Hidrogén Alkalmazások | Hidrogén

A hidrogén sokoldalúan felhasználható. Ez a sokrétű felhasználás két nagy kategóriába sorolható;

1. A hidrogén mint alapanyag. Egy olyan szerep, amelynek fontosságát évtizedek óta felismerték, és amely tovább fog növekedni és fejlődni.
2. A hidrogén mint az energetikai átmenetet lehetővé tevő energiahordozó. A hidrogén felhasználása ebben az összefüggésben már megkezdődött és fokozatosan növekszik. Az elkövetkező időszakban ez a terület drámaian meg fog nőni. A hidrogén sokoldalúsága és sokrétű felhasználása miatt a hidrogén hozzájárulhat a meglévő gazdaságok dekarbonizációjához. A hidrogénnek a dekarbonizációs folyamatban betöltött szerepe az alábbi ábrán látható módon foglalható össze:

Hosszú ideje bevált felhasználási módok – Hidrogén mint alapanyag (anyagalapú felhasználás)

Most a hidrogént számos ipari folyamatban használják. Többek között fontos kiemelni a vegyiparban nyersanyagként való felhasználását, valamint a kohászati iparban redukálószerként való felhasználását. A hidrogén alapvető építőköve az ammónia és így a műtrágyák, valamint a számos polimer előállításához használt metanol előállításának. További felhasználási területet jelentenek a finomítók, ahol a hidrogént a köztes olajtermékek feldolgozásához használják. Így a világszerte előállított hidrogén mintegy 55 %-át ammóniaszintézisre, 25 %-át finomítókban és mintegy 10 %-át metanolgyártásra használják fel. Az egyéb alkalmazások világszerte a globális hidrogéntermelésnek csak mintegy 10 %-át teszik ki.

Ammónia – műtrágyák

A legfontosabb hidrogén-nitrogén vegyület az ammónia (NH3), más néven azán. Technikailag az ammóniát nagy mennyiségben a Haber-Bosch-eljárással nyerik. Ez az eljárás a hidrogént és a nitrogént közvetlenül szintézissel kapcsolja össze. Ehhez először a kiindulási anyagokat, a nitrogént és a hidrogént kell előállítani. A nitrogén esetében ezt levegő alacsony hőmérsékletű leválasztásával érik el, míg a hidrogén ma már földgáz gőzreformálásából származik.

Az ammónia közel 90%-a a műtrágyagyártásba kerül. Ebből a célból az ammónia nagy részét szilárd műtrágyasókká vagy katalitikus oxidáció után salétromsavvá (HNO3) és sóivá (nitrátokká) alakítják. Nagy párolgási energiájának köszönhetően az ammóniát hűtőberendezésekben környezetbarát és olcsón előállítható hűtőközegként is használják; műszaki neve R-717.

Ipari területek

A hidrogént különböző ipari alkalmazásokban használják; ezek közé tartozik a fémfeldolgozás (elsősorban a fémek ötvözése), a síküveggyártás (a hidrogént inertizáló vagy védőgázként használják), az elektronikai ipar (védő- és vivőgázként használják, leválasztási folyamatokban, tisztításhoz, maratáshoz, redukciós eljárásokban stb.), valamint alkalmazások a villamosenergia-termelésben, például a generátorok hűtésére vagy az erőművi csővezetékek korrózióvédelmére.

A vasérc közvetlen redukciója – azaz az oxigén elválasztása a vasércből hidrogén és szintézisgáz segítségével – fontos ipari folyamattá fejlődhet az acélgyártásban, mivel a hagyományos nagyolvasztásos módszerrel nagy mennyiségű szén szabadul fel. Míg a földgázzal történő közvetlen redukció ma már jól bevált az acélgyártásban (World Steel Association 2015), a hidrogénen alapuló megfelelő gyártási módszerek egyelőre csak kísérleti léptékben léteznek.

Tüzelőanyag-előállítás

A hidrogént a nyersolaj finomított üzemanyagokká, például benzinné és gázolajjá történő feldolgozására, valamint a szennyező anyagok, például a kén eltávolítására használják ezekből az üzemanyagokból.

A hidrogén felhasználása a finomítókban az elmúlt években különböző okok miatt nőtt:
(i) a szigorú előírások, amelyek alacsony kéntartalmat írnak elő a dízelben,
(ii) az alacsony minőségű “nehéz” nyersolaj megnövekedett fogyasztása, amelynek finomításához több hidrogénre van szükség, és
(iii) a fejlődő gazdaságok, például Kína és India megnövekedett olajfogyasztása.

Az olajfinomítók által jelenleg világszerte felhasznált hidrogén mintegy 75%-át olyan nagy hidrogénüzemek szolgáltatják, amelyek földgázból vagy más szénhidrogén-üzemanyagokból állítják elő a hidrogént

A hidrogén a metanol (CH 3 OH) előállításának is fontos alapanyaga. A metanol előállítása (metanolszintézis) a szén-monoxid katalitikus hidrogénezésével történik.
A metanol közvetlenül üzemanyagként használható belsőégésű motorokban. Használható továbbá közvetlen metanolos üzemanyagcellákban vagy reformálás után PEM üzemanyagcellákban. A metanolból üzemanyag-adalékanyagokat állítanak elő, és növényi olajok átészterezésére használják metil-észterek (biodízel) előállítására.

Kezdő felhasználások – energetikai alapú felhasználások

Az energetika területén a hidrogén legnagyobb részét üzemanyagcellákon (FC) keresztül használják. Az üzemanyagcella olyan elektrokémiai eszköz, amely hidrogént és oxigént egyesítve villamos energiát termel, melléktermékként pedig vizet és hőt. Legegyszerűbb formájában egy üzemanyagcella két elektródából – egy anódból és egy katódból – áll, amelyek között elektrolit van. Az anódon a hidrogén reakcióba lép egy katalizátorral, és egy pozitív töltésű iont és egy negatív töltésű elektront hoz létre. A proton ezután áthalad az elektroliton, míg az elektron egy áramkörön keresztül áramot hoz létre. A katódnál az oxigén reagál az ionnal és az elektronnal, víz és hasznos hő keletkezik.

Hidrogén a közlekedésben

A hidrogén üzemanyagot jó jelöltnek tartják arra, hogy hozzájáruljon a közúti közlekedés szén-dioxid-mentesítéséhez, ha megújuló energiaforrásokból állítják elő elektrolízis útján. Ebben az esetben az üzemanyagcellás elektromos járművek fő előnye a nulla CO 2 – és szennyezőanyag-kibocsátás (a kipufogócsőnél a kibocsátás csak víz), valamint az üzemanyagcellák nagyobb hatékonysága a belsőégésű motorokhoz képest. Személygépkocsik és városi buszok, egyéb járművek mellett, mint anyagmozgató berendezések stb, jó példái az új technológiának, amely az elkövetkező években készen áll a tömeges forgalmazásra.

A hidrogén mint a mobilitás üzemanyagának alkalmazási lehetőségei megkülönböztethetők egyrészt a hidrogén kémiai formája vagy kötése szerint, másrészt az energiaátalakító szerint, amellyel a hidrogénben tárolt energiát elérhetővé teszik.

• A közvetlen felhasználás során a (tiszta) molekuláris hidrogént (H2) a közlekedési eszközök közvetlenül, azaz további átalakítás nélkül használják fel energiaforrásként. Ebben az esetben a hidrogén felhasználható mind belsőégésű motorokban, mind üzemanyagcellákban (üzemanyagcellás rendszerekben).
• A közvetett felhasználás során a hidrogént végső energiaforrások előállítására használják fel, vagy további átalakítási lépésekkel gáznemű vagy folyékony hidrogéntartalmú üzemanyaggá alakítják át. Az ilyen PtG (Power-to-Gas) és PtL (Power-to-Liquids) üzemanyagokat aztán viszont hőmotorokban lehet felhasználni. Az üzemanyagcellákban való felhasználás (bizonyos esetekben) reformer segítségével szintén lehetséges lenne, de gazdaságilag nem életképes.

Légiközlekedés

A polgári repülésben a hidrogénnel működő üzemanyagcellákat a repülőgépek potenciális energiaellátójának tekintik, ahogyan az űrhajózásban már jó ideje. Így az üzemanyagcellás modulok vészhelyzeti generátorkészletként vagy segédhajtóműként villamos energiával láthatják el a repülőgép elektromos rendszerét. A fejlettebb koncepciók közé tartozik a főhajtómű és az orrkerék meghajtásának beindítása a kereskedelmi repülőgépek repülőtéri mozgatásához.

Merülésügyi alkalmazások

A repüléshez hasonlóan az üzemanyagcellákat jelenleg is tesztelik a fedélzeti energiaellátás energiaszolgáltatójaként. Ezzel szemben a hidrogénüzemű üzemanyagcellák hajómeghajtásra történő felhasználása még korai tervezési vagy kísérleti fázisban van – kisebb személyhajókon, kompokon vagy kedvtelési célú hajókon alkalmazva. Az alacsony és magas hőmérsékletű üzemanyagcellát (PEMFC) és a szilárdoxid-üzemanyagcellát (SOFC) tekintik a legígéretesebb üzemanyagcella-típusoknak a hajózási alkalmazásokban (EMSA 2017). Nagyméretű kereskedelmi hajókra azonban még nem méretezték és alkalmazták az üzemanyagcellákat.

Vonatok

A villamos mozdonyokban a hajtóerőellátás helyhez kötött áramvezetőkön (felsővezetékek, vezetősínek) és a járműveken lévő áramszedőkön keresztül történik. Műszaki, gazdasági vagy egyéb okokból azonban nem minden vasútvonal villamosítható. Különösen a kis szállítási volumenű vonalakon nem mindig indokolható a vonalak villamosításához szükséges magas kezdeti beruházás. Ráadásul a felsővezetékek nem használhatók tolatásra, ha a szállítási áruk mozgatására darukat is használnak. A felszín alatti bányászatban ezzel szemben a vontatójárműveknek légszennyező anyagok nélkül kell működniük.

A hidrogént energiatárolóként és energiaforrásként használó vasúti járművek további alternatívát kínálhatnak. Az üzemanyagcellás vasúti járművek ötvözik a szennyezőanyag-mentes működés előnyét az alacsony, a dízelüzemhez hasonló infrastrukturális költségekkel.

Az anyagmozgató járművek

Az üzemanyagcellás ipari teherautók, például a targoncák vagy a vontatójárművek (repülőterek) különösen alkalmasak beltéri üzemeltetésre, mivel nem termelnek helyi szennyezőanyag-kibocsátást és csak alacsony zajkibocsátást. Az üzemanyagcellás járművek előnyökkel rendelkeznek az akkumulátoros üzemű ipari teherautókkal szemben a tankolás tekintetében. Az akkumulátor cseréje helyett a targoncák két-három perc alatt feltölthetők.

Kisebb helyet foglalnak, és olcsóbb a karbantartásuk és a javításuk. Az üzemanyagcellás ipari targoncák lehetővé teszik a megszakítás nélküli használatot, ezért különösen alkalmasak a több műszakos flottaüzemre az anyagmozgatásban (FCTO 2014b). A több műszakos üzemben működő nagyobb ipari targoncaflották esetében az akkumulátoros technológiához képest (mérsékelt) költségcsökkentés érhető el, és az anyagmozgatásban a termelékenység is növelhető.

Buszok

A közúti közlekedésben a tömegközlekedési hálózaton belül a hidrogén- és üzemanyagcellás buszok jelentik a legelmélyebben tesztelt alkalmazási területet. Az 1990-es évek eleje óta világszerte több száz autóbuszt üzemeltettek és üzemeltetnek hidrogénnel – túlnyomórészt Észak-Amerikában, Európában és egyre inkább Ázsiában is.

Noha kezdetben még belsőégésű motorral hajtott buszokban használták a hidrogént, a buszfejlesztők ma már szinte teljes mértékben az üzemanyagcellás elektromos buszokra (FCEB) koncentrálnak. A kis FCEB-flották használatát a városi területeken a technológiai fejlődéshez és a tiszta levegő politikájához való hozzájárulásként támogatják.
A tüzelőanyagcellás buszok mára magas műszaki érettségi szintet értek el, bár még nem kerültek sorozatgyártásba. A kis darabszám miatt eddig még mindig sokkal drágábbak voltak, körülbelül 1 millió euróval, mint a hagyományos dízelbuszok, amelyek ára 250 000 euró körül mozog. A karbantartási költségek is jelentősen csökkentek, és a megbízható üzemidő is nőtt (Hua et al. 2013).

Az éves gyártási számok függvényében az FCEB-k gyártási költségeinek azonban tovább kell csökkennie a jövőbeli projektek során. A 12 méteres buszok gyártási költségei az előrejelzések szerint 2020-ra mintegy 450 000 euróra (100 busz beszerzése), 2030-ra pedig kb. 350 000 euróra csökkennek, amivel a dízel-hibrid buszok közelébe kerülnek.

A modern üzemanyagcellás buszok két, egyenként kb. 100 kW teljesítményű üzemanyagcellakészletből nyerik az energiát. Viszonylag kis méretű vontatási akkumulátorral is rendelkeznek, és képesek a fékenergia visszanyerésére. Ezenkívül körülbelül 30-50 kg sűrített hidrogént szállítanak a fedélzeten, amelyet 350 bar nyomású nyomástartályokban tárolnak. Másrészt egyes akkumulátoros elektromos buszmodellek nagy vontatóakkumulátorral és csak kis üzemanyagcella-köteggel rendelkeznek, amelyeket hatótávnövelőként használnak.

A tüzelőanyagcellás buszok hatótávolsága ma már 300-450 km, és így a mindennapi üzemben szinte ugyanolyan rugalmasságot nyújtanak, mint a dízel buszok. Míg egyes régebbi városi buszok még mindig jóval több mint 20 kg hidrogént fogyasztanak 100 km-enként (40 liter gázolaj helyett), az újabb üzemanyagcellás buszok már csak 8-9 kg-ot használnak 100 km-enként, így az FCEB-k energiahatékonysági előnye mintegy 40 % a dízelbuszokhoz képest. A piac fejlesztése érdekében nagy flották hosszú távú használatára irányuló demonstrációs projekteket terveznek. Az FCEB-flotta Európában 2020-ra várhatóan 90-ről 300-400 járműre bővül.

Az üzemanyagcellás buszokról bővebben itt olvashat.

A személyautók

A hidrogénüzemű üzemanyagcellás személyautók az akkumulátoros elektromos járművek mellett az egyetlen nulla kibocsátású alternatív hajtási lehetőség a motorizált személyszállításban. Az első üzemanyagcellás személygépkocsikat még az 1960-as években tesztelték demonstrációs projektként. Az üzemanyagcella-fejlesztés új lendületet az 1990-es években kapott. A legtöbb esetben az üzemanyagcellás tesztjárművek olyan átalakított autók voltak, amelyeket eredetileg belsőégésű motorral szereltek fel. Akkoriban azonban a korai tesztmodellek sem műszakilag, sem gazdaságilag nem voltak versenyképesek. Ráadásul körülbelül 10 évvel ezelőttig még mindig benzinmotoros prototípusokat teszteltek hidrogénnel, mint alternatív energiaforrással és alacsony károsanyag-kibocsátású üzemanyaggal. Ezek a járművek módosított kétértékű motorokkal rendelkeztek, amelyek benzinnel és hidrogénnel is működtek. Az üzemanyagnak köszönhetően a hidrogénnel működő belsőégésű motorok nemcsak valamivel magasabb hatásfokot érnek el, mint benzinüzemben, hanem sokkal kevesebb szennyezőanyagot is bocsátanak ki.

A hidrogén ugyan tiszta üzemanyag, kiváló fizikai-kémiai tulajdonságokkal, mégsem tudta magát elfogadtatni a motorizált közúti közlekedés üzemanyagaként. A személygépkocsik esetében ma már szinte teljes mértékben a hidrogénüzemű üzemanyagcellákra, mint hajtóerőforrásra összpontosítanak.

Már rengeteg gyakorlati tapasztalat áll rendelkezésre az üzemanyagcellás személygépkocsik prototípusaival kapcsolatban. Számos nagy autógyártó kezd olyan korai sorozatgyártású járműveket kínálni, amelyek funkcionalitásukat tekintve ma már ugyanolyan jók, mint a hagyományos belső égésű motorral hajtott autók. Az elkövetkező években gyártott üzemanyagcellás autók száma az előrejelzések szerint néhány száz és több ezer darab között lesz. Ma már gyakorlatilag minden üzemanyagcellás személygépkocsi PEM üzemanyagcellákkal van felszerelve, mind soros, mind párhuzamos konfigurációban. Az üzemanyagcellával felszerelt közepes méretű járművek ára még mindig jóval a belső égésű motorral felszerelt személygépkocsik ára felett van – 60 000 EUR/USD körül. Az FCEV sorozatgyártás beindulásával a járművek költségei és árai várhatóan jelentősen csökkennek.

A legújabb üzemanyagcellás modellekben az üzemanyagcella stackek teljesítménye 100 kW vagy annál nagyobb. Az akkumulátoros elektromos autókhoz képest nagyobb hatótávolsággal rendelkeznek – ma körülbelül 400-500 kilométer -, kisebb járműtömeggel és sokkal rövidebb, három-öt perces tankolási idővel. Általában 4-7 kg hidrogént szállítanak a fedélzetükön, amelyet 700 bar nyomású tartályokban tárolnak.

Bővebben a töltőállomásokról

Állandó energetikai alkalmazások

Az állandósult üzemanyagcellák decentralizált energiaellátásra használhatók a hálózaton kívüli területeken. A tartalék energiaalkalmazások (BUP) piaca egyre fontosabbá válik. A tartalék alkalmazások közé tartozik egyrészt a vészhelyzeti áramellátás, másrészt a szünetmentes áramellátás (UPS).

A vészhelyzeti áramfejlesztőket hosszabb áramkimaradások esetén a működés fenntartására használják. Ilyenkor a hálózati áramellátásról történő átkapcsolás általában (rövid időre) megszakad.
A szünetmentes tápegységeket ezzel szemben a rendkívül érzékeny műszaki rendszerek védelmére használják a hálózati áramellátás ingadozásai és rövid távú kiesések ellen, a folyamatos működés biztosítása érdekében. A felhasználási területek közé tartoznak különösen a távközlési és informatikai rendszerek, például a rádiótornyok vagy az adatfeldolgozó központok.

A hagyományos hőerőművekhez képest az üzemanyagcellák sokkal nagyobb, akár 60 %-os elektromos hatásfokkal rendelkeznek, még a kis erőművek esetében is. Ez exergetikai szempontból előnyös, mivel sok nagy értékű villamos energia és kevés hő keletkezik.

Folyamatos üzemben az üzemanyagcellás háttéremeléseket a következő előnyök jellemzik: hosszú önálló üzem és élettartam, a mozgó alkatrészek hiánya miatt alacsony karbantartási költségek, valamint csendes, (helyileg) kibocsátásmentes villamosenergia-termelés.

A helyhez kötött üzemanyagcellák tartalékkapacitása néhány kW-tól több mint 1 GWe-ig terjed. A kis teljesítményű elektromos teljesítményű üzemanyagcellák gyakran hordozható üzemanyagcellák, amelyek súlyelőnyöket kínálnak az újratölthető akkumulátorokkal és generátorokkal szemben. A helyhez kötött szektorban számos különböző üzemanyagcella-típust használnak, egyes esetekben hűtésre is. Tüzelőanyagként a hidrogén mellett metanolt, földgázt és cseppfolyósított földgázt is használnak.

Háztartási energia

Ha a termelt villamos energia mellett a keletkező hőt is felhasználják, az eljárást kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésnek (CHP) nevezik. Ha az ilyen erőműveket a háztartási fűtési szektorban használják, akkor kisebb teljesítményük miatt mikro-CHP vagy mini-CHP erőműveknek is nevezik őket.

A CHP erőműveket kétféle stratégiával lehet üzemeltetni: Az erőmű vagy a villamosenergia-, vagy a hőigény nagy részét fedezi. Ha a villamosenergia-árak magasak, akkor a villamosenergia-vezérelt üzemmód a megfelelő. Ily módon minimalizálható a villamos energia hálózatról történő beszerzése, vagy a megtermelt CHP villamos energia betáplálható a villamos hálózatba és megtéríthető.

A kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés melléktermékeként keletkező hőt az épületek hőigényének egy részének fedezésére használják. A többnyire villamosenergia-alapú üzemmód az üzemanyagcellás fűtési rendszerek alacsony hőteljesítményét eredményezi. Az épület fennmaradó hőigényét kiegészítő fűtési rendszerrel, pl. kondenzációs kazánnal fedezik. Ezért az üzemanyagcellák különösen alkalmasak az alacsony helyiségfűtési igényű épületek, például az alacsony vagy közel nulla energiaigényű épületek számára. A nagyobb fűtési igényű épületekben hibrid üzemanyagcellás fűtési rendszereket alkalmaznak, amelyek egy üzemanyagcellából és egy kondenzációs kazánból állnak a csúcsfűtési igény fedezésére.

A legfeljebb 10 kWe teljesítménytartományban a helyhez kötött üzemanyagcellák általában PEM vagy SO üzemanyagcellák. A lakóházak és lakóépületek tipikus CHP-teljesítménytartománya 0,7 és 5 kWe között van. Ha az üzemanyagcellás rendszereket földgázzal mint tüzelőanyaggal működtetik, a meglévő földgáz-infrastruktúra felhasználható. A tüzelőanyagot azonban előbb reformálni kell. A PEM-üzemanyagcellák esetében a reformálás külsőleg történik. Az SO tüzelőanyagcelláknál a magasabb hőmérséklet miatt belső reformálás lehetséges.

A tüzelőanyagcellák talán legnagyobb előnye a termikus energetikai eljárásokkal szemben a közvetlen elektrokémiai átalakítás a villamosenergia- és hőtermelés során, és az ezzel járó magasabb elektromos hatásfok. Kombinált üzemmódban, azaz elektromos és termikus üzemmódban az üzemanyagcellák akár 95 %-os hatásfokot is elérhetnek. Az elektromos hatásfok akár 45 % is lehet. Az üzemanyagcellás rendszereket továbbá minden terhelési ponton magas hatásfok jellemzi, csendesek, alacsonyak a karbantartási költségeik és (helyileg) emissziómentesen működnek.