Egyéb, alternatív hidrogén-előállítási lehetőség (nukleáris alapú hidrogéntermelés) 16

Az egyéb, alternatív előállítási mód a nukleáris energia segítségével történő hidrogén-előállítás. A nukleáris energia segítségével nagy mennyiségű hidrogén állítható elő, centralizált módon. A nukleáris energiával történő hidrogén-előállítás technológiai lehetőségei a következők lehetnek:

1. termokémiai módszerek, 2. magas hőmérsékletű elektrolízis, 3. hibrid folyamatok,

amelyek közül az első kettő kerül vázlatos bemutatásra.

(Itt most természetesen nem említjük meg külön az „alapváltozatot”, a nukleáris erőműben előállított és a villamos hálózatra továbbított villamos energia segítségével, vízbontáson keresztül történő hidrogén-előállítást.) A termokémiai módszer során a vízgőz (hő hatására történő) bontása megy végbe, amely az elsődleges eljárás a hidrogén nagy mennyiségben és nukleáris energiával történő előállítására. Egyetlen reakcióegyenletbe foglalva az összes lépést a folyamat a következők szerint írható le:

H 2O + hő(Tmagas) → H2 + ½O2 + hő(Talacsony)

Elviekben ez a reakció direkt módon is lezajlódhatna, azonban ehhez nagyon magas (2500–3000 °C) hőmérsékletre lenne szükség, amely viszont meghaladja bármely, ma ismert nukleáris reaktor képességét. A valóságban termokémiai ciklusokon keresztül valósítható meg a fenti reakció, amelyek közül a leginkább vizsgált és gyakorlati alkalmazáshoz is legközelebb álló a kén-jód (S-I) ciklus; ennek sematikus ábráját mutatja az 1.2.4.1. ábra.

1.2.4.1. ábra Forrás: R. E. Uhring, 2008.

Ebben az esetben a legmagasabb szükséges hőmérséklet 700–1000 °C közötti, ami viszont már megoldható több reaktortípusnál is. Az ábrán a bal oldali, magas hőmérsékletű reakcióban kénsav bomlik el kén-trioxidra és vízre, majd tovább kén-dioxidra, vízre és oxigénre. A jobb oldali, alacsony hőmérsékletű reakcióban a jód, a víz és a kén-dioxid reakciójából hidrogén-jodid keletkezik, aminek elbomlásával hidrogéngáz nyerhető ki a folyamatból (a kén-dioxidból kénsav keletkezik, amely visszakerül a magas hőmérsékletű reakcióba; valamint a hidrogén-jodid bomlásából keletkező jód is visszakerül a reakcióba).

A módszer előnye, hogy az összes résztvevő vegyi anyagot visszaforgatják, egyedül hidrogén (és oxigén) lép ki a folyamatból, illetve víz lép be; a reakciók legalább laboratóriumi körülmények között bizonyítottan működnek. A folyamat hatásfoka viszonylag jó: ~60% (1000 °C hőmérsékleten). A hatásfok fenntartása mellett ígéretes megoldások léteznek a csúcshőmérséklet csökkentésére. Az USA Energiaügyi Hivatalának „Nukleáris Hidrogén K+F” terve szerint demonstrációs jelleggel 2017-re megvalósítanák a nukleáris reaktorral történő hidrogéntermelést, és 2020–2025 között várható a kereskedelmi alapon történő termelés. A tervekben szereplő 600 MWt-os reaktor 200 tonna/nap mennyiségű hidrogént tudna termelni.

Az elektrolízis, pontosabban a magas hőmérsékletű elektrolízis (HTE) a másik módszer, amelyet röviden bemutatunk, és amellyel nukleáris energia segítségével hidrogén termelhető. A HTE folyamat kb. 800 °C-on termeli a hidrogént, két fő egysége pedig a hőcserélő rendszer és az elektrolizáló cella. A szükséges hőt, ami az elektrolizálóba belépő túlhevített gőz előállításához szükséges, a nukleáris reaktorhoz történő csatolással biztosítanák. A HTE esetében tehát vízgőzt, és nem folyékony halmazállapotú vizet bontanak hidrogénre és oxigénre, ami javítja a folyamat hatásfokát. Az elektrolizáló cella többnyire szilárd-oxidos; a cellából kilépő két termékáram (hasonlóan a hagyományos elektrolízishez) a hidrogén és az oxigén. A vonatkozó szakirodalom többféle nukleáris reaktorhoz illesztve végezte el az elemzéseket: Európai Nyomottvizes Reaktor (EPR), Nátrium-hűtésű Gyorsreaktor (SFR), és Nagyon Magas Hőmérsékletű Reaktor (VHTR).

A hibridfolyamatok az előző kettőnek valamilyen kombinációját jelentik, de kevéssé kidolgozottak. Az egyik probléma, hogy a legtöbb reaktortípus, amely direkt módon hidrogént tudna termelni a fenti eljárásokkal a IV.

generációs reaktorok közé tartozik, amelyekre még évtizedeket kell várni, mire kereskedelmi üzembe léphetnek (a US DoE fent említett dátumai túl optimista előrejelzéseknek tűnnek), másrészről a fukusimai atomerőmű-baleset után nem látható még bizonyosan, hogy milyen lesz az atomenergia általános megítélése, milyen kihatása lesz mindennek az atomenergia-iparra az elkövetkező években.

2.5. A hidrogén-előállítás gazdasági aspektusai

Az eddig tárgyalt hidrogén-előállítási módokról összefoglalásként elmondható, hogy:

1. a hidrogén a természetben nagyon sok formában és nagy mennyiségben áll rendelkezésre, így a különböző előállítási módok – elvi – tárháza igen széles,

2. az előzőeknek is köszönhető részben, hogy a hidrogént centralizált, nagy termelőkapacitásokban és kisebb méretű, decentralizált rendszerekben is elő lehet állítani, sőt, akár még a felhasználás helyén on-site módon is,

3. a hidrogén jelenlegi, domináns előállítási módjai fosszilis energiahordozókból (főként metánból) történő eljárásokon alapulnak, ez jelenleg még a legolcsóbb módszer; ugyanakkor az így nyert hidrogén ára a jövőben jelentősen emelkedni fog, főként a fosszilis energiahordozó árak növekedésének köszönhetően, kisebb mértékben az emisszió-kereskedelmi rendszer (ETS) alkalmazása miatt,

4. a fosszilis alapú, jelenlegi előállítási módok jelentős mértékben környezetterhelőek, különösen a CO2 -kibocsátás tekintetében. A villamos hálózatról végzett „hagyományos” elektrolízis, bár helyben nem okoz környezetterhelést, ha dominánsan fosszilis alapon történik a villamosenergia-termelés, negatív hatása ezen előállítási módnak is jelentős,

5. számos alternatív hidrogén-előállítási mód ismert már jelenleg is, amelyek jóval kisebb mértékben környezetterhelőek, ellenben a költségeik még magasabbak, egyes esetekben a technológiáik nem kellően érettek; egyes esetekben még alapkutatások is szükségesek,

6. az alternatív előállítási módok közül a szélenergia felhasználásával történő elektrolízis („szél-hidrogén”

koncepció) jelenleg a leginkább érett, esetenként már alkalmazott eljárás, középtávon elfogadható költségekkel, amelyhez a szükséges technológia már kereskedelmi forgalomban beszerezhető, tapasztalatok részben rendelkezésre állnak. Középtávon pedig az ára már kifejezetten versenyképes szintre csökkenhet, 7. a kevésbé „érett” alternatív előállítási módok esetében a hidrogén-termelés hozamaival, és ezen keresztül a

gazdaságossággal még komoly problémák vannak, de az intenzív kutatások miatt e téren is várható komoly változás (igaz, csak közép- vagy hosszútávon)

A hivatkozott szakirodalmak egy részében találhatók adatok a hidrogén előállítási költségére vonatkozóan, amelyek az alábbi táblázatban kerülnek összefoglalásra; ezeket tájékoztató jellegűeknek kell tekinteni. A táblázat költségadatai egy-egy esetben – amennyiben ez a szakirodalomban is szerepelt – aktuális és jövőbeni időpontokra kerültek megadásra.

1.2.5.1. ábra Forrás: Mayer Z., 2009.

Látható, hogy a jövőben egyre csökkennek a hidrogén-előállítás költségei, sok esetben feleződnek vagy még kisebb mértékűre csökkennek a költségek, de a tényleges gazdaságosság megítéléséhez majd mindig a

versenytárs termékek, pl. a benzin és dízel üzemanyag éppen aktuális árához kell majd viszonytani ezen árakat, és azonos „nevezőre”, pl. energiatartalomra (USD/MJ) célszerű megadni az árakat. Feltétlenül ajánlott a jelen leckéhez kapcsolódó esettanulmány áttekintése, amely az USA Energiaügyi Hivatalának hidrogén-előállításra vonatkozó célkitűzéseit mutatja be.