A hidrogén a világegyetem legkönnyebb és legnagyobb mennyiségben előforduló eleme. Energiaforrásként használható, 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.
Mivel a hidrogén elégetésekor minimális szennyezőanyag keletkezik, sokan a tisztább energia jövőjének egyik központi elemeként képzelik el.
A globális földgáz 6%-át és a globális szén 2%-át hidrogén előállítására fordítják. Ennek következtében a hidrogén előállítása évente mintegy 830 millió tonna szén-dioxid kibocsátásért felelős, ami megegyezik az Egyesült Királyság és Indonézia CO2-kibocsátásával együttvéve.
A szén-dioxidot a földgázból kiinduló hidrogéngyártásnál 70-85%-os hatékonysággal, más szénhidrogénekből pedig változó hatékonysággal lehet leválasztani. Konkrétan a hidrogént általában metán vagy földgáz gőzreformálásával állítják elő. A hidrogéngyártás túlnyomó többségben fosszilis energiahordozókon alapul, jelentős szén-dioxid kibocsátással, de az egyes eljárások közt jelentős különbségek lehetnek. Cikkünkben azt is vizsgáljuk, milyen alternatív lehetőségek állnak rendelkezésre a jövőben, hogy a hidrogéntermelés környezetterhelését, üvegházgáz-kibocsátását mérsékeljük, hogy ez az energiahordozó és alapanyag zöldebbé válhasson.
Gőzreformálás
A gőzreformálás egy hidrogén-előállítási eljárás földgázból. Ez a módszer jelenleg az ipari hidrogén legolcsóbb forrása. Az eljárás során a gázt 700-1100 °C-ra hevítik gőz és nikkelkatalizátor jelenlétében. A keletkező endoterm reakció során a metánmolekulák felbomlanak, szén-monoxid és hidrogén keletkezik. A szén-monoxid gáz ezután gőzzel vasoxidon vagy más oxidokon átvezethető, és víz-gáz-eltolódási reakciónak (WGSR) vethető alá, hogy további H2-mennyiséget nyerjen. Az eljárás hátránya, hogy melléktermékeként jelentős mennyiségű CO2, CO és más üvegházhatású gázok kerülnek a légkörbe. Az alapanyag minőségétől függően (földgáz, rövid szénláncú szénhidrogének, benzin stb.) egy tonna előállított hidrogénből 9-12 tonna CO2 is keletkezik, ami szintén üvegházhatású gáz, és amely [részben] leválasztható.
Ebben az eljárásban magas hőmérsékletű (700-1100 °C) gőz (H2O) reagál metánnal (CH4) egy endoterm reakcióban, és szintézisgáz keletkezik.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
A második szakaszban további hidrogén keletkezik az alacsonyabb hőmérsékletű, exoterm víz-gáz-átadási reakcióval, amelyet körülbelül 360 °C-on hajtanak végre:
CO + H2O → CO2 + H2
Lényegében az oxigén (O) atomot eltávolítják a további vízből (gőzből), hogy a CO-t CO2-á oxidálják. Ez az oxidáció energiát is szolgáltat a reakció fenntartásához. A folyamat működtetéséhez szükséges további hőt általában a metán egy részének elégetésével szolgáltatják [amikor ismét CO2 keletkezik].
Metán pirolízis
A metán pirolízise a földgázból történő hidrogénelőállítás folyamata. A hidrogén leválasztása egy lépésben történik egy olvadt fémkatalizátoron keresztül történő áramlással egy “buborékoszlopban” Ez egy “üvegházhatású gázok nélküli” megközelítés a potenciálisan alacsony költségű hidrogéntermeléshez, amelyet a méretnövelési képessége és a méretarányos működés szempontjából értékelnek. Az eljárást magasabb hőmérsékleten (1065 °C) végzik.
CH4(g) → C(sz) + 2 H2(g) ΔH° = 74 kJ/mol
Az ipari minőségű szilárd szén ezután gyártási alapanyagként értékesíthető vagy lerakható, nem kerül a légkörbe, és a lerakás során nem szennyezi a talajvizet.
Részleges oxidáció
A hidrogén előállítása földgázból vagy más szénhidrogénekből részleges oxidációval is lehetséges. A tüzelőanyag-levegő vagy tüzelőanyag-oxigén keverék részleges elégetése hidrogénben gazdag szintézisgázt eredményez. A hidrogént és a szén-monoxidot a víz-gáz eltolódási reakcióval nyerik. A hidrogén-szén-monoxid arány csökkentése érdekében szén-dioxidot is lehet adagolni.
A részleges oxidációs reakció akkor következik be, amikor egy szubsztöchiometrikus tüzelőanyag-levegő vagy tüzelőanyag-oxigén keveréket reformerben vagy részleges oxidációs reaktorban részben elégetnek. Megkülönböztetünk termikus részleges oxidációt (TPOX) és katalitikus részleges oxidációt (CPOX). A kémiai reakció általános formája:
CnHm + n/2 O2 → n CO + m/2 H2
A fűtőolajra és a szénre vonatkozó idealizált példák, C12H24 olajjal, illetve C24H12 összetételű szénnel számolva, a következők:
C12H24 + 6 O2 → 12 CO + 12 H2
C24H12 + 12 O2 → 24 CO + 6 H2
Plazma reformálás
A Kværner-eljárás vagy Kvaerner-féle korom és hidrogén eljárás (CB&H) az 1980-as években az azonos nevű norvég cég által kifejlesztett plazma reformálási módszer, amely folyékony szénhidrogénekből (CnHm) hidrogén és korom előállítására szolgál. A betáplált anyag rendelkezésre álló energiájának körülbelül 48%-át a hidrogén, 40%-át az aktív szén, 10%-át pedig a túlhevített gőz tartalmazza, CO2 nem keletkezik a folyamat során.
Ennek az eljárásnak egy változatát mutatták be 2009-ben, amely plazmaíves hulladékkezelési technológiát használ a hidrogén, hő és szén előállítására metánból és földgázból egy plazmakonverterben.
Szénből
A szénből történő hidrogén előállításához szénelgázosítást alkalmaznak. A szénelgázosítás folyamata gőz és oxigén segítségével bontja meg a szén molekuláris kötéseit, és hidrogén és szén-monoxid gáznemű keveréke képződik. A szénelgázosításból nyert gázból a szén-dioxid és más szennyező anyagok könnyebben eltávolíthatók, mint a szén elégetéséből. Az átalakítás másik módszere az alacsony és magas hőmérsékletű szén pirolízis.
A szén pirolíziséből (oxigénmentes hevítésből) származó kokszológáz körülbelül 60%-ban hidrogént tartalmaz, a többi CH4, CO, CO2, NH3, N2 és H2S. A hidrogén nyomáslengetéses adszorpciós eljárással elválasztható a többi szennyeződéstől. Japán acélipari vállalatok ezzel az eljárással gyártottak hidrogént.
Petrolkokszból
A kőolajkokszot szénelgázosítással hidrogénben gazdag szintézisgázzá is lehet alakítani. Az előállított szintézisgáz főként hidrogénből, szén-monoxidból és a kokszban lévő kénből származó H2S-ből áll. Az elgázosítás szinte bármilyen szénforrásból hidrogén előállítására alkalmas.
Vízből
A hidrogén fosszilis tüzelőanyagok felhasználása nélküli előállításának módszerei a vízbontás folyamatát foglalják magukban, vagyis a H2O vízmolekula oxigénre és hidrogénre történő szétválasztását. Ha a vízbontás energiaforrása megújuló vagy alacsony szén-dioxid-kibocsátású, az előállított hidrogént néha zöld hidrogénnek nevezik. Az átalakítás többféleképpen is megvalósítható, de általában mindegyik módszer drágább [egyelőre], mint a fosszilis tüzelőanyagokon alapuló előállítási módszerek.
Elektrolízis
2020-ban világszerte mintegy 8 GW elektrolízis-kapacitást telepítenek, ami a globális hidrogéntermelés mintegy 4%-át teszi ki.
Az elektrolízis során a vizet elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontják. A víz elektrolízise 70-80%-os hatásfokú (20-30%-os konverziós veszteséggel), míg a földgáz gőzzel történő reformálása 70-85% közötti termikus hatásfokkal működik. 2030 előtt az elektrolízis elektromos hatásfoka várhatóan eléri a 82-86%-ot, miközben a tartósság is megmarad, mivel a fejlődés ezen a területen is ütemesen halad.
A vizes elektrolízis 50-80 °C között működhet, míg a gőzzel történő metánreformáláshoz 700-1100 °C közötti hőmérsékletre van szükség. A két módszer közötti különbség a felhasznált primerenergia; vagy villamos energia (elektrolízis esetén) vagy földgáz (gőzzel történő metánreformálás esetén). Az elektrolízis és a hasonló vízbontó módszerek a könnyen hozzáférhető erőforrás, a víz felhasználása miatt felkeltették a tudományos közösség érdeklődését. A hidrogén előállítási költségeinek csökkentése céljából az elektrolízis lehetővé tételére megújuló energiaforrásokat céloztak meg.
Három fő cellatípus létezik, a szilárdoxid-elektrolízis cellák (SOEC), a polimerelektrolit-membrán cellák (PEM) és a lúgos elektrolízis cellák (AEC). Hagyományosan a lúgos elektrolízis cellák olcsóbbak a beruházás szempontjából (általában nikkel katalizátorokat használnak), de kevésbé hatékonyak; a PEM elektrolízis cellák ezzel szemben drágábbak (általában drága platinacsoportú fém katalizátorokat használnak), de hatékonyabbak és nagyobb áramsűrűséggel működhetnek, ezért esetleg olcsóbbak lehetnek, ha a hidrogéntermelés elég nagy.
A SOEC-ek magas hőmérsékleten, jellemzően 800 °C körül működnek. Ilyen magas hőmérsékleten a szükséges energia jelentős része hőenergiaként biztosítható, ezért magas hőmérsékletű elektrolízisnek nevezik. A hőenergiát számos különböző forrásból, például ipari hulladékhőből, atomerőművekből vagy koncentrált naphőerőművekből lehet biztosítani. A PEM-elektrolíziscellák jellemzően 100 °C alatt működnek. E cellák előnye, hogy viszonylag egyszerűek, és úgy tervezhetők, hogy széles körben változó feszültséget fogadjanak el, ami ideálissá teszi őket a megújuló energiaforrásokkal, például a napelemekkel való használatra. Az AEC-k optimálisan magas koncentrációjú elektrolit (KOH vagy kálium-karbonát) és magas, gyakran 200 °C közeli hőmérsékleten működnek.
Hidrogén az egyensúlyteremtő
Az elektrolízises hirdogéngyártás tökéletesen illeszkedik gazdaságilag is a megújulókat nagy arányban tartalmazó energiamixbe. Tehát ahogy egyre nagyobb arányban veszik át a szennyező áramforrások helyét az olcsó megújulók, úgy egyre inkább megéri elektrolízissel termelni a hidrogént, sőt, akár olcsóbbá is válhat, mint a magas szén-dioxid kibocsátású fosszilis alapú termelés. Amikor a hálózatba nagy mennyiségű áramot termelnek a napelemek és/vagy a szélerőművek, az áram ára akár negatív értéket is felvehet, olyan mértékű túlkínálat alakul ki. Ilyenkor az áramszolgáltató fizet a nagyfogyasztóknak az elfogyasztott áramért. Ilyenre egyre gyakrabban lesz példa, ezzel együtt persze még mindig nyereséges üzlet megújulókkal termelni áramot. Viszont az ilyen túltermelési csúcsokat hidrogéngyártásra használhatjuk, és a nagy mennyiségben termelt hidrogén akár betáplálható a földgázhálózatba is 20% arányig, vagy a stratégiai gáztározókban a földgázzal, a jelenlegi gázfogyasztó készülékek, berendezések ugyanis ezt probléma nélkül elviselik. Ezzel a földgáz karbonlábnyoma jelentősen csökken, például az Egyesült Királyságban évi 6 millió tonna szén-dioxid kibocsátást lehetne így megelőzni.
Ipari kibocsátás és hatékonyság
A modern hidrogénfejlesztők hatásfokát a hidrogén standard térfogatára (MJ/m3) jutó energiával mérik, a H2 standard hőmérsékletét és nyomását feltételezve. Minél kisebb a generátor által felhasznált energia, annál nagyobb a hatásfoka; egy 100%-os hatásfokú elektrolízisüzemű generátor 39,4 kilowattórát fogyasztana kilogramm hidrogénre (142 MJ/kg), 12 749 joule-t literenként (12,75 MJ/m3). A gyakorlati elektrolízis jellemzően forgó elektrolízist alkalmaz, ahol a centrifugális erő segít elválasztani a gázbuborékokat a víztől. Egy ilyen elektrolízis 15 bar nyomáson 50 kilowattórát fogyaszthat kilogrammonként (180 MJ/kg), és további 15 kilowattórát (54 MJ), ha a hidrogént sűrítik a hidrogénautókban való felhasználáshoz.
A hagyományos lúgos elektrolízis hatásfoka körülbelül 70%, azonban korszerű, akár 82%-os hatásfokú lúgos vizes elektrolízisek is rendelkezésre állnak. A magasabb hőérték felhasználását is figyelembe véve (mivel a melegedés okozta energiaveszteség a katalizátor által igényelt gőz előállításához visszavezethető a rendszerbe), a PEM-elektrolízis átlagos működési hatásfoka 80% körül van, illetve a legmodernebb lúgos elektrolízisek használatával 82% körül.
Az elektrolízissel előállított hidrogén ára 2020-tól 3-8 USD/kg körül van. A hidrogén ipari előállítását figyelembe véve és a vízelektrolízis jelenlegi legjobb eljárásait (PEM vagy lúgos elektrolízis) alkalmazva, amelyek 70-82%-os tényleges elektromos hatásfokkal rendelkeznek, 1 kg hidrogén előállításához (amelynek fajlagos energiája 143 MJ/kg vagy körülbelül 40 kWh/kg) 50-55 kWh villamos energiára van szükség. Az [USA] Energiaügyi Minisztérium 2015-re vonatkozó hidrogéntermelési célkitűzéseiben meghatározott 0,06 $/kWh villamosenergia-költség mellett a hidrogén költsége 3 $/kg. Az amerikai Energiaügyi Minisztérium által 2020-ra kitűzött hidrogénár 2,30 USD/kg, ami 0,037 USD/kWh villamosenergia-költséget igényel, ami a szél- és napenergia közelmúltbeli PPA-tendereit figyelembe véve számos régióban elérhető. Az IRENA.ORG egy átfogó tényszerű jelentése szerint a jelenlegi, kilogrammonként körülbelül 53-70 kWh/kilogramm H2-t fogyasztó ipari hidrogéntermelés körülbelül 45 kWh/kg-ra csökkenhetne. Az elektrolízissel előállított hidrogén termodinamikai energiaszükséglete 33 kWh/kg, ami magasabb, mint a szén-dioxid-leválasztással történő gőzreformálás, és magasabb, mint a metán pirolízisé. Az elektrolízis egyik előnye a gőzzel történő metánreformálásból (SMR) származó hidrogénnel szemben az, hogy a hidrogén a helyszínen előállítható, ami azt jelenti, hogy elkerülhető a költséges teherautón vagy csővezetéken történő szállítás.
A gőz-metán reformálás átlagosan 1-3 $/kg között van. Ez a hidrogén elektrolízissel történő előállítását számos régióban már most is versenyképessé teszi, amint azt a Nel Hydrogen és mások is felvázolták, beleértve az IEA cikkét, amely megvizsgálja azokat a feltételeket, amelyek az elektrolízis versenyelőnyéhez vezethetnek.
A PEM hatásfoka 2030 előtt várhatóan körülbelül 86%-ra emelkedik. A PEM-elektrolízis elméleti hatásfokát 94%-ra jósolják.
Kémiailag segített elektrolízis
Az elektrolízishez szükséges feszültségnek az elektrolíziscella hőmérsékletének növelésén keresztül történő csökkentése mellett lehetőség van az elektrolízisben előállított oxigén elektrokémiai úton történő felhasználására is úgy, hogy a reaktor oxigénoldalára üzemanyagot (például korom/szén, metanol, etanol, hangyasav, glicerin stb.) juttatnak. Ez csökkenti a szükséges elektromos energiát, és potenciálisan 40~60% alá csökkentheti a hidrogén költségét az így biztosított maradék energiával. Ezenkívül a szén/szénhidrogén-asszisztált vízelektrolízis (CAWE) potenciálisan kevésbé energiaigényes, tisztább módszert kínál a kémiai energia felhasználására különböző szénforrásokban, mint például a gyenge minőségű és magas kéntartalmú szén, biomassza, alkoholok és metán (földgáz), ahol a keletkező tiszta CO2 könnyen elkülöníthető, drága leválasztási folyamat nélkül.
Radiolízis
Az atomsugárzás a radiolizálás révén képes a víz kötéseit megbontani. A dél-afrikai Mponeng aranybányában a kutatók baktériumokat találtak egy természetesen előforduló magas sugárzási zónában. A baktériumközösség, amelyet a Desulfotomaculum egy új filotípusa uralt, elsősorban radioaktívan keletkező hidrogénnel táplálkozott.
Termolízis
A víz 2500 °C körül spontán szétesik atomjaira, de ez a termolízis a szokásos technológiai csővezetékek és berendezések számára túl magas hőmérsékleten történik, ami meglehetősen alacsony kereskedelmi hasznosítási potenciált eredményez.
Termokémiai ciklus
A termokémiai ciklusok kizárólag hőforrásokat kombinálnak kémiai reakciókkal, hogy a vizet hidrogén- és oxigénkomponensekre bontsák. A ciklus kifejezést azért használják, mert a víz, a hidrogén és az oxigén mellett az ezekben a folyamatokban használt kémiai vegyületek folyamatosan újrahasznosulnak. Ha részben villamos energiát használnak bemenetként, akkor az így létrejövő termokémiai ciklust hibrid ciklusnak nevezzük.
A kén-jód ciklus (S-I ciklus) egy olyan termokémiai ciklusos folyamat, amely vízből hidrogént állít elő körülbelül 50%-os hatásfokkal. A folyamat során felhasznált ként és jódot visszanyerik és újrafelhasználják, a folyamat nem fogyasztja el. A ciklus bármilyen, nagyon magas, körülbelül 950 °C-os hőmérsékletű forrással elvégezhető, mint például a koncentrált napenergia-rendszerek (CSP), és úgy tartják, hogy jól alkalmazható a hidrogén magas hőmérsékletű nukleáris reaktorok általi előállítására, és mint ilyen, a Japánban található magas hőmérsékletű mérnöki tesztreaktorban tanulmányozzák. Vannak más hibrid ciklusok is, amelyek mind magas hőmérsékletet, mind némi villamos energiát használnak, ilyen például a réz-klór ciklus, ez hibrid termokémiai ciklusnak minősül, mivel az egyik reakciólépésben elektrokémiai reakciót alkalmaz, 530 °C-on működik, és 43 százalékos a hatásfoka.
Ferroszilícium módszer
A ferroszilíciumot a hadsereg használja a léggömbökhöz szükséges hidrogén gyors előállítására. A kémiai reakcióhoz nátrium-hidroxidot, vasszilíciumot és vizet használnak. A generátor elég kicsi ahhoz, hogy elférjen egy teherautón, és csak kis mennyiségű elektromos energiát igényel, az anyagok stabilak és nem éghetőek, és nem termelnek hidrogént, amíg össze nem keverik őket. A módszert az első világháború óta használják. Egy nehéz acél nyomástartó edényt megtöltenek nátrium-hidroxiddal és ferroszilíciummal, lezárják, és ellenőrzött mennyiségű vizet adnak hozzá; a hidroxid oldódása körülbelül 93 °C-ra melegíti a keveréket, és elindítja a reakciót; nátrium-szilikát, hidrogén és gőz keletkezik.
Fotobiológiai vízbontás
Biológiai hidrogént lehet előállítani egy alga bioreaktorban. Az 1990-es évek végén felfedezték, hogy ha az algától megvonják a ként, akkor az oxigéntermelésről, azaz a normál fotoszintézisről átáll a hidrogéntermelésre. Úgy tűnik, hogy a termelés ma már gazdaságilag is megvalósítható, mivel meghaladja a 7-10 százalékos energiahatékonysági (a napfény hidrogénné alakítása) határt, és a hidrogéntermelés óránként 10-12 ml/liter kultúrát tesz ki.
Fotokatalitikus vízbontás
A napenergia hidrogénné alakítása vízbontás útján az egyik legérdekesebb módja a tiszta és megújuló energiarendszerek megvalósításának. Ha azonban ezt a folyamatot fotokatalizátorokkal segítjük, amelyeket közvetlenül a vízben eloszlathatók, ahelyett, hogy fotovoltaikus és elektrolitikus rendszert használnánk, a reakció csak egy lépésben zajlik, hatékonyabbá tehető.
Biohidrogén eljárások
A biomassza és a hulladékáramok elvileg biohidrogénné alakíthatók biomassza elgázosításával, gőzreformálással vagy biológiai átalakítással, például biokatalizált elektrolízissel vagy fermentatív hidrogéntermeléssel.
Az olyan hidrogénelőállítási módszerek közül, mint a gőzzel történő metánreformálás, a termikus krakkolás, a szén és biomassza elgázosítása és pirolízise, az elektrolízis és a fotolízis, a biológiai módszerek környezetbarátabbak és kevésbé energiaigényesek. Ezenkívül a hulladékok és alacsony értékű anyagok, például a mezőgazdasági biomassza, mint megújuló források széles köre felhasználható a hidrogén biokémiai úton történő előállítására. Mindazonáltal jelenleg a hidrogént főként fosszilis tüzelőanyagokból, különösen földgázból állítják elő, amelyek nem megújuló források. A hidrogén nemcsak a legtisztább üzemanyag, hanem széles körben használják is számos iparágban, különösen a műtrágya-, petrolkémiai és élelmiszeriparban. Ez logikussá teszi a hidrogéntermelés alternatív forrásainak vizsgálatát. A hidrogén előállításának fő biokémiai technológiái a sötét és a fotofermentációs eljárások. A sötét fermentáció során a szénhidrátokat fermentatív mikroorganizmusok, köztük szigorúan anaerob és fakultatív anaerob baktériumok alakítják át hidrogénné. Elméletileg legfeljebb 4 mol H2/mol glükóz állítható elő, és a hidrogén mellett a cukrok melléktermékként illékony zsírsavakká (VFA-k) és alkoholokká alakulnak át a folyamat során. A fotofermentatív baktériumok képesek a VFA-kból hidrogént előállítani. Ezért a sötét fermentáció során képződő metabolitok felhasználhatók alapanyagként a fotofermentációban a hidrogén összhozamának növelése érdekében.
Lenkei Péter
Források: Wikipédia, Forbes, IEA
https://www.forbes.com/sites/rrapier/2020/06/06/estimating-the-carbon-footprint-of-hydrogen-production/
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_production
https://www.iea.org/fuels-and-technologies/hydrogen
https://www.energynetworks.org/newsroom/hydrogen-blending-what-is-it-and-why-does-it-matter
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.
