Villamos áram termelése hidrogénnel
A hidrogén felhasználása az ipari léptékű villamosenergia-termelésben még alapvetően a kísérletek fázisában van. A jelentős vízenergiával rendelkező országok hamar felismerték, hogy a vízerőművek gyors indítása és leállása kiváló lehetőség a nap- és szélenergia-hasznosítás ciklusainak kiegyenlítésére. Más országokban gyors indítású, szénhidrogén-tüzelésű erőműveket kell állandó, meleg, forgó tartalékban tartani a megújulók kiesésének ellensúlyozására, vagy importálni kell az áramot.
Egy sor kísérlet után megállapíthatjuk, hogy a villamos energia tárolása hagyományos akkumulátorokban ipari léptékkel nem valósítható meg, más utat kell keresni.
A kiegyenlítő villamosáram-termelés új formája a hidrogén-üzemanyagcella használata [3] [4]. A hidrogén-üzemanyagcella a hidrogén elégetésével közvetlenül villamos áramot állít elő.
A hidrogén-üzemanyagcella:
- kémiai energiát alakít át elektromos energiává,
- az áramtermelő folyamat a hidrogén oxidációja,
- katód, anód, köztük membrán és elektrolit folyadék, platinatartalmú katalizátor,
- hőt is termel,
- hatásfoka 60% körüli.
A hidrogén-üzemanyagcella előnyei:
- a hidrogén környezetkímélő energiahordozó,
- a hidrogén korlátlanul tárolható,
- egyszerűen és biztonságosan használható fel áramtermelésre,
- a hidrogéncella hűtésére használt víz fűtésre, használati meleg vízként hasznosítható,
- a hidrogén kapható a kereskedelemben,
- a reakció végén a hidrogén vízzé alakul,
- hatásfoka magasabb, mint a belső égésű motoroké.
Hátrányok:
- új üzembiztonsági rendszerek tartoznak a hidrogénhasználathoz,
- a tüzelőanyag-cella hatásfoka 50-60%, ami alacsonyabb, mint a nettó villamos hajtás hatásfoka,
- ma még drága a hidrogéncella,
- gyors áramigény-változást nem tud követni.
Hidrogén keverése a földgázhoz
A hidrogén és a metán fizikai és tüzeléstechnikai jellemzői között nagy a különbség.
A hidrogén és a metán néhány jellemzője:
Tulajdonság |
Mértékegység |
Hidrogén |
metán |
sűrűség (15 oC-on) |
kg/m3 |
0,089 |
0,718 |
alsó hőérték |
kWh/m3 |
2,84 |
9,45 |
felső hőérték |
kWh/m3 |
3,36 |
10,49 |
lángterjedési sebesség |
cm/sec |
267 |
35 |
felső Wobbe-szám |
kWh/m3 |
12,74 |
14,09 |
gyulladási koncentráció határa (20 oC-on) |
tf % |
4–80 |
5-15 |
lánghőmérséklet |
oC |
1527 |
1222 |
forráspont |
oC |
–259,1 |
-161,5 |
A két gáz sűrűségének különbsége alapján arra lehet számítani, hogy a nyugalmi állapotban lévő gázkeverékben a sűrűség szerinti rétegződés azonnal megindul, ami a gázkeverék felhasználása esetén lényeges fizikai-tüzeléstechnikai jellemzőkülönbségeket okozhat. Ugyanez a fizikai szétválasztódás a hosszabb tárolás során is kialakulhat, tárolótartályban vagy a föld alatti tárolóban is.
Ma is folynak kísérletek arra, hogy a hidrogént milyen mértékben lehetne a földgázhoz (metánhoz) keverni, hogy a gázellátó rendszer elemeiben ne kelljen átalakítást végezni. A kísérletek eredménye, hogy 5–15 tf % hidrogénbekeverés esetén a gázellátó rendszeren a hidrogéntartalom még nem idézett elő elváltozást. Más kutatások 10 tf %-ban jelölik meg a hidrogénbekeverés felső határát. A sűrített földgázzal (CNG) üzemelő járművek esetében jelenleg még csak 2 tf % hidrogénbekeverést tartanak elfogadhatónak.
Vizsgálatok folynak arról is, hogy a földgázba kevert hidrogén hogyan befolyásolja az eddigi gázellátó rendszer mechanikai jellemzőit. Az eredmények teljes mértékben pozitívak.
A hidrogén képes reakcióba lépni a tárolótartály falával, a csővezetékkel, 400–700 oC hőmérséklet-tartományban [7]. A fémporladás hidrogén jelenlétében általában 400–700 oC hőmérsékletnél következik be, szerencsére a gázellátó rendszerben ilyen hőmérséklet nem fordul elő.
Vizsgálatokat végeztek a gázfelhasználói berendezések hidrogénállóságáról is. Néhány előzetes eredmény [1]:
- a háztartási gázkészülékeknél a 10% alatti hidrogéntartalom nem okoz problémát, a gázégők finomszabályozása szükséges lehet,
- az ipari gázberendezéseknél is a 10%-on belüli hidrogéntartalmat a berendezések átalakítás nélkül tudják fogadni,
- a gázturbinák és a gázmotorok esetében a berendezések újraszabályozása már 5% hidrogéntartalomnál szükséges lehet,
- a hagyományos sűrített földgáz (CNG) tárolására használatos tartályoknál már 2% hidrogéntartalomnál szilárdsági problémák jelentkezhetnek.
Megállapították, hogy a földgázba kevert hidrogén miatt a gázellátás rendszerének több pontján módosítások szükségesek [1]:
- a gázkeverék hőértéke és Wobbe-száma megváltozik, a gázkészülékek újraszabályozására lehet szükség,
- a gázpiaci elszámolásoknál a gáz összetételét más kromatográfokkal kell mérni,
- a térfogatáram-mérésekhez használt eszközöket (gázmérőket) újra kell hitelesíteni,
- a hidrogén betáplálását az ország szállítóvezeték-hálózatának minden csomópontjában biztosítani kell.
A gázellátás rendszerének működésében néhány változást okozhat a hidrogénbekeverés [1]:
- a gázkeverék robbanási koncentrációjának határai megváltoznak, már kisebb gázkoncentráció is okozhat robbanásveszélyt,
- a láng terjedési sebessége nagyobb lesz,
- a robbanási koncentráció eddigi határaihoz kapcsolódó biztonsági berendezéseket módosítani kell,
- a szivárgás érzékelő műszerek metánra vannak hitelesítve, a hidrogén-metán gázkeverék nehezen mérhető,
- a hidrogéntartalom mellett a gázt szállító-tároló rendszerekben baktériumtenyészetek jelenhetnek meg.
Ipari léptékű kísérletek
Ausztriában, a Rohöl-Aufsuchungs AG Pilsbachban sikeres kísérletet folytat hidrogéntárolásra leművelt földgázmezőben. Az ezer méter mélyben lévő, porózus kőzet tároló mintegy 4 millió m3 párnagáz mellett 1,8 millió m3 mobil gázt tud befogadni. A rétegnyomás 80 bar. A mezőt egy termelő-visszanyomó kút üzemelteti. A power-to-gas (PtG) üzem a villamos hálózatról vett energiával termel enyhén lúgos vízből hidrogént, amit kompresszorral kevernek a besajtolt földgázhoz. A hidrogén aránya a földgázban 10 tf %.
Nagy-Britanniában, Leeds városában az acél csőhálózatot polietilén anyagúra cserélik, hogy a hálózat alkalmas legyen tiszta hidrogén fogadására (is). A gázellátó rendszer 660 ezer embert szolgál ki. A város gázhálózatában eredetileg városi gázt forgalmaztak, amelyben akkor még 30–50 tf %-ban is volt hidrogén. A hálózatot később különösebb átalakítások nélkül földgázra állították át, és ma folynak az előkészületek a tiszta hidrogén szállítására. Az átállítás része a gázfelhasználó készülékek cseréje is, ami tulajdonképpen a korábbi városi gáz–földgáz átállás ismétlése, de ma már az EU-követelményeket is teljesítő gázkészülékekre. A város hidrogénellátásához egyelőre négy darab, összesen 1025 MW teljesítményű földgázbontót használnak majd. A város gázenergia-igénye éves átlagban 678 MW, a teljes éves gázigény 5,9 TWh. A napi csúcsigény 2067 MW. A fogyasztás szezonalitásához majd föld alatti, sórétegben kialakított hidrogéntárolót használnak. Az egész projekt kiemelt célja, hogy a felhasználóknak az új szolgáltatás ne legyen drágább, mint a földgázellátás.
Az MVM közzétette saját napelempark-építési tervét, amely több, nagy teljesítményű projekt megépítését jelenti. Tekintsük át, hogy egy ipari léptékű napelempark hogyan hasznosítható hidrogéntermelésre [1].
A mintegy 40 hektáron épülő napelempark 74 ezer napelemmel épül, és várható termelése 21 GWh évente. 1 kg hidrogén előállításához elektrolízissel kb. 50 kWh villamos energia szükséges. Ha a napelempark éves áramtermelését teljes egészében hidrogén-előállításra fordítjuk, akkor
- 65% hatásfokkal számolhatunk,
- 300 m3/óra hidrogén termelhető,
- a földgázhoz 10%-ban keverve óránként 2700 m3 földgáz dúsítását jelenti.
Az MVM vázolja a biohidrogén-gyártás lehetőségét [7]. Jelenleg az iparban termelt hidrogén több mint 90%-át a földgáz és a kőolaj termokémiai kezelésével nyerik. Az alkalmazott termokémiai eljárások energiaigénye magas, szükség lenne alacsony energiaigényű hidrogénfejlesztési technológiákra. A hidrogén jövője szempontjából fontos minden olyan kísérlet és fejlesztés, amely a hidrogéntermelést környezetbarát módon, minél kevesebb energiafelhasználással oldja meg.
A biogázt termelő anaerob lebontás mellett léteznek olyan biológiai folyamatok is, amelyekkel a biomasszából (bio)hidrogén fejleszthető.