalakításával, finomításával kapcsolatosan.

A pirolízis és az elgázosítás a termikus eljárások közé tartoznak, de van néhány fontos különbség, és egyik sem tekinthető azonosnak a tüzelőanyag közvetlen elégetésével. A hagyományos égési folyamatban három dolog van jelen:

  1. éghető anyag (itt biomassza),
  2. oxidáló anyag (itt a levegő oxigénje) és
  3. hő.

A fő különbség, hogy pirolízis esetén oxigén nincs jelen a reakcióban (amely kb. 300–800 °C fok között zajlik), az elgázosítás során bár jelen van oxigén, de mennyisége nem elegendő a teljes oxidációhoz a reakcióban (amely kb. 750–1600 °C között zajlik). A pirolízis abban is különbözik az égetéstől, hogy míg ez utóbbi exoterm folyamat, azaz hőt termel, addig a pirolízis endoterm folyamat, azaz hőbevitelt igényel a folyamat fenntartásához. A pirolízises és elgázosítási eljárás a szerves anyagokból (ez lehet nemcsak biomassza, hanem szerves anyag tartalmú hulladék is vagy valamilyen szénhidrogén) első lépésben magas szén-monoxid (CO) és hidrogén (H2) tartalmú gázt, úgynevezett szintézisgázt eredményez; amelyet általában még vízgőzzel reagáltatnak, hogy minél nagyobb arányú legyen a folyamatból a hidrogénkihozatal (ez utóbbi reakció jelenti a fent említett gőzreformálást). A pirolízis során a biomasszában lévő oxigén eredményez CO-t, míg az oxidációs eljárásokban a bevitt oxigén a fő CO-forrás. A hidrogén és CO mellett még főként szén-dioxid keletkezik a folyamatban.

A biomassza égetésével vagy pirolízisével elviekben nagyjából csak annyi CO2 kerül a légkörbe, amennyit a növény élete során megkötött. Azonban figyelembe kell vennünk a termesztéshez szükséges egyéb inputokat is, mint például a legtöbbször szükséges műtrágyát (amelyhez szintén sok hidrogén szükséges ammónia formájában), a víz- és energiabevitelt a termesztéshez, betakarításhoz és szállításhoz, valamint az olyan egyéb környezeti aspektusokat, mint a termőtalajra, biodiverzitásra gyakorolt esetleges negatív hatások. Nem beszélve az értékes mezőgazdasági területek lefoglalásáról, ha elsődleges – energetikai célú – termékként kerül termesztésre a biomassza, amely így élelmezési célú terményeket szorít(hat) ki. Mindezek miatt rendkívül óvatosan értékelendő a biomasszából (ezen belül az intenzív energetikai célú termesztésen alapuló biomasszából) nyerhető hidrogén vagy bármely más bio-energiahordozó (pl. biodízel, bioetanol) előállításának módszere, mert életciklus-szemléletben könnyen több környezeti – és egyéb, például társadalmi-gazdasági – kárt okozhat, mint amennyi hasznot hozna.

Hulladékokból

Kommunális (vagy más szerves anyagot tartalmazó) hulladékokból is nyerhető hidrogén, alapvetően azon módszerek segítségével, amelyeket a biomasszából történő előállításánál részleteztünk. Egy további lehetséges módszer a hulladék anaerob fermentálása, amelynek során mikroorganizmusok segítségével a szerves anyagokból – az oxigéntől nagyrészt elzárt környezetben – biogáz, azaz magas metántartalmú (CH4) gáz keletkezik. Ezt a metánt azután – a hagyományos előállítási módszereknél leírtak alapján gőzreformálással (SMR) – hidrogénné alakíthatják; a visszamaradó biomassza pedig sok esetben komposztként használható.

Biotechnológiai módszerek segítségével (biohidrogén)

Egyes egysejtű élőlények, pl. a zöldalgák vagy baktériumok, is el tudják végezni azt a folyamatot, amelynek során a nap energiáját a rendelkezésünkre álló víz bontására használva hidrogént állítanak elő. A Chlamydomonas reinhardtiiról régóta ismert, hogy a fotoszintézis közben képződött tápanyagait kedvezőtlen körülmények között felélve hidrogént termel az úgynevezett biofotolízis során. E területen jelenleg csak alapkutatások zajlanak, de a cél egy olyan szerkezet megépítése, amely egysejtű mikroszervezeteket foglal magába, biztosítja a szaporodásukat, fennmaradásukat, anyagcseréjüket, és e folyamatok végtermékeként hidrogéngázt nyer ki a rendszerből. Az így megszerkesztett foto-bioreaktor kis befektetéssel a nap energiáját kihasználva a jövőben esetleg olcsó hidrogént képes előállítani. Ilyen alapkutatások jelenleg Magyarországon, a Szegedi Tudományegyetemen is zajlanak.

Nukleáris energiával történő előállítás

Alternatív előállítási mód a nukleáris energia segítségével történő hidrogén-előállítás. A nukleáris energia segítségével nagy mennyiségű hidrogén állítható elő, centralizált módon. A nukleáris energiával történő hidrogén-előállítás technológiai lehetőségei a következők lehetnek:

  1. termokémiai módszerek,
  2. magas hőmérsékletű elektrolízis,
  3. hibrid folyamatok.

(Itt most természetesen nem említjük meg külön az „alapváltozatot”, a nukleáris erőműben előállított és a villamos hálózatra továbbított villamos energia segítségével, vízbontáson keresztül történő hidrogén-előállítást.)

Hidrogén tárolása, szállítása és felhasználási módjai


A hidrogén tárolása komprimált gáz és folyékony állapotban

Gázhalmazállapotban megoldható a hidrogén csővezetékes szállítása: a Ruhr-vidéken például több mint 60 éve üzemel egy 25 bar nyomású 210 km hosszú csővezeték-hálózat. Azonban a földgázvezetékekhez és a szerelvényekhez képest elsősorban azt kell figyelembe venni, hogy a hidrogén nagy nyomáson elridegíti az acélt, mivel kis mérete miatt könnyen belediffundál. A hidrogén tárolása történhet gáz- vagy folyékony halmazállapotban. Gázhalmazállapotban történő tárolása a gyakorlatban nagy nyomású tartályokban történik (4. ábra), ekkor azonban a robbanásveszély elkerülésére kiemelt figyelmet kell fordítani.

4. ábra Forrás: H2 Logic

Elvileg viszonylag nagy mennyiségű hidrogén tárolható föld alatti üregekben, leművelt földgázmezőkben vagy akviferekben. A folyékony halmazállapotban való tárolás egy nagyságrenddel több hidrogén tárolását teszi lehetővé, viszont a –253 °C alatti hőmérséklet biztosítása nagyon költséges, ezért ezt egyelőre csak az űrtechnikában alkalmazzák. A folyékony tárolókban a hidrogén mindig forr, ahogy érintkezik a dupla falú tárolóedénnyel, ezért a nyomás túlzott megnövekedésének elkerülése érdekében a túlnyomást mindig leengedik. Ennek az a következménye, hogy hosszú távon a folyékony hidrogén elpárolog, azaz, csak akkor érdemes ezt a változatot választani, amikor a hidrogén nagy mennyiségben fogy. (Megjegyzés: a Mercedes a fenti technikai nehézségek ellenére mindig is a folyékony hidrogéntárolás elkötelezettje volt az üzemanyag-cellás járműprototípusai esetében. Ezzel kapcsolatban a Daimler Truck AG 2020 decemberében jelentette be, hogy a Linde-vel közösen folyékony hidrogén tankolására alkalmas üzemanyagtöltő állomásokat fejleszt, ami a cég 2023-ban már sorozatban gyártani tervezett GenH2 Truck kamionjainak a kiszolgálásához szükséges.)

A nagynyomású tárolás általában két lépcsőben történik. Először egy köztes nyomásra nyomják össze a hidrogéngázt, vagy pedig folyékony formábban tárolják, majd az átfejtéskor egy kompresszor állítja elő a kívánt nyomást. Így kerül be például a járművek 350–700 bar nyomású kompozit tartályaiba.

5. ábra Forrás: http://fuelcell.hu/

A kompresszor vonatkozásában meg kell említeni, hogy nem alkalmazhatók a hagyományos kenési eljárásokat alkalmazó módszerek. (Megjegyzés: a Linde a hidrogéntöltő állomásaihoz fejlesztette ki és szabadalmaztatta 20066-ban az Ionic kompresszorait, amik szennyezésmentes, kis karbantartásigényű, nagyhatásfokú kompresszálást tesznek lehetővé.)

A hidrogén tárolása kötött állapotban

A metal-hidrid palackok a hidrogént a kristályszerkezetükben adszorbeálják, így alacsony nyomáson is nagy mennyiségeket lehet tárolni a segítségükkel. A legtipikusabban alkalmazott anyagok a TiFex porok, amelyeket egy sima acélpalackba töltenek. Újabban kísérleteznek nanocsövekkel is, amelyekkel a remények szerint 6 tömeg% hidrogént tudnának tárolni. Hagyományos nagynyomású palackokban 2%, az 6. ábrán bemutatott palackokban 3 tömeg% hidrogén tárolható.

A metal-hidrid palackok előnye:

  1. Nagy energiasűrűség
  2. Alacsony nyomás, ezért a jelenlegi hidrogén-infrastruktúrában is tölthető
  3. Egyszerű szabályozás

A metal-hidrid palackok hátrányai:

  1. Lassú tölthetőség; ebből a szempontból inkább akkumulátor, mint hidrogéntároló
  2. A hidrogén-deszorpció sebessége korlátozott
  3. Jelentős hő szükséges a deszorpcióhoz, illetve jelentős a hőfejlődés a töltésnél

A metal-hidrid palackokat a hidrogénkinyerés során folyamatosan melegíteni kell, hogy a teljes hidrogénmennyiséget kinyerhessük. Erre a tüzelőanyag-cella által termelt hő bőven elegendő, azonban kogeneráció esetén ez rontja a rendszer hatásfokát.

Évek óta folynak kutatások arra vonatkozóan, hogy fullerénmolekulában tároljanak hidrogént. Ezt a hatvan atomból álló szénmódosulatot 1985-ben fedezte fel a Rice Egyetemen Harry Kroto, Richard Smalley és Robert Curl. A focilabda külsejű molekulával a felfedezők kiérdemelték a kémiai Nobel-díjat 1996-ban. A „focilabda” 20 hatszögből és 12 ötszögből áll, ez a szerkezet adja stabilitását. Mérete nem éri el az egy nanométert, a valódi focilabda nagyságának a fullerénlabda tehát csupán egy tízmilliomod része. Hidrogéntárolásra akkor érdemes használni a fullerénmolekulát, ha tömegének legalább hat százalékát magába tudja zárni a gázból. Boris Yakobson és kollégái szerint már szobahőmérsékleten is 8 százalékos sűrűségben bennmarad a hidrogén a fullerénlabdákban. „Számításaink szerint egyes fullerénlabdák olyan mennyiségben képesek tárolni a hidrogént, hogy megközelíthetik a fémek sűrűségét” – tudatta Yakobson a Rice Egyetem sajtóközleményében.

A szénatomok közti kötés egyike a legerősebb kémiai kötéseknek. Ezeket a kötőerőket Yakobson csoportja számítógépes modellel szimulálta, ahogyan azt is, mi történik velük, ha hidrogénatomokat csomagolnak a labdába. A kutatók azt állítják, hogy a fullerénlabda szétpattanásának pontját is ki tudják számítani modelljükkel. Ez azért fontos, mert ekkor engedi ki „szállítmányát” a nanotartály.

A hidrogén szállítása

Jelenleg az az egyik alapkérdés, hogy a hidrogén elosztása központi vagy helyi szintű legyen. Ez leginkább a hidrogén termelésének jellemzőitől függ (azaz központilag nagyobb méretű üzemekben vagy decentralizáltan, több kisebb méretű helyszínen állítjuk elő), de az energetika más területeihez hasonlóan ezek valamilyen „egészséges” aránya lehet reális a jövőben. A földrajzi elhelyezkedéstől is függően egyes alkalmazásoknál a helyi termelés és elosztás a célszerűbb. Ilyen lehet pl. az ipari hidrogénbeszerzési lehetőségtől távol eső töltőállomás vagy a szünetmentes áramforrások (UPS) hidrogénellátása.

Jelenleg a hidrogént komprimált gáz vagy cseppfolyós halmazállapotban szállítják, többféle szállítási mód alkalmazásával. Nagyobb mennyiségek szállítására alkalmasabb a csővezetéken, illetve – a cseppfolyósított metán analógiája alapján – a vízi úton történő szállítás, kisebb mennyiségek esetén a közúti és vasúti szállítás tűnik előnyösebbnek.

Jelenleg a hidrogén elosztásának a közúti szállítás a leggyakoribb módja, mivel a legtöbb felhasználó viszonylag csekély mennyiséget igényel, és ilyen esetben a helyben történő előállítás túl költséges lenne. A hidrogén közúti szállításának két lehetősége van: nagyméretű palackokban komprimálva vagy tartálykocsikban cseppfolyós állapotban. Mint korábban láttuk, a komprimált hidrogéngáz előállítása és tárolása egyszerűbb és hatékonyabb a cseppfolyósításnál. Szállításkor viszont a kisebb energiasűrűségének megvannak a hátrányai: egy teherautóval egyszerre kb. 500 kg hidrogént lehet szállítani a 200 baros palackokban. A teherautók több (akár 40) tonnás önsúlyához mérten az alacsony kihasználtság szembetűnő.

Cseppfolyós hidrogén szállításához dupla falú, vákuumszigetelt tartálykocsikat használnak, amelyeket kamionokkal vagy vasúton juttatnak a fogyasztóhoz. Ezekkel jelenleg egyszerre mindössze 4000 kg hidrogén szállítása lehetséges – bár ez kb. 13000 liter benzin energiatartalmának felel meg. A cseppfolyós halmazállapotú szállítás elvileg tengeri úton is megvalósítható majd, amennyiben a hidrogéngazdaság olyan szintre jut, hogy a hidrogéntermelést és -felhasználást jelentős távolságok választják el. E téren az LNG (cseppfolyós földgáz) szállításával szerzett tapasztalatok nagy segítséget nyújthatnak.

A nagy mennyiségű hidrogént igénylő fogyasztók (pl. vegyi vagy petrolkémiai üzemek) ellátása optimálisan – és ha erre a körülmények lehetőséget adnak – csővezetéken történik, 10–70 bar nyomáson. Az ipari fogyasztók megnövekedett kereslete miatt az elmúlt években dinamikusan bővítették a hidrogén-csővezeték kapacitásokat – főként közvetlenül a termelők és a nagyfogyasztók között –, mivel ez a nagy mennyiségű szállítás leggazdaságosabb módja.

A hidrogén korábban említett jellemzőiből (illékonyság, anyaggyengítés, anyagkifáradás) fakadóan a hidrogén szállítását szolgáló csövekhez csak különleges acélötvözetek vagy más (pl. kompozit) anyagok alkalmasak, ami szintén érvényes a toldásokra, tömítésekre, illetve a segédüzemi berendezésekre, mint például a kompresszorok. Ez nyilván a beruházási költségekre is kihatással van; tehát drágább egy hidrogénvezeték-rendszer kiépítése, mint pl. a földgázé.

Már napjainkban is számottevő léptékű meglévő hidrogénvezeték üzemel. Németországban pl. egy 240 km-es hosszúságú, 30 bar nyomású hálózat gondoskodik a Ruhr-vidék 18 ipari fogyasztójáról az 1930-as évek óta. Az EU-ban a hidrogén-csővezetékek összesített hossza kb. 1600 km (ennek fele Belgiumban és Hollandiában található). Kazincbarcikán, a BorsodChem telephelyén belül is több kilométer hosszú hidrogénvezeték-hálózat juttatja el ezt a gázt az előállítás helyétől (HyCO üzemek) a felhasználási pontokra. Az USA-ban és Kanadában együttesen is kb. 1800 km meglévő, ipari hidrogénvezeték-rendszer működik, évtizedek óta biztonságosan.

Egyes vélemények szerint a legmodernebb földgázvezetékek alkalmassá tehetők majd hidrogén szállítására is, de ez jelenleg még vitatott kérdés. Az is viták, illetve vizsgálódások tárgyát képezi, hogy a meglévő földgázhálózatba néhány százaléknyi hidrogén bevezetése megvalósítható lenne-e, okozhatna-e gondot a szállítórendszeren vagy a végfelhasználói eszközökben.

A hidrogén jövőbeni (energetikai) felhasználási módjai

A hidrogén energetikai célú felhasználásának küszöbéhez érkeztünk, és jó esély van rá, hogy a hidrogén és a hidrogénenergetikai technológiák a következő évtizedekben számottevő részesedést szerezzenek maguknak. Az energetikai célú felhasználás, beleértve a közlekedést is, csíráiban tulajdonképpen már megjelent a 2000-es években is, mivel a hidrogén tüzelőanyag-cellás busz és/vagy személyautó projektek számos országban sikerrel megvalósultak, kiépült néhány tucat hidrogén-üzemanyagkút, illetve korai demonstrációs projektek az energiatermelés területén is zajlottak. Azonban ezek elsődlegesen a technológiai validációt, tesztelést hivatottak szolgálni; a gazdaságossági szempontok vagy a kommercializálódási (tömeges piacra lépési) lehetőségek még nem voltak adottak, egyes korai, speciális alkalmazásokat leszámítva.

A szemelvények forrása:

Mayer Zoltán és Kriston Ákos – Hidrogén és metanol gazdaság (https://regi.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_31_hidrogen_es_metanol/ch01s04.html)