Hogyan használják a hidrogénenergiát az elektromos energia előállításában

A hidrogénnel történő villamosenergia-termelés főként két módon valósul meg: üzemanyagcellákon és hidrogénfelhasználásra átalakított égésturbinákon keresztül. Az üzemanyagcella-technológia elektrokémiai folyamatok révén állít elő energiát, és hővisszanyerő rendszerekkel párosítva akár körülbelül 60%-os hatásfokot is elérhetnek. Számos meglévő, eredetileg földgázüzemre tervezett égésturbina mára képes hidrogénkeverékek, sőt akár tiszta hidrogén felhasználására is, ami jelentős rugalmasságot biztosít az áramhálózat-üzemeltetők számára a stabil energiaellátás fenntartásában. A zöld hidrogén előállítása vízmolekulák elektromos árammal történő szétbontását jelenti, amelyhez megújuló energiaforrásokat, például szél- és napenergiát használnak fel elektrolízis nevű eljárással. Ezt a zöld hidrogént tárolják, amíg a megújuló energia rendelkezésre állása csökken, majd ekkor visszaalakítható villamos energiává. Németországra például, ahol több tengeri szélerőmű már jelenleg is zöld hidrogént állít elő. Ezek a projektek bizonyos tesztkörzetekben sikerültek körülbelül 40%-kal csökkenteni a széntüzelésű erőművektől való függőséget, bár az eredmények helyi adottságoktól és a megvalósítás részleteitől függően változhatnak.

A hidrogén integrálása a meglévő villamosenergia-hálózatokba

A hidrogén segít tisztábbá tenni az áramhálózatokat, miközben stabilitásukat is fenntartja. Amikor többlet megújuló energia áll rendelkezésre, a hidrogén tárolja azt, majd később visszaadja, amikor a kereslet növekszik. Nézzük például Dániát: ott a prójektjeik során kiderült, hogy a hidrogén tárolása sóbányákban évente 15 és akár 20 százalékig csökkenti az energiapazarlást. Egyre több ilyen hibrid rendszer jelenik meg, ahol naperőművek elektrolízisberendezések mellett működnek, bár az egész rendszer zökkenőmentes működéséhez igen fejlett energia-menedzsmentre van szükség, hiszen az energia mindkét irányban áramlik a rendszerben. Nézzük meg, mi folyik Kaliforniában a Renewable Hydrogen Backbone projekt keretében: ott valójában hidrogént használnak ahhoz, hogy az áramhálózat stabil maradjon azokon a heves hőhullámokon keresztül, amelyek napjainkban olyan sok problémát okoznak a normál működésben.

Esettanulmány: hidrogénenergiával működő erőművek Németországban és Japánban

Az Energierpark Mainz Németországban egy 6 megawattos elektrolizálót kombinál szélerőművekkel, hogy évente körülbelül 200 tonna hidrogént állítson elő. Ez a rendszer képes akár körülbelül 2000 háztartás ellátására árammal áramkimaradások esetén a 1,4 MW-os üzemanyagcellás rendszerén keresztül. A Csendes-óceán túloldalán Japán létrehozott valamit, ami még nagyobb: a Fukuhsima Hidrogén Energia Kutatási Területet, rövidítve FH2R-t. 10 MW kapacitással ez a világ legnagyobb zöld higrogénüzeme. Nemcsak Tokió bizonyos részeinek energiáját segíti biztosítani, hanem kutatók tengerentúli hidrogén-szállítási kísérleteket is végeznek rajta. Ezeket a projekteket az teszi kiemelkedővé, hogy kb. 95%-os lenyűgöző hatásfokkal működnek. Ezt a magas teljesítményt azért érik el, mert a termelt hidrogén mennyiségét folyamatosan igazítják az elektromos hálózat pillanatnyi igényeihez.

A hidrogén alapterhelési teljesítményre való méretezésének kihívásai

Három fő akadály korlátozza a hidrogén szerepét az alapterhelési teljesítményben:

• Költség : Az elektrolizátorok tőkeköltségei továbbra is körülbelül háromszor magasabbak, mint a földgázturbináké.
• Hatásfokveszteségek : Az áramból hidrogénné és vissza történő körbeforgatási folyamat 30–35%-os energiaveszteséggel jár.
• Infrastruktúra : A világ kevesebb mint 15%-a gázvezeték képes biztonságosan szállítani 20%-nál nagyobb hidrogénkeverékeket.

Egy 2021-es iparági áttekintés kiemelte a tüzelőcellák élettartamát és a vezetékek ridegedését kutatás-fejlesztés elsődleges feladataiként, becsült 1,2 billió dollár infrastrukturális fejlesztési igényre 2040-ig. Bár a hidrogén kiegészíti a megújuló energiát, jelenleg nem rendelkezik költségparitással a széleskörű alapterhelési alkalmazásokhoz.

Hidrogén fűtésre: Ipari és lakossági rendszerek karbonmentesítése

A hidrogénenergia szerepe a fűtési rendszerek karbonmentesítésében

A tavalyi IEA-adatok szerint a világszerte az energiafogyasztásból származó CO2-kibocsátás körülbelül 40 százaléka a fűtésre esik, ezért sok szakértő hidrogént lát igazi játékváltozónak a fosszilis üzemanyagok mind ipari kemencékben, mind háztartási kazánokban történő helyettesítésében. Az a tény, hogy a hidrogén majdnem 2800 Celsius-fokos hőmérsékleten ég, különösen alkalmassá teszi nehézipari alkalmazásokhoz, mint például az acélgyártás. Néhány üzemanyagcellás mikro hő- és áramtermelő rendszerrel végzett teszt is lenyűgöző eredményeket hozott, akár körülbelül 90 százalékos hatásfokot elérve távhőhálózatok esetén. Érdekes, hogy a hidrogén ténylegesen kb. a jelenlegi földgázvezetékek 20 százalékában jól működik anélkül, hogy az infrastruktúrát módosítani kellene, ami jelentősen felgyorsíthatja e technológia különböző szektorokban történő elterjedését.

Hidrogén keverése földgázzal vezetékekben

A hidrogén meglévő gázhálózatokba történő keverése átmeneti útvonalat kínál:

Európai próbák azt mutatják, hogy a 20%-os keverékek évente 6 millió tonnával csökkenthetik a kibocsátást, miközben biztonságos üzemeltetés marad. Azonban a hidrogén alacsonyabb térfogati energiasűrűsége miatt a térfogatáramot 15–25%-kal növelni kell magasabb keverési szinteknél.

Kísérleti projektek az Egyesült Királyságban és Hollandiában hőenergia-termelésre használt hidrogénnel

A brit HyDeploy program sikerrel kevert hidrogént a gázhálózatba körülbelül 300 háztartás számára kb. 20%-os arányban, és a résztvevők többsége elégedett volt vele – kb. tízből nyolc ember jelentette, hogy elégedett. A H2Stad kísérlet Hollandiában még érdekesebbé vált, ahol 1500 háztartást teljesen átváltottak hidrogénüzemű kazánokra. Az eredmények is lenyűgözőek voltak, mivel ez közel 90%-kal csökkentette a fűtéshez kapcsolódó kibocsátást a hagyományos földgázrendszerekhez képest. Bár ezek a próbaprogramok azt mutatják, hogy a hidrogén nagyobb léptékben is működhet, vannak néhány aggodalomra okot adó tényezők. Anyagvizsgálatok szerint, ha a vezetékek folyamatosan tiszta hidrogént szállítanak, azok élettartama akár 12 és 18% között is csökkenhet. Nem túl jó hír, de megfelelő tervezéssel kezelhető.

Hatékonysági és biztonsági aggályok a hidrogénalapú fűtésnél

A hidrogénnel működő kazánok körülbelül 85–90 százalékos hatásfokkal üzemelnek, ami valójában kicsit alacsonyabb, mint a földgázé, amely körülbelül 94 százalék. A hidrogén azonban sokkal könnyebben gyullad meg, hiszen csak 0,02 mJ gyújtási energiára van szüksége, szemben a metán 0,3 mJ-ával. Ez azt jelenti, hogy rendkívül jó szivárgásérzékelő rendszerekre van szükségünk, amelyek akár 1 százalékos koncentrációt is képesek észlelni. A DNV 2023-as tanulmányai szerint a hidrogén körülbelül 30-szor gyorsabban szivárog át a polietilén csöveken, mint a hagyományos gáz. Ennek következtében a legtöbb régi csőhálózat valószínűleg speciális kompozit bélelésre szorul majd. Ne feledjük el a megfelelő szellőzést sem. Amikor az épületeket megfelelően felújítják, ez az egyszerű intézkedés önmagában akár 92 százalékkal is csökkentheti a robbanásveszélyt.

Hidrogén a közlekedésben: Üzemanyagcelláktól a légi közlekedésig

Hidrogénes üzemanyagcellás járművek – tiszta alternatíva a közlekedésben

A hidrogén üzemanyagcellás járművek olyan kémiai reakciók révén állítanak elő energiát az elemek belsejében, amelyek során alapvetően csak vízgőzt bocsátanak ki kipufogógázként. A legnagyobb előnyük, hogy a tankolás kevesebb, mint öt percig tart, és ezek az autók több mint 500 kilométert is megtehetnek újratöltés nélkül. Hosszú távú teherautók és áruszállító hajók esetében ez különösen előnyös, mivel nagyobb energiasűrűséget biztosítanak kisebb helyigény mellett, így nem vesznek el sok rakteret. A Toyota és a Hyundai vállalatok mostanában egyre nagyobb beruházásokat kezdtek el hidrogénalapú technológiák terén, különösen nagyobb szállítási igényeik kielégítése érdekében.

Hidrogénes buszok és teherautók alkalmazása Kaliforniában és Dél-Koreában

Kalifornia H2 Frontier Projectje 2023 óta több mint 50 hidrogénnel hajtott buszt telepített 12 közlekedési körzetben, évente 1200 tonna kibocsátás csökkentésével. Dél-Koreában az Ulsani Hidrogénkikötő 120 tüzelőanyag-cellás teherautót üzemeltet konténer-szállításra, amelyet közeli tengeri szélerőművekről származó elektrolizátorok táplálnak.

Hidrogénhajtású vonatok Németországban és Franciaországban

Németország Coradia iLint vonatai 2023-ban 220 000 kibocsátásmentes kilométert tettek meg. Franciaország TER Occitanie vonalán 15 dízel egységet hidrogén-hibrid vonatok váltottak fel, amelyek tetőn elhelyezett üzemanyagcellákat használnak a hatótáv meghosszabbítására nem villamosított útvonalakon.

Új alkalmazások a hajózási és légi közlekedési szektorokban

A tengeri szállítást végző vállalatok hidrogénből előállított ammóniával működtetik négy teherhajójukat az Északi-tengeren, amely 85%-os CO2-kibocsátás-csökkentést eredményez a nehéz üzemanyagolajhoz képest. A légi közlekedés területén nulla kibocsátású regionális repülőgépek várhatóan 2035-re kezdik meg üzemeltetésüket folyékony hidrogén égésén alapuló meghajtással, jelenlegi prototípusaik 750 km-es tesztrepüléseket teljesítettek.

Infrastrukturális kihívások a hidrogén töltőállomás-hálózatok tekintetében

Világszerte kevesebb mint 1000 hidrogén töltőállomás létezik, amelyből a 42% Európában, a 38% Ázsiában található. A nagy nyomású tárolás továbbra is költséges – 2024-ben 1800 USD/kg –, a vezetékek anyagainak ridegsége pedig kihívást jelent a nagy léptékű elosztás számára.

Zöld Hidrogén Előállítás: Fenntartható Módszerek Fejlesztése

Szürke vs. kék vs. zöld hidrogén: Környezeti és gazdasági kompromisszumok

Több különböző módon is előállítható hidrogén, és mindegyiknek megvannak a saját környezeti hatásai és árai. A szürke hidrogént gőzös metán-reformálással (SMR) állítják elő, és minden egyes kilogramm hidrogén előállítása során 9 és 12 kilogramm CO2 kerül kibocsátásra. Az ára? Körülbelül 1,50–2,80 USD kilogrammonként 2023-ban az Nemzetközi Energiaügynökség szerint. Ezután ott van a kék hidrogén, amely ugyanezt az SMR eljárást használja, de szén-dioxid-megkötési technológiát is alkalmaz. Ez körülbelül 80–90 százalékkal csökkenti a kibocsátást, bár ennek ára van: kb. 2,50–4 USD kilogrammonként. Végül pedig itt a zöld hidrogén, amely akkor keletkezik, amikor megújuló energiaforrásokból származó elektromos áram működteti az elektrolízis berendezéseket. Ez a módszer közvetlen kibocsátást nem okoz, jelenlegi ára pedig 3–5 USD kilogrammonként mozog. Ez valójában jelentősen csökkent az elmúlt néhány évhez képest, amikor az árak még körülbelül 4–6 USD kilogrammonként voltak.

Elektrolízis-fejlődés növeli a zöld hidrogén energia kibocsátását

A protoncserélő membrános (PEM) elektrolizátorok hatásfoka jelenleg 75–83%, szemben a 2010-es 60%-kal. Az lúgos rendszerek 65–70% hatásfokon működnek, élettartamuk meghaladja a 60 000 órát. A szilárd oxid-elektrolizátorok (SOEC), amelyek 700–900 °C-on üzemelnek, kísérletek során elérték a 85% hatásfokot, így nagy ígéretet jelentenek az ipari méretű zöld hidrogén előállításban (ScienceDirect 2024).

Megújuló energiával működtetett hidrogéntermelés költségtrendjei és skálázhatósága

A napenergiával működő elektrolízissel előállított hidrogén előállítási költsége drámaian csökkent, körülbelül 62%-kal 2015 óta. 2024-ben már 3 és 4,50 dollár közötti árakat látunk kilogrammonként. Ausztráliában a szélerőművek évente több mint 1000 tonna zöld hidrogént állítanak elő, kb. 3,80 dollár/kg áron. Kínában pedig nagy léptékű elektrolizáló telepek teszik évről évre olcsóbbá az előállítást, évente körülbelül 18%-os költségcsökkentéssel. Előretekintve a BloombergNEF szerint a zöld hidrogén akár 1,50 dollár/kg-ra is eshet 2030-re, amint a megújuló energiaforrások továbbra is gyors ütemben terjednek, és várhatóan majdnem 85%-át fogják alkotni a világ új villamosenergia-termelésének.

GYIK

Mik a fő módszerek a hidrogénnel történő villamosenergia-termelésre? A fő módszerek a hidrogénüzemű üzemanyagcellák és a hidrogénre adaptált égésturbinák.
Hogyan járul hozzá a hidrogén az áramhálózat stabilitásához? A hidrogén a felesleges megújuló energiát tárolja, és keresletcsúcsok idején szabadítja fel, így biztosítva a hálózat stabilitását.
Mik azok a jelenlegi kihívások, amelyek a hidrogén alapterhelésű energiatermelésben való felhasználását nehezítik? A magas költségek, az energiaátalakítás során keletkező hatásfokveszteségek és az infrastrukturális korlátok jelentős kihívások.
Hogyan használják a hidrogént fűtési rendszerekben? A hidrogén kiválthatja a fosszilis tüzelőanyagokat ipari és lakossági fűtési rendszerekben, fenntartható alternatívát nyújtva.
Milyen fejlődéseket értek el a zöld hidrogén előállításában? Az elektrolízistechnológia fejlődése és nagy léptékű telepítések jelentősen csökkentették a költségeket és növelték a hatásfokot.