Alternativ Energia www.alternativenergia.hu
A globális hidrogéntermelés 2022-ben már elérte azt a szintet, aminek az energiatartalma lényegében megegyezik az Európai Unió egy évnyi villamosenergia-fogyasztásával.
Hibrid napelemes rendszerek akkumulátorral, elérhető áron. Kalkuláljon itt ingyenesen! (x)
A svájci bicskának tekintett energiahordozó iránti lelkesedés töretlen, azonban a magas költségek és a kereslet-kínálat lassú kiegyensúlyozása már elkezdett kijózanítólag hatni, és látszik, hogy bár szükségünk van a hidrogénre (különösen az iparban, de a közlekedés egyes területein és a megújulók kiegyensúlyozására is jó) nem akkora mértékben és nem úgy, ahogy korábban elképzelték. A világ jelenlegi hidrogéntermelésének 99%-a továbbra is üvegházhatású-gázkibocsátásokkal jár, és ha célt ér az olaj- és gázipar törekvése (a politikusok támogatásával egyetemben), hogy a kék hidrogén (földgázalapú termelés szén-dioxid-leválasztással és megkötéssel) legyen a meghatározó, akkor az iparág nem tudja betölteni azt a szerepét, hogy valóban fenntarthatóan járuljon hozzá az energiaátmenethez. A megoldást kisebb részben a nukleáris (rózsaszín), nagyobb részben a megújulókon alapuló (zöld) hidrogén termelése jelentheti, valamint az, hogy óvatosan és kellő megfontolással döntjük el, mely területeken és hogyan kívánjuk alkalmazni ezt a technológiát.
A hidrogén továbbra is az energiaátmenet egyik leginkább vitatott eleme. Amikor néhány évvel ezelőtt széles körben elfogadottá vált, hogy nem minden energiafogyasztási forma „áramosítható”, egyesek a dekarbonizáció „csodafegyvereként” kezdtek el beszélni a hidrogénről. Ez az energiahordozó vált a
nehezen villamosítható szektorok dekarbonizációjának a kulcsává. Ebben a cikkben röviden áttekintem a hidrogénágazatban bekövetkezett változásokat az elmúlt 4-5 évben, amióta ismét az energiaátmenet középpontjába került ez az energiahordozó.
Egyre több hidrogént állítunk elő, csak még mindig kibocsátások árán A hidrogén már most is fontos szerepet játszik különböző ipari folyamatok nyersanyagaként. Ipari szereplők 95 millió tonnát állítottak elő belőle világszerte 2022- ben, amelynek hogy ha az energiatartalmát néznénk akkor több mint 10%-kal meghaladná az EU teljes villamosenergia-fogyasztását.
A ma előállított hidrogén 83%-a „fekete” vagy „szürke”. A „fekete” hidrogén alapanyaga a szén, míg a „szürkéé” a földgáz és mindkét esetben kibocsátással jár az előállítása. A termelés további 16%-a az olajfinomítók naftagyártásának mellékterméke, amelyet jellemzően a helyszínen fel is használnak különböző finomítói és vegyipari folyamatokhoz. A világ hidrogén termelésenek 99%-a ebből a három forrásból tevődik össze, ami azt jelenti, hogy csak a fennmaradó 1% alacsony szén-dioxid-kibocsátású.
A jelenleg elfogadott energiastratégiák és az ezzel kapcsolatos gondolkodás egyik prioritása a hidrogén dekarbonizálása és termelésének jelentős növelése. A legtöbb megközelítés kiemelkedő szerepet szán a „kék” hidrogénnek, amely ugyanarra a technológiára támaszkodik, mint a szürke (a vízgőzzel történő metánreformálás), de a kibocsátás megkötésére szén-dioxid-leválasztást és tárolást (CCS) alkalmaznak,
ami közel szén-dioxid-semlegessé tenné a termelési folyamatot. A kék hidrogén fejlesztésén számos ipari szereplő dolgozik, mivel a földgáz viszonylag bőségesen elérhető nyersanyag, termelése jól ismert. Az olajfinomítóknak sok tapasztalatuk van a metán gőzzel történő reformálásában és az olajágazati szereplők évtizedek óta dolgoznak a szén-dioxid geológiai képződményekbe sajtolásán, amelyet
az olajtermelésük növelésére használtak.
A politika, valamint az olaj- és gázipar a fosszilis alapú termelés felé tolja az iparágat
A hiányzó láncszem a kék hidrogén esetén a szén-dioxid megkötésének széleskörű, gazdaságos alkalmazása, amelyhez elvileg rendelkezésre áll a szakértelem, de a magas, és meg nem térülő költségei miatt csak jelentős állami támogatással történtek befektetések a technológiába. Jellemzően az olaj- és gázipari szereplők valamint a politikai döntéshozók a kék hidrogén legnagyobb támogatói. Az előbbi csoport hosszú távú léte részben ezen technológiától függ, mivel olyan tevékenységet tesz lehetővé amely az ipar szereplőinek alapvető kompetenciáira épül ugyanakkor igazodik az alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiarendszer igényeihez.
Eközben a politikai döntéshozók számára gyorsan skálázható eszköz lehet, amely úgy csökkentheti az üvegházgáz kibocsátást, hogy a fogyasztókat nem kell radikális magatartásbeli változtatásokra kényszeríteni. Azonban akad még néhány gond kék hidrogénnel. Még frissen élhet mindenkiben az az
élmény, hogy milyen ingadozóak és kiszámíthatatlanok (volatilisek) lehetnek a földgázpiacok. A (mindenkori) magas földgázárak magas kék hidrogén árakat is jelentenének. A metánszivárgás továbbra is megoldatlan probléma, amit a kék hidrogén használata csak tovább fokozhat. A CCS széleskörű alkalmazása messze nem triviális. Még nem tesztelték nagy léptékben, energiaigényes, szivárog, drága, és csak olyan területeken alkalmazható, ahol elérhetőek tárolásra alkalmas kőzetformációk. Végül pedig
továbbra is egy nem fenntartható energiaforrástól teszi függővé a fogyasztókat, azaz legfeljebb ideiglenes megoldást jelent.
Alternatív földgázra épülő technológia a metán pirolízise, amely a metán egy szén és négy hidrogénatomját úgy választja el egymástól, hogy közben nem oxidálódik a szén szén-dioxiddá. Ez az ún. türkiz hidrogénhez vezet. Bár ígéretes ez a megközelítés, a technológia sokkal összetettebb és gyermekcipőben jár a kék hidrogénhez képest. A fosszilis nyersanyagokból közvetlenül előállított hidrogén legjelentősebb alternatívája a villamosenergia-alapú változata, amely esetében a villamos áram egy elektrolizáló készüléket működtet. A rózsaszín hidrogén az atomenergiára támaszkodik, míg a zöld hidrogén megújulókra. Mind a rózsaszín, mind a zöld hidrogén termelését kiszolgálandó villamosenergia- termelő kapacitások növelésére van szükség. Kínát és Indiát leszámítva az atomenergia kapacitások bővítése megállt. Ennek okai sokrétűek és itt nem kívánok ebbe mélyebben belemenni, de valószínűtlennek tűnik, hogy a belátható jövőben globális nukleáris reneszánsz kezdődne.
A megújuló villamosenergia-termelés ugyan gyorsan terjed, és a beruházások a múlt évben erőteljesen nőttek, de a már-már megszokottá vált költségcsökkenés üteme lassulni látszik (pl. emelkedő tőkeköltségek, általános infláció miatt), a gyenge gazdasági kilátások és számos adminisztratív akadály rontja annak a valószínűségét, hogy megfelelő ütemben növekedjen a zöldáram termelése, hogy ne csak a meglévő áramfogyasztást dekarbonizálja, hanem hidrogéntermelésre is jusson.
Az elektrolizálók jelenlegi összkapacitása globális szinten körülbelül 2 GW (egy Paksnyi), ami nem sok. A már bejelentett projektek némi bizakodásra adnak okot, mivel ezek azt sugallják, hogy 2030-ra akár 305 GW lehet a világon elérhető összkapacitás. Azonban ezeknek csak mindössze 4% esetében történt végleges beruházási döntés (final investment decision). Így bár az alkáli és a protonmembrán-csere (PEM) technológiailag érettek, elterjedésük lassú, mivel a munkaerőköltségek, a magasabb anyag-, tőke- és villamosenergia-árak mind-mind akadályozzák a szektor növekedést. A hidrogéntermelés egy további formája a „természetes” eredetű változata, ami a fehér hidrogén. Ebben az esetben a hidrogéngáz földalatti kőzetek közé szorult és kutak fúrása révén kinyerhető. Néhány felfedezés lelkesedéshez vezetett az erőforrás ilyesfajta kitermelése iránt, de azt, hogy mennyi lehet a föld alatt és milyen költségek árán hozható a felszínre, csak találgatni tudunk.
Kereslet-kínálat-tározás, a meglévő földgáz csővezetékek átalakítása
A hidrogéntárolás különösen akkor értékes, ha az energiahordozó rendelkezésre állása és fogyasztása nincs összhangban. Amint azt alább látni fogjuk, a hidrogén iránti kereslet nagyrészt az ipari igényekből származik, amely szereplőknek folyamatos, egyenletesen elérhető nyersanyagra van szüksége. Ha ezt a keresletet kék hidrogénből elégítjük ki, akkor a tárolás elhanyagolható probléma lehet: a stabil
földgáztermelésből előállított hidrogén eleget tud tenni a állandó (ipari) fogyasztói igénynek. Ez a helyzet például az Egyesült Királyságban a Humber megaprojektben, ahol egy ipari központot kék hidrogénre terveznek átállítani, minimális tárolási igények mellett.
Ezzel szemben a zöld hidrogén előállítása hullámzó, mivel megújuló villamos energiára támaszkodik, szükségessé teszi a tárolást. Egy napelemekre épülő elektrolizáló készülék termelése napközben meghaladhatja a keresletet, így a többletet tárolni kell, és néhány órával vagy nappal később kell eljuttatni a fogyasztókhoz. A hidrogéntárolást a földgázéhoz hasonlóan képzelték el a szakemberek, ahol az erőforrást különböző geológiai képződményekbe tárolják be és ki. A földgáz esetében erre a célra általában kimerült földgázmezőket használnak, amelyekből viszonylag nagy kapacitás áll rendelkezésre. Számos projekt keretei között vizsgálják, hogyan lehetne a hidrogént tárolni ezekben a kimerült földgázmezőkben, ilyen a magyarországi Akvamarin is.
Az eddig elérhető eredmények azt mutatják, hogy bizonyos esetekben ez az elképzelés technikailag működőképes, de erősen függ az adott kőzetek jellemzőiről. A hidrogén tárolásának már kipróbált és bevált módszere a sókavernák. Ezek összkapacitása elenyésző a kimerült földgázmezőkéhez képest, viszont az látszik, hogy ezek akár kialakíthatóak.
A midstream másik szegmense a hidrogén szállításával foglalkozik leginkább vezetékek révén, bár a hidrogén cseppfolyósításán és így szállíthatóságának növelésén is dolgoznak a szakemberek. A termelés és a fogyasztás helye tervezhető úgy, hogy közel essenek egymáshoz, mint például az említett Humber-projekt esetében. Ha a termelés vagy a kereslet területileg szétszórt, akkor szükség lehet csővezetékek
kiépítésére. Sokak szerint a leggazdaságosabb megoldás az lenne, ha a földgázhálózatot átalakítanánk, hogy az alkalmas legyen a hidrogén szállítására. Egy ilyesformán összekötött piac gazdasági előnyökkel is járna és technológiailag megvalósítható – a European Hydrogen Backbone a legnagyobb ilyesfajta vállalás Európában – de meglehetősen költséges és nagymértékű állami forrásokra támaszkodna az infrastruktúra és a kereslet kialakítása.
A létrán lépkedő energetikai svájci bicska
Számos szakértő és kísérleti energetikai projektekbe befektető, mint például Bill Gates, arra voksolt, hogy a hidrogén lesz az energetikai átmenet svájci bicskája, amely lényegében mindenféle energiaigény kielégítésére bevethető. Ez a fajta lelkesedés és megközelítés bizonyos körökben továbbra is fennmaradt. Tapasztalataim szerint például a 2023-as EU Hydrogen Week-en töretlen volt a lelkesedés: az up- és
midstream szereplők lendületesen mesélnek terveikről, de nem csak a projektek lassú megvalósulása okoz gondot, hanem a vevők hiánya, egyszerűen kevés az ösztönző, ami miatt fogyasztók átállnának zöld hidrogénre. A hidrogén potenciális alkalmazása tekintetében a szakértők és szakpolitikusok az elmúlt 2–3 évben sokkal körültekintőbbé váltak, mivel a magas árak és alternatív technológiák versenyképessége kijózanítóan hatottak a kezdeti lelkesedés után. A Bloomberg New Energy Finance alapítója, Michael Liebreich és csapata néhány havonta összeállítja egy ún. „Hidrogén létrát”, amely jól szemlélteti az erőforrás lehetséges szerepköreit.
A létra felépítése igen egyszerű: minél magasabbra kerül egy fogyasztási cél, bevezetésének annál nagyobb az észszerűsége. Terjedelmi korlátok miatt az alábbiakban nem részletezek minden keresleti formát, hanem három főbb területtel foglalkozom röviden, ahol jelen állás szerint a hidrogén szerepe jelentős lehet, ezek
- az ipar,
- a közlekedés és
- a villamosenergia-hálózat kiegyenlítése.
Az ipar számára sok területen már most nélkülözhetetlen a hidrogén
A műtrágyagyártás már most is a hidrogénfogyasztás egyik fő forrása, és egyszerűen nincs alternatívája. Ahhoz, hogy az iparosított mezőgazdaság által igényelt műtrágyát elő tudjuk állítani és csökkentsük az üvegházgáz kibocsátást karbonsemleges hidrogént kell biztosítani a szektornak. Hasonlóképpen, az
olajfinomítók is erőteljesen támaszkodnak a hidrogénre különböző vegyi- és üzemanyagok valamint egyéb termékek előállításához. Amennyiben fennmarad a kereslet a különböző műanyagok és egyéb olajipari termékek iránt, ez a szektor is nagy mennyiségű hidrogén iránt támaszthat keresletet. A hidrogén a vegyiparban üzemanyagként és alapanyagként használt metanol előállításához is elkerülhetetlennek tűnik. Liebreich szerint a biomassza/biogáz helyettesíthetné a hidrogént, de erős korlátot képez az, hogy úgy kéne növelni jelentősen a biomassza/biogáz termelését, hogy ez ne menjen a földhasználat, élelmiszertermelés és a biodiverzitás rovására.
Jöhetnek a hidrogénmeghajtású teherautók, hajók és repülők?
A hidrogén pontos jövőbeli szerepe a közlekedésben viszonylag nehezen meghatározható, de bizonyos tendenciák már kirajzolódnak. Szilárd konszenzus alakult ki arról, hogy a személygépkocsik esetében az akkumulátorral hajtott elektromos járművek jelentik a dekarbonizáció alapját. Energetikai szempontból
hatékonyabbak, a szükséges infrastruktúra és az elérhető modellek száma gyorsan növekszik, egyre olcsóbbak és hatótávolságuk is egyre csak nő. Néhány szereplő még mindig ragaszkodik a hidrogénüzemű személygépkocsik fejlesztéséhez, de még a Toyota – a technológia vitathatatlan vezetője – is az üzemanyagcella-technológia szélesebb körű alkalmazásának értékesítésére (pl. haszongépjárművekbe ültetésére) fektet nagyobb hangsúly.
A tehergépjárművek esetén úgy tűnik, hogy a hidrogén nagyobb szerephez juthat, mivel olyan üzemanyagra van szükségük ezeknek a járműveknek amely koncentráltan képes energia átadására (az ún. magas power density kiemelten fontos). Hidrogénbuszok már járják többek között Debrecen és Paks utcáit és ezen a piacon tovább nőhet a hidrogén szerepe, bár az akkumulátor-technológiák fejlődésével az
elektromos alternatívák egyre versenyképesebbé válnak. A hidrogén alkalmazása a szárazföldi áruszállításban is fontos szerephez juthat, ahol a teherautók rendkívül nehéz akkumulátorokat igényelnének, és töltésük mind a töltési idő, mind a hálózatfejlesztési stratégiák szempontjából kihívást jelenthet. Ugyanakkor, ebben a szegmensben is egyre többen az elektromos verzió mellett érvelnek.
A közlekedés további két alágazata, ahol a hidrogénnek lehet komoly szerepe az a hajózás és a légi közlekedés.
A hajózás dekarbonizációja hatalmas kihívás. A rövid távú utakra megoldást jelenthetnek az elektromos hajók – gondoljunk csak a Norvégiában közlekedő kompokra -, de hidrogénhajtású kompokat is tesztelnek például San Franciscoban. A nagy hatótávolságú hajók esetén lehet igazán releváns a hidrogén, de az igazság az, hogy nem tudjuk, milyen technológia segíti majd az ágazat ezen részének
dekarbonizációját. A légiközlekedés vitathatatlanul az egyik legnehezebben dekarbonizálható szektor. Egyértelműnek tűnik, hogy a rövid hatótávú járatokat villamosenergia-alapú, nagysebességű vasúti összeköttetésekkel kell kihelyettesíteni. A jelenlegi technológiai mátrix ugyanakkor közép- és hosszú hatótávú járatok dekarbonizációját gyakorlatilag nem teszi lehetővé.
Az ágazat a bioüzemanyagok bekeverésével, a menetrendek optimalizálásával vagy a repülési magasság növelésével javítható némileg, de ezek nem jelentenek igazán nagy ugrásokat vagy permanens megoldásokat. Így ezen a területen viszonylag nyitott a verseny és ennek megfelelően számos kísérlet zajlik hidrogénhajtású repülők fejlesztésére.
Segíthet kiegyensúlyozni a megújulók ingadozó áramtermelését
A megújulók térnyerésével egyre nagyobb gondot jelent a villamosáram rendszerirányítójának (itthon ez a MAVIR) a hálózat egyensúlyban tartása. A megújuló energiaforrások kapacitásának növekedésével, egyre több a zöld áram, viszont ha éppen nem termelnek (pl. elkúszik egy felhő napelemparkoknak helyett adó régió fölött) egyensúlyba kell hozni a rendszert, ki kell pótolni a termelést. Ezért is esik sok szó arról, hogy rugalmas áramtermelő kapacitásokat készenlétben kell tartani, hogy ne alakulhassanak ki áramszünetek. A kiegyensúlyozás szerepét jellemzően a földgázerőművek töltötték be, mivel ezeknek a termelése egy gombnyomásra be- és kikapcsolható. De mivel a földgáz nem egyeztethető össze a karbonsemlegességi célokkal, gázturbinagyártók elkezdték hidrogén-kompatibilissé tenni berendezéseiket. Ez járható út, de erős kihívót jelentenek az akkumulátorok, amelyek egyre versenyképesebbek.
A hidrogén épületek fűtésében rejlő potenciálját néhány éve még fontosnak gondolták a szakértők, de ez a kezdeti lelkesedés azóta sokat csökkent. A legtöbb esetben egyértelműen a hőszivattyúk a befutók, amelyek energetikai szempontból hatékonyabbak, jobban beleillenek a kialakuló energiarendszerbe és áruk is egyre inkább csökken. Ebben a szegmensben a hidrogén támogatói arra hivatkoztak, hogy a földgáz-hidrogén átmenet viszonylag könnyen megvalósítható és kevés infrastrukturális változást igényel, viszont ennek a megvalósítása sokkal nagyobb kihívást jelent, mint azt feltételezték. Vannak tanulmányok amelyek szerint ez lehet a gazdaságos út, de ez nagyban függ attól, hogy milyen becslésekkel dolgoznak a szerzők, hisz még sok a bizonytalanság azzal kapcsolatban, hogy mennyibe fog kerülni a hidrogén és mennyiben tudnának kormányzatok levezényelni egy ekkora mértékű infrastrukturális váltást. Még azok is, akik – mint például az Egyesült Királyság – komolyan számolnak a hidrogénnel a fűtés dekarbonizációjában nehézségekbe ütköztek a technológia társadalmi elfogadottságát illetően.
Kelleni fog, de nem úgy és nem annyi
A hidrogénnel kapcsolatosan lelkesedés továbbra is él, de a magas költségei és a kereslet-kínálat lassú kiegyensúlyozása arra enged következtetni, hogy szerepe jóval kisebb lesz mint azt a korai lelkesedés sugallt. Néhány szektorban nagyon fontos szerephez juthat, így szükséges a karbonsemleges hidrogéntechnológiák fejlesztése, amelyek inkább a zöld, mint sem a kék irányba kéne billenjenek, hogy hosszú távon is fenntartható nyersanyagot és erőforrást biztosítsanak. Az energiaátmenet számos, technológiailag nehezen megoldható problémájában segítségünkre lehet, de alkalmazását egyszerre óvatosság és megfontolt határozottság kell, hogy övezze. Ennek némileg ellentmond ugyanakkor, hogy mint az energiaátment többi területén, itt is gyorsan kell(ene) cselekednünk, hogy esélyt hagyjunk a klímacélok elérésére, ugyanakkor le kell csökkenteni annak a kockázatát, hogy rossz gazdasági és
technológiai megoldásokat lakatoljunk be (lock-in), vagy társadalmi feszültségeket szítsunk.