Aki már valaha rápillantott a periódusos rendszerre, az tudja, milyen fontos elem a hidrogén: a tábla első helyén szerepel és amellett, hogy a legkönnyebb elemről van szó, az egész univerzumban hidrogénből van a legnagyobb bőség. A Földön a harmadik leggyakoribb elem, de a bolygónk felszínén leginkább vegyületeiben található meg, például szénhidrogénekben (kőolaj, földgáz) vagy a vízben.

Mesterséges előállításának módszereit a 16. századtól kezdték kidolgozni, a földgáz és a vízgőz reakciója mellett a víz elektrolízise a legnépszerűbb hidrogéntermelési forma. Az évszázadok során számos iparág hasznosította az elemet: a léghajókban töltőgázként, az erőművekben hűtőközegként, az élelmiszeriparban pedig olajok keményítésére, telítésére (margarin gyártására) használták fel, de a vegyiparban és a fosszilis tüzelőanyagok feldolgozása során is elengedhetetlen a használata.

Azonban az iparban felhasználható hidrogéngáz (H₂) hagyományos előállítása jelentős környezeti terhelést okoz – az Európai Unióban előállított hidrogén 96 százalékát fosszilis energiahordozókból nyerik ki, ami évente 70–100 millió tonna szén-dioxid kibocsátásával jár. Ezért egyre nagyobb hangsúly terelődik a megújuló energiaforrásokból előállított tiszta, vagyis zöld hidrogén szerepére, amely fenntartható energiahordozóként a kibocsátásmentes közlekedést, fűtést és ipari folyamatokat, valamint az évszakok közötti energiatárolást is lehetővé teheti.

Nem mindegy, hogy szürke, kék vagy zöld hidrogént termelünk

Az előállítás során keletkező kibocsátás szerint háromféle hidrogént különböztetünk meg:

● A szürke hidrogén fosszilis üzemanyagokból készül, például gőzreformálás útján: a földgázt vízgőz hozzáadásával hidrogénben gazdag szintézisgázzá alakítják, majd annak további feldolgozása során még több hidrogént nyernek ki belőle. A folyamat melléktermékeként keletkezett szén-dioxid teljes mennyisége a légkörbe távozik.

● A kék hidrogént a klímabarát jövő felé vezető út átmeneti megoldásaként tartják számon. Ezt a szürke hidrogénnel azonos módon termelik, de egy plusz lépés beiktatásával leválasztják a szén-dioxid nagy hányadát és ahelyett, hogy a légkörbe engednék feldolgozzák, vagy a Föld felszíne alatt tárolják el, vagyis jelentősen kisebb kibocsátással jár. Ez viszont szintén nem fenntartható modell.

● A zöld hidrogén előállításához a fentiekkel szemben megújuló energiaforrásokat használnak fel. A zöld áram lehetővé teszi a víz elektrolízisét, amely során hidrogén és oxigén keletkezik – ráadásul a hidrogén elégetésének végterméke újra a víz, amely így visszakerül a körforgásba.

Magyarországon a legnagyobb hidrogénfogyasztó olaj- és vegyipari cégek saját vagy bérelt üzemekben, SMR technológiával, azaz metán alapú gőzreformálással gyártják a hidrogént, míg a többi nagy fogyasztó (acél-, gyógyszer-, üvegipari és világítástechnikai cég) leginkább közúton beszállított hidrogéngázt vásárol. Az aromás szénhidrogéneket vagy pétisót előállító gyárakban melléktermékként keletkezik hidrogén, amit tisztítás után lehet eladásra bocsátani, továbbá a hazai piac egyik meghatározó iparigáz-gyártó és -forgalmazó cége, a Messer Hungarogáz foglalkozik hidrogén előállításával, töltésével és szállításával.

A metán alapú hidrogén-előállítás dominanciája abból fakad, hogy az ilyen módszerrel történő gyártás, az alapanyagok költségei miatt mintegy feleakkorák, mint a villamos elektrolízis alapú előállítás esetén.

A hidrogén mint üzemanyag

Bár a karbonsemleges közlekedés megteremtésének középpontjában jelenleg elsősorban az elektromos járművek gyártása és azok infrastruktúrájának kiépítése áll, ezzel párhuzamosan a hidrogénüzemű járművek fejlesztése is folyamatban van – ezek az autók, buszok vagy vonatok egyelőre leginkább prototípus formájában elérhetők, néhány kereskedelmi modellt leszámítva. A hidrogénüzemű járművek üzemanyagcellák segítségével állítanak elő elektromosságot, és mivel a hidrogén energiasűrűsége nagyobb, mint az akkumulátoroké, ezért nagyobb távolságra és nehezebb áruk szállítása esetén is hatékonyabban felhasználható. Ráadásul az akkumulátorok időigényes töltésével szemben az üzemanyagcellák folyamatos áramellátást biztosítanak, vagyis a hidrogéntank újratöltése után egyből menetkész a jármű.

Amellett, hogy a hidrogénalapú üzemanyag használata nem jár károsanyag-kibocsátással, a tankoláshoz szükséges infrastruktúrát is könnyen át lehetne alakítani, hiszen a gázok szállítására és tárolására épülő iparág már mindenhol elterjedt, ezt már csak hidrogéngázra kell optimalizálni. Az egyéni és tömegközlekedés mellett az ipari anyagmozgatásban használt járművek, például a targoncák esetében is alkalmaznak már költséghatékony hidrogénüzemű megoldásokat, amihez akár helyszínen végzett elektrolízissel, valamint a gyártás során keletkező melléktermékek optimális felhasználásával is lehet üzemanyagot nyerni.

Kulcsszerep az iparban és az energiatárolásban

A hidrogénre azokban a szektorokban lehet a legnagyobb szükség, amelyek villamosítása nem lehetséges: mivel a hidrogénből károsanyag-kibocsátás nélkül nyerhető hő, az acél vagy a cement gyártásában kiváló alternatívát nyújthat a fosszilis tüzelőanyagok helyettesítésére. Az acélgyártás alapanyaga, a nyersvas előállítása például a vasérc redukciójával kezdődik, amely során szén égetésével eltávolítják az ércből az oxigént, jelentős szén-dioxid-kibocsátás mellett – ha ebben a folyamatban a szenet megújuló forrásokból előállított hidrogéngázzal helyettesítik, máris kész a zöld acél, amivel a teljes globális üvegházgáz-kibocsátás 7,2 százalékát semlegesíteni lehet. A hidrogéngáz, -hasonló tulajdonságai miatt-, a földgázt is kiválthatja számos területen, így például a hőellátásban vagy a villamosenergia előállítása során, a generátorok üzemeltetésében.

Nagy szerepe lehet a hidrogénnek az energiatárolásban is. A megújuló energiaforrásokkal szemben az egyik leggyakrabban hangoztatott kritika az, hogy szezonális jellegükből fakadóan nem képesek folyamatos energia-ellátást biztosítani. A napelemek nyáron sokkal magasabb kihasználtsággal működnek, a fogyasztók energiaigénye viszont inkább télen nő meg jelentős mértékben. Ezt a problémát az energiatárolás tudná áthidalni, de még a népszerű lítiumionos akkumulátorok is csak néhány napig tudják gazdaságosan tárolni az energiát, ráadásul a gyártásukhoz szükséges erőforrások költsége és szűkössége sem kedvez a technológiának. A megújuló forrásból származó áramból előállított hidrogén azonban energiatárolásra is alkalmas, ráadásul skálázhatóan és elvben korlátlan kapacitást biztosítva az eltárolt hidrogén később villamos vagy hőenergiává alakítható, de üzemanyagként és ipari folyamatok ellátására is felhasználható.

Már Magyarországnak is van hidrogénstratégiája

Annak érdekében, hogy ezek az elvben létező, vagy legfeljebb próbaüzem szintjén működő technológiák minél előbb elterjedhessenek, a világ több pontján komoly stratégiákat kezdtek kialakítani. Az Európai Bizottság hidrogénstratégiája például azt tűzte ki célul, hogy 2050-re évi 2 százalékról 13-14 százalékra növekedjen a hidrogén részesedése az energiamixben. Ennek érdekében 2024-ig 6 gigawatt, majd 2030-ig 40 gigawatt megújuló hidrogén-elektrolizáló kapacitás létesítését sürgetik, ami jelentősen túlmutat a 2020-ig bejelentett projektek körülbelül 2 gigawattos kapacitásán.

Az EU-s célok elsősorban a legnagyobb ipari szereplők (olajfinomítók, acélgyártó üzemek) zöldhidrogén-hozzáférését biztosítanák, valamint olyan hidrogénüzemek építését segítenék, amelyek a mai földgázpiacokhoz hasonló hidrogénpiacok alapját képeznék – vagyis maradnának a csővezeték-alapú rendszerek, csak már hidrogén csordogálna át rajtuk. A „2x40 ütemterv” részeként az európai 40 gigawattos kapacitás mellett Észak-Afrika és Ukrajna területén is támogatják 40 gigawatt összkapacitású elektrolizáló üzemek építését, ahol a bőséges nap- és szélenergia biztosíthatja a zöld hidrogén gyártását, és annak exportálását az unióba. Mindez 2030-ig az EU éves GDP-jének 2,3–3,2 százalékának megfelelő 320-458 milliárd eurós költséggel járna a becslések szerint.

Az átfogó nemzetközi tervek mellett azonban az egyes országoknak is nagy szerepük lesz az átmenetben, ennek érdekében 2021 májusában Magyarország kormánya is elfogadta a Nemzeti Hidrogénstratégiát, amely az ígéretek szerint a 2050-re kitűzött klímasemlegességet a gazdaság fellendítésével együtt teszi elérhetővé. Magyarország az első ütemben, 2030-ra összesen:

●       évi 36 ezer tonna karbonszegény és karbonmentes hidrogén előállítását vállalta, 240 megawatt elektrolizáló kapacitás kiépítése mellett;

●       évi 24 ezer tonna kék és zöld hidrogén ipari felhasználásával tervez, ami évente 95 ezer tonnával csökkentené a szén-dioxid-kibocsátást;

●       legalább 20 hidrogén-töltőállomás létesítését és 4800 hidrogénüzemű jármű használatát vetítette elő, évi 130 ezer tonna szén-dioxid-kibocsátást elkerülve;

●       valamint legalább 60 megawatt átlagos leszabályozási képességgel számol a támogató áram- és gáz infrastruktúrában, elsősorban a szezonális áramtárolási képességet tekintve.

Mivel Európa közösségi energiafogyasztásának 72 százaléka fosszilis tüzelőanyagokon alapul, a hidrogénipar fejlődését komolyan visszavetheti a fosszilis iparban érdekelt nagyvállalatok és más szereplők lobbitevékenysége. Míg a szürke hidrogén ára kilogrammonként 1,5 euró, a kék hidrogén pedig 2 euró körül mozog, addig a megújuló energiára támaszkodó zöld hidrogén ára akár 2,5–5,5 euró is lehet kilogrammonként. Az Európai Bizottság is azzal számol, hogy a következő években a szürke és a kék hidrogén játszhat vezető szerepet a hidrogéngazdaságban, de ahogy terjednek a megújuló energiaforrások, úgy váltja majd fel ezeket a zöld hidrogén – ezt a kibocsátáskereskedelmi rendszerrel (ETS) igyekeznek elősegíteni.

A rendkívül képlékeny energiapiaci folyamatok azonban könnyen felforgathatják a terveket, akár hetek alatt is. Míg a Nemzetközi Energiaügynökség legutóbbi, október elején közzétett jelentése szerint a zöld hidrogén előállítása a földgáz és a megújuló áram árától függően 2–7-szer annyiba kerülhet, mint a szürke hidrogén termelése, az elmúlt hetek földgázpiaci fejleményeinek hatására ez máris aktualitását vesztette. Az S&P Global Platts november elején már arról írt, hogy a jelenlegi európai földgázpiaci környezetben a hidrogén megújuló villamos energiával történő előállítása már képes versenybe szállni a fosszilis tüzelőanyagból való előállítással. Így fordulhatott elő, hogy miközben Norvégiában 3,4–4,5 dollár/kg kötségszinten tudtak októberben zöld hidrogént előállítani, addig az S&P becslése szerint a szürke hidrogén kilogrammonkénti ára 5–6 dollárra emelkedett.