A hidrogén ígéretes és tiszta energiahordozóként egyre fontosabbá válik – különösen a klímabarátabb jövő tekintetében. Belegondolt azonban már valaha, hogy mi is pontosan a hidrogén, és hogyan állítják elő azt? Ebben a cikkben bemutatjuk a hidrogén-előállítás alapjait és technológiáit, és elmagyarázzuk, hogy mi is teszi különleges elemmé a hidrogént.
Hidrogén: A legegyszerűbb kémiai elem és összetétele
Egyszerűen megfogalmazva a hidrogén egy színtelen, szagtalan és íztelen gáz. Többek között arról ismert, hogy ez az univerzum legegyszerűbb és legnagyobb mennyiségben fellelhető kémiai eleme. A hidrogén apró részecskékből, protonokból és elektronokból áll.
Rendkívül reaktív, és más elemekkel kombinálva olyan vegyületeket alkot, mint például a víz. Erőteljes üzemanyagként használva előállítható vele elektromosság, üzemeltethetők vele járművek és hő is termelhető. Tiszta energiahordozóként a hidrogénben megvan a potenciál a környezetre gyakorolt hatás csökkentéséhez és a fenntartható energiaellátáshoz való hozzájáruláshoz.
Hidrogén-előállítási technológiák
Különféle hidrogén-előállítási technológiák léteznek, amelyek a specifikus követelményektől és a rendelkezésre álló erőforrásoktól függően alkalmazhatók. Íme néhány gyakori módszer:
A gőz-metán-reformálás (SMR):
Jelenleg ez a hidrogén-előállítás legszélesebb körben alkalmazott technológiája. Ebben az eljárásban a főként metánból álló földgázt vízgőzzel felmelegítik egy katalizátor jelenlétében. A gőzzé alakítás tulajdonképpen a földgáz „szétbontásaként” is felfogható.
A eljárás során a földgázban lévő metán reakcióba lép a vízgőzzel, ami által hidrogén (H2) és szén-monoxid (CO) keletkezik. Az így nyert hidrogént megtisztítják, hogy aztán felhasználható legyen járművek üzemanyagaként, üzemanyagcellákban történő áramtermelésre vagy különféle ipari alkalmazásokban.
Ez a módszer nem költséges, de megvannak a maga hátrányai. Melléktermékként szén-monoxid szabadul fel, amely hatással van a környezetre.
A víz elektrolízise:
Az elektrolízis során a vizet elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontják.
Napenergiával történő hidrogén-előállítás:
Ezen módszer során elektromos energia helyett napenergiát használnak az elektrolízises eljáráshoz. Ez történhet közvetlen napfény használatával, vagy a napsugárzás naptükrökkel vagy -kollektorokkal történő koncentrációja által.
Ez az új technológia olyan országokban használható, ahol kellő mértékű napfény áll rendelkezésre, és rendkívül költséghatékonnyá teszi a hidrogén előállítását.
Termokémiai hidrogén-előállítás (biológiai hidrogén-előállítás):
Egyes mikroorganizmusok, például bizonyos baktériumok vagy algák, képesek hidrogént előállítani fermentálás vagy fotoszintézis útján.
Ez a módszer még fejlesztés alatt áll, de megvan benne a potenciál, hogy fenntartható és környezetbarát hidrogénforrássá váljon. Az ilyen jellegű előállítás hátrányát az erőforrások végessége jelenti.
A hidrogén-előállítás fenntarthatósága: A megfelelő energiaforrás kiválasztása
Figyelembe kell venni, hogy nem minden hidrogén-előállítási folyamat egyformán fenntartható vagy környezetbarát. A hidrogén-előállítás fenntarthatósága a használt energiaforrástól és az előállítási folyamat során keletkező CO2-kibocsátástól függ. Ahhoz, hogy a tiszta energiaforrásnak számító hidrogén előnyeit a legnagyobb mértékben kihasználhassuk, rendkívül fontos, hogy megújuló energiaforrásokat használjunk a hidrogén-előállításhoz.
Az olyan megújuló energiák használata, mint a napenergia, a szélenergia vagy vízenergia, jelentős mértékben csökkentheti a hidrogén-előállítással járó CO2-kibocsátások mértékét, ami még fenntarthatóbbá és környezetbarátabbá teszi a hidrogén előállítását. Ez fontos lépés az alacsony szénlábnyomú jövő megvalósításához és az éghajlatváltozás megállításához.
Hogyan állítható elő nagy mennyiségű hidrogén megújuló energiaforrások segítségével?
Az elektrolízis a legígéretesebb eljárás. Az elektrolízis folyamata lehetővé teszi a hidrogén környezetbarát módon történő előállítását, különösen, ha az ahhoz használt elektromosság megújuló energiaforrásokból származik.
Az ilyen technológiák fontos szerepet játszanak annak elősegítésében, hogy a hidrogén tiszta és fenntartható energiahordozóként lépjen elő a különböző alkalmazásokban. Alaposabban is szemügyre vettük a különféle technológiákat, és sorra vettük azok előnyeit és hátrányait.
PEM-elektrolízis:
A PEM-elektrolízis, vagy más néven protoncsere-membrán-elektrolízis során a vizet egy polimermembrán és elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontják.
Előnyök:
- Gyors üzembe helyezés és gyors alkalmazkodás a különböző mértékű terhelésekhez
- Nagy hatékonyság részleges terhelésű üzem esetén
- Alacsony üzemi hőmérséklet (50–80 °C), amivel csökken a költséges anyagok használatának mértéke
- Kompakt méret és egyszerű integráció a meglévő rendszerekkel
- Magas szintű technológiai fejlettség (TRL 7-8)
Hátrányok:
- Érzékeny a vízben lévő szennyeződésekre, ezért a víz előkezelését igényli
- A PEM-üzemanyagcella élettartama korlátozott (körülbelül 10 000 üzemóra)
- A lúgos elektrolízishez képest költségesebb
Lúgos elektrolízis:
A lúgos elektrolízis során a vizet alkotóelemeire, vagyis hidrogénre és oxigénre bontják egy lúgos elektrolittal, jellemzően kálium-hidroxid vizes oldatával.
Előnyök:
- A PEM-elektrolízishez képest alacsonyabb költségek
- Ellenálló a vízben lévő szennyeződésekkel szemben
- Az elektrolitcella hosszú élettartamú (körülbelül 40 000–80 000 üzemóra)
- A legmagasabb szintű technológiai fejlettség (TRL 8-9)
Hátrányok:
- Lassabb reakciós sebesség a PEM-elektrolízishez képest
- Magasabb üzemi hőmérséklet (70–100 °C), ami nagyobb energiafogyasztáshoz vezet
- Az eltérő üzemi paraméterek miatt nehezebben integrálható a meglévő rendszerekkel
SOEC (szilárd oxidos elektrolizáló cella):
Az SOEC a szilárd oxidos elektrolizáló cella rövidítése, és egy olyan, magas hőmérsékletű elektrolitcellát takar, amely szilárd oxidokat használ elektrolitként, és a vizet magas hőmérsékleten hidrogénné és oxigénné alakítja.
Előnyök:
- Nagy hatékonyság és hővisszanyerés a magas üzemi hőmérsékletnek (800–1000 °C) köszönhetően
- Rugalmasság a különböző üzemanyagok (pl. gőz, CO2) használatát illetően
Hátrányok:
- A magas üzemi hőmérséklet miatt költséges anyagokra és speciális hőszigetelésre van szükség
- Lassú üzembe helyezés és alkalmazkodás a különböző mértékű terhelésekhez
- Nagy méretek és összetett rendszer-integráció
- Kis mértékű üzemeltetési tapasztalat a nagy volumenű alkalmazást illetően
AEM-elektrolízis (anioncsere-membrán):
Az AEM az anioncsere-membránt jelenti, és olyan elektrolizáló-technológiát takar, amely speciális, a negatív töltésű ionokat átengedő membránt alkalmaz, és elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontja a vizet.
Előnyök:
- A PEM-elektrolízishez képest alacsonyabb költségek
- Ellenálló a vízben lévő szennyeződésekkel szemben
- Alacsonyabb üzemi hőmérséklet (körülbelül 60–80 °C)
Hátrányok:
- Korlátozott fejlesztés és forgalmazás a PEM- és lúgos elektrolízishez képest
- Potenciális kihívások a membrán hosszú idejű stabilitását illetően
- Nem állnak rendelkezésre nagy volumenre méretezett rendszerek.
- Alacsony szintű technológiai fejlettség.
Összefoglalva, meg kell jegyezni, hogy a különböző elektrolízis technológiák hatékonysága, költsége és teljesítménye továbbfejleszthető. A megfelelő technológia kiválasztása a konkrét alkalmazástól, működési körülményektől és célkitűzésektől függ. A jövőben várhatóan további javulás várható a hatékonyság, a költségcsökkentés és a teljesítmény terén, ami hozzájárul a hidrogén mint tiszta energiahordozó szélesebb körű alkalmazásához.
A hidrogén-alkalmazások teljes körű kiszolgálása
Az Atlas Copco a hidrogénértéklánc minden területén biztosít hidrogén-berendezéseket. Emellett rendkívül hatékony, biztonságos és megbízható berendezéseket kínálunk számos megújuló energiaforrással kapcsolatos alkalmazáshoz. Kínálatunk kiterjed a töltőállomások és a H2-előállítóhelyek számára készült hidrogénkompresszorokra, a nagy ipari létesítményekben történő szén-dioxid-felfogásra és -visszanyerésre, valamint a biogáz upgrade üzemekre is.
