Hidrogén-előállítás: Hogyan állítják elő a hidrogént, és mi is az pontosan?

A hidrogén ígéretes és tiszta energiahordozóként egyre fontosabbá válik – különösen a klímabarátabb jövő tekintetében. Belegondolt azonban már valaha, hogy mi is pontosan a hidrogén, és hogyan állítják elő azt? Ebben a cikkben bemutatjuk a hidrogén-előállítás alapjait és technológiáit, és elmagyarázzuk, hogy mi is teszi különleges elemmé a hidrogént.

Egyszerűen megfogalmazva a hidrogén egy színtelen, szagtalan és íztelen gáz. Többek között arról ismert, hogy ez az univerzum legegyszerűbb és legnagyobb mennyiségben fellelhető kémiai eleme. A hidrogén apró részecskékből, protonokból és elektronokból áll.

Rendkívül reszponzív, és más elemekkel kombinálva olyan vegyületeket alkot, mint például a víz. Erőteljes üzemanyagként használva előállítható vele elektromosság, üzemeltethetők vele járművek és hő is termelhető. Tiszta energiahordozóként a hidrogénben megvan a potenciál a környezetre gyakorolt hatás csökkentéséhez és a fenntartható energiaellátáshoz való hozzájáruláshoz.

Különféle hidrogén-előállítási technológiák léteznek, amelyek a specifikus követelményektől és a rendelkezésre álló erőforrásoktól függően alkalmazhatók. Íme néhány gyakori módszer:
 

• A földgáz gőzzé alakítása: Jelenleg ez a hidrogén-előállítás legszélesebb körben alkalmazott technológiája. Ebben az eljárásban a főként metánból álló földgázt vízgőzzel felmelegítik egy katalizátor jelenlétében. A gőzzé alakítás tulajdonképpen a földgáz "szétbontásaként" is felfogható.
  
  A eljárás során a földgázban lévő metán reakcióba lép a vízgőzzel, ami által hidrogén (H2) és szén-monoxid (CO) keletkezik. Az így nyert hidrogént megtisztítják, hogy aztán felhasználható legyen járművek üzemanyagaként, üzemanyagcellákban történő áramtermelésre vagy különféle ipari alkalmazásokban. Ez a módszer nem költséges, de megvannak a maga hátrányai. Melléktermékként szén-monoxid szabadul fel, amely hatással van a környezetre.

• A víz elektrolízise: Az elektrolízis során a vizet elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontják. Az elektrolízishez használt berendezést elektrolizálónak hívják.

• Napenergiával történő hidrogén-előállítás: Ezen módszer során elektromos energia helyett napenergiát használnak az elektrolízises eljáráshoz. Ez történhet közvetlen napfény használatával, vagy a napsugárzás naptükrökkel vagy -kollektorokkal történő koncentrációja által. Ez az új technológia olyan országokban használható, ahol kellő mértékű napfény áll rendelkezésre, és rendkívül költséghatékonnyá teszi a hidrogén előállítását.

• Termokémiai hidrogén-előállítás (biológiai hidrogén-előállítás): Egyes mikroorganizmusok, például bizonyos baktériumok vagy algák, képesek hidrogént előállítani fermentálás vagy fotoszintézis útján. Ez a módszer még fejlesztés alatt áll, de megvan benne a potenciál, hogy fenntartható és környezetbarát hidrogénforrássá váljon. Az ilyen jellegű előállítás hátrányát az erőforrások végessége jelenti.

Figyelembe kell venni, hogy nem minden hidrogén-előállítási folyamat egyformán fenntartható vagy környezetbarát. A hidrogén-előállítás fenntarthatósága a használt energiaforrástól és az előállítási folyamat során keletkező CO2-kibocsátástól függ. Ahhoz, hogy a tiszta energiaforrásnak számító hidrogén előnyeit a legnagyobb mértékben kihasználhassuk, rendkívül fontos, hogy megújuló energiaforrásokat használjunk a hidrogén-előállításhoz.

Az olyan megújuló energiák használata, mint a napenergia, a szélenergia vagy vízenergia, jelentős mértékben csökkentheti a hidrogén-előállítással járó CO2-kibocsátások mértékét, ami még fenntarthatóbbá és környezetbarátabbá teszi a hidrogén előállítását. Ez fontos lépés az alacsony szénlábnyomú jövő megvalósításához és az éghajlatváltozás megállításához.

Az elektrolízis a legígéretesebb eljárás. Az elektrolízis folyamata lehetővé teszi a hidrogén környezetbarát módon történő előállítását, különösen, ha az ahhoz használt elektromosság megújuló energiaforrásokból származik. Az ilyen technológiák fontos szerepet játszanak annak elősegítésében, hogy a hidrogén tiszta és fenntartható energiahordozóként lépjen elő a különböző alkalmazásokban. Alaposabban is szemügyre vettük a különféle technológiákat, és sorra vettük azok előnyeit és hátrányait.

A PEM-elektrolízis, vagy más néven protoncsere-membrán-elektrolízis során a vizet egy polimermembrán és elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontják.

Előnyök:

• Gyors üzembe helyezés és gyors alkalmazkodás a különböző mértékű terhelésekhez
• Nagy hatékonyság részleges terhelésű üzem esetén
• Alacsony üzemi hőmérséklet (50–80 °C), amivel csökken a költséges anyagok használatának mértéke
• Kompakt méret és egyszerű integráció a meglévő rendszerekkel
• Magas szintű technológiai fejlettség (TRL 7-8)

Hátrányok:

• Érzékeny a vízben lévő szennyeződésekre, ezért a víz előkezelését igényli
• A PEM-üzemanyagcella élettartama korlátozott (körülbelül 10 000 üzemóra)
• A lúgos elektrolízishez képest költségesebb

A lúgos elektrolízis során a vizet alkotóelemeire, vagyis hidrogénre és oxigénre bontják egy lúgos elektrolittal, jellemzően kálium-hidroxid vizes oldatával.

Előnyök:

• A PEM-elektrolízishez képest alacsonyabb költségek
• Ellenálló a vízben lévő szennyeződésekkel szemben
• Az elektrolitcella hosszú élettartamú (körülbelül 40 000–80 000 üzemóra)
• A legmagasabb szintű technológiai fejlettség (TRL 8-9)

Hátrányok:

• Lassabb reakciós sebesség a PEM-elektrolízishez képest
• Magasabb üzemi hőmérséklet (70–100 °C), ami nagyobb energiafogyasztáshoz vezet
• Az eltérő üzemi paraméterek miatt nehezebben integrálható a meglévő rendszerekkel

Az SOEC a szilárd oxidos elektrolizáló cella rövidítése, és egy olyan, magas hőmérsékletű elektrolitcellát takar, amely szilárd oxidokat használ elektrolitként, és a vizet magas hőmérsékleten hidrogénné és oxigénné alakítja.

Előnyök:

• Nagy hatékonyság és hővisszanyerés a magas üzemi hőmérsékletnek (800–1000 °C) köszönhetően
• Rugalmasság a különböző üzemanyagok (pl. gőz, CO2) használatát illetően

Hátrányok:

• A magas üzemi hőmérséklet miatt költséges anyagokra és speciális hőszigetelésre van szükség
• Lassú üzembe helyezés és alkalmazkodás a különböző mértékű terhelésekhez
• Nagy méretek és összetett rendszer-integráció
• Kis mértékű üzemeltetési tapasztalat a nagy volumenű alkalmazást illetően

Az AEM az anioncsere-membránt jelenti, és olyan elektrolizáló-technológiát takar, amely speciális, a negatív töltésű ionokat átengedő membránt alkalmaz, és elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontja a vizet.

Előnyök:

• A PEM-elektrolízishez képest alacsonyabb költségek
• Ellenálló a vízben lévő szennyeződésekkel szemben
• Alacsonyabb üzemi hőmérséklet (körülbelül 60–80 °C)

Hátrányok:

• Korlátozott fejlesztés és forgalmazás a PEM- és lúgos elektrolízishez képest
• Potenciális kihívások a membrán hosszú idejű stabilitását illetően
• Nem állnak rendelkezésre nagy volumenre méretezett rendszerek. Alacsony szintű technológiai fejlettség.