Ugrás a tartalomhoz

Energetika

Dr. Tóth Péter, Dr. Bulla Miklós, Dr. Nagy Géza (2011)

6. fejezet - A JÖVŐ ENERGIAFORRÁSAI, NEM HAGYOMÁNYOS ENERGIAÁTALAKÍTÁSOK, ENERGIA TÁROLÁS

6. fejezet - A JÖVŐ ENERGIAFORRÁSAI, NEM HAGYOMÁNYOS ENERGIAÁTALAKÍTÁSOK, ENERGIA TÁROLÁS

Hidrogén a jövő energiagazdálkodásában

A jövő egyik legígéretesebb másodlagos (szekunder) energiahordozója a villamos energia mellett várhatóan a hidrogén lesz.

A hidrogén a Földön vegyületeiben hatalmas mennyiségben fordul elő. Elő lehet állítani fosszilis tüzelőanyagokból – például földgázból – reformálás segítségével, vízbontással megújuló és egyéb nem fosszilis alapú energiahordozókkal előállított villamos energiával. Kutatják a még korszerűbb radiokémiai és plazmakémiai eljárásokat, a bakteriológiai módszereket, a mesterséges fotoszintézis felhasználás lehetőségét. A hidrogénnek mint energiahordozónak elsősorban a környezetvédelmi előnyei a meghatározóak, mert karbon-mentes energia ellátást ígér.

A fajlagos szén –dioxid kibocsátásban a hidrogén előnyei vitathatatlanok, de a teljes ellátási hatásláncot vizsgálva elterjedésének gazdasági feltételei várhatóan csak 2030-2040 körül lesznek teljesíthetők.

A hidrogén-technológia felhasználásához fejleszteni kell illetve meg kell oldani a tárolás és szállítás kérdéseit. Ma még a nagy nyomáson történő gáztárolás vagy a cseppfolyósított hidrogén tárolás és szállítás a legelterjedtebb, de fejlesztik a fémhidrátokkal való tárolási és szállítási technológiákat is.

A hidrogén nagyon sok területen használható. A hidrogén mint üzemanyag felhasználásával tüzelőanyag elemekkel villamos energia állítható elő, melyet elsősorban járművek üzemeltetésére lehet felhasználni. Ma elsősorban a hidrogén-infrastruktúra kiépítése és a tüzelőanyag elemek fejlesztése van napirenden. A hidrogén technológia piac érettségének előrehaladásával, feltehetően 2020 után a hidrogén jelentős szerepet kaphat a közlekedési energiafelhasználásban .

Az egyes országok, ország-csoportok energiapolitikájában ma már a hidrogén említése természetes. A kutatás és fejlesztés a karbon mentes energiaellátás megteremtése érdekében világszerte napirenden van.

A csökkenő olajkészlet, a növekvő energiaár és az ÜHG kibocsátás szükséges mérséklése erősíti az új energiahordozók és energiaátalakítási eljárások bevezetése iránti igényt. Közép és hosszú távon egyre inkább kialakul a mesterséges cseppfolyós energiahordozókra, a villamos energiára és a – főleg a megújuló energiák bázisára alapozott – hidrogénre támaszkodó energia ellátó-rendszer.

6.1. ábra - a jövőbeni primer és szekunder energiahordozók [1]

a jövőbeni primer és szekunder energiahordozók [1]


Hidrogén, mint energiahordozó

A hidrogén a legkönnyebb kémiai elem, amely a Földön szabadon ugyan nem , de a vegyületeiben hatalmas mennyiségben fordul elő. Ezekből a vegyületekből kell előállítani energia felhasználásával. A legfontosabb vegyületet a víz jelenti, de a különféle szénhidrogének is fontosak. A felbontás – krakkolás – azonban energiaigényes folyamat, így például a legkedvezőbb elektrolízises folyamat fajlagos energiaigénye 140 MJ villamos energia egy kg hidrogénhez. Vízből van bőven: a földfelszín 71 %-át víz borítja, az óceánokban 1348 millió km3 víz van.

Ez előállított hidrogén aztán más vegyületté – a leggyakrabban vízzé – alakítható energia felszabadítása mellett. A hidrogén tehát mesterséges úton előállított, másodlagos (szekunder) energiahordozó, amely kedvezően, környezetet kímélő módon felhasználható. Nem primer energiahordozó, és nem „megújuló” energiaforrás.

A hidrogén igen kis sűrűségű gáz, hiszen atmoszférikus nyomáson egy köbméter hidrogén mindössze 0,09 kg, míg a levegő köbméterenként 1,29 kg. A gáz -253 oC-on cseppfolyósítható, így egy köbméter már 70,8 kg (a víznél ez mintegy 1000 kg). Még jobban lehűtve, a hidrogén -262 oC-on megfagy, így szilárd állapotban a sűrűsége már 76 kg/m3.

Más tüzelőanyagokkal, például földgázzal vagy benzinnel összehasonlítva a hidrogén energetikai, égési jellemzőit (6.1. táblázat), megállapítható, hogy a hidrogén fűtőértéke égéshője nagy, széles koncentrációs tartományban éghető és robbanóképes, továbbá gyorsan diffundáló, keveredő gáz. A ma használatban lévő gázoknál veszélyesebb tüzelőanyag.

6.1. táblázat - a tüzelési, égési jellemzők összehasonlítása [1]

HidrogénFöldgázBenzin
Alsó fűtőérték, MJ/kg
Felső fűtőérték (égéshő), MJ/kg
Öngyulladási hőmérséklet, oC
Lánghőmérséklet, oC
Éghetőségi összetétel a levegőben, térf. %
Minimális gyújtási energia, μJ
Gáz és levegő keverékében a robbanási összetétel határa, térfogat %
Diffúziós együttható levegőben, cm2/s
120
142
585
2045
4-75
20
13-65
0,61
50
57
540
1875
5,3-15
290
6,3-13,5
0,16
42
42
228-501
2200
1,0-7,6
240
1,1-3,3
0,05

A hidrogén legfőbb előnyének az látszik, hogy a legkedvezőbb módon válthatja ki a kőolaj-finomítási termékeket a közlekedésben (tüzelőanyag-elemekben és belsőégésű motorokban egyaránt). További előnye az, hogy alkalmasnak látszik tiszta és sokoldalúan felhasználható energiatároló közegnek. Ezen a két területen fejlesztik elsősorban a hidrogénnel kapcsolatos technológiákat. A hidrogénnel a közlekedés károsanyag-kibocsátása minimálisra csökkenthető, a tárolás pedig lehetővé teszi az időjárástól függő megújuló források ésszerű hasznosítását.

A Világon 2001 és 2004 között mintegy 40 millió tonna (445 Mrd m3) hidrogént állítottak elő, de ez is csak 1 %-át tette ki – fűtőértékben számítva – a Világ teljes energiaigényének. Ma a hidrogén több mint 90 %-át az ammónia gyártásához, az olajfinomításhoz, a metanol előállításához használják, továbbá a kohászatban, sőt az űrhajózásban is felhasználják [11].

A hidrogén előállítása

A hidrogén előállításának nagyon sokféle lehetősége van, amelyek közül gyakorlati jelentőségűek manapság a következők:

  • reformáló eljárások különféle fosszilis tüzelőanyagok (szén, olaj, földgáz) kombinációjával;

  • vízbontás elektrolízissel villamos energia segítségével (megújuló vagy nem megújuló forrásokból származó villannyal);

  • víz nagyhőmérsékletű krakkolása nagyhőmérsékletű nukleáris energiával;

  • biomassza és hulladék elgázosítása.

A jelenlegi fő cél az üvegházhatású gázok kibocsátásának mérséklése, ezért hosszú távon csak megújuló vagy karbon-mentes energiaforrásokat lehet felhasználni [3].

Mostanában évente mintegy 45 millió tonna hidrogént állítanak elő, és ennek a 96 %-át fosszilis tüzelőanyagból, főleg – az egésznek mintegy a felét – földgázból. A szén és a szénhidrogének jelentik ma a fő energiaforrást. A hidrogénnek mintegy 40 %-a manapság a kőolaj-feldolgozás és a földgáz szintézis melléktermékeként keletkezik.

6.2. ábra - a hidrogén előállításának jelene és jövője [1]

a hidrogén előállításának jelene és jövője [1]


A hidrogén előállítható:

  • földgázból ún. katalitikus gőzreformálással

  • metanolból és etanolból (pl.: szén-dioxidból előállított metanol, Oláh György Nobel díjas)

  • vízből radiokémiai és plazmakémiai úton

  • szerves anyagokból különféle biotechnikai eljárásokkal, baktériumok felhasználásával

  • mesterséges fotoszintézissel

  • tengervíz elektrolízisével

  • cseppfolyósított propánból

  • biomasszából:

    • közvetett hidrogéntermelés, erjesztés

    • közvetlen hidrogéntermelés, elgázosítás

    • biogázból, megfelelő gáztisztítás után nikkel katalizátorral 600-700 oC-on gőzős gázreformálással

A hidrogén tárolása és szállítása

A hidrogén technológiájának egyik legfontosabb része a tárolás és ez ehhez közvetlenül csatlakozó szállítás. Sokféle módon lehet az energiát tárolni és szállítani, de mindegyiknél – főleg a villamos energiánál – különféle gondok léphetnek fel, és a tárolás és a szállítás nem mindig kellően olcsó.

A jövőbeli, hidrogénre alapozott energiagazdaság három pilléren nyugszik: az előállításon, a tároláson és a felhasználáson. Amíg a fizika és műszaki kérdések az előállításnál és a felhasználásnál alapjaiban véve tisztázottak, addig a hidrogén hatékony, nagy energiasűrűségű tárolásának gondjait még nem oldották meg. A tárolásnak is három formája van:

  • nyomás alatti tárolás (kb. 700 bar) – normál vagy alacsony hőmérsékleten, amely viszonylag nehézkes, nagy energiaigénnyel jár;

  • cseppfolyósított tárolás (-253 oC) – normál vagy nagy nyomáson, amely szintén viszonylag nehézkes, nagy energiaigényű folyamat;

  • szilárd állapotú tárolás, amely a jövő egyik reményt keltő fejlesztés.

A nagynyomású és a folyékony tárolásnál lényegében műszaki fejlesztési kérdés a költségek és az energiaigény csökkentése. A fejlesztésben leginkább a szilárd fázisú tárolásra koncentrálnak manapság [1].

6.3. ábra - a jövőbeni hidrogén energetika [1]

a jövőbeni hidrogén energetika [1]


A hidrogén mint közbenső energiatároló a szélerőmű és a villamos hálózat között [5]

A szélerőművek növekvő részaránya miatt a villamos energia ellátó rendszer rendszerirányításában egyre nagyobb mértékben figyelembe kell venni a szélerőműves villamosenergia termelés időjárásfüggése. A hidrogén környezetvédelmi szempontból ideális tárolási lehetőséget jelenthet, nevezetesen:

  • optimális szélsebességi értékeknél – 14-16 m/s jelentkező maximális villamos energia termelés esetén – ha azt az országos villamos energia ellátó rendszer nem tudja fogadni – a villamos energiával, víz elektrolízissel hidrogén állítható elő, mely tárolható

  • kis szélsebességek esetén a tárolt hidrogénből a villamos energia ellátórendszer terhelési menetrend igénye szerint lehet ismét villamos energiává alakítani.

A hidrogén előállító, felhasználó rendszer, mint közbenső szélerőműves villamos energia tároló közvetlenül a szélerőmű parkhoz csatlakoztatható.

6.4. ábra - szélerőmű park és hidrogén tároló rendszer elvi vázlata [1]

szélerőmű park és hidrogén tároló rendszer elvi vázlata [1]


A tárolással két szekunder energiahordozó a villamos energia és a hidrogén két külön piachoz illeszthető, maximális áron kínálható értékesítésre. A szállítási és átalakítási veszteségek mérsékelhetők, a káros anyag (ÜHG) – kibocsátások minimalizálhatók, esetleg elkerülhetők.

6.5. ábra - hidrogén előállítással, tárolással, tüzelőanyag-elemekkel kiegészített szélerőműves villamos energiatermelés irányítása [1]

hidrogén előállítással, tárolással, tüzelőanyag-elemekkel kiegészített szélerőműves villamos energiatermelés irányítása [1]


6.6. ábra - szélerőműves villamos energia termelés, vízelektrolízis kapcsolása [8]

szélerőműves villamos energia termelés, vízelektrolízis kapcsolása [8]


6.7. ábra - szélerőműves villamos energia termelés, vízelektrolízis kapcsolása [8]

szélerőműves villamos energia termelés, vízelektrolízis kapcsolása [8]


6.8. ábra - szélerőműves és tüzelőanyag cellás villamos energia termelés kapcsolása [8]

szélerőműves és tüzelőanyag cellás villamos energia termelés kapcsolása [8]


A hidrogén felhasználása

Villamos energia termelés tüzelőanyag elemekkel [10]

Az egyik hidrogénnel foglalkozó információs rendszer (www.hyweb.de) szerint a tüzelőanyag-elemekkel foglalkozó iparág 2005-ben 335 M USD-t forgalmazott és közel 800 M USD-t költött kutatásra és fejlesztésre. Abban az évben a foglalkoztatottak létszáma 12 %-kal növekedve elérte a 7074-et. A tüzelőanyag-elemekkel a hidrogénből egyenáramú villamos energiát lehet közvetlenül előállítani. Ezek az elemek egyrészt a decentralizált villamosenergia-ellátásban játszhatnak szerepet, másrészt mobil alkalmazásra, járművek hajtásához használhatók. Gyakorlatilag három fő tüzelőanyag elemet fejlesztenek: a membrános típust, a foszforsavasat és a nagyhőmérsékletű megoldásokat [30].

A tüzelőanyag cellák működése

Az utóbbi időkben némi zavar keletkezett a "fuel cell" magyarítását illetően. Sokan "üzemanyag cella" kifejezést használják. Ez a név a közlekedési eszközökben alkalmazott áramforrásokra utal, és legfeljebb ezt a kategóriát indokolt ezzel a megnevezéssel illetni. A hivatalos magyar kémiai elnevezés: tüzelőanyag-elem, ami kifejezi az egyéb, például erőműi alkalmazásokat is. Régebben a "tüzelőszer-elem" volt használatban, ami érdekes asszociációkra ad lehetőséget, főleg egybeírva, "tüzelőszerelem". A tüzelőanyag-cellák, akár csak az alkáli elemek vegyi reakciók során közvetlenül elektromos energiát állítanak elő. A legnagyobb különbség az, hogy az elemek lemerülésük után használhatatlanok, addig a tüzelőanyag-cellák addig üzemelnek, amíg az üzemanyag rendelkezésre áll. A tüzelőanyag-cellák általában két elektródából (anódból és katódból) és a köztük lévő elektrolitból állnak.

6.9. ábra - tüzelőanyag - elem működési elve [10]

tüzelőanyag - elem működési elve [10]


A folyamat során a katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogén molekulák protonokra és elektronokra szakadnak szét. A protonok az elektroliton haladnak keresztül, az elektronok pedig elektromos áram formájában hasznosíthatók. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénnel és így víz jön létre.

A tüzelőanyag-cellák egyik előnye a belsőégésű motorokhoz képest az, hogy míg a tüzelőanyag-cellák hatásfokát elméleti termodinamikai határok nem korlátozzák, addig a belsőégésű motorok hatásfokát a Carnot - ciklus által meghatározott termodinamikai határok szabják meg.

A tüzelőanyag-cella elektrokémiai működését a Nernst-egyenlet, termodinamikai tulajdonságait a Gibs összefüggés írja le. A cellában lezajló jelenségek esetén a Carnot-féle körfolyamat nem érvényes.

A definícióból az alábbiak következnek:

  • az említett folyamat mozgó alkatrészt nem tartalmaz, mivel alapvetően elektrokémiai jelenségről van szó

  • az említett folyamatban tüzel berendezés vagy egyéb lánggal történ égés nincs, tehát igen alacsony emissziós értékek várhatók.

A reakció egyenletekből az alábbiak következnek:

  • Az anód folyamat a hidrogén és szénmonoxid molekula keletkezésére nézve érzéketlen

  • Az anód folyamat szempontjából nem csak a hidrogén, hanem a szénmonoxid molekula is értékes tüzelő anyagként szolgál

  • A katód folyamat reakció egyenletéből következik, hogy mindkét belső tüzelő anyaggal reakcióba lép