Három fő ok miatt nem dübörög a (zöld)hidrogén gyártás sehol a világon: a napi alkalmazása nagyobb veszélyeket hordoz tűz- és robbanásveszélyessége miatt, mint amihez átlagember szintjén eddig hozzászoktunk. Speciális kémiai tulajdonságai miatt a vezetékes-, a vasúti- és közúti szállítása nem oldható meg a többi gáznemű- vagy folyékony energiahordozóéhoz hasonló módon. Végül, de nem utolsó sorban, túl drága, különösen úgy, ahogy azt ma az EU Bizottság üdvözlendőnek tartja.
Mint az már ismert az Európai Zöld Megállapodásból és az EU Hidrogén Stratégiájából, az Európai Bizottság kulcsszerepet szán a zöld hidrogénnek a jövő zöld, dekarbonizált gazdaságának kialakításában.
Az sem meglepő, hogy a dokumentum elsősorban Németország hidrogénnel kapcsolatos elképzeléseit tükrözi, amelyhez azóta már több tagállam is csatlakozott. A Német Szövetségi Gazdasági és Energiaügyi Minisztérium már 2020. februárjában bemutatta a német Nemzeti Hidrogénstratégia tervezetét, melyet több hónapos vitát és egyeztetést követően elfogadott a szövetségi kormány.
Európai elképzelések
A stratégia elfogadásának lendületet adott, hogy bekerült a COVID-19 járvány után, a gazdaság beindítását célzó konjunktúraélénkítő programba is. A szövetségi kormány összesen 9 milliárd euróval támogatja a hidrogén technológiák elterjedését Németországban, és a startégiával kifejezett célja, hogy Németországot a hidrogén technológiák vezető beszállítójává tegye.
A fejlesztések elsősorban a zöld, azaz megújuló energia forrásból származó hidrogén előállítását célozzák, az energia fordulat harmadik oszlopát alkotva az energia hatékonyság és a megújuló energiatermelés növelése mellett. A hidrogénstratégia a német EU elnökség egyik kiemelt eleme is volt egyben.
A 2020. július 8-án nyilvánosságra hozott EU Hidrogén Stratégia fő gondolata, hogy a hidrogén energetikai hasznosításkor nem bocsát ki CO2-t, és szinte semmilyen egyéb légszennyezést nem okoz.
Így megoldást kínál az ipari folyamatok és a gazdasági szektorok dekarbonizálására, ahol a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése sürgős és nehezen megvalósítható. A hidrogén felhasználható alapanyagként, üzemanyagként vagy energiahordozóként, energiatárolásra, és számos további lehetőség van az ipar, a közlekedés, az energia és az építőipar területén történő alkalmazásra.
"A tiszta hidrogén értéklánc fejlesztése és telepítése során Európa a globális élmezőnyben lesz és megtartja vezető szerepét a tiszta technológiákban" - mondta Frans Timmermans, a Bizottság zöld programért felelős ügyvezető alelnöke.
Ennek ellenére a hidrogén napjainkban a világ és az EU energiaszerkezetének szerény hányadát teszi ki, és továbbra is nagyrészt fosszilis tüzelőanyagokból, nevezetesen földgázból, illetve szénből állítjuk elő, amelynek következtében évente mintegy 70–100 millió tonna szén-dioxid kerül a légkörbe. Ahhoz, hogy a hidrogén valóban előmozdítsa a klímasemlegességet, sokkal nagyobb részarányt kell képviselnie, és termelését teljes mértékben szén-dioxid-mentessé kell tenni.
Zöld hidrogén
A zöld hidrogént az iparág a hidrogént előállítási módja alapján különbözőképpen jelöli:
- A tiszta hidrogént elektrolízissel állítják elő vízből. Amennyiben kizárólag megújuló energiával termeljük meg az elektrolízisben felhasznált villamos energiát, akkor „zöld” hidrogénről beszélünk;
- A fosszilis üzemanyagból (leginkább földgázból) előállított hidrogént „szürke” hidrogénnek nevezzük (feketekőszén kiinduló anyag esetén fekete hidrogénről, lignit esetén barna hidrogénről beszélhetünk), amennyiben a technológiához CO2- megkötő (CCS) is társul, úgy a fosszilis forrásból termelt hidrogén neve „kék” hidrogén;
- Az alacsony CO2-kibocsátású hidrogén (low carbon hydrogen) a megújuló és atomenergia felhasználásával előállított hidrogént jelenti, de ide soroljuk a biomasszából, vagy a fosszilis energiából CCUS-sel előállított hidrogént is. A metán pirolízisével előállított hidrogént sokszor türkiz hidrogénnek nevezik;
- Németországban, tagadva az atomenergia fenntartható, zöld voltát, vörös hidrogénnek nevezik az atomerőművekben gyártott hidrogént.
Európában a megújuló hidrogénre irányuló halmozott beruházások összege 2050-ig elérheti az 180–470 milliárd EUR-t, az alacsony szén-dioxid-kibocsátású fosszilis alapú hidrogén esetében pedig a 3–18 milliárd eurót. Az EU megújulóenergia-technológiák terén betöltött vezető szerepével is számolva egy olyan hidrogénértéklánc megteremtése, amely több ipari ágazatot és végső felhasználást szolgál, akár 1 millió embernek biztosíthatna közvetlenül vagy közvetve munkát.
Jelenleg azonban a megújuló és az alacsony szén-dioxid-kibocsátású hidrogén még nem költség-versenyképes a fosszilis alapú hidrogénhez képest.
Ezért a hidrogén alkalmazásának bevezetése Európában olyan komoly nehézségekkel jár, amelyeket sem a magánszektor, sem a tagállamok nem tudnak egyedül kezelni. Ahhoz, hogy a hidrogénfejlesztés egy bizonyos ponton túl se torpanjon meg, a beruházások kritikus tömegére, támogató szabályozási keretre, új vezető piacokra, valamint az áttörést jelentő technológiákra irányuló folyamatos kutatásra és innovációra van szükség.
Hazai elképzelések
A kormány által 2020. januárjában elfogadott Nemzeti Energia- és Klímatervében (NEKT), valamint az új nemzeti energiastratégiában (Nemzeti Energiastratégia 2030, kitekintéssel 2040-ig) is megjelent a megújuló energia felhasználásával előállított hidrogén, mint jövőbeli alternatíva a földgázhasználat mérséklésére, a dekarbonizáció érdekében (NEKT).
2020. április 27-én megalakult a Nemzeti Hidrogéntechnológiai Platform, és felmérte a vállalati és a K+F szektorban a hazai hidrogénkompetenciákat, az eredményeket a Hidrogéntechnológiai Fehér Könyvben publikálták. 2021. május 19-én a magyar kormány elfogadta a Nemzeti Hidrogénstratégiát (1372/2021. (VI. 10.) Korm. határozat).
A stratégia hosszú távon a zöld hidrogént helyezi a középpontba, de a megújuló forrásokból termelt villamos energia segítségével előállított hidrogén mellett a nukleáris hálózatról vételezett villamos energián alapuló hidrogéntermelés lehetőségeivel is számol. Ezen kívül rövid- és középtávon – a kibocsátások gyors csökkentéséhez – a karbonszegény (ún. kék) hidrogén használatát is szükségesnek tartja.
Jelenleg hazánkban évi mintegy 160 ezer tonna hidrogént állítanak elő, most még teljesen fosszilis alapon, a földgáz gőzreformálásával. Ennek a kétharmadát az ammónia-, a fennmaradó részét pedig a kőolajfinomításgyártás és a vegyipar veszi igénybe.
A stratégia célja az, hogy ennek az évi 160 ezer tonnás mennyiségnek a körülbelül húsz százalékát egy évtized múlva már alacsony karbonlábnyomú eljárással termeljék meg. Ez jelentene egyrészt nagyságrendileg 20 ezer tonnányi úgynevezett kék hidrogént, amely ugyanúgy földgázalapú, de a képződő káros, üvegházhatású gázokat leválasztják, majd eltárolják vagy újrahasznosítják. További több ezer tonnányi pedig teljesen zöld hidrogén lenne, amelyet vagy atomerőműben – teljesen karbonsemleges módon –, vagy megújuló energiaforrások igénybevételével állítanának elő.
A távolabbi cél az, hogy 2040-re a szürke, vagyis a fosszilis alapú hidrogén teljesen kerüljön ki a rendszerből, a felhasználók között pedig jelenjen meg a vaskohászat és a cementgyártás. 2050-ben pedig – amikorra hazánk teljes klímasemlegességet vállalt – már teljesen környezetbarát lenne az egész szisztéma, és az acél-, valamint a cementipar is az „ügyfelek” között lenne.
Magyarországon a hidrogén-előállítás átalakulásának köszönhetően az elsők között az említett ammónia- és kőolajtermék gyártás, valamint a vegyipar válhatna környezetbarátabb szektorrá. De fontos szerepe lehet ennek az univerzális energiahordozónak a közlekedés zöldítésében (elsősorban a közúti-, vasúti- és vízi áruszállításban), valamint az időjárásfüggő megújulók (nap, szél) által megtermelt fölös villamos energia raktározásában is. Sőt, a gázfűtés karbonkibocsátása is csökkenthetővé válik általa a földgázba való bekeverésével.
Számszerűsítve, 2030-as céldátummal évi min. 2% térfogatarányos bekeverés a földgázrendszerben (2035: 10%, 2040: 20%, 2050: 50%), 20 ezer tonna ún. karbonszegény hidrogén és 16 ezer tonna „zöld” és egyéb karbonmentes hidrogén előállítási kapacitás.
Az ipari hidrogénfelhasználás dekarbonizációját a hidrogénvölgyek / hidrogénklaszterek megjelenése is támogatná, amelyek egy teljes hidrogénökoszisztéma demonstrációját jelentik egy régióban, összekapcsolódó projektek portfóliójaként.
1) Dunántúli hidrogén ökoszisztéma: Regionálisan is kiemelkedő kapacitású ammónia és finomítói ipar (Pétfürdő, Százhalombatta), valamint a meglévő nagy hidrogén felhasználók mellett több potenciális új felhasználó iparág is jelen van: vasmű (Dunaújváros), cementgyártás (Beremend, Királyegyháza). A paksi atomerőmű jelentős mennyiségű karbonmentes villamos energiát szolgál-tathat a hidrogén értéklánc kiépítéséhez.
2) Észak-keleti hidrogénvölgy: Érett iparral rendelkező régió (Miskolc, Tiszaújváros, Kazincbarcika, erős vegyipar és petrolkémia, jelentős meglévő hidrogén felhasználással), ami nagy hidrogénigényt támaszt egy koncentrált területen. Vizsgálandó továbbá a Mátrai Erőmű és térségének bevonása.
Akkor lehetne minden szép. Ja, nem.
Hogy mégis miért nem pörög ezerrel a zöld hidrogén gyártás, annak három fő oka van:
- a napi alkalmazása nagyobb veszélyeket hordoz tűz- és robbanásveszélyessége miatt, mint amihez átlagember szintjén eddig hozzászoktunk;
- speciális kémiai tulajdonságai miatt a vezetékes-, a vasúti- és közúti szállítása nem oldható meg a többi gáznemű- vagy folyékony energiahordozóéhoz hasonló módon és költségen;
- végül, de nem utolsó sorban, túl drága, különösen úgy előállítva, ahogy azt ma az EU Bizottság üdvözlendőnek tartja.
Zárójeles megjegyzésünk, hogy a hiedelmekkel ellentétben még a hidrogén-tüzelésű energiatermelés sem teljesen környezetbarát. Ha a hidrogén-tüzeléses égetés természetes atmoszférában zajlik, akkor az égés közben a magas hőmérséklet miatt szennyező nitrogén-oxidok is keletkeznek.
Tűz- és robbanásveszélyesség
A hidrogén vezetékes szállítása két módon történhet. Egyrészt dedikált hidrogénhálózaton keresztül, amelynek kiépítése jelentős beruházási költséggel jár, másrészt pedig a földgáz-hálózatba történő bekeveréssel. Ez utóbbi téren további vizsgálatok szükségesek a biztonságos mértékű bekeverés maximális szintjének, műszaki lehetőségeinek és a kapcsolódó fejlesztési igények meghatározásához.
A hidrogén ugyanis nagyon jól oldódik egyes fémekben (pl.: palládiumban, platinában, nikkelben), ezért metallurgiai szempontból kedvezőtlen hatása, hogy sok fémet rideggé és törékennyé tesz, körülményessé téve a csővezetékek és tartályok tervezését.
Olyan kicsi molekuláról van ugyanis szó, amely képes beépülni a fémek kristályrácsába, megbontani a szerkezetüket, ezáltal pedig a szállítóvezetékek, a tárolótartályok, a kompresszorok fémburkolatai elridegülhetnek, felhólyagosodhatnak a hegesztési varratok szétnyílhatnak. Ezt kompozit anyagok használatával lehet kiküszöbölni, ám itt már belép a költségnövekedés problémája.
További veszély, hogy a hidrogén a tiszta oxigénnel vagy a levegő oxigénjével keveredve robbanóelegyet képez, ezért biztonsági okokból vagy megfelelő nyomáson kell tartani, vagy cseppfolyósítani szükséges, ami viszont szintén drága eljárás.
Közúti és vasúti cseppfolyós állapotban való szállításnál hőszigetelt, kriogén tartályokra van szükség, mivel a cseppfolyós hidrogént a forráspont hőmérséklete (–259,1oC) alatt kell tartani, a tartályoknak ezért különleges acélötvözetből kell készülnie.
És mi a helyzet az előállítási költségekkel?
A globális hidrogéngazdaság napjainkban évi 100 milliárd dollár feletti értéket termel mintegy 120 millió tonna hidrogén (ebből 75-80 millió tonna nagy tisztaságú hidrogén) előállításával. A Nemzetközi Energiaügynökség becslése szerint a hidrogénelőállítás a világ energiaszükségletének 4 százalékáért felelős. A megtermelt hidrogén 55 százaléka az ammóniaszintézishez szükséges, ami a műtrágyagyártás alaplépése, 25 százalékot a finomítói szektor használ el, míg 10 százalékából vegyipari alapanyagot, metanolt gyárt az emberiség.
A termelés 99 százaléka jelenleg szürke hidrogén, vagyis földgáz és kőszén felhasználásával és szén-dioxid kibocsátásával gyártott H2. Ennek az oka, hogy messze ez az eljárás a legolcsóbb. A fosszilis alapú hidrogénhez kapcsolódó becsült költség jelenleg mintegy 1,5 EUR/kg az EU számára, amely nagymértékben függ az aktuális földgázáraktól, és nem veszi figyelembe a szén-dioxiddal kapcsolatos költségeket (ETS CO2 kvóták, egyéb karbonadók.
A szén-dioxid-leválasztás és -tárolás alkalmazásával előállított, fosszilis alapú hidrogén becsült költsége ezzel szemben mintegy 2 EUR/kg, a megújuló hidrogéné pedig 5,5-9,0 EUR/kg[2].
A szén-dioxid tonnánkénti árának 90 EUR között kellene lennie ahhoz, hogy a szén-dioxid-leválasztás alkalmazásával előállított, fosszilis alapú hidrogén ma versenyképessé váljon a fosszilis alapú hidrogénnel szemben[3]. Az olcsóbb megújuló energiával, a bővülő beruházásokkal és a méretgazdaságosság fokozásával a Bizottság a zöld hidrogén 5,5-9,0 EUR/kg-os árát 2030-ig 2-2,5 EUR/kg alá szeretné nyomni.
És akkor most maradjunk csak egy kicsit a méretgazdaságosságnál és a gazdasági racionalitásnál. A Bizottság kizárólag az időjárásfüggően villamosenergiát termelő szél- és naperőművek fölös áramával termelt hidrogént tekinti zöldnek.
Eddig hiába dörömbölt az ajtón az Emanuel Macron vezette, kilenc tagállamot tömörítő, EU-s atomkoalíció „…. a vörös hidrogén nem lehet megújuló és zöld, mert a nukleáris energia nem tekinthető annak. Ez lehetetlen” – válaszolt egy magas rangú német kormányzati forrás a Reutersnek.
A zöldítés és a megújuló energia használat elterjesztése azonban nem önmagáért van, annak konkrét célja az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése.
Mint teljesen karbonmentesen és oxigént nem fogyasztóan áramot termelő technológiára, az atomerőművekre alapozott áramtermeléssel előállított hidrogénre tehát nyugodtan ráakasztható lehetne a zöld címke.
Már csak azért is, mert a megújuló áram prioritizált kötelező átvétele miatt nagyon sokszor le kell terhelni, a leterhelést csak korlátozottan elviselni tudó atomerőműveket, amire nem lenne szükség, ha a fölös áram felhasználásával például zöld hidrogént termelnének. Ráadásul sokkal olcsóbban, sokkal költséghatékonyabban és sokkal többet, mint a nap- és szélerőművekben.
A fenti ábrákról még nem olvasható le az, hogy a napenergia Magyarországon 1600-2000 órában áll rendelkezésre, a szélenergia pedig 2000-2400 órában hidrogéntermelésre, míg egy atomerőmű 8760 órában.
A zöld hidrogénen túl vannak ÜHG-semleges kékhidrogén projekt-elképzelések, például olyan földgázkitermelés-serkentő eljárások, ahol a csökkenő hozamú földgázmezők esetében EGR-t (enhanced gas recovery) használva egy zárt ciklusú, zéró emissziós kékhidrogén „ökoszisztémát” teremtenek. Ebben az esetben a megcsappant hozamú földgázmezőn a serkentésre szén-dioxidot sajtolnak be, ezzel megnövelve a földgáz-hozamot.
A felszínen a kitermelt földgázt és az addicionálisan betáplált biometánt különböző módszerekkel hasznosítanák (pirolízis, stb.), melynek során hidrogén, hő és áram keletkezik, a fennmaradó széndioxidot pedig visszasajtolják a föld alá – ezzel egy zéró emissziós rendszert alkotva.
Ennek a módszernek is az a baja, hogy egy fosszilis energiahordozó megnövelt kitermelésével, annak gazdasági versenyelőnyével képes csak megtérülő módon hidrogént előállítani.
Természetesen, ha nem ragaszkodunk a mindenáron teljesen zöld hidrogéntermeléshez, ez lehet az egyik első olyan hidrogéntermelési rendszer, ami gazdaságosan és versenyképesen állíthat elő hidrogént nem csak ipari felhasználásra.
A kékhidrogén-termelés folyamata EGR/GSU alkalmazásával. Forrás: MOL Nyrt.
Összességében kijelenthető, hogy a hidrogénipar még gyerekcipőben jár, és rendkívül sok kutatási és fejlesztési forrást kell még bevonni, hogy technológiailag éretté váljon és széles körben elterjedhessen.
Mindez pedig nem csak költséges, hanem időigényes is, azaz hiú ábránd arra számítani, hogy akár a 2030-as évekre is a hidrogén lesz az energiaipar csodafegyvere.
Sőt, inkább azt mutatja meg kiválóan, hogy az energiatermelésben nincsenek csodák, mindent kiváltó „szupertechnológiák”, hanem több tucatnyi, egymással összefüggő új technológia, és a régiek okosabb alkalmazása fogja elérni a hőn áhított zéró kibocsátású energiatermelést.
Azaz sem a napenergia, sem a szél, sem az atom, sem a hidrogén önmagában nem fog jelenteni megoldást, csak együtt, apró lépésekben, okosan kivezetve a fosszilis energiahordozókat. Különben a 2021-22-eshez hasonló energiaválságok sorozatát kell majd újra elviselnünk, sokszorosított mértékben, amennyiben az energiaipart a politika megint erőltetett menetre kényszeríti.
[1] Az EU-ban jelenleg működő 300 elektrolizátor a teljes hidrogéntermelés kevesebb mint 4 %-át adja – Üzemanyagcella- és Hidrogéntechnológiai Közös Vállalkozás, 2019, Hydrogen Roadmap Europe (A hidrogénre vonatkozó európai ütemterv).
[2] Nemzetközi Energia Ügynökség (IEA) 2019. évi hidrogénjelentés (42. oldal), és az IEA EU-ra vonatkozó becslése szerint a következő árakkal számolva: 22 EUR/MWh a földgáz és 35–87 EUR/MWh a villamos energia esetében, továbbá 600 EUR/kW kapacitásköltség.
[3] Ebben a szakaszban a költségeket azonban csak becsülni lehet, mert az EU-ban jelenleg egyetlen ilyen projekt sem lépett a kivitelezés vagy az üzemeltetés fázisába.
A szerző az E.ON Hungária Zrt. vezérigazgató-helyettese.
