Hidrogén – Fehér Könyv
2021/2. lapszám | Magyar Energetika | 1126 |
2021. június 4-én, jóval lapzártánk után mutatták be az érdeklődőknek a hidrogén-technológiai Fehér Könyvet a budapesti Info Parkban, a Természettudományi Kutatóközpont székházában. Az alábbiakban a több, mint 300 oldalas dokumentumból közlünk összefoglalót Mayer Zoltánnak, a Magyar Hidrogén- és Tüzelőanyagcella Egyesület titkárának hozzájárulásával és segítségével.
A Fehér Könyv a számos intézményt és szakértőt felvonultató szerzői kollektíva meghatározása szerint „stratégiai megalapozó tanulmány a hazai hidrogén és hidrogéntechnológiai szektor fejlesztéséhez.” A Nemzeti Hidrogéntechnológiai Platform 2020 áprilisában alakult, létrehozását és működését az Innovációs és Technológiai Minisztérium és az Eötvös Lóránd Kutatási Hálózat (ELKH) támogatta. Működésének első fázisát zárta le és összegezte a június 4-i konferencia. A Platform tagsága az indulás óta megközelítette a 80-at, köztük legnagyobb arányban vállalatok találhatók, de számos hazai egyetem, kutatóintézet, egyesület, háttérintézmény is a tagság része. A Fehér Könyv elkészítésén öt munkacsoport dolgozott, munkájukat a jelentős hazai vállalatok és intézmények koordinálták: az MVM, a MOL és az FGSZ, valamint a Közlekedéstudományi Intézet, a Természettudományi Kutatóközpont és az AVL Hungary. A dokumentum nem titkolt célja, hogy a stratégiaalkotás megalapozása mellett megismertesse az érdeklődő közvéleménnyel a hidrogéntechnológiák lényegi elemeit, alapfogalmait, hogy a jövőben kialakuljon az a közös nyelv, amelynek segítségével a témával foglalkozó szakértők azonosan értelmezhetik a ma még nem igazán elterjedt fogalmakat, valamint bemutatja azt a – részben jogi szabályozási – hátteret is, amelynek alapján a hidrogéntechnológiák jelenlegi állása és várható fejlődési pályáik is megismerhetők. A Platform működése során az események felgyorsultak, és időközben a hazai szakpolitika (ITM) egy önálló, tematikus hidrogénstratégia kidolgozása mellett is döntött. Utóbbi – jelentős részben – a Platform felméréseire, a Fehér Könyv tervezetére építve elkészült, és május végén a kormány el is fogadta. Ennek eredményeképpen az eredetileg a Fehér Könyv és a Platform bemutatására tervezett konferencia kibővült, és június 4-én dr. Palkovics László a „friss” Nemzeti Hidrogénstratégiát is bemutatta.
A korai előzmények közé tartozik, hogy a 2000-es évektől kezdődően egyre gyakrabban találkozhattunk a médiában is a különböző hidrogéntechnológiákkal és magával a hidrogénnel, mint sokoldalúan használható (köztes) energiahordozóval, illetve üzemanyaggal. Napvilágot láttak különböző szintű Európai Uniós energiapolitikai, klímapolitikai, közlekedéspolitikai stratégiák, jogszabályok is, amelyek ugyancsak foglalkoztak a hidrogénnel. A folyamat 2020-ban érkezett el az eddigi legjelentősebb mérföldkőhöz, amikor kihirdették az EU Hidrogén stratégiáját1. A Fehér Könyv – jóllehet terjedelmi okokból csak vázlatosan – áttekinti az Európai Unió szakpolitikájának ezt az ágát is, mert egyértelmű, hogy a hidrogén alapú energetika és mobilitás mára annak szerves részévé vált és az unió törekvéseivel (dekarbonizáció, a megújuló energiaforrások növekvő integrációja, decentralizált energiatermelés, okos hálózatok stb.) a legteljesebb összhangban áll.
Az EU jogszabályok közül a dokumentum kiemeli az energiatermékek és a villamos energia adóztatási irányelvét (2003/96/EK), amelynek jelenleg folyó felülvizsgálata során célul tűzték ki, hogy az energiatermékek adóztatását a 2030-as klímavédelmi vállalásokhoz és a 2050-es klímasemlegességi célkitűzéshez igazítsák. A 2007-ben kiadott Stratégiai Energiatechnológiai Terv (SET Plan)2 szerint „… ki kell fejleszteni a hidrogén-üzemanyagcellákkal működő járművek kereskedelmét lehetővé tevő technológiákat, és meg kell teremteni az ipar számára e járművek forgalmazásához szükséges feltételeket.” A Fuel Cells & Hydrogen Joint Undertaking az EU legfontosabb, kifejezetten hidrogéntechnológiai projektek és K+F+I tevékenységek támogatására szolgáló szervezete, amely 2008 óta működik, és 2021-től Clean Hydrogen for Europe (CH4E) néven folytatja tevékenységét az előttünk álló hétéves költségvetési periódusban. Az alternatív üzemanyag infrastruktúra irányelv (AFID, 2014/94/EU) a hidrogén üzemanyag- infrastruktúrával kapcsolatban számszerű célokat nem határoz meg, de önálló cikkben tárgyalja ennek lehetőségeit és így fogalmaz: „A tagállamok, amelyek úgy döntenek, hogy a nemzeti szakpolitikai kereteikbe felveszik a nyilvánosan hozzáférhető hidrogén-töltőállomások létesítését, biztosítják, hogy 2025. december 31-re megfelelő számú ilyen töltőállomás álljon rendelkezésre ahhoz, hogy biztosított legyen a hidrogénüzemű – köztük az üzemanyagcellás – gépjárművek közlekedése az érintett tagállamok által meghatározott hálózatokon belül…” Külön kiemelendő, hogy Magyarország is azon tagállamok közé tartozik, amely az AFID irányelv keretében kidolgozott ún. Nemzeti Szakpolitikai Keret dokumentumában (2016) a hidrogén-mobilitás fejlesztését is – ha szerény mértékben, de – célként jelölte meg. A Green Deal (2019) és a Helyreállítási Terv (Recovery Plan, 2020) is hangsúlyozza, hogy az alternatív üzemanyagok infrastruktúráját erősíteni kell, mivel az eredeti (2014-es) AFID irányelv nem hozta meg a remélt előrelépést. A 27 uniós tagállamban 2020 júliusában összesen több, mint 167 ezer elektromos, 3700 nagynyomású vagy folyékony földgáz-, és 113 hidrogén-üzemanyag töltőállomást számláltak. Iparági előrejelzések alapján valószínűsíthető, hogy az AFID irányelv módosításának következtében a hidrogén-töltőinfrastruktúra is be fog kerülni a tagállamok által kötelezően kiépítendő infrastruktúrák körébe (az eddigi, „ajánlott/ választható” státusza helyett).
Az EU Hidrogén Stratégiája három fázisban, lépésről-lépésre tervezi kialakítani az európai hidrogén-ökoszisztémát. Az első szakaszban (2020–2024) a cél a hidrogén-előállítás környezetbaráttá tétele (zöldítése), a hidrogén iránti kereslet felfuttatása és uniós szinten 6 GW elektrolizáló kapacitás kiépítése, valamint 1 millió tonna zöld hidrogén előállítása. A második fázisban (2025–2030) a hidrogén az integrált európai energiarendszer szerves részévé válik és létrejön az európai hidrogénpiac. A 40 GW elektrolizáló kapacitás évi 10 millió tonna hidrogént állít elő. Ebben az időszakban a zöld hidrogén egyes ágazatokban (egyes közlekedési módokban, az acélgyártásban) és a villamosenergia-rendszerek szabályozásában is aktív szerepet kap. A 2030-at követő harmadik fázisban a hidrogénnek alapvető szerepe lesz az európai energetikai rendszerben, a megújuló alapú hidrogénelőállítási technológiák kiforrottá, széles körben alkalmazottá válnak, támogatás nélkül is versenyképesek lesznek.
Hazánkban a 2011-es „Nemzeti Energiastratégia 2030” említi először a hidrogéntechnológiákat, de a gyakorlat szintjén nem történt előrelépés. A 2020-ban elfogadott új energiastratégia a hidrogén szerepét a megújuló villamosenergiatermelés integrálásában, rugalmasságának növelésében, az energiatárolásban, a hazai ellátásbiztonság erősítésében és a dekarbonizációs célok elérésében jelöli meg. Az energetikában új távlatként tekint a hidrogéntüzelésű(vé átalakítható) gázturbinákra. Az ugyancsak 2020-ban elkészült Nemzeti Energia és Klímaterv a hidrogén energetikai célú alkalmazását hangsúlyosan a földgázhálózati bekeverésben látja és megvizsgálni tervezi a földgáztárolói kapacitások egy részének hidrogéntárolásra való átalakításának lehetőségét is.
A témakör nemzetközi háttere iránt érdeklődők képet kapnak a dokumentum alapján a német, a francia, a portugál hidrogénstratégiáról is. A hidrogéngyártási technológiák közül elsőként a kifejezetten energiaigényes gőzreformálási vagy szénelgázosítási technológiát említi, amelyek során földgázból vagy szénből gyártanak ún. „szürke” hidrogént. Nagyobb üzemekben az előállítási költség 1,5-2,5 EUR/kg, és 1 kg hidrogén előállítása során a fölgáz reformálási eljárás során kb. 10-11 kg szén-dioxid keletkezik. Ha a gyártás során keletkező gázban található széndioxidot leválasztják (CCS, CCUS), az így előállított hidrogént „kék” hidrogénnek nevezik. „Sárga” jelzővel illetik a nukleáris erőműben termelt villamos energiából előállított hidrogént. A „zöld” hidrogént vagy gőzreformálással állítják elő biológiai alapú nyersanyagok felhasználásával, vagy víz elektrolízissel történő bontásával, mely utóbbi esetben a villamos energiát megújuló energiaforrások szolgáltatják. A zöld hidrogén előállítása egyelőre jóval költségesebb. A dokumentum megemlít még jelenleg kevésbé érett, zöld hidrogén előállítására alkalmas módszereket is, pl. a közvetlen vízbontást napenergia segítségével és a biológiai hidrogéntermelést (algákkal vagy baktériumokkal).
A Fehér Könyv részletesen tárgyalja a hidrogén lehetséges szerepét a megújuló energiaforrások integrációjában, az energiatárolásban és az energiarendszerek szabályozásában. Kiemeli, hogy az ún. power-to-gas technológiával lehetőség nyílik arra, hogy a megújuló energiaforrásokból termelt villamos energiát hidrogén előállítására használják, amely hoszszú távon is tárolható az erre felkészített, műszaki és biztonsági követelményeknek megfelelő színvonalú földgázrendszerben, vagy a hidrogén tárolására alkalmas geológiai formációkban. Az eddigi vizsgálatok bíztatóak a tekintetben, hogy a Magyarországon előforduló porózus tárolók is alkalmasak lehetnek hidrogén, vagy hidrogénföldgáz elegy tárolására, de e területen még számos, és a legtöbb esetben egyedi kutatás szükséges. Az így átalakított és tárolt hidrogén később ismét használható – egyebek mellett – villamos energia előállítására is. Ebből a szempontból a vízbontás útján előállított hidrogén termelése azt a lehetőséget nyújtja a dekarbonizáció útját járó gazdaságnak és társadalomnak, hogy az időjárásfüggő megújulókból termelt villamos energia olyan időszakokban is felhasználható legyen, amikor egyébként a kínálat nem elégíti ki a villamosenergia-keresletet.
A hidrogén szállításáról értekezve a dokumentum kifejti, hogy a hidrogén meghatározott mennyiségben beinjektálható a földgázhálózatba – az előzetes vizsgálatok alapján nagyjából 10–20 térfogat% közötti arányig anélkül, hogy jelentősen meg kellene változtatni a jelenleg rendelkezésre álló infrastruktúra elemeket. Ez az egyik jelentős előnye a földgázinfrastruktúrának a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésének elérése érdekében, ráadásul a meglévő rendszer nagy mennyiségű hidrogén szezonális tárolásra is alkalmas nagy területi kiterjedtsége és jelentős pufferkapacitása révén.
A hidrogén közlekedési célú felhasználását tekintve kiemelt fontosságúak a hidrogén töltőállomások. A hidrogén üzemű mobilitás elterjedéséhez szükséges, hogy létrejöjjön egy országos hidrogén töltőállomás- hálózat személy- és teherautók számára. Szükség lesz ezen kívül nagy teljesítményű, azaz nagyobb kapacitású tárolóval és nagy átáramlási kapacitással rendelkező töltőállomásokra is, amelyek képesek buszok, teherautók, vonatok töltésére. E töltőállomások több tonna hidrogént kell tudjanak kitankolni napi szinten, a tárolótartályoknak, illetve kompresszoroknak pedig képesnek kell lenniük a gyors feltöltésre. Jelenleg a járművek tankjait 350, vagy 700 bar nyomásúra tervezik; előbbi főként buszok, teherautók esetében jellemző; utóbbi (magasabb) nyomásszint a személyautók esetében jellemző. A ma ismert tüzelőanyagcellás hidrogénüzemű autóbuszok hatótávolsága eléri a 300–400 km-t. Az üzemanyagtartályok feltöltése 7–15 percet vesz igénybe. Számos gyakorlati alkalmazás ismert a hidrogénhajtású vonatokkal kapcsolatban is. Az utóbbi 1-2 évben piacra lépett üzemanyag-cellás személyautók hatótávja 600-650 km, és ezek teljes felöltése kb. 4 perc alatt lehetséges. A légi járművek hagyományos hajtóművei csak megfelelő átalakítással válhatnak alkalmassá a hidrogén elégetésére, és nagy kihívást jelent a folyékony hidrogén tárolása a repülőgépekben.
A tüzelőanyag-cellás technológia kapcsolt hő- és villamosenergia termelésre (CHP) is alkalmas, amely a tüzelőanyag belső energiatartalmát elektrokémiai folyamat során – egyetlen lépésben – hő- és villamosenergiává alakítja át. A megfelelően méretezett és telepített tüzelőanyagcellás alapú CHP egységek eredő hatásfoka optimális hőhasznosítás esetén 90% feletti, villamos hatásfokuk legalább 55%, tehát az ilyen berendezések széles körű alkalmazása érdemben hozzájárulhat a primerenergia-felhasználás csökkentéséhez, így a dekarbonizációs folyamathoz. A tüzelőanyag-cellás rendszerek belső tüzelőanyaga hidrogénben dús közeg, függetlenül a rendelkezésre álló külső tüzelőanyagtól, amely adott esetben hidrogén vagy tetszőleges öszszetételű és halmazállapotú szénhidrogén is lehet. Egyes típusok a hidrogén közvetlen hasznosítására is alkalmasak, tehát a külső és a belső tüzelőanyag azonos. Szükség esetén a külső tüzelőanyagot a reformer egység alakítja át hidrogénben dús, gáz halmazállapotú belső tüzelőanyaggá.
A Fehér Könyv részletesen ismerteti több jelentős, hidrogéntechnológiai vállalat pénzügyi és piaci helyzetét és lehetőségeit, kiemelve, hogy a hidrogén előállítása és energetikai vagy más célú hasznosítása egyelőre nem versenyképes állami támogatások nélkül. A megújulókat előnyben részesítő globális politikai légkör és a támogatások okán emelkedő részvényárfolyamok nem téveszthetik meg a tervezőket, a technikai- technológiai innováció töretlen folytatása és erősödése szükséges ahhoz, hogy a hidrogén középtávon valós piaci szereplővé válhasson.
Az Innovációs és Technológiai Minisztérium 2020 második felében a hazai hidrogén- felhasználásra és -előállításra kereslet/ kínálat szempontú felmérést végzett. Ehhez egy kifejezetten e célra szolgáló adatlapot dolgoztak ki, amely a kereslet-kínálati viszonyok mellett a hidrogén szürke, kék, zöld, sárga vagy esetleg melléktermék jellegére is fókuszált. Ez volt az első ilyen jellegű felmérés Magyarországon (45 kitöltés érkezett), amelynek alapján megállapítható, hogy a hidrogén iránti kereslet 2050-ig akár a 16-szorosára is emelkedhet, miközben a hazai kínálat növekedése csupán 70%-osra tehető. Ez feszítő ellentét, amelyet valamilyen módon fel kell majd oldani. A hazai felmérésben is megjelenik a zöld hidrogén prioritása, de ha a várható igény teljes egészét elektrolízissel akarnánk előállítani, ez ma még irreálisnak tűnő mennyiségeket eredményezne (2050-re 35,8 TWh-nyi zöld áramra lenne szükség).
A Fehér Könyvet készítő tematikus munkacsoportok külön-külön is megfogalmazták a legfontosabb következtetéseiket. Az „Energiapolitikai ajánlások és villamos energetika” munkacsoport nagy figyelmet fordított a hidrogén formájában történő energiatárolásra (power-to-gas) és a hidrogéntechnológiák lehetséges alkalmazására a rendszerszintű szolgáltatások piacán. Utóbbi tekintetében megállapításuk szerint szabályozási oldalról is biztosított, hogy a vízbontó berendezések részt vehessenek a rendszerszintű szolgáltatások piacán, amellyel a megújuló hidrogén termelésén túl, a rugalmasan szabályozható kapacitások segíthetik a lokális hálózati problémák kezelését és hozzájárulhatnak a villamosenergia-rendszer egyensúlyának biztosításához is.
A „Gázhálózati” munkacsoport – ismertetve a jelenlegi hazai helyzetet – arról adott tájékoztatást, hogy a jelenlegi, évi kb. 100-150 ezer tonna hidrogéntermelés gyakorlatilag teljes egészében „szürke” hidrogént jelent Magyarországon, amelyet főképp a kőolajfinomításban és az ammóniagyártásban, valamint egyes vegyipari műveletekben használnak fel. A szürke hidrogén „kékítését” és az elektrolízissel történő hidrogéngyártást egyelőre csak a fejlettebb világban megvalósított projektek alapján tudták értékelni és a magas költségekre hívták fel a figyelmet. A szállítás és tárolás tekintetében fontos tényező, hogy a hidrogén fizikai tulajdonságai jelentősen eltérnek a metánéitól, könynyebben szivárog a kötéseknél és a tömítéseknél; emellett az egységnyi térfogatra számított energiatartalma harmada a metánénak.
A „Közlekedési” munkacsoport rövid távon a vasúti közlekedés kiválasztott vonalain lokális projekteket, középtávon az infrastruktúra fejlesztésével párhuzamosan a közúti áruszállításban és a közösségi közlekedésben, hosszú távon akár a személygépjárművek és a városi szállítás, valamint a vízi közlekedés területén javasolja pilot projektek megvalósítását.
A „K+F+I és oktatási” munkacsoport a rendszerintegráció (közlekedési rendszerek, telepített energiaellátás rendszerei, értékláncot összekötő rendszerek), a technológiai egységek fejlesztése (elektrolizálók, tüzelőanyag-cellák, turbinák, tartályok stb.) és az egyes elemek, komponensek fejlesztése területén lát hazai lehetőségeket.
Az „Iparfejlesztési lehetőségek” munkacsoport megállapítása szerint Magyarországon jelenleg az iparban a hidrogén alapú technológiák elsősorban a felhasználói, alkalmazói mintsem a fejlesztési oldalon vannak jelen. Ugyanakkor az érdeklődés és a szándékok iránya lassanként várhatóan a rendszerintegráció felé tolódhat el, valamint a hidrogéngyártás és -tárolás terén is várható előrelépés.
Az ún. horizontális területeken az oktatás, az ismeretterjesztés, a pályázati háttér és a projektfinanszírozás, valamint a nemzetközi együttműködés elmélyítésének fontosságára hívja fel a figyelmet a Hidrogéntechnológiai Fehér Könyv.
Jegyzetek
- COM (2020) 301
- COM (2007) 723
