Energiatárolás: Valóban megoldás lehet a hidrogén?

Szerző: Dr. Dipl. Ing. Helmut Waniczek

A hidrogén előállításának és a hidrogén villamos energiává történő átalakításának, valamint a közlekedésben való felhasználásának gazdasági problémáit már több helyen bemutattam, ezért ebben az összeállításban csak az alapvető gazdasági paraméterekre térek ki. Mivel azonban a jogalkotók minden hátrány ellenére tovább akarnak haladni az általuk követett úton, és lehetővé akarják tenni, hogy a hidrogénberendezések lakott területek közelében is engedélyezhetők legyenek, úgy gondolom, hogy részletesebben ki kell térni ennek az elképzelésnek a biztonsági vonatkozásaira.

1. fejezet
A „hidrogéngazdaság” gazdasági vonatkozásai
A hidrogéngazdaság nagyjából a következő folyamatlánccal rendelkezik: egyenáram előállítása – elektrolízis – gázkompresszió vagy cseppfolyósítás – tárolás – szállítás – tárolás – átalakítás villamos energiává vagy járművek üzemanyaggal való feltöltése.

1. Változó költségek
Ez a folyamatlánc az anyagátalakítás több, nagyon alacsony hatásfokú szakaszát és nagy energiaveszteséggel járó részfolyamatokat foglal magában. Ezt legjobban az alábbi ábra szemlélteti, amelyet lényegében már Ulf Bossel 2003-ban leírt itt elérhető művében:

https://leibniz-institut.de/archiv/bossel_16_12_10.pdf

Ebből közöljük az alábbi ábrát:

A fent leírt folyamatláncban 1 kWh villamos energia így 0,2-0,25 kWh villamos energiát ad vissza. Ez azt jelenti, hogy a felhasznált energia 75-80%-a elveszett ahhoz, hogy a végén ugyanaz a termék, azaz villamos energia álljon rendelkezésre, mint az elején.

[Közzétevő: A hidrogénstratégiában érdekelt vállalkozások, illetve a klímarögeszmének elkötelezett személyek, intézmények ettől némileg eltérő adatokat publikálnak, illetve ilyen számításba magunk sem vennénk bele minden esetben a váltóáramnak egyenárammá történő átalakítási veszteségeit. Álljon itt példaképp a Mercedes-rajongók online magazinjának (jesmb.de) 2015-ös számítása, mely szerint, ha egyenáramból indulunk ki, és célunk a hidrogén üzemanyag cellás autó, akkor az alábbi ábra szerint az összes veszteség 70 %. Itt viszont az elektromotorra megadott 10 %-os veszteség tűnik alacsonynak.Ha a szakirodalomból ismert adatok alapján csak az elektrolizálási, komprimálási és diffúziós veszteségeket, vesszük figyelembe, akkor 1 kWh-ból 0,53 kWh energiánk van komprimált formában. Ehhez természetesen a további műveletek, illetve a szállítási veszteségek jönnek még. Waniczek itt következő számításait mindenki lefuttathatja a saját áramköltséggel, tárolási, szállítási és egyéb veszteséggel. Fontos, hogy szem előtt tartsuk: Nincs ingyen zöldáram. Még ha a nap ingyen is süt, ennek a tevékenységnek is vannak változó és fix költségei.]

Ezek csak a hatásfokok, amelyek nagyjából leírják a folyamat változó költségeit. Tehát ha a felhasznált kWh villamos energia ára 7,5 ct/kWh, akkor a végtermék változó költségeire 30-37,5 ct/kWh jön ki
Jelzésértékű, hogy 20 év elteltével a mai napig nem történt jelentős javulás ezekben az eredményekben, annak ellenére, hogy sok millió eurót költöttek kutatási pénzekre.

Ez a jövőben sem várható, mivel a folyamatok már most is közel vannak a termodinamikailag lehetséges hatásfokokhoz.
Okos elmék most azt vetik közbe, hogy erre csak a „felesleges villamos energiát” szabadna felhasználni, amely állítólag önmagában semmibe sem kerül. Evvel az érveléssel két probléma van.
Először is, hogy ennek a „többlet villamos energiának” már ma is van ára, nevezetesen amikor a szél- vagy napenergia-termelőket díjazzák, amikor kikapcsolják őket, mert nincs szükség a villamos energiára.
Másodszor, a szél- és naperőművek kihasználtsága a beépített kapacitás alapján csak 25%-os. De ezt a 25%-ot elsődlegesen a hálózatba kell betáplálni, így végül csak az időnek talán 5%-ában áll rendelkezésre „többletáram”. Ez azt jelenti, hogy a termelés, átalakítás, tárolás és szállítás drága létesítményei csak az idő 5%-ában használhatók ki, de maguknak a szélerőművek teljes teljesítményének kezelésére kell tervezniük.
 2, Fix költségek
A fent leírt folyamatlánc megvalósításához különböző műszaki berendezésekre van szükség.
Egy 400 Nm3/h kapacitású nagyméretű elektrolízisberendezés beruházási költségei a következő összeget teszik ki
1000 €/kWh (1,8 millió €). Egy ilyen elektrolízisberendezés csatlakoztatott terhelése 1,8 MW.
Az üzemet 10 év után le lehet írni, mivel az elektródákat 7-12 év után ki kell cserélni.

[Közzétevő: Elektródacsere nem föltétlenül jelenti az egész berendezés cseréjét.]
Teljes terhelésnél ez 1,2 ct/kWh, de 5%-os kihasználtságnál 24 ct/kWh.
Kisebb erőművek esetében ezek a költségek meredeken emelkednek, 50 Nm3/h-nál már elérik a 2000 €/kWh-t.
(0,36 millió EUR).
Forrás: „Status and Development Potential of Water Electrolysis for the Production of Hydrogen from Renewable Energies”, Tom Smolinka, Martin Günther (Fraunhofer ISE), Jürgen Garche (FCBAT).
Ezek azonban csak az elektrolízis beruházási költségei.
A többi berendezésre, mint például a kompresszorok, a hatalmas tartálypark, a kiegészítő berendezések, a vezérlőterem, az épületek, a biztonsági berendezések és a földterület esetében a becslések szerint még egyszer ugyanekkora összeget kell befektetni, bár ezeknél 20 éves amortizációval, azaz 0,6 €ct/kWh amortizációs rátával számolhatunk.

Mivel az üzemet folyamatosan ellenőrizni kell, egy üzemvezetőre, öt vezérlőterem-kezelőre és egy vegyipari dolgozóra van szükségünk. Ez 360 000 €/év vagy 2,3 ct/kWh a nagyobb üzem (400 Nm3/h) esetében.
A hidrogén elektromos árammá történő átalakításához üzemanyagcellára van szükség. Mivel ez az elektrolízis fordított folyamata, az elektrolízist egy „reverzibilis üzemanyagcellában” elektromos áram előállítására lehetne használni. Az ilyen üzemanyagcellák hatásfoka azonban olyan gyenge, 40-50%-os, hogy ez nem jöhet szóba:
Forrás: Yifei Wang, Dennis Y.C. Leung, Jin Xuan, Huizhi Wang: Körkép a modul rendszerű regeneratív üzemanyagcellás technológiákról, A rész: Modul rendszerű regeneratív protoncserélő membrános üzemanyagcellák. Forrás: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 65, November 2016, pp. 961-977, doi:10.1016/j.rser.2016.07.046.
Ha a hidrogén árammá történő visszaalakításnak ugyanazt a teljesítményt kell biztosítania, mint az elektrolízishez kapcsolódó teljesítmény, akkor az üzemanyagcellának kétszer annyi hidrogént kell feldolgoznia (áramot termelnie).
Ezért az átalakításhoz két különálló üzemanyagcellát kell létesíteni, amelyek költségei megegyeznek az elektrolízisével, ami további 2,4 ct/kWh-t jelent berendezésenként (üzemanyagcellánként) egy 400 Nm3/h teljesítményű nagyüzemi berendezés esetében.

A teljes fix költség egy 100 %-os kapacitáskihasználtságú nagyberendezés esetében 6,7 ct/kWh, 5 %-os kapacitáskihasználtság esetén pedig 105 ct/kWh.
Ez a fixköltség-elemzés világosan mutatja, hogy a „felesleges zöld villamos energia” átalakítása hidrogénné, majd ebből újra elektromos áram termelése az óriási fixköltségek miatt nem járható út.
2. fejezet
A hidrogén tárolási mennyiségei

A termelt hidrogént tárolják, majd szükség esetén villamos energiává alakítják, és kiegyenlítő energiaként használják a villamosenergia-hálózat stabilizálására.
A hidrogén cseppfolyósítása szóba sem jöhet, mivel a cseppfolyósító üzemek bonyolultak, drágák és energiaigényesek. A hidrogén normál nyomáson -253°C-on válik folyékonnyá. A cseppfolyósítás a hidrogén energiatartalmának 30 %-át elviszi.
A hidrogén alacsony sűrűsége (89 g/m3 ) miatt nem lehetséges a nyomás nélküli tárolás. A földgáz tárolására használatos több száz-ezer m3-es tartályok csak pufferként praktikusak, tárolásra nem. Az egyik legnagyobb tartály 90 000 m3 befogadóképességű, ami csak körülbelül 9 tonna hidrogént jelent.
Ezért csak a szokásos 700 barra való komprimálás marad, de ez az energiatartalom 15 %-át emészti fel.
Feltételezzük, hogy a visszatáplálásnak ugyanolyan kimenő teljesítményűnek kell lennie, mint az elektrolízis csatlakoztatott teljesítménye, azaz 1,8 MW. Ez azt jelenti, hogy az üzemanyagcella bemeneti teljesítményének kétszer akkorának kell lennie, azaz 3,6 MW-nak, ami 800 m3/h vagy 70 kg/h hidrogénnek felel meg.
Egy 10 napos szélcsend áthidalásához 16,8 tonna hidrogénre van szükség. Ez 700 bar nyomáson 270 m3 -t vesz fel. Ez 18 darab 1 m átmérőjű és 10 m magas acélhenger.
Nem szabad elfelejteni, hogy ennek a mennyiségnek a termeléséhez 20 napra van szükség teljes terhelés mellett, amely után a szélturbinát még mindig le kell állítani, mert a tárolótartályok megteltek.
3. fejezet
A hidrogén veszélyei
Levegővel keveredve a hidrogén rendkívül robbanékony gáz, amely hangos robajjal ég (durranógáz). A gáz nagyon széles, 4-77 % tartományban robbanóképes. Ez azt jelenti, hogy a levegő már 4 % hidrogénnel is robbanásveszélyes, a hidrogén pedig 23 % levegővel már robbanásveszélyes.
A hidrogén gyulladási energiája rendkívül alacsony, 0,016 mJ. A legtöbb esetben a nagynyomású rendszerek szivárgása a kiáramló gáz azonnali meggyulladásához vezet, amely 2160°C-on láthatatlan sugárlángot képez. Az ilyen lángokat nem szabad eloltani, mivel a tovább távozó gáz robbanásveszélyes keveréket alkotna, és rövid időn belül robbanáshoz vezetne. A szivárgás hidrogénellátását ezért el kell zárni, ami sok esetben nem lehetséges.
4. fejezet 
Hidrogén, mint potenciálisan veszélyes anyag

1976. július 10-én egy olaszországi vegyi üzemből működési hiba miatt nagy mennyiségű, dioxint tartalmazó, nagyon mérgező anyagkeverék szivárgott ki, és évekig mérgezte Seveso környékét.
Ez a súlyos vegyi baleset a Seveso-irányelvek, a „súlyos balesetekről szóló rendelet” elfogadásával a biztonsági standardok jelentős javulásához vezetett.
A veszélyes eseményekről szóló rendelet melléklete felsorolja a nagy veszélyességi potenciállal rendelkező kémiai vegyületeket, az úgynevezett „veszélyes anyagokat”. Ezekhez az anyagokhoz két mennyiségi küszöbértéket rendelnek. Ha egy üzemben fennáll a lehetőség, hogy ezeket a mennyiségi küszöbértékeket túllépik, akkor az üzem „potenciális veszélyes üzem”, amelyre bizonyos biztonsági előírások vonatkoznak.
A hidrogén első mennyiségi küszöbértéke 5 tonna, a második 50 tonna.
A veszélyes létesítmény üzemeltetőjének közbiztonsági elemzést kell benyújtania a hatósághoz, amelyben kifejti, hogyan lehet a balesetet (a káros anyag kiszivárgását) biztonságosan megelőzni. Le kell írni az esemény hatásait és az arra adott válaszlépéseket is.
5. fejezet
Hidrogén Afrikából
Egy tartályhajó körülbelül 430 tonna hidrogént tud fölvenni.

A legnagyobb (tervezett) vízelektrolízis-üzem csatlakozási teljesítménye 100 MW lesz (Shell). Egy ilyen hajó megtöltéséhez 8 napig kellene termelnie.
Az üzem napenergiával való ellátásához olyan berendezésre van szükség, amely a nap 12 órájában áramot szolgáltat az elektrolízishez, és feltölt egy akkumulátort, amely az éjszakai 12 órában az elektrolízist biztosítja. Ez egy 155 MWp [1] teljesítményű napelemes létesítményt eredményez. A naperőmű 22 futballpálya méretű lenne. Az üzemeltetési költségek 200 000 EUR/év lennének a személyzetre (takarítás) és a karbantartásra.
A mai 1000 €/kWp [1] költséggel számolva csak a beruházás 155 millió € lenne. A szükséges 1200 MWh kapacitású akkumulátorok körülbelül 150 millió euróba kerülnének.
Ezen kívül az elektrolízisbe történő beruházás mintegy 50 millió eurót, egy 50 millió eurós komprimáló üzemet és mintegy 10 millió eurós tartályparkot foglal magában.
Az energiaköltségek a termelt hidrogén 30%-át vagy 6,6 millió eurót tennének ki évente.

A következő személyzetre van szükség: 10 üzemőr, 6 vezérlőterem-kezelő, 1 üzemvezető, 5 vegyipari munkás és 3 lakatos. A személyzet számára 25 lakást kell biztosítani bevásárlási és szabadidős lehetőségekkel. Ez a beruházás kb. 15 millió eurót tenne ki.
A beruházás így 375 millió eurót tenne ki. A 20 éves értékcsökkenés mellett az értékcsökkenés 18,75 millió EUR/év lenne.
Az üzemeltetési költségek körülbelül 8,3 millió EUR/évre rúgnának.
22 000 t/év termelés esetén a gyártási költségek 1,23 €-t tennének ki  1 kg hidrogénre számítva.
A tengeri szállítás 430 tonna/hajó esetén körülbelül 3 €/kg, 100 000 €/nap bérleti díj és 9 napos út, 4 napos be- és kirakodás mellett.
Egy nemrégiben készült tanulmány szerint a szállítás a kikötőtől a fogyasztóig 2 €/kg költséggel jár. Philippe Gramm, hallgatói kutatási projekt, ISBN: 9783346478504
Az afrikai sivatagból szállított hidrogén ára tehát 6,23 €/kg lenne.
A termelési költségek Európában 7,5 ct/kWh villamosenergia-ár mellett 5,2 €/kg és kb. 1 €/kg szállítási költség mellett gyakorlatilag azonos árat jelentenek.
Hidrogén esetében 33 kWh/kg fűtőérték mellett az energiaköltség 18,9 ct/kWh.
Az orosz földgáz ára 2,4 ct/kWh szállítva.
A cikkben szereplő adatok a jelenlegi szakirodalomból származnak, és részben egy, az iparágban tapasztalatot szerzett vegyész műszaki becslésein alapulnak.
[1] KWp, MWp, peak, a fotovoltaikus berendezés maximális teljesítménye.

[Közzétevő: A jól ellenőrizhető és nyomon követhető számításokat természetesen minden országra, így hazánkra is, illetve minden konkrét projektre, célra le lehet, illetve le kell futtatni, mielőtt egy fillért is elköltünk hidrogénstratégiára, avagy az éghajlat megvédésnek, illetve a közpénzek elherdálásának egyéb módjaira. Az ember csak kapkodja a fejét. A Véletlenszerűen Rendelkezésre álló, Időjárásfüggő áram termelésének koncepció nélküli erőltetése, az energiatárolás problémáinak negligálása, a paksi beruházás érthetetlenül lassú folyamata (nemcsak az ukrán háború óta), netán szándékos késleltetése, majd nagyhirtelen szerződés aláírása a kaukázusi zöldáram szállításáról, melynek részletei ismeretlenek… És a brüsszeli méregkonyha ugyan sok mindenben talál kifogást Magyarországot illetően, de mintha az energiahelyzetnek evvel a kezelésével teljesen elégedett volna. Mintha csak az energiaellátás biztonságának lerombolása, az energia megdrágítása volna a cél. És ezért mindenki szemet huny afelett, hogy egyes tűzközeli cégek igen jól keresnek az éghajlat megvédésével, még olyan áron is, hogy a paksi áramtermelést fogják vissza, evvel nemcsak gazdasági károkat, de műszaki problémákat is okozva, csak hogy be lehessen termelni a VRIF áramot a hálózatba.
Pedig az illetékesek igen jól látták, és látják Brüsszelben és Budapesten is: 
Energiahelyzetünk biztos léptekkel menetel a katasztrófa felé.]

2022. december
A szerző itt megjelent írását fordította, illetve jegyzetekkel ellátta
Király József
okl. vegyészmérnök