Hidrogén, mint energiatároló

A hidrogén energiahordozó

Amit először elő kell állítani, hogy aztán a fogyasztók kinyerhessék és felhasználhassák a benne tárolt energiát. Általánosságban véve ez kétféleképpen tehető meg: elektrolízissel, valamint fosszilis üzemanyagokból. Nyilván a legtisztábbnak az első megoldás tűnik, mivel a módszer a vizet elektromos áram befektetésével hidrogénre és oxigénre bontja. Amennyiben az ehhez felhasznált villamos energia megújuló energiaforrásokból (pl. napelemek, szélerőművek) származik, a folyamat fenntartható energiatermelési módot biztosít. Éppen ezért nevezik zöld hidrogénnek. Ugyanakkor már itt meg kell jegyezni, hogy ez egy rossz hatásfokú eljárás, tehát igen sok elektromos energiát igényel.  Alternatív megoldásként a hidrogén fosszilis üzemanyagokból is előállítható. Ennek legnépszerűbb és legköltséghaté­konyabb módja a metán vízgőzös reformálása, melynek alapanyagaként a földgázt alkotó metán szolgál. Az így előállított hidrogént nevezik szürke hidrogénnek. Ha a hidrogén fosszilis tüzelőanyagból áll elő, de nem vezet üvegházhatású-gázkibocsátáshoz, kék hidrogénnek nevezik.

Ha már a hidrogén rendelkezésünkre áll, akkor több felhasználási lehetőséget is felkínál. Akár a ma általánosan elterjedt belsőégésű motorokban is elégethetjük, igaz ehhez a motort azért kissé módosítani kell. Szintén egy autós felhasználási lehetőség az üzemanyagcella. Ez lényegében az elektromos autó egy változata, melynél az áram nem akkumulátorból jön, hanem közvetlenül a hidrogénből állítja elő az üzemanyagcella. Ilyen gépkocsik már világszerte futnak – a világ egyik legnagyobb autógyártója, a Toyota 2014 óta gyártja a Mirait, az első hidrogénmeghajtású járművét –, de igen kis számban, mert hidrogénes töltőállomások gyakorlatilag még nem állnak rendelkezésre.

Elégethetjük a hidrogént a gázkazánokban is a földgáz helyett, de a technológiai problémák itt is sokasodnak. Ami a legközelebbi elérhető megoldásnak tűnik, hogy a földgázhoz kisebb mennyiségű hidrogént kevernek hozzá. A jelenlegi kutatások szerint 20% hidrogén hozzákeverése a földgázhoz még alig okoz gondot, és a mostani gázos infrastruktúrához – vezetékek, kazánok stb. – alig kell hozzányúlni. Ennél nagyobb aránynál viszont már alaposan. Tisztában kell lennünk azzal, hogy a hidrogénnel kevert földgáz és a tiszta hidrogén használatának műszaki feltételei még nem kidolgozottak, de várhatóan reális költségekkel megoldható feladatról van szó. A cél a földgázhasználat arányának fokozatos csökkentése, hosszú távon a tiszta hidrogén használatának bevezetése, ami nyilvánvalóan nem egyenlő a gázfogyasztó készülékek kivezetésével.

Jó lehetőségnek látszik ma is a gázkészülékek és a hőszivattyúk kombinálása, hibrid üzemek létrehozása. A gázfogyasztó készülékből és hőszivattyúból álló hibridek energiahatékonysága akár 30%-kal is jobb lehet a tisztán gázzal, vagy tisztán hőszivattyúval üzemelő megoldásoknál. A magyarországi háztartások jelentős részében meglévő gázüzemű berendezéseket levegős hőszivattyúkkal kiegészítve olyan hibrid rendszerek alakíthatók ki a tisztán hőszivattyús megoldásoknál lényegesen kisebb beruházási költséggel, amelyekben a tiszta hőszivattyús megoldásokhoz képest megközelítőleg 50%-os teljesítményű hőszivattyúk szükségesek. Az ún. bivalencia-ponthoz tartozó külső hőmérséklet alatt a felhasználói gázüzemű berendezések üzemeltetése gazdaságosabb az elfogadható beruházási költséggel telepíthető levegő-levegő típusú hőszivattyúknál, továbbá a hőszivattyúk teljesítménye egy ilyen rendszerben jobban illeszkedik a hőigényhez, kevesebbszer kapcsolnak ki-be, aminek következtében élettartamuk megnő. Ebben a rendszerben a hőszivattyú kizárólag 0 °C külső hőmérséklet feletti üzemeltetésével elkerülhetők a hőszivattyú kültéri egységének egyébként szokásos lefagyási ciklusai is. Ráadásul ebben a rendszerben nincs szükség, vagy csak minimális mértékben van szükség az elektromos hálózat teljesítményének bővítésére.

A hidrogénnek nagy szerepe lehet a jövőben az iparban. A hidrogénből üvegházgáz kibocsátása nélkül hő is nyerhető, így a fosszilis tüzelőanyagok helyettesítésére megfelelő alternatívát kínál. Alkalmazása sok szempontból hasonlít a földgázéhoz, ami lehetővé teszi üzemanyagként történő felhasználását ipari folyamatokban, a hőellátásban, vagy akár generátorok üzemeltetésénél villamos energia előállítása során.

A hidrogén nagyon alkalmasnak látszik arra is, hogy a megújuló energiatermelés (elsősorban napelem), szezonális ingadozását kiegyenlítsük vele. Az akkumulátorgyártás drága, és arra teljesen alkalmatlan, hogy pl. a nyáron termelt áramot télen használjuk fel a segítségével. A hidrogén viszont alkalmasnak tűnik erre a feladatra. Tárolása, szállí­tása a földgázhoz hasonló, a már meglévő földgáz-infrastruktúra megkönnyítheti a hidrogén szállítását és elosztását, ami tovább csökkentheti a költségeket és a nyersanyagigényt, jóllehet sok kérdés merül fel azzal kapcsolatban, hogy pontosan mely infrastruktúra elemeket lehet erre a célra átalakítani, hogyan és milyen költséggel. A zöld hidrogénnek a meglévő gázfogyasztó készülékekben történő egyszerű eltüzeléséhez képest minden más ismert felhasználási lehetőség, például hidrogén üzemű autók előállítása, elfogadhatatlanul költséges.

A legújabb gázfogyasztó készülékeket már úgy hozzák forgalomba, hogy akár tiszta hidrogén üzemre is átállíthatók, ezért ezek kötelező kivezetése ésszerűtlen lenne, egy ilyen döntés környezetvédelmi szempontokkal nem támasztható alá.

Nem lehet tagadni, hogy a hidrogén felhasználásának jelentős ellenzői is vannak. Egyes szakmai vélemények szerint a hidrogén használata a gázközmű szolgáltatók érdeke, akik a mostani infrastruktúrájuk felhasználásával próbálnak megfelelni a CO2 kibocsátás szigorodó feltételeinek. Szerintük a hidrogén egész egyszerűen nem versenyképes alternatíva a hőszivattyúval szemben. A fűtésre használt hidrogénnel lényegében csak kicserélődne a hálózatokban elosztott fűtőanyag az egyik gázról egy másik gázra, és hiába szolgálná az emisszió-csökkenést, ha ugyanerre az elektromos alapú hőszivattyúk is képesek, csak éppen sokkal olcsóbban és hatékonyabban.

Európa egyik legnagyobb kapacitású zöld hidrogén-gyártó berendezését építi fel a Mol Százhalombattán. A létesítmény évente mintegy 1600 tonna tiszta, karbonsemleges zöld hidrogén előállítására képes, amelynek köszönhetően több mint 25 000 tonna szén-dioxid-kibocsátás válik elkerülhetővé, kiváltva a ma használt, földgáz-alapú gyártási eljárás egy részét. A zöld hidrogén előállítása közben egyáltalán nem keletkezik üvegházhatású gáz: a berendezésben megújuló forrásból származó elektromos áram segítségével vizet bontanak hidrogénre és oxigénre. Így egyáltalán nem képződik olyan melléktermék, amely káros hatást gyakorolna a környezetre. Sőt, 1 tonna hidrogén előállításával 8-9 tonna tiszta oxigént is termel a berendezés, valamint csaknem 10 000 tonna földgáz felhasználását takarítja meg.

Annak ellenére, hogy ilyen bőségesen van jelen a hidrogén midenhol a világban, a legritkább esetben találkozhatunk vele tiszta formájában, önálló hidrogén atomként. Általában oxigénnel keveredve, vízként van jelen, vagyis a hidrogént elő kell valahonnan állítani, amihez energiára van szükség. A hidrogén tehát – ellentétben mondjuk a kőolajjal –, nem energiaforrás, hanem energiahordozó. Az önálló hidrogént aztán el lehet égetni, aminek az egyetlen mellékterméke tiszta, iható víz.

Mindebből következik, hogy ha a hidrogén előállításához használt energia zöld, akkor az egész folyamat zöld, hiszen a végtermék egy olyan üzemanyag, aminek az elégetése nem szabadít fel a globális felmelegedést felgyorsító üvegházhatású gázokat, mint amilyen például a szén-dioxid, hanem csak egy kis tiszta vizet.Hidrogén, mint energiatároló

Sok szakmát megoszt manapság a hidrogénhez való viszonyulás. Van egy fizikai alapelv, mely szerint a hidrogén a legtisztább energiaforrás, amit ha elégetünk, akkor víz keletkezik belőle. Létrejöhet a tökéletes körfolyamat, mert a vízből majd újra hidrogént csinálunk, és közben semmilyen szennyezés nincs, széndioxid sem kerül a levegőbe. Az elv jó, de a valóság – a jelenlegi technológiai szint mellett – sokkal összetettebb!

A hidrogén energiahordozó, amit először elő kell állítani, hogy aztán a fogyasztók kinyerhessék és felhasználhassák a benne tárolt energiát. Általánosságban véve ez kétféleképpen tehető meg: elektrolízissel, valamint fosszilis üzemanyagokból. Nyilván a legtisztábbnak az első megoldás tűnik, mivel a módszer a vizet elektromos áram befektetésével hidrogénre és oxigénre bontja. Amennyiben az ehhez felhasznált villamos energia megújuló energiaforrásokból (pl. napelemek, szélerőművek) származik, a folyamat fenntartható energiatermelési módot biztosít. Éppen ezért nevezik zöld hidrogénnek. Ugyanakkor már itt meg kell jegyezni, hogy ez egy rossz hatásfokú eljárás, tehát igen sok elektromos energiát igényel.

Alternatív megoldásként a hidrogén fosszilis üzemanyagokból is előállítható. Ennek legnépszerűbb és legköltséghatékonyabb módja a metán vízgőzös reformálása, melynek alapanyagaként a földgázt alkotó metán szolgál. Az így előállított hidrogént nevezik szürke hidrogénnek. Ha a hidrogén fosszilis tüzelőanyagból áll elő, de nem vezet üvegházhatású-gázkibocsátáshoz, kék hidrogénnek nevezik.

Ha már a hidrogén rendelkezésünkre áll, akkor több felhasználási lehetőséget is felkínál. Akár a ma általánosan elterjedt belsőégésű motorokban is elégethetjük, igaz ehhez a motort azért kissé módosítani kell. Szintén egy autós felhasználási lehetőség az üzemanyagcella. Ez lényegében az elektromos autó egy változata, melynél az áram nem akkumulátorból jön, hanem közvetlenül a hidrogénből állítja elő az üzemanyagcella. Ilyen gépkocsik már világszerte futnak - a világ egyik legnagyobb autógyártója, a Toyota 2014 óta gyártja a Mirait, az első hidrogénmeghajtású járművét -, de igen kis számban, mert hidrogénes töltőállomások gyakorlatilag még nem állnak rendelkezésre.

Elégethetjük a hidrogént a gázkazánokban is a földgáz helyett, de a technológiai problémák itt is sokasodnak. Ami a legközelebbi elérhető megoldásnak tűnik, hogy a földgázhoz kisebb mennyiségű hidrogént kevernek hozzá. A jelenlegi kutatások szerint 20 % hidrogén hozzákeverése a földgázhoz még alig okoz gondot, és a mostani gázos infrastruktúrához – vezetékek, kazánok stb. – alig kell hozzányúlni. Ennél nagyobb aránynál viszont már alaposan. Tisztában kell lennünk azzal, hogy a hidrogénnel kevert földgáz és a tiszta hidrogén használatának műszaki feltételei még nem kidolgozottak, de várhatóan reális költségekkel megoldható feladatról van szó. A cél a földgázhasználat arányának fokozatos csökkentése, hosszú távon a tiszta hidrogén használatának bevezetése, ami nyilvánvalóan nem egyenlő a gázfogyasztó készülékek kivezetésével.

Jó lehetőségnek látszik ma is a gázkészülékek és a hőszivattyúk kombinálása, hibrid üzemek létrehozása. A gázfogyasztó készülékből és hőszivattyúból álló hibridek energiahatékonysága akár 30%-kal is jobb lehet a tisztán gázzal, vagy tisztán hőszivattyúval üzemelő megoldásoknál. A magyarországi háztartások jelentős részében meglévő gázüzemű berendezéseket levegős hőszivattyúkkal kiegészítve olyan hibrid rendszerek alakíthatók ki a tisztán hőszivattyús megoldásoknál lényegesen kisebb beruházási költséggel, amelyekben a tiszta hőszivattyús megoldásokhoz képest megközelítőleg 50%-os teljesítményű hőszivattyúk szükségesek. Az ún. bivalencia-ponthoz tartozó külső hőmérséklet alatt a felhasználói gázüzemű berendezések üzemeltetése gazdaságosabb az elfogadható beruházási költséggel telepíthető levegő-levegő típusú hőszivattyúknál, továbbá a hőszivattyúk teljesítménye egy ilyen rendszerben jobban illeszkedik a hőigényhez, kevesebbszer kapcsolnak ki-be, aminek következtében élettartamuk megnő. Ebben a rendszerben a hőszivattyú kizárólag 0 °C külső hőmérséklet feletti üzemeltetésével elkerülhetők a hőszivattyú kültéri egységének egyébként szokásos lefagyási ciklusai is. Ráadásul ebben a rendszerben nincs szükség, vagy csak minimális mértékben van szükség az elektromos hálózat teljesítményének bővítésére

A hidrogénnek nagy szerepe lehet a jövőben az iparban. A hidrogénből üvegházgáz kibocsátása nélkül hő is nyerhető, így a fosszilis tüzelőanyagok helyettesítésére megfelelő alternatívát kínál. Alkalmazása sok szempontból hasonlít a földgázéhoz, ami lehetővé teszi üzemanyagként történő felhasználását ipari folyamatokban, a hőellátásban, vagy akár generátorok üzemeltetésénél villamos energia előállítása során.

A hidrogén nagyon alkalmasnak látszik arra is, hogy a megújuló energiatermelés (elsősorban napelem), szezonális ingadozását kiegyenlítsük vele. Az akkumulátorgyártás drága, és arra teljesen alkalmatlan, hogy pl. a nyáron termelt áramot télen használjuk fel a segítségével. A hidrogén viszont alkalmasnak tűnik erre a feladatra. Tárolása, szállítása a földgázhoz hasonló, a már meglévő földgáz-infrastruktúra megkönnyítheti a hidrogén szállítását és elosztását, ami tovább csökkentheti a költségeket és a nyersanyagigényt, jóllehet sok kérdés merül fel azzal kapcsolatban, hogy pontosan mely infrastruktúra elemeket lehet erre a célra átalakítani, hogyan és milyen költséggel. A zöld hidrogénnek a meglévő gázfogyasztó készülékekben történő egyszerű eltüzeléséhez képest minden más ismert felhasználási lehetőség, például hidrogén üzemű autók előállítása, elfogadhatatlanul költséges.

A legújabb gázfogyasztó készülékeket már úgy hozzák forgalomba, hogy akár tiszta hidrogén üzemre is átállíthatók, ezért ezek kötelező kivezetése ésszerűtlen lenne, egy ilyen döntés környezetvédelmi szempontokkal nem támasztható alá.

Nem lehet tagadni, hogy a hidrogén felhasználásának jelentős ellenzői is vannak. Egyes szakmai vélemények szerint a hidrogén használata a gázközmű szolgáltatók érdeke, akik a mostani infrastruktúrájuk felhasználásával próbálnak megfelelni a CO2 kibocsátás szigorodó feltételeinek. Szerintük a hidrogén egész egyszerűen nem versenyképes alternatíva a hőszivattyúval szemben. A fűtésre használt hidrogénnel lényegében csak kicserélődne a hálózatokban elosztott fűtőanyag az egyik gázról egy másik gázra, és hiába szolgálná az emisszió-csökkenést, ha ugyanerre az elektromos alapú hőszivattyúk is képesek, csak éppen sokkal olcsóbban és hatékonyabban.

Európa egyik legnagyobb...

...kapacitású zöld hidrogén-gyártó berendezését építi fel a Mol Százhalombattán. A létesítmény évente mintegy 1600 tonna tiszta, karbonsemleges zöld hidrogén előállítására képes, amelynek köszönhetően több mint 25 000 tonna szén-dioxid-kibocsátás válik elkerülhetővé, kiváltva a ma használt, földgáz-alapú gyártási eljárás egy részét. A zöld hidrogén előállítása közben egyáltalán nem keletkezik üvegházhatású gáz: a berendezésben megújuló forrásból származó elektromos áram segítségével vizet bontanak hidrogénre és oxigénre. Így egyáltalán nem képződik olyan melléktermék, amely káros hatást gyakorolna a környezetre. Sőt, 1 tonna hidrogén előállításával 8-9 tonna tiszta oxigént is termel a berendezés, valamint csaknem 10 000 tonna földgáz felhasználását takarítja meg.

Annak ellenére, hogy ilyen bőségesen van jelen...

...a hidrogén midenhol a világban, a legritkább esetben találkozhatunk vele tiszta formájában, önálló hidrogén atomként. Általában oxigénnel keveredve, vízként van jelen, vagyis a hidrogént elő kell valahonnan állítani, amihez energiára van szükség. A hidrogén tehát – ellentétben mondjuk a kőolajjal –, nem energiaforrás, hanem energiahordozó. Az önálló hidrogént aztán el lehet égetni, aminek az egyetlen mellékterméke tiszta, iható víz. Mindebből következik, hogy ha a hidrogén előállításához használt energia zöld, akkor az egész folyamat zöld, hiszen a végtermék egy olyan üzemanyag, aminek az elégetése nem szabadít fel a globális felmelegedést felgyorsító üvegházhatású gázokat, mint amilyen például a szén-dioxid, hanem csak egy kis tiszta vizet.