A hidrogén a világegyetem legkönnyebb és legnagyobb mennyiségben előforduló eleme. Felhasználható energiaforrásként, és számos petrolkémiai folyamat fontos alapanyaga.
A hidrogén elégetésekor víz keletkezik. Ezért a hidrogén alacsony szén-dioxid-kibocsátású üzemanyagforrásként használható. A hidrogén közvetlenül elégethető, vagy tüzelőanyag-cellában villamos energia előállítására is felhasználható.
Egy nap talán érdemes lesz hidrogénnel megtölteni az autókat. DPA/PICTURE ALLIANCE VIA GETTY IMAGES
Mivel a hidrogén elégetésekor minimális szennyezőanyag keletkezik, sokan a tisztább energia jövőjének egyik központi elemeként képzelik el. George W. Bush elnök 2003-as, az Unió helyzetéről szóló beszédében a “hidrogéngazdaság” lehetőségét emlegette. Dollármilliárdokat fektettek be e vízió megvalósítására tett kísérletbe.
Hidrogéntermelés
A hidrogént azonban előbb elő kell állítani. A világ hidrogéntermelésének több mint 95%-át gőz-metán reformálással állítják elő. Ebben a reakcióban a földgázt magas hőmérsékleten gőzzel reagáltatják, hogy szén-monoxidot és hidrogént állítsanak elő. Egy ezt követő reakció – a vízgáz eltolódási reakció – további gőzt reagáltat a szén-monoxiddal, hogy további hidrogént és szén-dioxidot állítson elő.
A reformálási reakció metánnal, így néz ki:
CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2
A víz-gázeltolódási (WGS) reakció pedig a következő:
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
A hidrogént víz elektrolízisével is elő lehet állítani, de ez általában költségesebb megközelítés, mint az SMR-útvonal. Ha villamos energiát használunk hidrogén előállítására, a termodinamika azt diktálja, hogy mindig kevesebb energiát fogunk termelni, mint amennyit elfogyasztunk.
Más szóval, a villamos energiával bevitt energia nagyobb lesz, mint a hidrogén energiatermelése. Mindazonáltal, ha olcsó áramforrás áll rendelkezésre – például a nap bizonyos időszakaiban a hálózati áramfelesleg -, gazdaságos lehet a hidrogén ilyen módon történő előállítása. Ez egy későbbi cikk témája lesz.
Mindenesetre, még ha a hidrogén elégetésekor alapvetően nem is szennyező (némi nitrogén-oxid, azaz NOx keletkezhet), a hidrogénnek mégis van szén-dioxid-kibocsátása. Vizsgáljuk meg tehát a hidrogén karbonlábnyomát, amikor azt a szokásos SMR-eljárással állítják elő.
A gőzzel történő metánreformálás (SMR) folyamata
Egy modern SMR-erőmű négy rendszerből áll: Kéntelenítés, reformálás, magas hőmérsékletű váltás (HTS) és a nyomásváltásos abszorpció (PSA). Ezek a rendszerek a kéneltávolítást, a reformálási reakciót, a WGS-reakciót és a hidrogéntisztítást tükrözik.
A kéntelenítési lépés során a földgázt katalizátoron vezetik át. Ezek a rendszerek általában passzívak, és bár kisebb szén-dioxid-kibocsátás kapcsolódik hozzájuk, ez a rendszer többi részéhez képest jelentéktelen.
Az SMR-be belépő földgázt a kéntelenítés előtt felosztják, és egy kis mennyiségű áramlást összekeverik a PSA hulladékgázzal, majd elégetik, hogy a reakcióhoz szükséges magas hőmérsékletet biztosítsák.
A földgáz nagy részét kéntelenítik, gőzzel keverik, majd a reformerben reagálnak vele. A reformálási reakció jellemzően nikkelalapú katalizátoron zajlik, magas nyomáson és hőmérsékleten.
Az SMR-ből kilépő forró gázt lehűtik, ami egyidejűleg gőzt termel a folyamat során. Ezután a gőz hozzáadódik a lehűtött gázhoz az eltolódási reaktorban, hogy a szén-monoxidot szén-dioxiddá és további hidrogénné alakítsa.
Végül a hidrogént a PSA-egységben tisztítják. Ez egy nyomás alá helyezési lépést foglal magában, amelynek hatására a szennyeződések egy adszorbenshez kötődnek, miközben a hidrogén áthalad rajta. Amikor az adszorbens telítődik, a nyomást csökkentik, hogy eltávolítsák a szennyeződéseket, amelyek aztán üzemanyaggázként újrahasznosíthatók.
A gőzzel történő metánreformálás karbonlábnyoma
Az SMR segítségével történő hidrogéntermelés karbonlábnyoma két részre bontható.
Először is, amint azt az SMR és WGS reakciók jelzik, a bejövő metánban lévő szén 100%-a végül CO2-vé alakul. Egy molekula CO2 előállítása során négy molekula hidrogén (H2) keletkezik, a gőz pedig további hidrogénnel járul hozzá.
Így a metánból előállított 1 millió standard köbláb (SCF) hidrogénből 250 000 SCF CO2 keletkezik. Egy metrikus tonna szén-dioxid 19 253 SCF szén-dioxidot tartalmaz, így 1 millió SCF hidrogénből 13 metrikus tonna szén-dioxid keletkezik. Ez lesz az SMR-folyamathoz kapcsolódó karbonlábnyom messze a legnagyobb része.
A második rész az egyes technológiai egységekhez kapcsolódó karbonlábnyom. Gőzt kell termelni, a reaktort fűteni kell stb. De gőz is keletkezik, amikor az SMR kilépő gázát hűtik, így ez segít ellensúlyozni a karbonterhelést.
A Praxair, a világ egyik legnagyobb hidrogéngyártója, lebontotta az egyes technológiai lépésekhez kapcsolódó karbonlábnyomot. Az adataikat átváltottam az e folyamategységek által kibocsátott szén-dioxid metrikus tonnájára az előállított hidrogén egymillió SCF-je után.
- Tüzelés a reformálási energia előállításához – 3,7 metrikus tonna
- Gőzzel történő égetés – 2,5 metrikus tonna
- Energia szétválasztáshoz és sűrítéshez – 0,1 tonna
Ha ezt hozzáadjuk a földgázreakciók során keletkező szén-dioxidhoz, akkor a végeredmény 19,3 tonna szén-dioxid keletkezik egymillió SCF hidrogénre vetítve. A Praxair tanulmánya azonban megjegyezte, hogy ez az elméleti minimum. A hőveszteségek és a hatástalanságok miatt a tényleges szám a gyakorlatban egy nagy hidrogénüzemben 21,9 tonna.
A karbonlábnyomot gyakran energiában kifejezve adják meg. Az erőművek például általában kilowattórában (kWh) kifejezve jelentik a szén-dioxid-kibocsátást. Egy millió SCF hidrogén 79 100 kilowattóra energiát tartalmaz.
Ez 0,28 kg szén-dioxid-kibocsátást jelent egy kilowattóra hidrogén előállításához kapcsolódóan.
Természetesen ez csak a hidrogéngyártás szén-dioxid-lábnyoma. Ahhoz, hogy a hidrogént energiaként használhassuk fel, még mindig sűríteni, szállítani kell, és vagy el kell égetni, vagy egy üzemanyagcellában elektromos árammá kell alakítani. Magukat az üzemanyagcellákat is meg kell építeni, és ezekhez az építési folyamatokhoz szén-dioxid-kibocsátás is kapcsolódik.
Az Energy Information Administration a szénből és földgázból történő villamosenergia-termelés szén-dioxid-kibocsátását 1,0 kg/kWh-ban, illetve 0,42 kg/kWh-ban adja meg. Ez azonban a tényleges energiaátalakításra vonatkozik, és nem csak a tüzelőanyag energiatartalmára.
Egymáshoz viszonyítva ez számos tényezőtől függ, de valószínű, hogy a hidrogén villamos energiává történő átalakítása nagyobb karbonlábnyomot eredményez, mint a földgáztüzelésű energia előállítása, de kisebbet, mint a széntüzelésű energia előállítása. Elméletileg azonban lehetséges az SMR-folyamat során keletkező szén-dioxid-kibocsátás elkülönítése.
Az is lehetséges, hogy a hidrogént alacsonyabb szén-dioxid-kibocsátású utakon állítsuk elő, amelyek történelmileg kevésbé gazdaságosak voltak. Ez egy későbbi cikk témája lesz.
Forrás: Forbes
Euro Árfolyamok
A globális felmelegedés nem csupán az első számú környezetvédelmi kihívás, amivel ma szemben állunk, de egyike a legfontosabb témáknak, ami az egész emberiséget érintik…Mindenkinek ki kell vennie a részét abból, hogy felhívjuk a figyelmet a globális felmelegedésre és a problémákra, amelyekkel emberként szembe kell néznünk, hogy bolygónk jövője számára fenntartható környezetet érjünk el.
