Az elmúlt évtizedekben időről időre jelentek meg hírek arról, hogy a zöld átalakulásában a környezetbarát módon előállított hidrogén kulcsszerepet fog játszani. Sajnos e hírekben többnyire egy vonás volt közös, nevezetesen, hogy az áttörés mindig beteljesületlenül lebegett az idő horizontján. Ezért nehéz félretenni a szkepticizmust és úgy tekinteni a témára, mint egy valóban küszöbönálló, változásokat hozó és befektetési lehetőségeket tartogató eseményre, de bizonyos fejlemények azt sugallhatják, hogy talán „this time is different”.
Amit viszont ténykérdésként kezelhetünk, hogy az éghajlatváltozás hatásainak mérsékléséhez szükséges szén-dioxid-kibocsátás csökkentési célok elérhetetlenek valamilyen „tiszta molekula” előállítása és széles körű felhasználása nélkül. A felhasználási területek a vegyipari alapanyagtól kezdve az energetikai megoldásokon át egészen a közlekedésig terjedhetnek, ezt az alábbi ábra szemlélteti. Különösen igaz ez az olyan „hard-to-abate” (azaz nehezen dekarbonizálható) szektorokra, mint például az acélipar[1], hajózás stb.
Forrás: WA Renewable Hydrogen Strategy
Ezt felismerve számos ország, gazdasági tömb jelentett be több milliárd euro értékben programokat. Az EU által szorgalmazott Green Dealben is sarkalatos a hidrogén alapú gazdaság fejlesztése: 2050-ig a számítások szerint az iparágba 180-450 milliárd euro áramolhat, amelyben már az előállításhoz szükséges megújulóenergia-termelési (szél és nap) kapacitások 80-120 GW-os bővítése és a telepíteni kívánt elektrolizálók is benne vannak[2]. A források tehát rendelkezésre állnak majd várhatóan, azonban a technológia gazdasági versenyképessége még közel sem adott, amit csak részben magyaráz a szén-dioxid-kvóták árának nem kellően magas volta.
A jelenlegi helyzet
Jelenleg a hidrogén előállítása 99 százalékban fosszilis alapanyagból történik, így a teljes globális szén-dioxid-kibocsátás mintegy 2-3 százalékáért felelős a hidrogén termelése. A hidrogén felhasználása jelenleg elsősorban a vegyiparban (például ammóniagyártás), kőolajfinomítókban történik betáplált alapanyagként. Az üvegházhatású gázok kibocsátásával járó hidrogéntermelés további felfuttatása az éghajlatváltozás szempontjából nem célszerű. További zöldebb megoldás lehet az ún. CCS (Carbon Capture, Storage) módszer, amely a felszabaduló szén-dioxid-kibocsátást valamilyen technológiával megköti[3].
Zöld hidrogén: mi az az elektrolízis, és hogyan működik az üzemanyagcella?
A hidrogén elektromos árammal történő előállítását elektrolízisnek nevezzük, ebben az esetben tehát elektromos energia alakul át kémiai energiává: vízbontás során hidrogént és oxigént állítunk elő. Az elektrolizáló cella elektrolitoldatból, két elektródból (anód, katód) áll, hasonlóan egy normál galváncellához. Természetesen több technológiai megoldás is létezik, amelyet a felhasznált elektrolit alapján (például AFC – alkálikus, PEM – protoncserélő membrán[4], SOFC – szilárd oxidos stb.) csoportosíthatunk. Az egyes megoldások más hőfokot, más tisztaságú betáplált alapanyagot igényelnek, és más be- és kikapcsolódási idővel bírnak, ezért felhasználási területük különböző.
Az üzemanyagcella használata a fenti folyamat megfordítását jelenti, azaz a kémiai energia alakul át elektromos energiává: a folyamatosan betáplált hidrogénből és oxigénből elektromos áramot állítunk elő, a folyamat végén pedig víz a melléktermék. A cellák felépítése[5] közel megegyezik az elektrolízisben felhasználttal, csak kvázi fordított üzemmódban lezajló folyamat megy végbe. Az alábbi ábra egy PEM típusú tüzelőanyagcellát ábrázol:
Forrás: US Department of Energy
A folyamat során az anódon elektronleadás (oxidáció), míg a katódon elektronfelvétel (redukció) történik, az elektronok pedig fémes vezetőn áramlak az anód és a katód közt, miközben munkát végeznek (például elektromotort hajtanak meg). A protoncserélő membránon[6] – mint látható – a pozitív töltésű hidrogénion halad csak át, így a membrán másik oldalán a betáplált oxigén, az elektronok és a hidrogénionok vízzé alakulnak. Ezért „puffognak” ki például az üzemanyagcellával felszerelt autók vízgőzt, miközben a termelt elektromosággal a motort hajtják.[7]
Az adott típusú cella kiválasztása a felhasználás módjától függ, például a PEM cellák gyors ki- és bekapcsolási idővel működve képesek teljesítményingadozást kezelni, relatíve alacsony hőmérsékleten működnek, így akár közlekedési eszközökben is használhatóak, de kisebb teljesítménytartományban áramtermelésre is használják már őket. Ugyanakkor a technológia nagy tisztaságú hidrogént igényel, és katalizátorként drága platina kerül felhasználásra. Ezzel ellentétben például a szilárd-oxidos (SOFC) cellák magas hőmérsékleten (500-1000 Celsius fok) működnek, lassú reakcióidővel, emiatt telepített energiatermelésre alkalmasak. Ugyanakkor nem igényelnek magas tisztaságú hidrogént és drága katalizátort sem[8].
Az egyszerűség kedvéért tehát még egyszer: az elektrolízis során vízből elektromossággal hidrogént állítunk elő, az üzemanyagcellában pedig hidrogénből elektromosságot. Ha az elektrolízishez szolgáló áram megújuló forrásból érkezik, zöld hidrogénről beszélünk.
Főbb kihívások: alacsony hatásfok, jelenleg drága előállítás, veszélyesség
Az elektrolízis hatásfoka hozzávetőlegesen 60-80 százalék, a tárolás során a veszteség 0,3-33 százalék közé eshet, míg az üzemanyagcellák hatásfoka 40-60 százalék körül mozog: összesen tehát 55-84 százalék az energiaveszteség, azaz 15-45 százalék hatékonyságú a folyamat, amennyiben a teljes hidrogénciklust vizsgáljuk. Összehasonlításképpen egy elektromos autó akkumulátorának hatásfoka hozzávetőlegesen 70-90 százalék.
A másik jelentős kihívás az cellák előállításának költsége, noha az elmúlt 5-10 évben közel 50 százalékot már esett az ár. Jelenleg a zöld hidrogén előállításának költsége a 4-6 USD/kg sávban mozog, amelyet egyes kalkulációk szerint az 1,5-2,5 dolláros sávba lenne szükséges csökkenteni 2030-ig[9] ahhoz, hogy igazán versenyképessé váljon a termék[10] egyes felhasználási területeken. Ehhez természetesen a technológiai fejlesztések mellett méretgazdaságossági előnyök is szükségesek – ezt célozzák az állami programok szerte a világon. Például az EU-ban a cél 2030-ig 40 GW-nyi elektrolizáló üzembe állítása, ami hatalmas ugrás lenne a jelenlegi 1 GW-os szintről. A cellagyártók számára a volumen felfutása pedig teret nyithat a költségek további lefaragására.
Sajnos a hidrogén egyes fizikai tulajdonságai is számos problémát jelentenek. Egyrészt tanulmányainkból emlékezhetünk a színtelen és szagtalan durranógázra, amely hidrogén és oxigén elegyeként rendkívül robbanásveszélyes. Ebből fakadóan a tárolása és szállítása fokozott óvatosságot és fejlett technológiai megoldásokat igényel. A hidrogénatom mérete kicsi, így az elszökést megakadályozandó a tartályoknak nagy precizitással kell készülniük. Ráadásul a hidrogén térfogatra vetített alacsony energiasűrűsége miatt csak magas nyomáson tárolható hatékonyan, ami szénszálas és ekként igen drága megoldásokat igényel. Csak a példa kedvéért: egy 120 literes tartályban hozzávetőlegesen 5 kg hidrogén tárolható 700 bar nyomáson, amellyel egy FCEV autó kb. 500 km-t képes megtenni. (A tömegre vetített energiasűrűsége ezért igen kedvező.) További hátránya, hogy egyes fémeket rideggé tesz, ezért speciális anyagfelhasználást igényel a tárolása és szállítása.[11]
Lényeges irányvonalak
Megújuló energiával elektrolízis útján hidrogén állítható elő zéró szén-dioxid-kibocsátással, ez az ún. zöld hidrogén. A hidrogén ezután energiahordozóként szállítható (vezetékekben, tartályokban) hosszú távon tárolható és felhasználható többek között 5-15 százalékos arányban földgázzal keverve égetéssel (hiszen tisztán ég, így csökken a kibocsátás), vagy például üzemanyagcellában, direkt módon villamosenergia előállítására.
Energiatárolás, szállítás, energiatermelés
Közismert, hogy a megújuló energiaforrások (elsősorban a nap- és szélerőművek) egyik legnagyobb hátránya a nehezen tervezhető, időjárásfüggő termelés, amely nem képes rugalmasan igazodni a kereslethez. Ebből fakadóan hiába vannak egyes országokban már a csúcsfogyasztást is meghaladó beépített megújuló kapacitások, rendszerben kell tartani a fosszilis erőműveket is[12],[13]. Elkerülhetetlen tehát az energiatárolási kapacitások kiépítése, amellyel a zöldenergia-felesleget akár hosszabb távra is pufferelni lehet, erre az egyik megoldás pedig a hidrogén lehet[14].
Kis fizika: a jelenlegi akkumulátorok energiasűrűsége kb. 200-250 Wh/kg, ráadásul hosszabb távú tárolásra alkalmatlanok (használat nélkül is merülnek), valamint egyéb környezetvédelmi kérdések is felmerülhetnek a bennük lévő kobalt, nikkel, mangán, lítium stb. miatt. Ezzel szemben a kompresszált hidrogén energiasűrűsége több mint százszorosa is lehet a most elterjedt lítiumos akkumulátoroknak (kb. 30 kWh/kg), és bár tárolása a fenti okok miatt nehézkes, egyes lokációkban ez is olcsóbbá tehető (például „sóbarlangban” – salt caverns – egyes kalkulációk szerint így 0,23 USD/kg-ot tehet ki a tárolás költsége).
A hidrogén sűrűsége kb. negyede a földgázénak, ami a tárolás során a nagy térfogatigény miatt hátrány, ugyanakkor arra alkalmas csővezetékben történő szállítás esetén előnyös is lehet a majd háromszoros áramlási sebesség miatt. Azonban a cseppfolyósítás vagy kémiai módosítás (például ammónia vagy egyéb szintetikus üzemanyag formájában) a tárolt energia 30 százalékának felhasználásával is járhat, ezért az adott helyszín adottságai határozzák majd meg az optimális megoldásokat. Olyan lokációkban azonban, ahol a megújuló energia bőségesen áll rendelkezése (például Chile, amely a szél- és naperőművek számára is ideális helyszín), akár az energiaexportőrré válás lehetőségét is megvillantja a hidrogénipar kiépülése.
Röviden megfogalmazva tehát a hidrogén tiszta molekulaként, mint másodlagos energiahordozó[15] fontos szerepet játszhat a zöld energiatárolásában, és a fejlett akkumulátorok versenytársa lehet sok tekintetben.
Közlekedés: teherszállításban, hajózásban valószínűleg igen, repülésben lehet, személygépkocsikban nehézkesen
A tehergépkocsik esetében az akkumulátoralapú villamosítás egyik fő korlátja az akkumulátorok fentebb már kifejtett relatíve alacsony kilogrammonkénti energiasűrűsége. Egy kamion mozgatásához szükséges akkumulátorpakk tömege a teljes kamion tömegének tetemes hányadát is kiteheti, amelynek „felesleges” szállítása jelentős költségelemnek bizonyulhat. A hidrogén ezzel ellentétben sokkal könnyebb, hisz 5 kg hidrogén hozzávetőlegesen 500 kg lítiumos aksinak megfelelő kapacitást jelent menetteljesítményben[16]. Ráadásul a teherszállításban a nagy telephelyek könnyebben felszerelhetőek a hidrogénellátást biztosító infrastruktúrával, így a hidrogén-előállítási költségek várható esésével itt gyorsabb áttörés valószínűsíthető.
A személygépkocsik esetében az infrastruktúra hiánya egyelőre legyőzhetetlen akadálynak látszik, ráadásul a hétköznapi felhasználás során az akkumulátortechnológia már jelenleg is kényelmes és közel versenyképes megoldásnak[17] látszik a fosszilis üzemű autókkal szemben is.
A repülés esetében ugyancsak az akkumulátorok jelentős tömege jelentheti a villamosítás akadályát, ráadásul e speciális alkalmazásnak – felszállásnál jelentős áramigény – az akkumulátorok „lehetetlen szentháromsága”[18] is útjába állhat. Ebből fakadóan számos szakértő várja a hidrogénmegoldások megjelenését a repülésben is.
Szektorális integráció
Az alábbi ábra egy integrált szektorális megközelítés tervezetét szemlélteti Ausztráliában, ami a hidrogén leghatékonyabb felhasználását ún. komplex értékláncban rendezve érné el. Ez esetben például a hidrogén ammóniává történő alakításával[19] oldanák meg az exportra történő szállítást.
Forrás: Herbert Smith Freehills / Ausztrália
Összefoglalás
A zöld hidrogén előállítása és gazdaságban történő felhasználása jelenleg még számos akadályba ütközik, amelyek közül pénzügyi szempontból az első a jelenleg közel sem versenyképes ár. Mindemellett az elkövetkező évtizedekben rengeteg állami forrás áramlik majd az elektrolizálók/üzemanyagcellák/egyéb támogató technológiák/hidrogén infrastruktúrájának piacára, ami felgyorsíthatja a költségek csökkenését és a technológia fejlődését.
Fontos hangsúlyozni, hogy az olcsó – amennyiben nem számítjuk a környezetkárosítás akár végtelen, hosszú távú költségeit, hisz az emberiség tervezési horizontja sajnos maximum pár év – és elterjedt fosszilis energia tökéletes kiváltása a jelenlegi technológiai fejlettség mellett[20] nem lehetséges. Ez nem jelenti azt, hogy rendszerszíntű tervezéssel, erőforrás átcsoportosítással, esetenként (az átalakulás költségeinek igazságos társadalmi elosztását célozva) fiskális redisztribúcióval nem megvalósítható. Csak más gondolkodási keretet, más célrendszert igényel.
Tapaszti Attila
[1] 1 tonna acél előállítása jelenleg kb. 2 tonna szén-dioxid-kibocsátással jár.
[2] 2030-ig a cél 10 millió tonna zöld hidrogén előállítása. Természetesen az egyes országok külön is rendelkeznek hidrogénstratégiával, mint például Franciaország, Németország, Egyesült Királyság, Japán, Dél-Korea és természetesen Kína.
[3] Például kimerült gázmezőkbe történő visszapumpálással, de egyéb, kémiai reakciókkal történő szén-dioxid-megkötést is magukba foglaló technológiák.
[4] A NASA Gemini küldetéseiben már használták az 1960-as években.
[5] Kis módosításokkal optimalizálják.
[6] Általában platinával bevontan készül, ezért a cellák elterjedése addicionális platina iránti keresletet generálhat.
[7] Fontos, hogy üzemanyagcellában nem csak hidrogén használható fel, hanem egyéb alapanyagok is (például metanol, egyéb szintetikus üzemanyagok), amelyek már szén-dioxid-kibocsátással járnak ugyan, de kevésbé szennyezően, mint az alapanyag egyszerű „elégetése”.
[8] https://www.hfc-hungary.org/tuzeloanyag-cellak/
[9] Párhuzamosan emelkedő szén-dioxid árakat feltételezve 50-60 dolláros árig legalább.
[10] Első körben a jelenlegi fosszilis alapú hidrogéntermelés kiváltásához, amelyet – mint említettük – főként a vegyiparban használnak alapanyagként.
[11] A fenti nehézségeket elkerülendő köztes hordozóként például könnyebben szállítható ammónia vagy metanol állítható elő.
[12] Erre jó példa Németország, ahol már messze túlszárnyalják a szél- és naperőmű kapacitások az előbb említett csúcsszintet: van, amikor szeles-napos időben az áram ára negatívvá válik, de télen, szürke, szélcsendes időben a zöld erőművek kihasználtsága az 1 százalékot sem éri el.
[13] A helyzetet javíthatja a földrajzilag távol eső területek összekapcsolása, ez azonban egyéb technikai, biztonsági és politikai akadályokba is ütközhet.
[14] Különösen síkságokon, ahol a pumpás/szivattyús, magaslatokon elhelyezett víztározók nem állnak rendelkezésre, amely a helyzeti energia kihasználásával biztosíthatná az energiatárolást.
[15] A hidrogén nem energiaforrás!
[16] Ehhez még hozzájön természetesen a tartály tömege.
[17] Ami 100 USD/kWh árnál következik majd be várhatóan. Jelenleg még efelett járnak a gyártók.
[18] Energiasűrűség, életciklus hossza, kisülési ráta.
[19] Ami természetesen más termékek alapanyaga is lehet, mint műtrágya, egyéb ipari termékek stb.
[20] Beleértve valószínűleg az elkövetkező pár évtizedet is.
Főoldali kép forrása: pixabay.com
