Miért alapvetően fontos a hidrogén a szélenergia-tárolás szempontjából?

A szélenergia problémája az, hogy nem mindig fúj akkor, amikor a leginkább szükségünk van rá, ami különösen akkor okozhat problémákat az elektromos hálózatnak, amikor hosszabb időszakokra – úgynevezett dunkelflaute-ként ismertek – szélcsend áll be. A hidrogén egy megoldást kínál: a felesleges szélenergiát elektrolízis nevű folyamattal tárolható formába alakítja át. Amikor hétvégékig tartó szélcsend áll be, ezt a tárolt hidrogént üzemanyagcellák vagy hagyományos turbinák segítségével vissza lehet alakítani villamos energiává. Az akkumulátorok egyszerűen nem alkalmasak hosszabb távú tárolásra, mivel általában legfeljebb néhány napig tudják megtartani a töltést. Éppen ezért a hidrogén különösen előnyös, mert hónapokon át képes energiát tárolni. Ez a hosszú távú tárolási képesség elengedhetetlenül fontos ahhoz, hogy stabil maradjon az elektromos hálózatunk, amikor a szél- és napelemes termelés egyszerre csökken különböző országrészekben.

A hidrogén nem csupán a villamosenergia-átalakítás során keletkező veszteségek (30–40 százalék) visszanyeréséről szól. Valódi potenciálja másutt is rejlik. Vegyük például azokat az iparágakat, amelyek környezetvédelmi szempontból nehezen „tisztíthatók”. A hidrogén például helyettesítheti a kokszot a acélgyártásban, meghajthatja azokat a nagy teherautókat, amelyek árukat szállítanak országonként, sőt akár a különféle gyártási folyamatokhoz szükséges intenzív hőellátást is biztosíthatja. A DNV múlt évi kutatása szerint a hidrogén tárolása körülbelül kétharmadával csökkenti a szélerőművekben elveszített szélenergiát. Emellett jelentősen csökkenti a gyártóüzemek kibocsátását is. Így olyan megoldásról beszélünk, amely egyszerre képes rugalmassá tenni az energiaellátó hálózatunkat és mélyebb szén-dioxid-csökkentést elérni különféle szektorokban.

A szélenergiával működő hidrogén-termelés működése

Elektrolízis: a felesleges szélenergia átalakítása zöld hidrogénné

A szélenergiából származó többlet villamos energiát akkor hasznosítják, amikor a hálózat jelenlegi igényénél több áram áll rendelkezésre. Ez a felesleges energia elektrolizátorokat működtet, amelyek vízmolekulákat (H2O) bontanak fel hidrogénre és oxigénre. A folyamat eredményeként keletkező hidrogént zöld hidrogénnek nevezik, mivel – ellentétben a fosszilis tüzelőanyagokból előállított szürke vagy kék hidrogénnel – nem jár széndioxid-kibocsátással. Az elektrolizátorrendszerek működése viszonylag rugalmasan hangolható: erős szél esetén fokozzák a teljesítményüket, majd a körülmények változásával újra lecsökkentik. Ennek a rugalmasságnak köszönhetően kiválóan illeszkednek a megújuló energiahordozókhoz, amelyek termelése nem mindig egyenletes.

Tárolás és felhasználás: A sűrített gáztól a tüzelőcellákon keresztül az ipari alkalmazásokig

A hidrogén előállítása után sűrítve tárolják helyben, vagy folyékony formában szállítják. Felhasználási területei számos szektorra kiterjednek:

• Átalakítás vissza villamos energiává tüzelőcellákon keresztül széltelen időszakokban
• Közvetlen felhasználás ipari folyamatokban, amelyek magas minőségű hőt igényelnek (pl. cement-, acélgyártás)
• Üzemanyag nulla kibocsátású teherautókhoz, vonatokhoz és tengeri hajókhoz

Ez a több szektorra kiterjedő sokoldalúság hidrogént stratégiai energiahordozóvá teszi – nem csupán egy akkumulátor-alternatíva, hanem egy alapvető lehetőség a rendszer-szerte zajló megújulásra hosszabb ideig tartó „Dunkelflaute” (szél- és napfényhiányos) időszakokban.

Valós idejű hidrogén-integráció szélfarmokkal

Hywind Tampen: tengeri szélenergia és zöld hidrogén ipari dekarbonizáció céljából

Az Equinor Hywind Tampen-jének jelenleg a világ legnagyobb úszó szélerőműve, amely tiszta energiát szállít közvetlenül az offshore olajfúróplatformoknak, és a felesleges energiát zöld hidrogén előállítására is felhasználja. Ez az óriási, 88 megawattos berendezés körülbelül 35 százalékkal csökkenti ezeknek a platformoknak a kibocsátását, lényegében helyettesítve az összes régi földgázturbinát, miközben az üzemeltetés zavartalanul folytatódik. A projekt különösen érdekes, mert bemutatja, hogy az iparágak valójában már elkezdhetik a fosszilis tüzelőanyagokról való átállást még akkor is, amikor az egész villamos hálózat még nem lett felkészítve a nagy léptékű megújuló energiaforrások kezelésére. A szélenergia és a hidrogén-termelés kombinációja gyakorlati megoldást kínál olyan szektorok számára, amelyek megbízható energiára van szükségük, de csökkenteni szeretnék szén-lábnyomukat.

H2Bus-projekt (Dánia) és egyéb hálózatszintű pilótaprogramok, amelyek bemutatják a dunkelflaute-ellenállás képességét

A dán H2Bus projekt további szélerőt használ fel akkor, amikor erősen fúj a szél, ezt hidrogénné alakítja és tárolja, majd ezt a hidrogént arra használja, hogy a közösségi autóbuszokat üzemeltesse, amikor a szél lecsendesedik. Ezt a megközelítést érdekessé teszi az is, hogy ténylegesen hozzájárul az elektromos hálózat kiegyensúlyozásához: körülbelül három teljes napnyi tartalékenergiát biztosít hosszabb időszakokra, amikor kevés a szél. Más országok is hasonló megoldásokat próbáltak ki. Németország tavaly kísérleteket futtatott, amelyek során a megújuló energiából származó többletet hidrogénné alakították és tárolták, míg skót közösségek ugyanezt a koncepciót tesztelték partvidékeiken. Ezek a gyakorlati kísérletek azt mutatják, hogy a hidrogén valóban képes arra, hogy a szélenergiát megbízható, egész évben elérhető forrássá tegye – nem csupán a természet által adott időjárási viszonyokra kellene támaszkodnunk. Így az egykor előre nem látható energiatermelés megbízható forrássá válik tiszta energiánk jövőjében.

A szélenergiából hidrogént előállító rendszerek kulcskérdései és kompromisszumai

Hatékonyság vs. időtartam: A szezonális érték 30–40%-os körbevezetési veszteségének kezelése

A szélenergiából hidrogént előállító rendszerek biztosan jelentős energiamennyiséget veszítenek az út során. Az elektrolízis általában 60–70%-os hatásfokkal működik, majd amikor a hidrogént visszaalakítják üzemanyagcellákon keresztül, az összesített hatásfok csupán kb. 30–40%-ra csökken. Ennek ellenére számos szakértő szerint pénzügyileg és működési szempontból is értelmes megoldás, ha a nyári hónapokban feleslegben termelt szélenergiát elraktározzuk, hogy télen, amikor a kereslet csúcsot ér, felhasználhassuk. A kínálat és a kereslet közötti szezonális eltérés egyszerűen túl nagy probléma ahhoz, hogy kizárólag a hatásfokszámokat figyelembe véve elhanyagolhatnánk. Bár az akkumulátorok 90%-os körbevezetési hatásfokot is elérhetnek, hosszú távú tárolásra egyszerűen nem alkalmazhatók. A hidrogén képessége, hogy több hónapon keresztül tárolható anélkül, hogy jelentős minőségbeli romlás történne, egyedülálló tulajdonság, amelyet jelenleg egyetlen más technológia sem tud nagy léptékben megfelelően helyettesíteni.

Műszaki hiányosságok: Elektrolizátorok rugalmassága, infrastruktúra bővítése és költségcsökkentés

Az elektrolízisberendezések teljesítménye változó szélenergia-bemenet mellett továbbra is kulcsfontosságú korlátozó tényező. A lúgos egységek állandó terhelést igényelnek, ami korlátozza azok kompatibilitását a ingadozó energiatermeléssel, míg a protoncserélő membrános (PEM) rendszerek elviselik az ingadozást, de kW-onként 2–3-szor drágábbak. A szélesebb körű infrastrukturális kihívások továbbra is fennállnak:

• A kizárólag hidrogén szállítására szolgáló csővezeték-hálózatok ritkák a korlátozott ipari folyosókon kívül
• A nagy méretű tárolás drága, nyomás alatt álló tartályokra vagy geológiailag specifikus sókamrákra támaszkodik
• A globális elektrolízisberendezés-gyártásnak kb. 100-szorosára kell bővülnie 2030-ig a prognosztizált kereslet kielégítéséhez

Ahhoz, hogy a fosszilis alapú hidrogénnel versenyképessé váljon a hidrogén, a beruházási költségeknek 500 USD/kW alá kell esniük – ma 800–1400 USD/kW között mozognak –, amelyhez koordinált politikai támogatás, ellátási láncba történő befektetés és az értéklánc egészében történő szabványosítás szükséges.

GYIK

Miért előnyösebb a hidrogén a hosszú távú energiatárolásra a telepekkel szemben?

A hidrogén hónapokig tudja tárolni az energiát, ellentétben az akkumulátorokkal, amelyek általában csak néhány napig tartják a töltést. Ez teszi a hidrogént kulcsfontosságúvá a hálózati stabilitás fenntartásában hosszabb szélmentes időszakok alatt.

Mi az a zöld hidrogén, és hogyan állítják elő?

A zöld hidrogént elektrolízissel állítják elő, a fölösleges szélerőművi villamosenergiát felhasználva a víz hidrogénre és oxigénre bontására, amely folyamat során nulla széndioxid-kibocsátás keletkezik.

Miért tekintik a hidrogént különböző szektorokban is sokoldalúnak?

A hidrogén alkalmazási területei széles körűek: átalakítása újra villamosenergiává szélcsendes időszakokban, közvetlen felhasználása ipari folyamatokban, valamint üzemanyagként a kibocsátásmentes közlekedési járművek számára – mindez bizonyítja keresztszektoros sokoldalúságát.

Milyen fő kihívásokkal járnak a szélenergiából hidrogént előállító rendszerek?

A kihívások közé tartozik az energiaveszteség az átalakítás során, az infrastrukturális korlátok, valamint az elektrolizátorok méretezéséhez és a tárolási megoldásokhoz kapcsolódó magas költségek.