A hidrogén-előállítás rövid áttekintése
A hidrogén laboratóriumi előállításának hagyományos és az iskolában is gyakran bemutatott módja az, amikor cinkre sósavat öntenek. Ekkor hidrogéngáz fejlődik és cink-klorid keletkezik:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Közismert lehet az a módszer, amikor valamilyen alkálifémet, például nátriumot, vízzel reagáltatnak. Ilyenkor a heves reakcióban hidrogéngáz keletkezik:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
Az ipari léptékű, nagy mennyiségű hidrogén-előállítására nem a fenti reakciókat használják. A hidrogén nagyon sok anyagban előfordul, elvileg tehát nagyon sokféle módon előállítható, de a jelenlegi gyakorlatban abszolút domináns módszer a fosszilis energiahordozókból kiinduló előállítás. Ezen belül is meghatározó a földgázból, pontosabban metánból (CH4), történő hidrogén-előállítás. Ez utóbbi módszert gőzreformálásnak is nevezik, angol rövidítése: SMR (Steam Methane Reforming). Világméretekben a hidrogén előállítási módok megoszlása jelenleg a következő:
~50% földgázból | katalitikus gőzreformálással (SMR eljárás). Megjegyzés: ezt az eljárást használják Magyarországon is, pl. Százhalombattán a Dunai Finomítóban, valamint Kazincbarcikán a vegyipari üzemben |
~30% folyékony szénhidrogénekből (kőolajból) | parciális oxidációval |
~16% szénből | szénelgázosítással és víz-gáz reakcióval |
~4% elektrolízis | elektromos áram hatására történő vízbontással |
Az első három „hagyományos”, vagyis jelenleg alkalmazott hidrogén-előállítási módszer közvetlenül és közvetetten is terheli a környezetet. Közvetlen terhelést jelentenek az előállítás során keletkező káros kibocsátások, így például üvegházhatású gázok kibocsátása. A nagyléptékű, pl. olajfinomítókban végzett, SMR alapú hidrogén-előállítás meglehetősen nagy CO2 kibocsátással jár, de a hagyományos légszennyezők (pl. CO) kibocsátása is jelentős. Emiatt ez a technológia az EU emisszió-kereskedelmi irányelvének (EU ETS; 2003/87/EC Irányelv) hatálya alá tartozik. A negyedikként említett módszer, vagyis a villamos hálózatból vételezett energiával történő vízbontás akkor környezetterhelő, ha az energia-mixben domináns a fosszilis eredetű energiahordozók felhasználása. A vízbontás ugyan nem jár lokális káros kibocsátással, majd a keletkezett hidrogén felhasználása sem, de a villamos energia előállítása történhet környezetet terhelő módon. Ez utóbbi jelenti a hidrogén-előállítás közvetett környezetterhelését. Ennek kiküszöbölése érdekében a hagyományos előállítási eljárások (pl. SMR eljárás) esetében szén-dioxid- leválasztást és tárolást (CCS/CCUS) is kell alkalmazni. Sokkal jobb megoldás azonban, ha eleve környezetkímélő módon előállított villamos energián alapul a hidrogén-előállítás. Az utóbbi években már csak azért is az érdeklődés középpontjába került ez a módszer, mert az időjárástól függő megújuló energiák terjedésével sok országban kulcskérdéssé vált, hogy mit lehetne kezdeni az időszakos többletben rendelkezésre álló villamos energiával. A villamosenergia-rendszer (VER) egyensúlya szempontjából egyre sürgetőbb a kérdés megoldása.
A fent említett szempontok miatt itt most csak az elektrolízissel foglalkozunk részletesen. Fejtegetéseink során azt feltételezzük, hogy a vízbontáshoz szükséges villamos energia vagy megújuló energiaforrásból és/vagy ’low-carbon’ technológiából származik, hogy a teljes értéklánc mentén (azaz „Well-To-Wheel” alapon) igen alacsony, vagy akár zéróközeli szennyezőanyag-kibocsátást érjünk el. Az elektrolízissel történő hidrogén-előállítás ugyan ma még viszonylag kis arányban van jelen, de a (közeli) jövőben jelentős fordulat várható ezen a téren.
Elektrolízis
Az elektrolízis, azaz az elektromos energia hatására létrejövő vízbontás során a vízmolekulák (H2O) alkotóelemeikre, hidrogénre (H2) és oxigénre (O2) bomlanak, mivel az elektrokémiai behatás a kötéseket bontja meg. Ez a reakció lényegében a tüzelőanyag-cellában lezajló folyamat fordítottja. A vízbontás ún. elektrolizáló cellákban játszódik le, két félreakció eredőjeként az egyes elektródákon. Az elektródák ionvezető elektrolitban helyezkednek el, amely lehet pl. lúgos oldat (alkálikus cellatípus esetében), vagy akár ionvezető polimer (PEM típusú elektrolizáló esetében). Gáz halmazállapotú hidrogén keletkezik a negatív elektródnál (katód) és oxigén a pozitív elektródnál (anód). A szükséges töltésáramlást a hidroxidionok (OH-) vagy protonok biztosítják az elektrolitban, és elektronok (azaz elektromos áram) az áramkörben. Annak érdekében, hogy a két keletkező gáz ne keveredhessen, a két reakcióteret egy gáztömör, ion-áteresztő membrán választja el egymástól. A vízbontáshoz szükséges energiát elektromos áram formájában vezetik be a folyamatba, egyenáramként.

A bruttó reakció: H2O –> H2 + ½O2, ∆G = 237 kJ/mol
, amely az alábbi parciális reakciókból tevődik össze:
anód (+) reakció: 2 OH– –> ½ O2 + H2O + 2 e–
katód (-) reakció: 2 H2O + 2 e– –> H2 + 2 OH–
Az elektrolizálóknak alapvetően három típusát különböztethetjük meg:
(1) alkálikus (lúgos) elektrolizálók,
(2) protoncserélő-membrános (PEM) elektrolizálók,
(3) magas hőmérsékletű elektrolizálók (HTE). A harmadik típusra olykor a ’szilárd-oxidos elektrolizálók’ (SOE) kifejezést használják.
A következő ábra a tüzelőanyag-cellák bemutatásánál már megismert, PEM membrán-technológiára (Proton Exchange Membrane) épülő elektrolizálók működési sémáját és elektrokémiai folyamatait szemlélteti részletesebben.

Forrás: R. Maric, H. Yu: PEM Water Electrolysis as a Promising Technology
for Hydrogen Production and Energy Storage, 2018.
A jelenleg alkalmazott elektrolizálók nagy része alkálikus (KOH) elektrolizáló, mivel történelmileg ez a legkorábbi technológia. A PEM elektrolizálók most még kevésbé elterjedtek, de dinamikus fejlődést mutatnak napjainkban. Ezek tulajdonképpen a PEM tüzelőanyag-cellák fordított működésének felelnek meg. A magas hőmérsékletű (HTE) elektrolizálók inkább csak a jövő technológiáját képviselik, mert esetükben alapkutatásokra is szükség van még és egyelőre csak laboratóriumi méretekben léteznek. Az elektrolizálók közös jellemzője, hogy a H2 termelési kapacitás eléréséhez számos „elemi” cellát kapcsolnak össze, amelyek együttesen egy modult, úgynevezett stacket alkotnak, hasonlóan a tüzelőanyag-cellákhoz. A moduláris szerkezetnek köszönhetően több modul összekapcsolásával elvileg nagyobb rendszerek kiépítése is egyszerűen megvalósítható.
- Alkálikus elektrolizáló: érett technológiának tekinthető. Alkálikus elektrolizálókban valamilyen lúg, általában 30% körüli koncentrációjú kálium-hidroxid (KOH) oldat képezi az elektrolitot, mivel ez segíti az ionáramlást. Az alkálikus elektrolizálók DC bementre és LHV-ra vonatkoztatott hatásfoka valós működési körülmények között kb. 60-70%. Néhány tipikus működési paraméter: hőmérséklet 70-100 oC (az elektrolit hőmérsékletét tekintve); cellafeszültség 1,7-2,2 V; áramsűrűség 0,2-0,6 A/cm2. Az előállított hidrogén tisztasága nagyjából 99,8%. Az alkálikus elektrolizáló működéséhez megfelelnek az olcsóbb katalizátor anyagok is, mint például a nikkel.
- PEM elektrolizáló: a PEM elektrolizálóban protoncserélő (PEM) membrán képezi az elektrolitot. Tulajdonképpen a PEM típusú tüzelőanyag-cella működésének fordított folyamataként működik. Szerkezeti felépítésében is nagyon hasonlít a PEM tüzelőanyag-cellához, de az oxigén-oldali korróziós problémák miatt inkább fém komponenseket használnak. Katalizátorként platinát vagy platinaötvözeteket. Eltérő továbbá a membrán (elektrolit) vastagsága. Felépítéséhez nemesfémek, így például a már említett platina szükséges.
Az elektrolizálók piacosított termékként ma már több gyártótól és széles teljesítménytartományban elérhetők. A lúgos (alkálikus) elektrolizálók több évtizedes múltra tekintenek vissza, és a vegyiparban több tíz MW nagyságrendű rendszerek is működnek. A PEM elektrolizálók esetében sem ritka ma már az ~1-2 MW-os egységteljesítmény, de 2017-ben piacra került a 3 MW-os egységteljesítményű PEM elektrolizáló egység is. Napjainkban tehát már nem kísérleti prototípusokról beszélünk, hanem „normál”, kereskedelemben kapható termékekről, amelyek vevői igényektől függően megfelelő CE minősítéssel, garancia- és – szükség esetén – O&M (karbantartási) szerződésekkel, távfelügyelettel együtt, akár szabvány méretű konténeres elhelyezésben beszerezhetők.

Konkrét példaként megemlíthetjük, hogy egy 2 MW-os elektrolizáló rendszer szabványos, 40’-os konténerben (~12 x 2,3 m) helyezkedik el, tehát a helyigénye nem jelentős. Egyszerűen szállítható és telepíthető. A 2 MW-os berendezés valamivel több mint 400 Nm3/óra (cca. 36 kg/óra) hidrogén előállítására képes.
