Hidrogén: a jövő üzemanyaga

A hidrogén a földfelszín és a világűr leggyakrabban előforduló eleme. A sokoldalú kutatási munka során eljutottunk a hidrogén lehetséges szerepének megismeréséhez a légkör védelme érdekében. Intenzíven kutatják a hidrogén alkalmazásának lehetőségét az ipari léptékű energiatermelésben.

Szilágyi Zsombor

A világ legtöbb országában megértették, hogy a megújuló energiahordozók fokozottabb használata ellensúlyozhatja a fosszilis tüzelőanyagok káros szerepét a légkör változásában. Európában kiemelten kezelik a megújulók használatának növelését. Pár év után máris jelentkezett ennek a programnak az árnyoldala is: a szél- és napenergia nem egyenletesen áll rendelkezésre, és a megújuló energia termelésének periódusai nem azonosak az energiaigények szezonalitásával. Máris dolgozni kell az áramfelesleg vagy az áramhiány kezelésén, amihez új eljárásokra és új energiahordozóra is szükség van. A sokoldalú kutatási munka során eljutottunk a hidrogén újrafelfedezéséhez, a hidrogén lehetséges szerepe megismeréséhez a légkör védelme érdekében. Intenzíven kutatják a hidrogén alkalmazásának lehetőségét az ipari léptékű energiatermelésben.

A hidrogén tulajdonságai

A hidrogén a földfelszín és a világűr leggyakrabban előforduló eleme. Ma még nem soroljuk a klasszikus megújuló energiahordozók közé, szerepe azonban a környezet kímélésében kiemelkedő lehet. A hidrogént 1766-ban fedezték fel, és már több mint száz éve jelen van az energiaszolgáltatásban. A szénalapú városi gáz hidrogéntartalma akár 50% is lehetett, és ezt a gázt vezetékeken is szállították a felhasználóknak. Ismerjük az első léghajók esetét is, különösen a begyulladt hidrogén miatti katasztrófákat.

A hidrogén használata azért is került most az energetikai fejlesztések közé, mert

• alapanyaga korlátlanul áll rendelkezésre víz és egyéb anyagok formájában,
• előállításának több módja is ipari léptékben lehetséges,
• égésterméke víz, nem szennyezi a környezetet és a légkört,
• a hidrogénnel közvetlenül lehet villamos áramot előállítani.

Pár szó a hidrogénről [1]:

• magas a gravimetriás energiasűrűsége, közel háromszorosa a folyékony szénhidrogéneknek, a térfogati energiasűrűsége viszont alacsony,
• fizikai, kémiai, tüzeléstechnikai tulajdonságai lényegesen eltérnek a hagyományos szénhidrogénekétől, például forráspontja –259,1 ^oC, robbanási koncentrációjának határai: 4–75 tf %, öngyulladási hőmérséklete 560 ^oC, a levegőnél sokkal könnyebb,
• égésterméke víz, de a hidrogén égésénél nitrogén-oxidok is keletkeznek, ami erősen légkörszennyező gáz,
• erősen redukáló hatású,
• nem mérgező,
• a hidrogén cseppfolyósítása ma már nem számít újdonságnak, a cseppfolyós levegő, a nitrogén, az oxigén és a földgáz cseppfolyósítása, tárolása, szállítása elegendő tapasztalatot jelent a cseppfolyós hidrogén kezelésére is,
• van még néhány tisztázatlan kérdés a hidrogén hatásáról a tároló- és szállítórendszerek anyagára.

A hidrogént az ipar széles körben használja: ammónia előállítására, zsírok és olajok hidrogénezésére, metanolgyártáshoz, hegesztéshez, plazmavágáshoz stb.

A hidrogén energetikai használata

• A szél- és napenergia-termelés szezonalitásának kiegyenlítő energiahordozója lehet: áramtúltermelés esetén hidrogént lehet termelni, majd áramhiány esetén a hidrogénből áramot termelhetnek,
• részben vagy teljes mértékben gépjármű-hajtóanyagot válthat ki,
• a hidrogén-üzemanyagcellák teljesítményének, élettartamának és hatásfokának emelése,
• földgázhoz keverve szénhidrogént helyettesíthet.

 A hidrogén gyártása

Az iparban nagy mennyiségben állítják elő, Magyarországon is [6]:

• vízgázreakcióval, amelynek során izzó szén és vízgőz 1000 ^oC-on hidrogénre és szén-monoxidra bomlik, hidrogén keletkezése mellett,
• földgázbontással (gőzreformálással), 1000 ^oC hőmérsékleten alumínium-oxid katalizátorral szén-monoxidot és hidrogént nyerhetünk, a két gáz további eljárással szétválasztható,
• metanol-víz reformálással, hasonlóan a földgázbontási eljáráshoz,
• víz elektrolízisével hidrogént és oxigént lehet előállítani, ahol a víz elektromos vezetőképességét általában enyhe savazással vagy lúgosítással javítják; 2,8 kWh elektromos energiával elő lehet állítani 1 m³ hidrogént.

Ma már az utóbbi három eljárást alkalmazzák. Az MTA szegedi kutatóintézetében hidrogént állítanak elő zöldalgák fotoszintézisével, a Chesteri Egyetemen kidolgozott eljárás a háztartási műanyag szemét hevítése 1000 fokra, gőzökből hidrogén leválasztása.

A hidrogén tárolása és szállítása

• Tárolás és szállítás
  • 10–50 liter űrtartalmú (ötvözött) acélpalackokban, palackcsoportokban, legfeljebb 200 bar nyomáson,
  • a közúti szállításnál megjelent a folyékony hidrogén szállítása is hőszigetelt, kriogén tartályban: mivel a cseppfolyós hidrogént a forráspont hőmérséklete (–259,1 ^oC) alatt kell tartani, ezért a tartályok különleges acélötvözetből készülnek,
  • a csővezetékes szállítás alapja, hogy a termelő és a felhasználó között rendszeresen nagy mennyiséget kelljen szállítani; 2016-ban a világon több mint 4500 km hidrogénvezeték üzemelt, elsősorban ipari hidrogént termelők és hidrogént felhasználó üzemek között: az USA hidrogénszállító vezetékeinek hossza 2600 km volt, Európában Belgiumban, Németországban, Franciaországban, Hollandiában üzemeltetnek hidrogénszállító vezetékeket, Kazincbarcikán a BorsodChem telephelyén, a Tungsramnál Budapesten, a Huntsman Zrt.-nél Pétfürdőn, növényolaj-feldolgozóknál és természetesen az iparigáz-gyártóknál (Linde, Messer) több kilométer hosszú hidrogénvezeték-hálózat üzemel,
  • tárolják még tartályban: 25, 50 vagy 100 m³ térfogatú (ötvözött) acél álló- vagy fekvőhengeres tartályokban, 45 bar névleges nyomáson.
• Folyékony szerves hidrogénhordozók formájában: a hidrogén megkötése kémiai kötéssel, például toluollal vagy N-etil-karbazollal.
• Föld alatti hidrogéntárolás:
  • föld alatti barlangokban folynak hidrogéntárolási kísérletek az USA-ban,
  • leművelt földgáztárolók is alkalmasak lehetnek hidrogéntárolásra, de itt számolni kell a tárolóban maradt szénhidrogének szennyező hatásával (ipari léptékű kísérletek folynak Ausztriában)

Villamos áram termelése hidrogénnel

A hidrogén felhasználása az ipari léptékű villamosenergia-termelésben még alapvetően a kísérletek fázisában van. A jelentős vízenergiával rendelkező országok hamar felismerték, hogy a vízerőművek gyors indítása és leállása kiváló lehetőség a nap- és szélenergia-hasznosítás ciklusainak kiegyenlítésére. Más országokban gyors indítású, szénhidrogén-tüzelésű erőműveket kell állandó, meleg, forgó tartalékban tartani a megújulók kiesésének ellensúlyozására, vagy importálni kell az áramot.

Egy sor kísérlet után megállapíthatjuk, hogy a villamos energia tárolása hagyományos akkumulátorokban ipari léptékkel nem valósítható meg, más utat kell keresni.
A kiegyenlítő villamosáram-termelés új formája a hidrogén-üzemanyagcella használata [3] [4]. A hidrogén-üzemanyagcella a hidrogén elégetésével közvetlenül villamos áramot állít elő.

A hidrogén-üzemanyagcella:

• kémiai energiát alakít át elektromos energiává,
• az áramtermelő folyamat a hidrogén oxidációja,
• katód, anód, köztük membrán és elektrolit folyadék, platinatartalmú katalizátor,
• hőt is termel,
• hatásfoka 60% körüli.

A hidrogén-üzemanyagcella előnyei:

• a hidrogén környezetkímélő energiahordozó,
• a hidrogén korlátlanul tárolható,
• egyszerűen és biztonságosan használható fel áramtermelésre,
• a hidrogéncella hűtésére használt víz fűtésre, használati meleg vízként hasznosítható,
• a hidrogén kapható a kereskedelemben,
• a reakció végén a hidrogén vízzé alakul,
• hatásfoka magasabb, mint a belső égésű motoroké.

Hátrányok:

• új üzembiztonsági rendszerek tartoznak a hidrogénhasználathoz,
• a tüzelőanyag-cella hatásfoka 50-60%, ami alacsonyabb, mint a nettó villamos hajtás hatásfoka,
• ma még drága a hidrogéncella,
• gyors áramigény-változást nem tud követni.

Hidrogén keverése a földgázhoz

A hidrogén és a metán fizikai és tüzeléstechnikai jellemzői között nagy a különbség.
A hidrogén és a metán néhány jellemzője:

A két gáz sűrűségének különbsége alapján arra lehet számítani, hogy a nyugalmi állapotban lévő gázkeverékben a sűrűség szerinti rétegződés azonnal megindul, ami a gázkeverék felhasználása esetén lényeges fizikai-tüzeléstechnikai jellemzőkülönbségeket okozhat. Ugyanez a fizikai szétválasztódás a hosszabb tárolás során is kialakulhat, tárolótartályban vagy a föld alatti tárolóban is.

Ma is folynak kísérletek arra, hogy a hidrogént milyen mértékben lehetne a földgázhoz (metánhoz) keverni, hogy a gázellátó rendszer elemeiben ne kelljen átalakítást végezni. A kísérletek eredménye, hogy 5–15 tf % hidrogénbekeverés esetén a gázellátó rendszeren a hidrogéntartalom még nem idézett elő elváltozást. Más kutatások 10 tf %-ban jelölik meg a hidrogénbekeverés felső határát. A sűrített földgázzal (CNG) üzemelő járművek esetében jelenleg még csak 2 tf % hidrogénbekeverést tartanak elfogadhatónak.

Vizsgálatok folynak arról is, hogy a földgázba kevert hidrogén hogyan befolyásolja az eddigi gázellátó rendszer mechanikai jellemzőit. Az eredmények teljes mértékben pozitívak.

A hidrogén képes reakcióba lépni a tárolótartály falával, a csővezetékkel, 400–700 ^oC hőmérséklet-tartományban [7]. A fémporladás hidrogén jelenlétében általában 400–700 ^oC hőmérsékletnél következik be, szerencsére a gázellátó rendszerben ilyen hőmérséklet nem fordul elő.

Vizsgálatokat végeztek a gázfelhasználói berendezések hidrogénállóságáról is. Néhány előzetes eredmény [1]:

• a háztartási gázkészülékeknél a 10% alatti hidrogéntartalom nem okoz problémát, a gázégők finomszabályozása szükséges lehet,
• az ipari gázberendezéseknél is a 10%-on belüli hidrogéntartalmat a berendezések átalakítás nélkül tudják fogadni,
• a gázturbinák és a gázmotorok esetében a berendezések újraszabályozása már 5% hidrogéntartalomnál szükséges lehet,
• a hagyományos sűrített földgáz (CNG) tárolására használatos tartályoknál már 2% hidrogéntartalomnál szilárdsági problémák jelentkezhetnek.

Megállapították, hogy a földgázba kevert hidrogén miatt a gázellátás rendszerének több pontján módosítások szükségesek [1]:

• a gázkeverék hőértéke és Wobbe-száma megváltozik, a gázkészülékek újraszabályozására lehet szükség,
• a gázpiaci elszámolásoknál a gáz összetételét más kromatográfokkal kell mérni,
• a térfogatáram-mérésekhez használt eszközöket (gázmérőket) újra kell hitelesíteni,
• a hidrogén betáplálását az ország szállítóvezeték-hálózatának minden csomópontjában biztosítani kell.

A gázellátás rendszerének működésében néhány változást okozhat a hidrogénbekeverés [1]:

• a gázkeverék robbanási koncentrációjának határai megváltoznak, már kisebb gázkoncentráció is okozhat robbanásveszélyt,
• a láng terjedési sebessége nagyobb lesz,
• a robbanási koncentráció eddigi határaihoz kapcsolódó biztonsági berendezéseket módosítani kell,
• a szivárgás érzékelő műszerek metánra vannak hitelesítve, a hidrogén-metán gázkeverék nehezen mérhető,
• a hidrogéntartalom mellett a gázt szállító-tároló rendszerekben baktériumtenyészetek jelenhetnek meg.

Ipari léptékű kísérletek

Ausztriában, a Rohöl-Aufsuchungs AG Pilsbachban sikeres kísérletet folytat hidrogéntárolásra leművelt földgázmezőben. Az ezer méter mélyben lévő, porózus kőzet tároló mintegy 4 millió m³ párnagáz mellett 1,8 millió m³ mobil gázt tud befogadni. A rétegnyomás 80 bar. A mezőt egy termelő-visszanyomó kút üzemelteti. A power-to-gas (PtG) üzem a villamos hálózatról vett energiával termel enyhén lúgos vízből hidrogént, amit kompresszorral kevernek a besajtolt földgázhoz. A hidrogén aránya a földgázban 10 tf %.

Nagy-Britanniában, Leeds városában az acél csőhálózatot polietilén anyagúra cserélik, hogy a hálózat alkalmas legyen tiszta hidrogén fogadására (is). A gázellátó rendszer 660 ezer embert szolgál ki. A város gázhálózatában eredetileg városi gázt forgalmaztak, amelyben akkor még 30–50 tf %-ban is volt hidrogén. A hálózatot később különösebb átalakítások nélkül földgázra állították át, és ma folynak az előkészületek a tiszta hidrogén szállítására. Az átállítás része a gázfelhasználó készülékek cseréje is, ami tulajdonképpen a korábbi városi gáz–földgáz átállás ismétlése, de ma már az EU-követelményeket is teljesítő gázkészülékekre. A város hidrogénellátásához egyelőre négy darab, összesen 1025 MW teljesítményű földgázbontót használnak majd. A város gázenergia-igénye éves átlagban 678 MW, a teljes éves gázigény 5,9 TWh. A napi csúcsigény 2067 MW. A fogyasztás szezonalitásához majd föld alatti, sórétegben kialakított hidrogéntárolót használnak. Az egész projekt kiemelt célja, hogy a felhasználóknak az új szolgáltatás ne legyen drágább, mint a földgázellátás.
Az MVM közzétette saját napelempark-építési tervét, amely több, nagy teljesítményű projekt megépítését jelenti. Tekintsük át, hogy egy ipari léptékű napelempark hogyan hasznosítható hidrogéntermelésre [1].

A mintegy 40 hektáron épülő napelempark 74 ezer napelemmel épül, és várható termelése 21 GWh évente. 1 kg hidrogén előállításához elektrolízissel kb. 50 kWh villamos energia szükséges. Ha a napelempark éves áramtermelését teljes egészében hidrogén-előállításra fordítjuk, akkor

• 65% hatásfokkal számolhatunk,
• 300 m³/óra hidrogén termelhető,
• a földgázhoz 10%-ban keverve óránként 2700 m³ földgáz dúsítását jelenti.

Az MVM vázolja a biohidrogén-gyártás lehetőségét [7]. Jelenleg az iparban termelt hidrogén több mint 90%-át a földgáz és a kőolaj termokémiai kezelésével nyerik. Az alkalmazott termokémiai eljárások energiaigénye magas, szükség lenne alacsony energiaigényű hidrogénfejlesztési technológiákra. A hidrogén jövője szempontjából fontos minden olyan kísérlet és fejlesztés, amely a hidrogéntermelést környezetbarát módon, minél kevesebb energiafelhasználással oldja meg.
A biogázt termelő anaerob lebontás mellett léteznek olyan biológiai folyamatok is, amelyekkel a biomasszából (bio)hidrogén fejleszthető.

Hidrogén a gépjárműhajtásban

A gépjárműfejlesztések legújabb területe a hidrogénhajtás, azzal együtt, hogy már az első autók tervezésekor is foglalkoztak a tisztagáz-hajtással, köztük a hidrogénhajtással is. Sok iparági szakértő egyetért azzal, hogy a jövő zöld energiahordozója a hidrogén lehet.

A hidrogén, a benzin és a gázolaj néhány jellemzője:

A hidrogénhajtású személygépkocsik fejlesztését és sorozatgyártásra alkalmassá tételét a japán autógyárak indították el még az 1970-es években. A hidrogén alkalmazása az autó akkumulátorának használatával együtt alakult ki: a hidrogénrendszer biztosíthatja a nagyobb teljesítményű energiafelhasználást, az akkumulátor pedig a regeneratív fékezést, a gyors teljesítményemelést segítheti. A járművekben a hidrogént gáz halmazállapotban tárolják, személygépkocsikban akár 700 bar nyomáson is. A tárolótartályok acélból vagy szénszál-erősítésű kompozit anyagokból készülnek, rendkívül ellenállók a használat során keletkező bármilyen káros hatásnak. A hidrogénellátó rendszerben különleges minőségű kötéseket és tömítéseket kell használni.
A tüzelőanyag-cellák használata járművek hajtásához gyorsan terjed a világban. Németországban 2018-ban forgalomba állt két vasúti személyszállító jármű, hidrogénhajtással.
A hidrogénhajtást a járművekben üzemanyagcellás konstrukcióban építik ki. Az FCV jelölés a járműveken az üzemanyagcellára utal (fuel cell vehicle). A ma sorozatban gyártott legfejlettebb (japán) hidrogénhajtású személyautóban az első ülések alatt lítiumionos akkumulátor kapott helyet, 103 kW teljesítményű üzemanyagcella van az autóban, az első kerekeket 130 kW-os váltóáramú szinkronmotorok hajtják, és az ülések mögött található a mintegy 140 literes, 700 bar nyomású hidrogéntartály.
Az USA-ban 2019 elején 60 közúti hidrogéntöltő állomás üzemel, két év múlva már 160 töltőállomással számolnak. 2018 végén az USA-ban üzemelő hidrogéncellás targoncák száma meghaladta a 20 ezret [6]. Ehhez telephelyenként hozzátartozik a hidrogéntöltő hálózat, amely esetenként hidrogéntermelő berendezéssel egészül ki.
Japán is élen jár a hidrogénhajtás terjesztésében. Európában 2019 elején 81 töltőállomás van, és hazánkban is tervezik az első töltőhelyet. Európában 2020-ra 520 töltőállomással számolnak.

A hidrogénhajtású autók jellemzői:

• 2025-re a nagy autógyárak szerint a hidrogénhajtású személyautók és a hagyományos belső égésű motorral szerelt autók ára azonos lesz,
• a hidrogénhajtású autók hatótávolsága is 500–800 km lesz,
• az autó gyorsan tölthető, kb. három perc alatt, mint a hagyományos hajtású autók,
• a tankolt hidrogén ára ma még 10 euró körül van kilogrammonként, de az ár rohamos csökkenésével számolhatunk – ma Európában 100 km megtétele elektromos autóval kb. 1200 Ft, hidrogénhajtású autóval 2280 Ft,
• nagy nyomatékkal tud indulni,
• nagyon csendes.

Van azért a hidrogénhajtású autóknak is néhány árnyoldala:

• az égéstermékben nitrogén-oxidok is találhatók,
• az egy kilométer megtételére jutó üzemanyagköltség ma még kb. kétszerese az elektromos autókénak,
• az autó ára ma még kb. négyszerese az azonos jellemzőkkel rendelkező szénhidrogén-hajtású autóhoz képest,
• a hidrogéntartály, az akkumulátor elég sok teret foglal az autóban,
• még kell pár év ahhoz, hogy az országban bárhol könnyen tölthessünk hidrogént. 

A hidrogénfelhasználás jövője

A hidrogén jelenlegi ipari felhasználása és a kutatások alapján vázolható a hidrogén új szerepe a jövő évtizedekben [2]:

• közúti közlekedés hajtóanyaga,
• hajó, vasúti jármű hajtása,
• telephelyen belüli anyagmozgató eszközök hajtása,
• kis léptékű villamosáram-termelés intézményeknél, vállalkozásoknál kb. 1-2 kW teljesítménnyel, és a hő kiegészítő hasznosítása,
• hordozható energiaforrások; először a katonai alkalmazás indult el,
• szünetmentes áramforrások kis teljesítménnyel,
• részvétel a villamosenergia-rendszer szabályozásában.

Szerencsés lenne, ha az energetikai ipar irányítóinak figyelme a hidrogén ipari léptékű használatára mint a villamosáram-termelés szezonalitását kiegyenlítő eljárásra irányulna.

JEGYZETEK:

[1] Galyas Anna Bella: Hidrogén a földgázhálózatban – fikció vagy már a valóság? 26. DUNAGÁZ Konferencia és Kiállítás, 2018.
[2] www.tankonyvtar.hu/hidrogen es metanol, 2019. 04. 02.
[3] M. Csizmadia Béla: Az e-mobilitásról másképpen. Mérnök Újság, 2019. április.
[4] Rozsnyai Gábor: Hidrogént a tankba? Mérnök Újság, 2019. április.
[5] Mechanical Integrity of Syngas Outlet Systems. EIGA, doc 202/15.
[6] Bándy Tamás: Hidrogén tisztítás-hasznosítás. TVK, Tiszaújváros. 2015. 07. 09.
[7] A biológiai alapú, energetikai célú gáztermelés lehetséges irányvonalai Magyarországon, www.mvmpartner.hu, 2019. 04. 04.

És ha még ez sem lenne elég, akkor itt egy 15 perces angol nyelvű áttekintés a technológiáról: