Az elmúlt másfél évben óriási változások történtek az energiahordozók piacán. Az orosz–ukrán háború miatt Európa túlnyomó többsége lemondott az orosz földgázról. Helyette nemcsak más földgázbeszerzési források után néztek az országok, de erőteljes fejlesztésekbe is kezdtek annak lehetséges kiváltására.
Egyik lehetséges, sokat ígérő ilyen anyag a (zöld)hidrogén. A világon jelenleg évi 90 millió tonna hidrogént állítanak elő, a gazdaság hidrogénigénye pedig 2030-ig akár a duplájára is növekedhet! A megújuló energiaforrásokra épülő hidrogén-előállítás aránya egyelőre csekély, a zöldhidrogén világhódító útjának még az elején tart, de a cél világos, és számos innováció fejlesztése zajlik a területen.
(Zöld)hidrogén kontra földgáz
A földgáz a villamos- és hőenergia-termelésben ma még az egyik meghatározó energiaforrás, azonban napjaink drasztikusan változó világában nem biztos, hogy ez a helyzet sokáig fenntartható. A párizsi klímaegyezmény szerint 2050-re el kell érni a klímasemlegességet, ami azt jelenti, hogy a fosszilis eredetű energiahordozóktól addigra mindenképpen meg kell szabadulni. Ebben a helyzetben Európa számára a mentsvárat a zöldhidrogén jelenti. (Zöldhidrogénnek a megújuló energiából, vízbontással előállított hidrogént nevezzük.) A tiszta módon előállított gázt oxidálva ismét hő- és/vagy villamos energiát állíthatunk elő. Így gyakorlatilag minden gazdasági ágban megtalálhatja a felhasználóját.
Az átállás elkerülhetetlen, a sebességét csak az árverseny határozza meg. Ezt az Egyesült Államok Energetikai Minisztériuma (DOE) már felismerte. Célként tűzte az ország energetikai szektora elé, hogy 2030-ra „a bőségesebb, megfizethetőbb és megbízhatóbb tisztaenergia-megoldások” jussanak érvényre. A hidrogén esetében azt várják el, hogy előállítási költsége 80 százalékkal csökkenjen. Ez csak úgy lehetséges, ha azt megújuló energia segítségével állítják elő. A hidrogén akkor lesz versenyképes, ha ára kg-onként 2 USA-dollár alá esik.
Ez nem elérhetetlen cél, hiszen pl. az ausztrál kormány tulajdonában lévő új-dél-walesi Hysata Kutatóintézet 2025-re az egydolláros egységárat célozta meg. Sőt, idén májusban a Nemzetközi Megújuló Energia Ügynökség (Irena) friss prognózisából már az is kiderült, hogy az igazán kedvező feltételekkel rendelkező területeken (Kína, Chile, Marokkó, Ausztrália) akár 65 cent közelébe is eshet az egységár 2030-ra, míg Szaúd-Arábia, az Egyesült Államok és India is alacsonyabb, max. 75-80 cent körüli árszintet célozhat meg. Ám a legjobb európai régiók (Észak-Európa, Németország, Egyesült Királyság, Spanyolország) jó esetben is csak az egydolláros szintet közelíthetik meg.
Eközben Magyarországon...
A zöldhidrogén Magyarországon sem vész a távoli jövő ködébe. Lepsényi Istvánnak, a Magyar Hidrogéntechnológiai Szövetség elnökének egy korábbi nyilatkozata szerint a magyar és az európai hidrogénstratégia alapjai megegyeznek. Mivel vadonatúj technológiáról beszélünk, ezért a kiemelt európai kompetenciákba tartozik, amely területeken az EU engedélyezi az állami támogatást. Óriási, esetenként akár százmilliárdokba is kerülő beruházásokról van szó, ezért egy EU-s döntés szerint kijelölnek egy olyan bankot, amely finanszírozni tudja majd a nagy hidrogénprojekteket. Ugyanakkor, míg Nyugat-Európában – kimondottan Németországban – a zöldenergia forrásai a szélparkok, napjainkban Magyarországon a napelem az alapvető energiaforrás.
A magyar hidrogénstratégia szerint az első nagyon fontos lépés az infrastruktúra megteremtése. Ennek keretében 2030-ig legalább 20 töltőállomás létesül. A második lépésben meg kell teremteni azt a támogatást, amellyel hidrogénnel hajtott tehergépkocsikat lehet beszerezni a nagy hazai flottáknál. Magyarországon az elkövetkező időszakban 12 gigajoule-nyi fotovoltaikus kapacitást fognak felépíteni – indokolt az ebből a kapacitásból származó elektromos áramból jelentős zöldhidrogént előállítani.
Ami a gyakorlati megvalósulást illeti: még 2011-ben kezdődött meg az Akvamarin pilot projekt (összberuházási értéke kb. 2,9 milliárd Ft), melynek keretében a Magyar Földgáztároló Zrt. egy megközelítőleg 2,5 MW összteljesítményű elektrolizálórendszert és a hozzá tartozó hidrogéngáz-előkészítő technológiát létesít a Kardoskúti Földalatti Gáztárolónál. Ez az esetleges túltermelés idején a megújuló energiaforrás „kikapcsolása” helyett a felesleges többlet villamos energia felhasználásával vízbontás útján hidrogént állít elő. A hidrogén a földgázzal keverve a Magyar Földgáztároló Zrt. saját gázzal működő berendezéseiben kerül felhasználásra, csökkentve ezzel a CO2-kibocsátást, emellett szigorúan betartva a gázminőségi előírásokat, a szállítórendszeren keresztül a végfogyasztókhoz is eljuttatható lesz.
Idén áprilisban a Mol bejelentette, hogy egész Európa egyik legnagyobb kapacitású ilyen üzemét építi fel Százhalombattán. A 22 millió eurós beruházásból évi 1600 tonna zöldhidrogén előállítására alkalmas termelőrendszert építenek az amerikai Plug Power kulcsrakész zöldhidrogén-rendszeréből. A 10 MW-os elektrolizálóegységet már 2023-ban üzembe állítják, a Mol Dunai Finomítójában így eltárolt zöldenergiát azonban az ügyfelek nem közvetlenül, hanem az üzemanyagba építve kapják majd meg.
(Érdemes még megemlíteni, hogy az európai piacon is léteznek már „háztáji” méretű zöldhidrogén-termelő berendezések is.)
A hidrogén-üzemanyagú hajtásrendszeré a jövő?
Mint közismert, a közúti közlekedés jelentős CO2-kibocsátással jár. Ha kőolajtermékek helyett például hidrogént használnánk energiahordozóként, úgy ez a probléma nagyban enyhülne. De azért itt is van még elég sok fejlesztenivaló.
Az utca embere általában nincs tisztában azzal, hogyan is működik a hidrogénnel hajtott autó. Azt hiszi, hogy a benzinhez, dízelolajhoz vagy a földgázhoz hasonlóan itt is egy belső égésű motorban történik az elégetése. Valójában ezek is elektromos hajtású autók, azzal a különbséggel, hogy a hajtó elektromotor nem egy nagy akkumulátorcsomagból, hanem üzemanyagcellából kapja az áramot. A járműben továbbra is van akkumulátor, azonban ennek kapacitása jóval kisebb, és csak az időszakosan fellépő energiatöbblet eltárolását szolgálja, illetve simítja a csúcsterheléses energiaigényt. Működése nagy vonalakban a következő: az üzemanyagcellába kb. 1 bar nyomáson hidrogéngázt vezetnek, ami egy katalizátorként működő platinaötvözettel bevont, negatív elektródára érkezik. Itt a hidrogén leadja a negatív töltésű elektronját, ami az elektródán keresztül megindul a fogyasztó, jelen esetben az elektromotor felé. A pozitív töltésű hidrogénion áthalad egy speciális (ionáteresztő) membránon, és megérkezik a szintén katalizátorral bevont pozitív elektródához, amelynek a másik oldalára kb. 1,7–2 bar nyomással levegőt fújatnak. A pozitív töltésű hidrogénion itt egyesül a levegő oxigénjével, és eközben felveszi a pozitív elektródán a fogyasztó felől érkező elektronokat. A hidrogén és az oxigén egyesülésekor vízpára keletkezik, ami a kipufogócsövön keresztül távozik.
1. ábra. Enapter AEM Electrolyser EL 4.0 elektrolitikus vízbontó berendezés. Forrás: Enapter
Az egy cella által előállított feszültség 0,8 és 1 V közötti, ezért annyi cellát kapcsolnak sorba, amilyen feszültséget szeretnének elérni. A teljesítményhez szükséges áramerősséget a cella felülete határozza meg: 1 cm2-nyi felületen 1–1,2 A átlagos áramerősség érhető el. Egy 500 cm2 felületű üzemanyagcellán kb. 500 A áram keletkezik 1 V feszültség mellett. 300 db ilyen cellát sorbakapcsolva 150 kW teljesítményű üzemanyagcella-köteget kapunk – ami már elég egy autó hajtásához. Gyakorlati példaként említhetjük az Európában is forgalmazott Toyota Mirait. Ennek üzemanyagcellája 330 db-ból áll, melyek tömege 52 kg, a legnagyobb teljesítménye 128 kW (174 LE). Állandó mágneses szinkronmotorjának teljesítménye 134 kW (182 LE), vagyis kicsivel több, mint az üzemanyagcelláé. Ez nem jelent problémát, mert – mint minden üzemanyagcellás autóban – a járműben van egy 1,2 kWh-s lítiumion-akkumulátor, amely a hirtelen gyorsítások alkalmával besegít az üzemanyagcellának. A 2. ábrán látható sárga színű tartályok a hidrogént raktározzák, a hátsó tengely fölött helyezték el a lítiumakkumulátort, ami alatt a hajtómotort (kék színnel jelölve) és annak szabályozóelektronikáját találjuk.
2. ábra. A Toyota Mirai energiaellátó rendszere. Forrás: Toyota
Mindez nagyon jól hangzik, azonban mindjárt nem annyira szép a menyasszony, ha megpiszkáljuk az egész folyamat energiamérlegét. Ez, a pontosság igénye nélkül a következő képet adja: energetikai szempontból 1 kg hidrogén előállításához kb. 40-50 kWh energiát kell befektetni, további 3–5 kWh-t emészt fel az összesűrítése 700 barra. 1 kg hidrogén energiatartalma 33 kWh, vagyis a befektetett és a nyert energia aránya 60 és 75% közötti. Ez az előállítási oldal, míg a felhasználásnál tovább romlik a mérleg! Az elektromos autók energiahasznosítása kiváló: 90% feletti. Az üzemanyagcellás autók hajtásláncának hatásfoka is ugyanennyi, csakhogy magának az üzemanyagcellának is van egy hatásfoka, ami kb. 50-60 százalék…
Technológiai fejlesztések az olcsóbb H2-előállításért
A víz elektrolízisén alapuló hidrogén-előállítás régóta ismert módszer, ugyanakkor nagy energiaigénye miatt meglehetősen drága. Éppen ezért világszerte komoly kutatásokat végeznek olyan alapanyagok, katalizátorok megtalálása érdekében, amik kisebb fajlagos energiaigényt eredményeznek. Alapanyagként pedig például a szerves anyagok bomlásakor is keletkező ammónia is szolgálhat.
3. ábra. Fotokatalitikus hidrogén-előállítás. Forrás: Rice University
2011 óta ismeretesek a plazmonikus nanorészecskék, amelyek fény hatására rövid élettartamú, nagy energiájú elektronokat („forró” töltéshordozókat – hot carrier) képesek kilövellni magukból. 2016-ban rájöttek, hogy az ilyen elektronok generátorait meghatározott katalitikus részecskékkel összekötve különleges, hibrid „antennareaktorokat” lehet összeállítani. E reaktorok egyik része a fényből begyűjti az energiát, a másik szekció pedig ezt az erőforrást használja fel az egyes kémiai reakciók végrehajtásakor. A Rice és a Princeton Egyetem tudósai az antennareaktorok energiagyűjtő és reakciógyorsító feléhez találtak réz- és vasalapú alternatívákat. A lényeg a megvilágításban van: fény hiányában a réz-vas katalizátor a korábbi réz-ruténium katalizátorokhoz képest mintegy 300-szor alacsonyabb reakcióképességet mutatott. Megvilágítás hatására a réz-vas a réz-ruténiuméhoz hasonló hatékonyságot és reakcióképességet tudott felmutatni. A kísérletek során lézerfényt használtak, azonban kiderült, hogy LED-es környezetben is jól működik az eszköz. A 3. ábrán balra a reaktort, jobbra pedig a fotokatalitikus egységet látjuk.
Képek forrása:
1. ábra: handbook.enapter.com
2.ábra: www.toyota.hu
3.ábra: news.rice.edu
