1 55 év tapasztalat, nemzetközi háttér, európai színvonal Dr. Stróbl Alajos (ETV-ERŐTERV) XP Hidrogén az energiagazdálkodásban Budapest, december 8. 17:05-17:35 30 perc alatt 35 színes ábra – animálva és időzítve Energiapolitika 2000 Társulat Energiapolitikai Hétfő Esték

2 Hidrogén-gazdálkodás alapjaiból A fejlett, „nyugati” világ már több mint 150 éve foglalkozik a hidrogénnel, mint vegyi alapanyaggal és energia- hordozóval. Főleg a vegyipari használata terjedt el előbb. Például a nitrogén-alapú műtrágyagyártásnál – földgázból (NH 3 ). Városi gáz-összetevőként nálunk is elterjedt volt. A léghajózástól az űrhajózásig terjedő közlekedési szak- ma is kiemelten foglalkozott, foglalkozik a hidrogénnel. Kiépültek már nagy és kiterjedt ellátórendszerek. Például Németországban 210 km-es csőhálózattal 18 ipari várost összekötve, vagy az USA-ban (Teeside, NASA). A fejlődést ma egyértelműen az olaj távlati helyettesíté- sének ígérete serkenti, de a megújuló források terjedésé- hez is köthető a hidrogén-gazdálkodás formálódása.

3 Az energia átalakítása szén, lignit kőolaj olajpala, olajhomok földgáz metánhidrátok urán, tórium, deutérium trícium (lítium) nap szél víz, árapály hullám földhő biomassza villamos energia távhő üzemanyagok földgáz egyéb gázok kőolaj-finomítási termékek szénnemesítési termékek egyéb szilárd tüzelőanyagok hidrogén hajtások fűtési hő ipari hő meleg víz fény informatika és kommunikáció egyéb t e r m e l ő i á t a l a k í t á s o k alapenergia f o g y a s z t ó i á t a l a k í t á s o k végső energia hasznos energia   70%   50% hatásfok megújuló atom fosszilis karbonmentes CO 2 -kibocsátás Forrás:

4 A hidrogén alapvető fizikai adatai Hidrogén Deutérium Trícium Atomi tömegegység 1, ,0140 3,01605 Természetes előfordulás, % 99,985 0,015 ~ Felezési idő, év- - 12,26 Ionizációs energia, eV 13, , ,6038 Termikus neutronbefogás keresztmetszete ( cm 2 ) 0,322 0,51 x 10-3 <6 x10-6 Nukleáris spin, h/2π +1/ /2 Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p. 72. Hidrogénből van a világon a legtöbb, de a Földön szabadon csak vulkáni gázokban és a magas légkörben van igen kevés (0,01%).

5 A hidrogén-molekulák fizikai adatai Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p. 75 Molekula n-H 2 n-D 2 n-T 2 HDHTDT Tömegegység2,0164,0296,0343,0224,0255,022 Disszociációs energia, eV4,4734,5524,51 Hármaspont hőmérséklet, K nyomás, kPa 13,96 7,3 18,73 17,1 20,62 21,6 16,6 12,8 17,63 17,7 19,71 19,4 Kritikus pont hőmérséklet, K nyomás, kPa normál forráspont, K 32,98 1,31 20,39 38,35 1,67 23,67 40,44 1,85 25,04 35,91 1,48 22,13 37,13 1,57 22,92 39,42 1,77 24,38 Sűrűség (n-bp-nél) (folyékony) ρ L, kg/m 3 (gőzfázis) ρ V, kg/m 3 párolgási hő, J/mol (25 K) 70,811 1, ,50 2, ,17 3, ,80 1, ,62 2, ,54 2,

6 Az égési és a robbanási adatok Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p. 91. TüzelőanyagHidrogénMetánPropánBenzin Gázsűrűség normál állapotban, kg/m 3 Párolgási hő, kJ/kg Alsó fűtőértéke, kJ/kg Felső fűtőérték (égéshő), kJ/kg Hővezetési tényező (n.á), mW/cm.K Diffúziós együttható (n.á), cm 2 /s Lobbanási határ a levegőben, térfogat % Robbanási határ a levegőben, térfogat % Határ oxigén indexe, térfogat % Sztöchiometrikus arány a levegőben, térf. % Minimális gyújtási energia, mJ Öngyulladási hőmérséklet, K Lánghőmérséklet a levegőben, K Max. égési sebesség a levegőben, m/s Robbanási sebesség a levegőben, km/s Robbanási energia, tömegre, gTNT/g Robbanási energia térfogatra, gTNT/m 3 0, , ,897 0,61 4,0 – 75 18, ,53 0, ,46 1,48 – 2, ,02 0,65 509, ,33 0,16 5,3 – 15 6,3-13,5 12,1 9,48 0, ,45 1,4 – 1, ,03 2, ,18 0,12 2,1 – 9,5 4,03 0, ,47 1, ,5 4, ,112 0,05 1 – 7,6 1,1 – 3,3 11,6 1,76 0, – ,76 1,4 – 1, ,2

7 Hidrogén egyszerűsített fázisábrája Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p. 76 H gáz H 2 folyékony H 2 szilárd H 2 gáz fém folyékony fém kritikus pont hármaspont 0°C, 1,013 bar 0,01 0,0001 P T

8 Határok hidrogén, levegő, víz keverékre Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p % 80% 60% 40% 20% 0% 0% 20% 60% 40% 80% 0% 20% 40% 60% 100% levegőtartalom hidrogéntartalom vízgőz-tartalom 42°C és 100 kPa mellett olvasási irány

9 A hidrogén-előállítás módszerei Hidrogén FosszilisenergiahordozókbólVízbőlelektrolízisselBiomasszából, új fejlesztésekkel FöldgázOlajSzénMegújulókAtomElgázosítás Biológiai gőzreformálások elgázosítások parciális oxidáció hagyományos lúgos protoncserélős nagyhőmérsékletű elgázosítások fotoszintézis baktériumos termo-fizikai termo-kémiai foto-biológiai radiokémiai plazmakémiai Egyéb vízbontással

10 A hidrogén-termelés gyakorlata Biomasszából (elgázosítás, fluid-ágyas eljárások) Termo-kémiai (vízbontás 2000°C felett, jelenleg °C között, többfokozatú) Termo-fizikai (katalitikus eljárások, 2000°C) Foto-elektrokémiai Foto-biológiai (bio-fotolízis, foto-trópikus baktériumok) Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p a) Fosszilis tüzelőanyagokból – régi és újabb módszerekkel b) Elektrolízises vízbontással – régi és újabb módszerekkel Földgázból (pl. CH H 2 O = 4 H 2 + CO 2, katalitikus gőzreformálással) Olajból (pl. parciális oxidációval) Szénből (szénelgázosítással, vízgáz-reakcióval izzó szénen) Hagyományos (H 2 O = H 2 + ½ O 2, –237 kJ/mol, 1,23 V, 25°C, 1 bar) Lúgos (30% KOH, azbeszt elektródák, kis és közepes mérettel 0,5-5 MW); Szilárd polimer elektrolit (protoncserélő membrános, 100 kW, 80-90%) Nagyhőmérsékletű (gőzős, 700°C) c) Egyéb módszerekkel – újabb módszerekkel, fejlesztéssel

11 A hidrogéntermelés jelene az éves termelés kb. 45 millió tonna ennek 96%-a fosszilis tüzelőanyagból a piaci kereslet évente kb. 6%-kal nő Forrás: Clean Energy Partnership; Wasserstoff –

12 Energiaellátás hidrogéntárolással Forrás: VGB PowerTech, 88. k. 8. sz p. 35. nap- erőmű szél- erőmű viz- erőmű gáz- erőmű szén- erőmű atom- erőmű elektrolízisjármű hidrogén-tároló villamos hálózat jármű szén-dioxid v. tárolása v. tárolása nukleáris v. tárolás v. tárolás tárolós rendszer külön villamos hálózat vagy a n. hálózat nem veszélyeztetett része nap szél víz olaj gáz szén urán villamos fogyasztók csökkentett emisszió emisszió H2OH2O H2OH2O O2O2 O2O2 CO 2 CO 2 -leválasztás H2H2 CO 2 NO x tüzelőanyag-elem normál motor hibrid hajtás

13 Mesterséges fotoszintézissel Forrás: VGB PowerTech, 88. k. 8. sz p. 36. nap- erőmű szél- erőmű viz- erőmű gáz- erőmű szén- erőmű atom- erőmű elektrolízis hidrálás hidrogén-tároló villamos hálózat szén-dioxid v. tárolása v. tárolása nukleáris v. tárolás v. tárolás tárolós rendszer külön villamos hálózat vagy a n. hálózat nem veszélyeztetett része nap szél víz gáz szén urán villamos fogyasztók H2OH2O H2H2 O2O2 O2O2 CO 2 CO 2 -leválasztás elgázosítás üzemanyag tárolása tárolása biomassza CxHyCxHy mesterséges üzemanyag technikai fotoszintézis CO 2

14 Energiaátalakítás a hajtásokhoz CO 2 -mentes erőmű áramtermelés földgázszén földgáz szén biomassza villamosenergia mesterséges gázok (H 2, CO, CO 2 )elektrolízis heterogén katalitikus szintézis hidrogén leválasztása metanol„sunfuel” hidrogén földgáz H2H2 CO 2 CO 2 -tároló H2H2 H2H2 Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 58. kötet, 1/2. szám, p. S3. H2H2

15 A megújuló energia átalakítása Villamos energia HőenergiaHőenergiaÜzemanyagÜzemanyag Víz (árapály, hullám) Víz (árapály, hullám) Szél Nap hőszivattyú hidrogén Földhő (geotermikus) Földhő (geotermikus) Bio (gázok, hulladék) Bio (gázok, hulladék)

16 A hidrogén-előállítási módszerek Technológia Várható H 2 - termelési költség, USD/GJ Felhasz- nálható a megújuló forrás? Kihatás más folyamatokra Műszaki méret lehetősége H 2 /víz ciklus Egyéb ciklus Karbon- ciklus Földgáz-reformálás12-18nemkicsinagy jó Szénelgázosítás13-18nemkicsinagy jó Biomassza-elgázosítás14-25igennagy közepes Szárazföldi szél22-30igenkicsi alacsony közepes Tengeri szél27-37igenkicsi alacsony közepes Naperőműves elektrolízis32-42igenközepes alacsony jó Napelemes elektrolízis52-82igenközepes alacsony közepes Atomerőműves elektrolízis20-27nemközepes alacsony jó Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p. 54. IEA adatok (Word Energy Investment Outlook, 2003, p. 425) Összehasonlító akkori versenytárs-árak: benzin 8-10 USD/GJ, földgáz 7-9 USD/GJ

17 Hidrogéntermelés földgázból kén- leválasztó földgáz víz katalitikus gőzreformálás nagy- és kishőmérsékletű vízgáz-reakció H % H 2 O 5-10% CO % CO 5-10% H % H 2 O 2- 5% CO % CO 3- 5% H % H 2 O 1% CO % CO 0,5-2% H % CO % CO 0,5-2% CH 4 +H 2 O  H 2 +CO 2 +CO t= °C, p=3-25 bar CO+H 2 O  H 2 +CO 2 t= °C t= °C kondenzálás H % CO 2 1-2% CO 0,5-2% CO 2 - abszorpció Forrás: Wootsch: Hydrogen production and purification. = Első Nemzetközi Hidrogén Energetikai Fórum, Bp előadás

18 Hidrogéngyártás lúgos elektrolízissel Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p Gyárak Termelési kapacitás, Nm 3 /h GHW, Németország Hydrogen Systems, Belgium Indroenergy, Olaszország Norsk Hydro ASA, Norvégia Stuart Energy Systems, Kanada The Electrolyser Coorporation, Kanada Wasserelektrolyse Hydrotechnik, Németország 12 – – 100 0,4 – – – 60 0,05 – 65, Forrás: Suresh, stb. „CEH Product Review: HYDROGEN = Chemical Economics Handbook, SRI Consulting

19 Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p Hidrogéngyártás lúgos elektrolízissel

20 Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p Hidrogéngyártás lúgos elektrolízissel

21 Hidrogéngyártás SPE rendszerrel Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p Gyárak Termelési kapacitás, Nm 3 /h Giner, Inc. USA H2-interpower GmbH, Németország Mitsubishi Corp., Japán Proton Energy, USA Shinko Pantec Kobe, Japán Space Systems International, Inc. USA 4 – 12,8 0,02 – 0,04 - 0,5 – 1 0,5 – Forrás: Suresh, stb. „CEH Product Review: HYDROGEN = Chemical Economics Handbook, SRI Consulting SPE = Solid-Polymer Electrolysis = Szilárd Polimer Elektrolízis Kifejlesztette a Gerneral Electric 1967-ben

22 A tárolás jövője a hidrogéniparban hidrogén-gazdálkodás termeléstárolás,szállításfelhasználás gáznemű folyékony szilárd 700 bar, normál vagy kis hőmérséklet, nehéz, nagy energia- igény -253°C, normál vagy nagy nyomáson, nehéz, nagy energia- igény atomos vagy moleku- lás abs., nem robban, könnyű, kis energia- igény fém-hidridek vegyi hidridek nano-karbonok fém-nanokarbonok, hibrid anyagok Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 58. kötet, 1/2. szám, p. 29.

23 A hidrogén tárolásának technológiái Technológia Tárolási sűrűségÜzemelési … Megjegyzés tömeg, % térfogat, kg H 2 /m 3 hőmérséklet °C Nyomás, bar Nagynyomású kom- pozit hengeres tartály (700) Jelenlegi kínálat mobil használatra bemutatós járművekhez Folyékony hidrogén Nagyobb mennyiséghez. Nagy stabil létesítéshez. Nagy felületű anyaggal (physisorption) 2 – – 50 Gázok és felületek köl- csönhatása alapján. Kis térfogatsűrűség. Fémhidridek kis hőmérsékleten – 9 Kis PEM cellákhoz és motorokhoz. Korlátolt tömeggel. Fémhidridek nagy hőmérsékleten 7~3002 – 10 Korlátozza a gyakorlati tapasztalat. Termikus irányítási gondok. Összetett hidridek18150>1001 Nem megújuló forrású járművekhez. Hulladék- termelés visszavezetése. Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p. 59

24 Hidrogén-tárolási jellemzők ≈ 100 ≈ folyékony H bar H bar H 2 folyékony CH 4 cél 2010-re cél 2015-re C 2 H 6 C 3 H 8 C 8 H 18 C 2 H 5 OH CH 3 OH NH 3 NH 3 BH 3 (3) NH 3 BH 3 (2) NH 3 BH 3 (1) LiBH 2 (1) LiBH 2 (2) Mg(OMe) 2.H 2 O AIH 3 NaBH 4 LiAIH 4 KBH 4 NaAIH 4 11MaqNaBH 4 decaborane hexa-hidro-triazin MgH 2 CaH 2 NaH Mg 2 NH 4 FeTiH 1,7 TiH 2 LaNi 5 H 6 LiBH 4 Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 58. kötet, 1/2. szám, p. 29.

25 A hidrogén-folyamat hatásfoka szállítás,elosztás,tárolás elektrolízismegújulóenergia-forrásfelhasználás(villamosmotor)átalakítás(tüzelőanyag-elem) Hidrogén előállítása bio 15-40% 70% 80-90% 60% 80% biomassza 10-28% 8-25% 5-15% 4-12% Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p. 64. szél 100% 70% 80-90% 60% 80% szélerőmű 70% 55-66% 30-40% 25-30%

26 Fajlagos költségek és kibocsátások fosszilis eredet megújuló eredet folyékony H 2 nyomott H 2 metanol dízel etanol földgáz Német- országban benzin, dízel fogyasztóknál, december (adókkal) biodízel dízel nyomott H 2 nyomott v. cseppfolyós H 2 nyomott földgáz földgáz olaj (Brent) cukorrépa repce fa szélerőmű naperőműves villany fosszilistől megújulóig Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 58. kötet, 1/2. szám, p. 29. Adók és CO 2 -többletek nélkül.

27 A hidrogén előállítási költségeiről Forrás: Dőry Zsófia (BME) debreceni előadása (ENERGOexpo, szept. 24) USD’2004/kg központi helyszíni

28 A tüzelőanyag-elemek típusai Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p fel nem használt tüzelőanyag tüzelőanyagO 2 / levegő fel nem használt O 2 / levegő SOFC MCFC PAFC DMFC PEMFC AFC H 2 /CO H2H2 CH 3 OH H2H2 H2H2 O2O2 O2O2 O2O2 O2O2 O2O2 O2O2 H+H+ H+H+ H+H+ OH - CO 3 2- O 2- szilárd oxidos olvadt karbonát foszfor- savas direkt metanol polimer elektrolit lúgos nagyhőmérsékletű kishőmérsékletű >800°C 650°C 200°C 60 – 120°C < 90°C < 80°C

29 Egy tüzelőanyag-elem hatásfoka Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p A 25 kW-os PEMFC hatásfokai egyenáramú (DC) termeléshez hidrogén 52,5 kW (100%) nettó villany 25,1 kW (47,8%) rendszer 4,5 kW (8,6%) hő 22,4 kW (42,6%) hidrogén- veszteség 0,5 kW (1%) bruttó villany 29,6 kW (56,4%)

30 Tüzelőanyag-elem hatásfok-változása Forrás: A.Züttel, stb,: Hydrogen as a Future Energy Carrier. = WILEY-VCH, p A 25 kW-os PEMFC hatásfokának terhelésfüggése

31 Kibocsátások és költségek BÉM = belsőégésű motor, TE = tüzelőanyag-elem, H = H 2, hidrogén szél, nap, biomassza benzin és dízel adó nélkül (BÉM) benzin és dízel adóval együtt (BÉM) H – szénből (TE) H – EU-villannyal (TE) H – földgázból (TE) H – szénből, karbon- eltávolítással (TE) H – megújulókból (TE) Forrás: VGB PowerTech, 85. k. 8. sz p. 36.

32 Hajtás tüzelőanyag-elemekkel A hajtáslánc összköltsége, EUR földgáz-gőz reformálás elektrolízis „fedélzeti” reformálás Több javaslat közül még egy sem ígér végleges megoldást. fosszilis tüzelő- anyag nélkül kis hatékonysága miatt drága nagy erőmű- kapacitás kell fosszilis tüzelő- anyag nélkül nagy technológiai követelmények miatt is drága minőségi ugrásra van szükség (megbízhatóság, élettartam, ható- távolság, olcsó tömeggyártás stb.) A technológia 2020 után piacérett lehet, de tartós gondok megmaradhatnak. Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 58. kötet, 1/2. szám, p. 29.

33 Tüzelőanyag-elemes járművek Forrás: VDI-Verband der Automobilindustrie_ Auto Jahresbericht =

34 A hidrogén-autók német jövőjéről Forrás: Energy Policy, 34. k. 11. sz július, p erőltetett fejlesztés feszített fejlesztés mérsékelt fejlesztés a német magánautók száma, millió 42,4 48,9 50,2 50,1 47,8 43,7

35 Köszönöm a megtisztelő figyelmüket. Forrás: Dőry Zsófia - BME

36 A világegyetemben a hidrogénnél csak a hülyeség van jelen nagyobb mértékben. (Thomas Alva Edison) A világegyetemben a hidrogénnél csak a hülyeség van jelen nagyobb mértékben. (Thomas Alva Edison)