Ugrás a tartalomhoz

Hidrogén és metanol gazdaság

Mayer Zoltán, Kriston Ákos (2012)

EDUTUS Főiskola

A hidrogén jelenlegi és jövőbeni előállítási módjai

A hidrogén jelenlegi és jövőbeni előállítási módjai

A jelenlegi hidrogén-előállítási módok és mennyiségek

Ahogy korábban említettük, a hidrogént már a XVIII. század közepén felfedezték, az ipar kb. száz éve használja a hidrogént, a második világháború óta kifejezetten kiterjedten.

Laboratóriumi előállítási módja, amit az iskolákban gyakran demonstrációs céllal bemutatnak, a cinkre sósavat öntenek, ekkor hidrogéngáz fejlődik és cink-klorid keletkezik:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

vagy valamilyen alkálifémet vízzel reagáltatnak (ez igen heves reakció):

Na + H2O = 2NaOH + H2

Az ipari (értsd: a nagy mennyiségű) hidrogén-előállítás nem a fenti reakciókat használja. A hidrogén nagyon sok anyagban előfordul, elviekben tehát nagyon sokféle módon elő lehet állítani, de a jelenlegi gyakorlatban abszolút domináns módszer a fosszilis energiahordozókból kiinduló előállítás, ezen belül is meghatározó a földgázból (pontosabban metánból, CH4) történő hidrogén gyártása. Ez utóbbi módszert gőzreformálásnak is nevezik. Világszinten a hidrogén-előállítási módok megoszlása a következő:

1.2.1.1. ábra Forrás: Stróbl Alajos előadásanyaga, 2008. november

Ugyanakkor nemcsak metánból és szénhidrogénekből (pl. kerozin, dízelolaj), hanem oxigéntartalmú vegyületekből (metanol, etanol, glicerin, cukrok, keményítők stb.) is előállítható hidrogén. Ebben az esetben is katalitikus reformálásról beszélünk.

Ugyancsak megemlítendő a nagykiterjedésű széntelepek mellett történő hidrogén-előállítás az alábbi reakció szerint: C + 2H2O = CO2 +2 H2. Az eljárás, akkor fog elterjedni, ha a CO2 megkötésére irányuló technológiák már gazdaságossá válnak.

A világon jelenleg kb. évente 60–70 millió tonna hidrogént állítanak elő a fent említett iparágak számára. Szállítása mind közúton, mind csővezetéken jelenleg is elterjedt: az EU-ban kb. 1200 km ipari célú hidrogénvezeték működik, Észak-Amerikában pedig kb. 1800 km. Több iparágban, pl. a klór-alkáli elektrolízis során a főtermék mellett hidrogén is keletkezik, mint ipari melléktermék. Ez a melléktermék hidrogén fontos szerepet tölthet be a hidrogénenergetika korai szakaszában. Mennyiségi dimenzióit tekintve például Németországban 500 millió Nm3/év melléktermék hidrogén keletkezik vegyipari folyamatokból; amely mennyiség kb. 300 ezer tüzelőanyag-cellás személyautó üzemeltetését tenné lehetővé. Magyarországon (2007. évi adat alapján) kb. 90000 tonna/év volt a hidrogén-előállítás volumene.

A fentiekből látható, hogy a hidrogénipar már jelenleg is egy viszonylag kiterjedt, globális, és érett technológiát használó iparág, amely biztonságosan tud működni. A hidrogénipar USA-ban található elterjedtsége látható az 1.2.1.2. ábrán.

1.2.1.2. ábra Forrás: H2&You

Hidrogén előállítása megújuló energiaforrásokkal I.

A korábbi fejezetekben leírtakból látható, hogy 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.)

A fentiek miatt nyilvánvaló, hogy valamilyen alternatív és ezzel egyidejűleg környezetkímélő módot kell találni a hidrogén előállítására is. A következőkben a jelen technológiai színvonal mellett szóba jöhető előállítási módok kerülnek bemutatásra, vagy azok, amelyekkel kapcsolatosan legalább előrehaladott alapkutatások zajlanak. A felsorolás nem teljes körű, de ez arra is rávilágít, hogy mennyi különböző lehetőség jöhet szóba a hidrogén előállítására, ami egyben a diverzifikáció és a decentralizáltság lehetőségét is magában hordozza. Ugyanakkor nem szabad megfeledkezni az előállítás gazdasági dimenzióiról sem (lásd később).

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 (lásd az esettanulmányok közt). 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, 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.

1.2.2.1. ábra Forrás: Hunyár M.

A fenti leírással arra akartuk felhívni a figyelmet, hogy 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.

Hidrogén előállítása megújuló energiaforrásokkal II.

Ebben a fejezetben több megújuló energiaforráson alapuló hidrogén-elállítási módról lesz szó, bár kevésbé részletesen, mint a szélenergia esetében, mert ezen módok vagy még túlságosan drágák és/vagy technikailag nem kellő mértékben érettek.

Napenergia

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.

1.2.3.1. ábra Forrás: Nanoptek Co.

Biomassza

A biomassza (amelybe nagyon sok anyag tartozhat, a mezőgazdasági hulladékoktól, melléktermékektől, az energetikai ültetvények produkcióján 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.

Hulladékok

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 (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.

1.2.3.2. ábra Forrás: French Alternative Energies and Atomic Energy Commission

1.2.3.3. ábra Forrás: Stanford University, Global Climate & Energy Project

Egyéb, alternatív hidrogén-előállítási lehetőség (nukleáris alapú hidrogéntermelés)

Az egyéb, 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,

amelyek közül az első kettő kerül vázlatos bemutatásra.

(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.)

A termokémiai módszer során a vízgőz (hő hatására történő) bontása megy végbe, amely az elsődleges eljárás a hidrogén nagy mennyiségben és nukleáris energiával történő előállítására. Egyetlen reakcióegyenletbe foglalva az összes lépést a folyamat a következők szerint írható le:

H 2O + hő(Tmagas) → H2 + ½O2 + hő(Talacsony)

Elviekben ez a reakció direkt módon is lezajlódhatna, azonban ehhez nagyon magas (2500–3000 °C) hőmérsékletre lenne szükség, amely viszont meghaladja bármely, ma ismert nukleáris reaktor képességét. A valóságban termokémiai ciklusokon keresztül valósítható meg a fenti reakció, amelyek közül a leginkább vizsgált és gyakorlati alkalmazáshoz is legközelebb álló a kén-jód (S-I) ciklus; ennek sematikus ábráját mutatja az 1.2.4.1. ábra.

1.2.4.1. ábra Forrás: R. E. Uhring, 2008.

Ebben az esetben a legmagasabb szükséges hőmérséklet 700–1000 °C közötti, ami viszont már megoldható több reaktortípusnál is. Az ábrán a bal oldali, magas hőmérsékletű reakcióban kénsav bomlik el kén-trioxidra és vízre, majd tovább kén-dioxidra, vízre és oxigénre. A jobb oldali, alacsony hőmérsékletű reakcióban a jód, a víz és a kén-dioxid reakciójából hidrogén-jodid keletkezik, aminek elbomlásával hidrogéngáz nyerhető ki a folyamatból (a kén-dioxidból kénsav keletkezik, amely visszakerül a magas hőmérsékletű reakcióba; valamint a hidrogén-jodid bomlásából keletkező jód is visszakerül a reakcióba).

A módszer előnye, hogy az összes résztvevő vegyi anyagot visszaforgatják, egyedül hidrogén (és oxigén) lép ki a folyamatból, illetve víz lép be; a reakciók legalább laboratóriumi körülmények között bizonyítottan működnek. A folyamat hatásfoka viszonylag jó: ~60% (1000 °C hőmérsékleten). A hatásfok fenntartása mellett ígéretes megoldások léteznek a csúcshőmérséklet csökkentésére. Az USA Energiaügyi Hivatalának „Nukleáris Hidrogén K+F” terve szerint demonstrációs jelleggel 2017-re megvalósítanák a nukleáris reaktorral történő hidrogéntermelést, és 2020–2025 között várható a kereskedelmi alapon történő termelés. A tervekben szereplő 600 MWt-os reaktor 200 tonna/nap mennyiségű hidrogént tudna termelni.

Az elektrolízis, pontosabban a magas hőmérsékletű elektrolízis (HTE) a másik módszer, amelyet röviden bemutatunk, és amellyel nukleáris energia segítségével hidrogén termelhető. A HTE folyamat kb. 800 °C-on termeli a hidrogént, két fő egysége pedig a hőcserélő rendszer és az elektrolizáló cella. A szükséges hőt, ami az elektrolizálóba belépő túlhevített gőz előállításához szükséges, a nukleáris reaktorhoz történő csatolással biztosítanák. A HTE esetében tehát vízgőzt, és nem folyékony halmazállapotú vizet bontanak hidrogénre és oxigénre, ami javítja a folyamat hatásfokát. Az elektrolizáló cella többnyire szilárd-oxidos; a cellából kilépő két termékáram (hasonlóan a hagyományos elektrolízishez) a hidrogén és az oxigén. A vonatkozó szakirodalom többféle nukleáris reaktorhoz illesztve végezte el az elemzéseket: Európai Nyomottvizes Reaktor (EPR), Nátrium-hűtésű Gyorsreaktor (SFR), és Nagyon Magas Hőmérsékletű Reaktor (VHTR).

A hibridfolyamatok az előző kettőnek valamilyen kombinációját jelentik, de kevéssé kidolgozottak. Az egyik probléma, hogy a legtöbb reaktortípus, amely direkt módon hidrogént tudna termelni a fenti eljárásokkal a IV. generációs reaktorok közé tartozik, amelyekre még évtizedeket kell várni, mire kereskedelmi üzembe léphetnek (a US DoE fent említett dátumai túl optimista előrejelzéseknek tűnnek), másrészről a fukusimai atomerőmű-baleset után nem látható még bizonyosan, hogy milyen lesz az atomenergia általános megítélése, milyen kihatása lesz mindennek az atomenergia-iparra az elkövetkező években.

A hidrogén-előállítás gazdasági aspektusai

Az eddig tárgyalt hidrogén-előállítási módokról összefoglalásként elmondható, hogy:

  1. a hidrogén a természetben nagyon sok formában és nagy mennyiségben áll rendelkezésre, így a különböző előállítási módok – elvi – tárháza igen széles,

  2. az előzőeknek is köszönhető részben, hogy a hidrogént centralizált, nagy termelőkapacitásokban és kisebb méretű, decentralizált rendszerekben is elő lehet állítani, sőt, akár még a felhasználás helyén on-site módon is,

  3. a hidrogén jelenlegi, domináns előállítási módjai fosszilis energiahordozókból (főként metánból) történő eljárásokon alapulnak, ez jelenleg még a legolcsóbb módszer; ugyanakkor az így nyert hidrogén ára a jövőben jelentősen emelkedni fog, főként a fosszilis energiahordozó árak növekedésének köszönhetően, kisebb mértékben az emisszió-kereskedelmi rendszer (ETS) alkalmazása miatt,

  4. a fosszilis alapú, jelenlegi előállítási módok jelentős mértékben környezetterhelőek, különösen a CO2-kibocsátás tekintetében. A villamos hálózatról végzett „hagyományos” elektrolízis, bár helyben nem okoz környezetterhelést, ha dominánsan fosszilis alapon történik a villamosenergia-termelés, negatív hatása ezen előállítási módnak is jelentős,

  5. számos alternatív hidrogén-előállítási mód ismert már jelenleg is, amelyek jóval kisebb mértékben környezetterhelőek, ellenben a költségeik még magasabbak, egyes esetekben a technológiáik nem kellően érettek; egyes esetekben még alapkutatások is szükségesek,

  6. az alternatív előállítási módok közül a szélenergia felhasználásával történő elektrolízis („szél-hidrogén” koncepció) jelenleg a leginkább érett, esetenként már alkalmazott eljárás, középtávon elfogadható költségekkel, amelyhez a szükséges technológia már kereskedelmi forgalomban beszerezhető, tapasztalatok részben rendelkezésre állnak. Középtávon pedig az ára már kifejezetten versenyképes szintre csökkenhet,

  7. a kevésbé „érett” alternatív előállítási módok esetében a hidrogén-termelés hozamaival, és ezen keresztül a gazdaságossággal még komoly problémák vannak, de az intenzív kutatások miatt e téren is várható komoly változás (igaz, csak közép- vagy hosszútávon)

A hivatkozott szakirodalmak egy részében találhatók adatok a hidrogén előállítási költségére vonatkozóan, amelyek az alábbi táblázatban kerülnek összefoglalásra; ezeket tájékoztató jellegűeknek kell tekinteni. A táblázat költségadatai egy-egy esetben – amennyiben ez a szakirodalomban is szerepelt – aktuális és jövőbeni időpontokra kerültek megadásra.

1.2.5.1. ábra Forrás: Mayer Z., 2009.

Látható, hogy a jövőben egyre csökkennek a hidrogén-előállítás költségei, sok esetben feleződnek vagy még kisebb mértékűre csökkennek a költségek, de a tényleges gazdaságosság megítéléséhez majd mindig a versenytárs termékek, pl. a benzin és dízel üzemanyag éppen aktuális árához kell majd viszonytani ezen árakat, és azonos „nevezőre”, pl. energiatartalomra (USD/MJ) célszerű megadni az árakat. Feltétlenül ajánlott a jelen leckéhez kapcsolódó esettanulmány áttekintése, amely az USA Energiaügyi Hivatalának hidrogén-előállításra vonatkozó célkitűzéseit mutatja be.

A leckéhez kapcsolódó esettanulmányok

1. Az Utsira szigetén (Norvégia) működő szél-hidrogén rendszer

A gyakorlatban szél-hidrogén vagy egyéb megújuló energiaforrás és hidrogén „hibrid” alkalmazásával működő rendszerek már jelenleg is léteznek – demonstrációs projektek szintjén –, amelyek közül egyet vázlatosan bemutatunk.

A norvégiai Utsira szigetén, az itt található kisméretű (~250 fős) település energiaigényét szeles időben a két (egyenként 600 kW-os) szélerőmű elégíti ki, illetve a rendszerben jelentkező, „többlet” villamos energia segítségével vízbontással hidrogént állítanak elő, amelyet 2400 Nm3 mennyiségben tárolni tudnak. Kevésbé szeles időben a tárolt hidrogént egy hidrogénmotor és egy tüzelőanyag-cella alakítja át villamos energiává. Ily módon a település energiaellátása teljesen autonóm, – elvileg – nem függ külső forrásoktól és a környezetet sem terheli. Az eszközök gyártásától eltekintve, a normál működés elvileg zéró kibocsátású; a közösség kívülről nem zsarolható különböző „energiafegyverekkel” (lásd gázviták), a közösség függetlenítette magát a változó – jobbára emelkedő – fosszilis energiaáraktól, a jövedelmek is sokkal inkább helyben maradnak, mint az import energiahordozók vásárlása esetén. Utóbbi kitétel az adott példára éppen igaz, mert a hazai ipar le tudja gyártani a szükséges technológiát is (részben vagy egészben), mivel a világ egyik vezető elektrolizáló gyártója éppen norvég cég.

2. Az USA Energiaügyi Hivatalának célkitűzései a hidrogén-előállításra vonatkozóan

Az alábbiakban a US DoE Új költségcélok a hidrogén előállítására című, 2005. július 14-i közleménye olvasható (DOE Announces New Hydrogen Cost Goal, July 14, 2005):

2005-ben a US DoE új költségcélokat és módszertant állított fel a hidrogén-előállításra vonatkozóan, mely szerint 2015-re 2,00–3,00 USD/gge költséget kell elérni a hidrogén-előállítás tekintetében (adózatlanul, 2005 évi USD árfolyamon és a felhasználás helyére szállítva), függetlenül attól, hogy milyen módon állították elő a hidrogént, és milyen módon szállították a felhasználás helyére. A „gge” érték egy gallon benzin energiatartalmának megfelelő mennyiségű hidrogént jelent (gge = „gallon gasoline equivalent”; 1 gallon = 3,7854 liter). Szerencsés módon 1 kg hidrogén energiatartalma minimális eltéréssel éppen 1 gallon benzin energiatartalmának felel meg, így a hidrogénre 1,50 USD/kg, megfelel 1,50 USD/gge értéknek.

Az új módszertan figyelembe veszi a benzines hibrid jármű és a tüzelőanyag-cellás jármű hatásfokát is, egységnyi távolságra jutó költség alapján (cost-per-mile). A költségcélokat az Amerikai Tudományos Akadémia (NAS) üzemanyag-hatékonysági faktoraiból és az Energia Információs Hivatal „High A” jelölést viselő, 2015-re vonatkozó benzinár-előrejelzéseiből származtatták. A „High A” forgatókönyv esetén az USA gazdasága sebezhetőbb a külföldről importált és limitált olajforrásokkal szemben a világ és az USA növekvő olajigényéből fakadóan, amely magasabb olajárak kialakulásához vezet. Ez a forgatókönyv sokkal inkább reprezentatív a gazdasági környezetre és az energiabiztonság helyzetére, amelyben a hidrogénnek versenyeznie kell.

Az új hidrogénköltségcél összhangban van a Hidrogén Üzemanyag Kezdeményezés (HFI) céljával, mely szerint 2015-re a technológiai érettség tekintetében mérföldkőhöz kell eljutni, és ezt arra fogják használni, hogy irányt mutasson a DoE hidrogén és tüzelőanyag-cellás kutatás-fejlesztési tevékenységeinek.

Összehasonlításképpen: 2010-ben a normál ólmozatlan benzin ára az USA-ban 2,60 USD/gallon, 2011 közepén 3,62 USD/gallon volt.

A leckéhez kapcsolódó további kiegészítő információk

A lecke célja, hogy megismertesse a hidrogén jelenlegi előállítási módjait, vázolva ezek előnyeit és hátrányait. Képet adjon a jelenlegi hidrogéniparról. Részletekbe menően ismertesse a megújuló energiák segítségével történő hidrogén-előállítás legkülönbözőbb módjait, részletesebben kitérve a technikailag érettebb és gazdaságilag versenyképesebb módokra. A lecke információkat szolgáltat az egyes hidrogéntermelési módok jelenlegi és jövőben várható költségeiről.

A lecke elsajátításához szükséges idő: kb. 2 óra.