e-gépész online szaklap

Jönnek a hidrogénkazánok?

| | |  0 | |

Jönnek a hidrogénkazánok?

Radikális változásokat hozhat a fűtéstechnikában a zöld energiaforrásokra való áttérés. A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) nemrégiben egy 400 pontos javaslatcsomagot dolgozott ki annak érdekében, hogy 2050-re elérhetővé váljon a klímasemlegesség. Köztük néhány mellbevágó is akad, például, hogy 2025-től tiltsák be a tisztán gázüzemű fűtőberendezések forgalmazását. A gázszerelők munkája ettől még nem kerül veszélybe.

A nemzeti kormányok a világ számos országában dolgoztak ki különböző modelleket a klímasemleges gazdaság megteremtésének az irányába. Az elgondolások túlnyomó része a zöldáramtermelés (nap- és szélenergia) és hőszivattyú kombinációján alapul. Néhány gyártó ugyanakkor már eddig is szembement ezzel a modellel, és a hidrogénben vélte felfedezni a helyzet kulcsát.

Létező termékek

Tavaly ősszel az egyik neves európai kazángyártó Magyarországon is bemutatta a részben hidrogénnel üzemelő kazánját. A 2020 tavaszi utrechti nemzetközi kiállításon a vásár különdíját elnyerő berendezést 2019 óta használják tesztüzemben a hollandiai Rozenburgban, Rotterdam közelében. A projektben 25 ház központi fűtését látják el földgáz helyett részben hidrogénnel. A helyi szabályozások miatt egyelőre csak a hőenergia 8 százaléka származhat a hidrogén elégetésével nyert energiából, de a projekt kiváló arra, hogy bizonyítsa, a hidrogénből nyerhető energiában mekkora lehetőségek vannak – legalábbis ezt állítja a gyártó, amely két tényezőre hívja fel a figyelmet. Az első tényező a már üzemelő, és a ház fűtési rendszerébe implementálható hidrogénkazán, amely méretre és kinézetre is megtévesztésig hasonlít a hagyományos gázkazánokhoz. A másik jelentős tényező a hálózat, amely a hidrogén transzportálását lehetővé teszi.

A hidrogént a hálózatüzemeltető szállítja egy már meglévő, szabványos földgázvezetéken. A projekt ezen részében azt a koncepciót kívánják alátámasztani, mely szerint a már meglévő gázhálózat alkalmas lehet a hidrogén szállítására. Az első hollandiai projekt után további próbaüzemeket tesztelnek, amelyek keretében az elkövetkező két évben több mint 400 hidrogénkazánt szeretnének telepíteni. Európa-szerte keresnek hálózatüzemeltetőket és épülettulajdonosokat, hogy vegyenek részt további lehetséges helyszíni tesztekben.

Egy neves német gyártó is úgy látja, hogy a hidrogénkazánok térnyerésének legalább akkora az esélye, mint a hőszivattyúk diadalának. Ez a cég, mint ahogyan azt a G7 gazdasági szakportál a Die Welt cikke nyomán megírta, Angliában már élesben teszteli azokat a kazánokat, amelyek 20 százalékban hidrogént égetnek földgáz helyett (a hidrogén égésterméke víz), de a technológia kísérleti fázisban ketyeg, és az európai kereslet teljes egészét egyelőre a hőszivattyúk teszik ki. Mint írják, a legnagyobb probléma, hogy a hidrogénnek nincs még meg a logisztikája, de ennél is nagyobb gát, hogy az ipari használatra szánt nagy mennyiségű hidrogént egyelőre éppen földgázból állítják elő. Ezért egyrészt nem szabadít meg minket a fosszilis energiahordozó gáztól, másrészt nem látszik sok értelme annak, hogy földgázból származó hidrogént juttassunk egy kazánba, amely a földgázt közvetlenül is képes fogadni.

A jövő azonban egyre nagyobb eséllyel mégis a hidrogéné lehet, mert az ipari fejlesztések óriási erőket és pénzeket mozgatnak meg, illetve kapnak támogatásként arra, hogy kifejlesszék a vízbontásból származó (zöld) hidrogén üzletileg is racionális megoldásait. Ebben az esetben azt a vizet nyernék vissza a hidrogénkazánban, amit a vízbontás során felhasználtak, vagyis környezetbarát zárt kör jöhetne létre.

Hidrogénkész kazánok a bemutatóteremben

Miért pont hidrogén?

A hidrogén a legegyszerűbb kémiai elem, a periódusos rendszer első eleme. A földön elvileg korlátlanul rendelkezésre áll, de csak kötött formában. Ezért sem energiaforrás, hanem energiahordozó, ami azt jelenti, hogy csak energiabefektetéssel juthatunk hozzá tiszta állapotában. Méghozzá meglehetősen komoly energiabefektetéssel, egy mol hidrogén vízbontással való előállításához például 286 kJ villamos energiára van szükség. Égése csendes és színtelen lánggal megy végbe, az égésterméke pedig tiszta víz.

A hidrogén tömegegységre vonatkoztatott fűtőértéke közel háromszorosa a benzinének és 2,4-szerese a földgázénak, viszont térfogategységre vonatkoztatott fűtőértéke kevesebb mint harmada a benzinének, kb. 42%-a a földgázénak. Ez pedig problémákat vet fel, hiszen annak érdekében, hogy emelni tudják a hidrogén térfogategységre eső energiatartalmát, meg kell növelni a nyomását, ami technológiai és hatékonysági problémákat is felvet.

Pár szó a készülékről

A modern, hagyományos gázkazánok húsz százaléknyi hidrogénnel tartozó keverékkel különösebb átalakítás nélkül is üzemeltethetők. Ha ennél nagyobb arányban akarunk hidrogént használni, már bizonyos változtatásokra van szükség. Elsősorban az égőfej szorul átalakításra, a hidrogén lángsebessége ugyanis jóval nagyobb, mint a földgázé, így meg kell teremteni annak a műszaki megoldását, hogy létrejöjjön az áramlási és a lángsebesség egyensúlya. Amennyiben az áramlási sebesség túllépi az ellentétes irányú lángsebességet, a láng leszakad és kialszik, ha pedig kisebb, mint a lángsebesség, a láng visszacsap. Ez természetesen nem túl bonyolult mérnöki feladat. Mint ahogyan a gáz-levegő arányának a beállítása sem, mert ez nagyon hasonló műszaki megoldást igényel, mint amilyet a hagyományos gázkazánokban is használnak.

Mivel a hidrogén égése során teljes egészében víz keletkezik, a földgáz égésterméke pedig csak részben víz, a kondenzátum elvezetését nagyobbra kell méretezni egy hidrogénkazán esetében. A lángérzékelést is másképpen kell megoldani, hiszen a hidrogéngáz lángja színtelen, de a lángra jellemző UV sugárzás jelenlétét félvezetős érzékelővel ki lehet mutatni. A szakemberek szerint a hidrogénkazánok tervezői ugyanazokra az anyagokra támaszkodhatnak, mint a hagyományos kazánok tervezői, ennek révén pedig lépésről- lépésre, a meglévő készülékek átalakításával is teret nyerhet a hidrogén mint fűtőanyag.

Hidrogénkazán

1. Lángartás. A hidrogén lángsebessége nagyobb, mint a földgázé, ezért speciális égőfejre van szükség.
2. Gáz-levegőarány-szabályzás. E tekintetben egy hidrogénkazán nem tér el jelentősen egy gázkazántól.
3. Kondenzátum. A hidrogén lényegesen több kondenzátumot termel, mint a földgáz, ezt figyelembe kell venni a tervezésénél.
4. Anyagok kompatibilitása. A hagyornónyos gázkészülékekhez használt anyagok zöme alkalmas hidrogénkazán éplésére is.
5. Lángérzékelés. A hidrogén lángja láthatatlan, de UV-sugárzása detektálható.
6. Átalakítás. A minél egyszerűbb átalakíthatóság érdekében olyan készülékeket fejlesztenek, amelyek néhány alkatrész cseréjével képesek a hidrogéngáz fogadására.
7. Teljesítmény. A hidrogénkészülékek teljesítménye hasonló lesz a földgázkazánokéval.
8. Gázzárás. A hidrogén molekulatömege kicsi. A szivárgási arány azonban hasonló a földgázhoz, és nem valószínü, hogy jelentős átalakításra lenne szükség.

Besegít az IEA?

Komoly lendületet adhat a hidrogénkazánok térnyerésének az IEA május végi javaslatcsomagja, amely a BBC cikke nyomán az egész magyar sajtón végigsöpört. A javaslatok között szerepel egyebek mellett, hogy nem szabad 2035-től új belsőégésű motorral működő autókat értékesíteni; a globális villamosenergiaszektornak el kell érnie a zéró kibocsátást 2040-re; 2050-re a villamosenergia-termelés 90 százalékát a megújulóknak kellene adniuk, a maradékot pedig az atomerőműveknek. Emellett jelentősen meg kell emelni a telepített nap- és szélerőmű-kapacitások mennyiségét, és piacra kell hozni a szén-dioxid-leválasztás és -tárolás, valamint a zöld hidrogén technológiákat is, az éves energetikai befektetéseknek pedig el kellene érniük az 5 ezer milliárd dollárt 2030-ig a jelenlegi 2 helyett.

Az ajánlások között az is szerepel, hogy 2025-től ne lehessen gázkazánokat értékesíteni, illetve olyan berendezésekre kell átállni, amelyek alkalmasak hidrogénes üzemre.

Balra: Hidrogénkész egységek tesztüzemben

Jobbra: Háztartási célú, tüzelőanyagcella-alapú mikro-kogenerációs egység

Szállítás, tárolás, felhasználás

Ahhoz, hogy a hidrogén felválthassa a földgázt, meg kell oldani a szállítását. A hidrogént ipari felhasználásra már régóta szállítják csővezetéken. Németországban pl. egy 240 km-es hosszúságú, 30 bar nyomású hálózat gondoskodik a Ruhr-vidék 18 ipari fogyasztójáról az 1930-as évek óta. Az EU-ban a hidrogén- csővezetékek összesített hossza kb. 1600 km (ennek fele Belgiumban és Hollandiában található). Kazincbarcikán, a BorsodChem telephelyén belül is több kilométer hosszú hidrogénvezeték-hálózat juttatja el ezt a gázt az előállítás helyétől (HyCO üzemek) a felhasználási pontokra. Az USA-ban és Kanadában együttesen is kb. 1800 km meglévő, ipari hidrogénvezeték-rendszer működik, évtizedek óta biztonságosan. Csakhogy a hidrogén, mivel rendkívül kis méretű elem, belediffundál az acélba, és elridegíti azt. Emiatt a hidrogént szállító csöveket csak különleges acélötvözetekből vagy más (pl. kompozit) anyagokból készítik, és ugyancsak ilyen anyagokból kell készíteni a szükséges toldásokat, tömítéseket, illetve a kompresszorokat. A gyártók azt remélik, hogy a modernebb fölgázvezetékek átalakíthatóak hidrogénüzemre, de az biztos, hogy egy bizonyos mennyiségű hidrogén bevezethető a rendszerbe. Ezt már kipróbáltuk korábban, a városi gáz legalább harminc százalékban tartalmazott hidrogént, és felhasználásának nem volt akadálya.

Elvileg viszonylag nagy mennyiségű hidrogén tárolható föld alatti üregekben, leművelt földgázmezőkben. A folyékony halmazállapotban való tárolás egy nagyságrenddel több hidrogén tárolását teszi lehetővé, viszont a –253 °C alatti hőmérséklet biztosítása nagyon költséges, ezért ezt egyelőre csak az űrtechnikában alkalmazzák. A folyékony tárolókban a hidrogén mindig forr, ahogy érintkezik a dupla falú tárolóedénnyel, ezért a nyomás túlzott megnövekedésének elkerülése érdekében a túlnyomást mindig leengedik. Ennek az a következménye, hogy hosszú távon a folyékony hidrogén elpárolog, azaz, csak akkor érdemes ezt a változatot választani, amikor a hidrogén nagy mennyiségben fogy.

Ami a felhasználást illeti a hidrogéntechnológiában utazó gyártók a berendezéseik egyszerűségét emelik ki. Magyarán azt hangsúlyozzák, hogy egyszerűen csatlakoztathatók a már kiépült fűtési rendszerekre. Nem valószínű, hogy e cikket olvasván tömegével kezdenék félteni a munkájukat a gázszerelők, de ha úgy van, ahogyan a gyártók állítják, erre semmi okuk. Hiszen a hidrogén is gáz, és ha hagyományos módon használjuk fel, a hidrogénkészülékekkel való munka sem térhet el jelentősen a földgáztüzelésű berendezésekkel való munkától. A hidrogénből azonban nemcsak égéssel szabadíthatunk fel energiát, hanem „fordított elektrolízissel” is. A háztartási célú, tüzelőanyagcella-alapú, mikro-kogenerációs (CHP) egységeket Németországban 2014 áprilisában kezdték értékesíteni. A két nagyvállalat, egy német kazán- és egy japán mikroelektronikai gyártó által közösen kifejlesztett, integrált rendszer kifejezetten az európai piaci igényekre készült, és a PEM (Proton Exchange Membrane – protoncsere membrán) típusú tüzelőanyag-cellán alapszik. Az üzemanyag cellák általában két elektródából (anódból és katódból) és a köztük lévő elektrolitból állnak. A folyamat során katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogénmolekulák előbb hidrogénatomokra, majd protonokra és elektronokra bomlanak. A protonok az elektroliton haladnak keresztül, az elektronok pedig egy külső áramkörön, így elektromos áram formájában hasznosíthatók. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénnel, így víz jön létre.

Nem eszik olyan forrón

Nagyon fontos kihangsúlyozni, hogy az IEA csak javaslatokat fogalmazott meg, vagyis a jövő nem feltétlenül úgy alakul majd, ahogyan azt a csomagban leírták. Nehéz elképzelni, hogy 2025-től valóban megtiltanák a gázkazánok forgalmazását, az viszont tény, hogy a hidrogéngazdaság minden fejlett országot foglalkoztat. Magyarországon tavaly tavasszal alakult meg a Nemzeti Hidrogéntechnológiai Platform, mely szerint a különböző hidrogéntechnológiák kiemelt figyelmet érdemlő kulcsterületek, amelynek meghatározó szerepe lesz a jövő fenntartható energetikai rendszereiben és mobilitásában. Emellett a dekarbonizációs folyamatokat, klímavédelmi célkitűzéseket is hatékonyan segíteni tudja, nem mellékesen pedig az iparfejlesztés és munkahelyteremtés új lehetőségeit is magában hordozza. Mint írják, hangsúlyos kutatási terület a hidrogén földgázhálózati bekeverése gálata, melyre vonatkozóan innovációs projekt is indul rövidesen. Úgy prognosztizálják, hogy hidrogén-földgáz elegyének égetésére képes gázturbinákát már 2025-ben is alkalmazhatnak idehaza, 2030-ra pedig akár már tiszta hidrogén elégetésére is képes gázturbinák is üzemelhetnek erőművi léptékben.

Emellett az energiatermelésben 2025-re, majd kiterjedtebben (néhány tíz MW nagyságrendben) 2030-ra tüzelőanyag-cellák alkalmazása is várható. A hazai érdeklődés egyelőre szinte kizárólag a PEM típusú tüzelőanyag- cellák irányába mutat.

Összefoglalásként elmondható, hogy a fűtéstechnikában biztosan elindul a világ a hidrogén felé. Első lépésként ugyanakkor valamilyen arányú hidrogén-földgáz keveréket felhasználni képes hidrogénkész („hydrogen-ready”) berendezések lassú térnyerésére számíthatunk. Ezek lehetnek csak hőtermelő berendezések (pl. kazánok, esetleg sütők), vagy villamos energiát termelő berendezések, pl. hidrogén-földgáz elegy, esetleg tiszta hidrogén égetésére képes gázturbinák.

A cikk a VGF&HKL szaklap 2021. júniusi számában jelent meg, közlése a kiadó engedélyével történt.

FűtéstechnikaHidrogénVGF&HKL

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul