Hidrogéntermelés megújuló forrásokból

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 3. sz. 2005. p. 32–38.


Hidrogéntermelés megújuló forrásokból A legtöbb elemző egyetért abban, hogy a fosszilis energiahordozók korszaka után a hidrogén lesz az energetika alapja. Az egyetértés ugyanakkor csak a távlatokkal kapcsolatban van meg, az odavezető utak, technológiák terén egyelőre sokféle vélemény, jóslat forog közkézen. Ez az összeállítás összefoglalja a hidrogén kinyerésének lehetőségeit főleg megújuló forrásokból, valamint a felhasználás gazdasági szempontból legelőnyösebbnek tűnő változatait. Kiemelt szerep vár azokra a megoldásokra, amelyek a hulladékok ártalmatlanításával kombinálják az új energiahordozók hasznosítását.

Tárgyszavak: hidrogén; megújuló energiaforrás; mikrobás tüzelőanyag-elem.

Egy az USA-ban 2002-ben megjelent, az ener-

használásában. Ebből pedig le lehet vonni a

giagazdálkodás jövőjével foglalkozó monográ-

már sokszor hangoztatott következtetést: a

fia szerzője szerint már egy-két évtizeden belül

világnak sürgős szüksége van megbízható al-

bekövetkezik az a fordulópont, amelyben a

ternatív energiaforrásokra.

kőolaj termelése nem tudja kielégíteni a keresletet, és az egyre növekedő igény az 1973.

A hidrogén, mint energiaforrás

évihez hasonló, világméretű kőolajválságot robbanthat ki. Ha ilyen válság nem is tör ki, a Kiotói Egyezményhez csatlakozott országokat

Az új energiahordozónak nagy mennyiségben

a szén-dioxid kibocsátására vállalt korlátozá-

kell rendelkezésre állnia, könnyen szállítható-

sok gátolják a fosszilis energiaforrások ki-

nak és járművek hajtására alkalmasnak kell

32


lennie. A megújuló forrásból előállított hidro-

elemek termeléséhez kapcsolódó, egyelőre

gén környezetkímélő, de biomasszából fer-

kockázatos beruházásokat, magához vonzva a

mentálva a nyersanyag energiájának csupán

korszerű technológia úttörőit.

15%-a nyerhető ki hidrogén formájában, a többi 85% hasznosítására gazdaságos eljárást

Az USA a hidrogéngazdaság jegyében nem-

kell találni.

zetközi együttműködést (International Partnership) kezdeményezett Ausztráliával, Brazí-

A hidrogénipar éves növekedése 5–-10%-ra

liával, az Európai Bizottsággal, Indiával, Iz-

becsülhető, a gáztársaságok által termelt és

landdal, Japánnal, az Egyesült Királysággal,

forgalomba hozott „kereskedelmi hidrogén”

Kínával, Koreával, Franciaországgal, Német-

éves növekedése 12–17%. Az USA határain

országgal, Norvégiával és Olaszországgal az-

belül 2002-ben 9,2 Mrd m3-nyi hidrogénszál-

zal a gyakorlati célkitűzéssel, hogy a lakosság

lítmány cserélt gazdát 767 M USD értékben. A

2020-tól versenyképes áron vásárolhasson

termelt hidrogén 59%-át a vegyipar, ennek

hidrogénüzemű gépkocsit és tankolhasson is

40%-át a kőolajfinomítás és 1%-át tiszta fé-

bele üzemanyagot otthona és munkahelye kö-

mek termelésére használják fel. Az USA el-

zelében.

sődleges energiafelhasználásából 2%-ot fogyasztanak el hidrogén előállítására.

Prognózisok, vállalkozások Az USA szövetségi kormánya fontos stratégiai területként kezeli a hidrogénalapú energiater-

A jövő energiabázisának tekintett hidrogénnel

melést, ezért 2003-tól évi 1,2 Mrd USD-vel

és a tüzelőanyag-elemekkel kapcsolatban nincs

egészíti ki az Energiaügyi Minisztérium

hiány pozitív és negatív becslésekben és prog-

(DOE) korábbi keletű, FreedomCAR elneve-

nosztikai számításokban sem:

zésű támogatási programja által e célra fordí-

• a tüzelőanyag-elemes autó elérhető mérföl-

tott 0,5 Mrd USD-t. Maga az Egyesült Álla-

denkénti költsége 0,24–0,36 USD/gallon

mok elnöke ígérte meg egy fontos beszédében,

benzinének felel meg (2003),

hogy a mai újszülöttek majdani autóit már

• egy másik 2003. évi elemzés szerint a hid-

hidrogén fogja hajtani. Néhány szövetségi ál-

rogénüzemű autók a mai személyautókhoz

lam (Kalifornia, Michigan, Ohio, Pennsyl-

képest túl költségesek, és egyedül az után-

vania) külön támogatásokkal kívánja még

töltés infrastruktúrájának kiépítése jármű-

vonzóbbá tenni a hidrogén- és a fűtőanyag-

venként 5000 USD-ba kerülne, 33


• a Science-ben megjelent vélemény szerint

Az USA energiafogyasztása 2002-ben 97 kvad

nem zárható ki az sem, hogy a nagy hidro-

(ezer trillió BTU, British Thermal Unit), azaz

gén- és vízkibocsátás (utóbbi mint égéster-

28 400 TWh volt, ebből 13 kvad, azaz 3800

mék) klimatikus hatása problémát fog

TWh villamos energia volt (lásd 1. ábra).

okozni.

Amennyiben a hidrogén lesz a fő közlekedési üzemanyag, becslések szerint a vízből kiinduló

Sem a fenntartások, sem az aggodalmak nem

előállításához további 12 kvad villamos energiá-

riasztják vissza a fejlesztéstől sem a nagy tár-

ra lesz szükség az USA-ban. Ezt a mennyiséget

saságokat, sem a kockázatot vállaló induló

• szélerőművekkel 130 000 km2 területen

kisvállalkozásokat:

(kb. New-York állam mérete), • napenergiával 20 000 km2-en,

• jelenleg mintegy 100 kis és nagyvállalat gyárt az USA-ban tüzelőanyag-elemeket és

• energianövényekből nyert biomasszából az

alkatrészeket, köztük a General Electric és a

USA művelés alatt álló teljes földterületének

Siemens-Westinghouse,

kb. 15%-án (Nevada államnyi területen)

• az autóipar nagyjai közül a Honda és a

lehetne megtermelni. Energetikai rendeltetésű

General Motors elkészítették tüzelőanyag-

biomassza helyett sokan javasolják a haszon-

elemes prototípusaikat,

növények hulladékának (szalma, kukoricaszár

• a kőolaj-, ill. petrolkémiai ipar sem akar

stb.) felhasználását alkohollá erjesztés helyett

kimaradni: a Royal Dutch/Shell-csoport leányvállalatot

alapított

Shell

hidrogéntermelésre.

Hydrogen

Corp. néven, a benzin helyettesítésére szá-

gáz

mítva.

3

szén

5

szél

5

biomassza

Honnan jöhet a hidrogén?

6

nukleáris energia

7

hullám

9

napsugárzás

A hidrogén a Föld legnagyobb bőségben előforduló eleme, üzemanyagként azonban nem

30 0

10

20

30

40

költség, UScent/kWh

lehet a természetből begyűjteni, elő kell állítani természetes anyagokból, energiaigényes

1. ábra A villamosenergia-termelés költsége

eljárással.

34


A gazdaságosság kérdései

Az összes előállított hidrogéngáz mintegy felét jelenleg földgázból állítják elő termokatalitikus eljárással (lásd 2. ábra). A második leg-

A fermentálásos hidrogéntermelés kétfélekép-

jelentősebb forrás a nehézolaj és a könnyűben-

pen tehető gazdaságossá:

zin, ezt követi a szén. Hidrolízis segítségével

– ingyen rendelkezésre álló alapanyag felhasználásával,

vízből csak a mennyiség 4%-át állítják elő. A víz ugyanakkor közvetve fontos hidrogénfor-

– a hidrogén kinyerése után fennmaradó 67–

rás, még akkor is, ha a termelés fosszilis fűtő-

85%-nyi maradék alapanyag piaci hasznosí-

anyagokból indul ki. Ha pl. földgáz az alap-

tásával.

anyag, akkor az ún. vízgőzös reformálás (vagy metánoxidálás) során a megtermelt hidrogén

Az első változatra ideális megoldást kínálnak a

fele a reakcióhoz felhasznált vízből keletkezik:

szilárd (pl. tömeges mezőgazdasági), valamint az ipari és háztartási szennyvízben oldott hul-

3CH4 + 6H2O Æ 12H2 + 3CO2.

szén 18%

ladékok. Ezek lerakása és kezelése egyébként egyre nagyobb gonddal jár, közvetlen, fermen-

elektrolízis 4%

tálási célú hasznosításukkal ki lehet alakítani egy fenntartható ciklust. E megoldás (ma még inkább vízió) előnyeit érzékletessé teszi né-

földgáz 48%

hány számadat: az USA-ban a következő 20 évben mintegy 2 billió USD-t kell költeni az

nehézolajok és benzin 30%

ivóvízellátó és szennyvízhálózat kiépítésére, üzemeltetésére és karbantartására, ebből 45 Mrd jut a szennyvízrendszerre, a jelenlegi évi 25 Mrd USD folyó kiadásokon felül.

2. ábra Hidrogénforrások A cukor is jelentős forrás lehet, mivel számos

Mennyi energia van a szennyvízben? Az USA

ipari szennyvíz tartalmazza. A glükózt mikro-

350 milliós lakosságának évi szennyvizében

organizmusokkal, elsősorban clostridium-fa-

levő szervesanyag-mennyiség energiatartalma

jokkal, illetve enzimek segítségével lehet fer-

0,11 kvad, a képződő állattartási szennyvíz

mentálni. Ipari méretekben stabilan és gazda-

energiatartalma jóval többre, kb. 0,3 kvadra

ságosan működő, jó kihozatalú eljárást egyelő-

becsülhető. Az ipari szennyvizek közül 0,1

re még nem sikerült kidolgozni.

kvadra tehető energiatartalmával, csekély mik35


robás és egyéb szennyezettségével az élelmi-

Célszerűnek látszik tehát a szennyvízből,

szer-feldolgozásé a legértékesebb. Ezek az

iszapból stb. kiindulva kétlépcsős eljárással,

energiamennyiségek ugyan nem elégítik ki a

kapcsolt módon hidrogént és metánt termelni.

hidrogéntermelés feltételezett igényét, hozzá-

Az első fokozatban végbemegy a szerves rész

járulásuk azonban jelentékeny. A mai villamos

hidrolízise és a hidrogénfejlődés, a második,

erőművek beruházási költségével (kb. 1000

hosszabb idejű, vízkivonást igénylő szakasz-

USD/kW) akkor lehet majd konkurálni, ha

ban pedig az erjedés metánná. A két szakasz

sikerül évente szennyvízből kitermelni 0,1

elvileg a pH beállításával és a vízkivonási idő-

kvad értékű energiát, 3,3 Mrd USD-nél keve-

vel szabályozható, de ez a technológia ipari

sebb beruházási költséggel. Ennél nagyobb

méretekben ez idáig még nem valósult meg.

költség is elfogadható, ha a beruházás egyben a szennyvízkezelést is megoldja, vagyis része

Mikrobás tüzelőanyag-elemek

az imént említett 45 Mrd USD nagyságú, eleve szükséges kiadásnak.

A ma még fejlesztés alatt álló mikrobás tüzelőanyag-elemek várhatóan lehetővé teszik a

A metán energiájának hasznosítása

szennyvíz hidrogéntermelés után megmaradt 85%-nyi energiájának hasznosítását. A hagyományos tüzelőanyag-elemben az anódkam-

Miután a hidrogént kinyertük szennyvízből,

rába juttatott hidrogéngáz protonjaira és elekt-

hasznosításra vár a szerves maradékban még

ronjaira hasad. Az elektronok a külső áram-

meglevő energia, célszerűen metán formájá-

körben a katód felé haladva áramot hoznak

ban. A metán előállításának számos egy-két, és

létre, a protonokat az elem belsejében a kam-

háromfokozatú technológiáját dolgozták ki a

rák között protoncserélő membránon átvezetik.

keverős tankoktól az iszapfedésű, anaerob re-

A platinabevonatú katódon oxigén, elektronok

aktorokig. Az USA-ban elterjedt a szennyvíz-

és protonok egyesüléséből víz képződik. A

kezelés során a szennyvíziszap anaerob fer-

tüzelőanyag-elemben a fűtőanyagok csak ké-

mentálása, a keletkezett biogázt, azaz metánt

miai átalakítással hidrogénné alakítva használ-

azonban mint haszontalan mellékterméket még

hatók.

gyakran fáklyákban égetik el, esetleg melegítik vele a reaktort, csak ritkán termelnek belőle

A mikrobás tüzelőanyag-elemekben baktériu-

villamos energiát.

mok játsszák a katalizátor szerepét a szerves 36


anyagok oxidálásának meggyorsítására. Ennek

A mai mikrobás tüzelőanyag-elemek kis telje-

során elektronokat fognak be, majd továbbad-

sítményük miatt még nem alkalmasak gazdasá-

ják

(adenozin-

gos energiatermelésre, de fejlődésük ebben a

trifoszfát) tároló lélegző enzimeknek, majd

vonatkozásban is bíztató. Az első kísérleti pél-

ezek pedig elektron akceptoroknak, amelyek

dányok 1 m2 anódfelületre számítva még csak

lehetnek többek között vas, nitrátok, szulfátok.

1–40 mW-ot termeltek, a közelmúltban a Penn-

Ilyen módon különféle anyagokkal, így acetát-

sylvaniai Állami Egyetem laboratóriumában

tal, laktáttal, glükózzal, sőt összetett anyagok-

szennyvízből 150, glükózból 250–500 mW/m2

kal, így szennyvízzel is lehet áramot termelni.

kihozatalt értek el. Egy 2003-ban közölt belgi-

őket

energiát

ATP-ben

umi eredmény glükózzal már 3600 mW/m2. Különböző

fajtájú

mikrobás

tüzelőanyag-

elemek vannak a laboratóriumi vizsgálatok stá-

Ezek az eredmények figyelemre méltók, de

diumában. Az egyik jellegzetes konstrukció két

olcsón megvalósítható nagyobb felületekre van

tartályból áll, az egyik kamrában a baktériumok

szükség a baktériumok megkötésére és az

az anódon oxigénmentes közegben szaporod-

elektronátvitelre az anód irányába, hasonlóan a

nak, a másikban levő katódon aerob feltételek

már a gyakorlatban használt csepegtető szűrős

mellett megy végbe az oxigén és a protonok

szennyvíztisztítók biofilmjeihez. A nagyobb

egyesülése vízzé. A két kamrát polimer proton-

méretű alkalmazáshoz a túl drága platinakatód

cserélő membránt tartalmazó híd köti össze. Ez

és protoncserélő membrán helyett is valami

megengedi az elektródok közötti protonáram-

kedvezőbb árú megoldást kell találni.

lást, de ideális esetben kizárja az üzemanyag és az oxigén mozgását az edények között.

Kitekintés Egy másik változat levegővel közvetlenül érintkező katódot tartalmaz, amelyhez a pro-

Kétségtelen, hogy a fenntartható hidrogéngaz-

toncserélő membrán csatlakozik. Az egyetlen

daság elterjedéséhez még meg kell oldani szá-

reakcióterű csőreaktor közepén levő katódot

mos alapvető műszaki és tervezési feladatot. A

koncentrikus elrendezésben az anód funkcióját

Nobel-díjas Richard Smalley véleménye szerint

betöltő grafitrudak veszik körül. Ez a rendszer

az energia a legkritikusabb kihívás, amellyel

– a szakaszos kétkamrással ellentétben – al-

ma szembe kell néznie az emberiségnek, ezért

kalmas folytonos üzemű villamosenergia-

az energiatermelés merőben új és gazdaságos

termelésre háztartási szennyvízből.

módszereit kell kifejleszteni. 37


Az USA Energiaügyi Minisztériuma által hid-

séhez lényegesen nagyobb beruházásokra van

rogéntermelésre szánt keretek megoszlását mu-

szükség. A DOE tervét a fermentáció támoga-

tatja a 3. ábra.

tására a szakemberek a helyes irányba tett lépésnek tartják, de hiányolják többek között a hidrogén szénből és nukleáris energiából kiin-

interdiszciplinális 10,4%

duló előállításának támogatását. Hasonlókép-

egyetemek 7,8%

elosztás 15,6%

pen fontos a szennyvíz energetikai hasznosításának és a biohidrogén kutatásának felvételét a

biomassza 15,6%

infrastruktúraelemzés 1,6%

támogatott tudományos és fejlesztési programokba.

fotokémia 11,6%

termokémia 10,4% elektrolízis 8,3%

szeparálás 10,4%

Összeállította: dr. Boros Tiborné

átalakítás 8,3%

Irodalom 3. ábra Az USA Energiaügyi Minisztériuma hidrogéntermelésre irányuló kutatási támogatásai

[1] Logan, B.E.: Extracting hydrogen and electricity from renewable resources. = Environmental Science and Technology, 38. k. 9. sz. 2004. máj. p. 160A– 167A.

Az olyan alternatív fűtőanyagok, mint a kátrány vagy a metánhidrát elégetése nem kör-

[2] Ogden, J. M.: Prospects for building a hydrogen

nyezetkímélő. A hidrogén segíthet az energia-

energy infrastructure. = Annual Review of Energy

igény kielégítésében, de fenntartható termelé-

and the Environment, 24. k. 1999. nov. p. 227–279.

Kapcsolódó internetes honlapok: A Nemzetközi Hidrogén Energetikai Szövetség (International Association for Hydrogen Energy, IAHE) honlapja. = http://www.iahe.org/ Az USA Energiaügyi Minisztériuma keretén belül működő Megújuló Energiaforrások Nemzeti Laboratóriumának (National Renewable Energy Laboratory, NREL) hidrogénnel foglalkozó kutatási portálja. = http://www.nrel.gov/clean_energy/hydrogen.html

38

Hidrogéntermelés megújuló forrásokból

Recommend Documents