A hidrogén és hidrogén-technológiák sokrétű előnyei akkor realizálhatók a valóságban is, ha komplex projektként, komplex értékláncként valósítják meg őket. A HTC technológiák valóban számos lehetőséget biztosítanak erre. Komplex projekt alatt azt értjük, ha egy technológiai értéklánc nem kizárólag csak egy célt szolgál. Ilyen lehet például, amikor már a hidrogén előállítása is a helyszínen (on-site) történik, elsősorban megújuló energiát felhasználó elektrolízissel, a villamos rendszerrel együttműködésben. Az így megtermelt hidrogén pedig nem csak mobilitási célra használható, hanem esetleg ipari alapanyagként és/vagy energiatárolási célokra is. Ez tehát egy lehetséges példája a komplex értékláncoknak, amelyek többszörös, több területen jelentkező előnyöket képesek megjeleníteni. Meg kell jegyeznünk, hogy ilyen demonstrációs projektek ma már MW, illetve akár több tíz MW léptékben is működnek a világ fejlett országaiban, de előkészítési, illetve megvalósítási tanulmány fázisában van már több, egyenként száz MW léptékű projekt is. A szektorális integrációra vonatkozó, általános bevezető után ez a fejezet néhány konkrét projekt példáján mutatja be a hidrogén sokrétű felhasználási lehetőségeit.
A szektorális integráció háttere
A mobilitás és az energetika, illetve az energiaintenzív iparágak közötti együttműködést, összekapcsolódást még tágabb értelmezésben szektorok közötti integrációnak, úgynevezett „szektorális integrációnak”, esetleg „szektorintegrációnak”, angolul „sectoral integration”-nek nevezi az EU-s szaknyelv. A szektorális integráció azt a koncepciót jelenti, amely összekötő kapocsként szolgálhat az energetika (villamos energia, gáz, hő alszektorok), a közlekedés és egyes ipari szektorok, illetve infrastruktúrák között. Kézzelfoghatóbb értelmezésben a lényege röviden az, hogy egyes, jelenleg is jelentős mennyiségű hidrogént felhasználó ipari ágazatok, amelyek egyben jelentős üvegházgáz kibocsátók is és jellemzően az EU ETS emisszió-kereskedelmi rendszer hatálya alá tartoznak (mint pl. finomítók, acélművek, műtrágya gyárak), részben megújuló villamos energiából, jellemzően a villamos hálózattal együttműködésben termelt hidrogént használnák fel. Ezáltal a megújuló energia hidrogén formájában olyan szektorokba és folyamatokba is bevihető, amelyek esetében a dekarbonizáció különösen fontos. Ez a koncepció a VER kiszabályozása szempontjából is hasznos, ha elsődlegesen akkor termelnek hidrogént a villamos hálózatból származó energiával, amikor átmenetileg – a hálózati kapacitások illetve az aktuális fogyasztás szempontjából – megújuló energia „felesleg”, túltermelés van.
Az EU irányadó, szakmai anyagai az utóbbi években egyre inkább prioritásként kezelik a hidrogén-technológiák által megvalósítható szektorális integrációt. Erre jó példa az Európai Bizottság 2018 márciusi vezetői kerekasztal egyeztetése a szektorális integráció és energiatárolás témakörében: „High Level Roundtable on Energy Storage and Sectoral Integration”. A kerekasztal beszélgetés elnöke az Európai Bizottság akkori energiaügyi főbiztosa volt, és a következő cégek, szervezetek vettek részt rajta: Audi, Alstom, Bosch, Credit Suisse, EDF, Enel, Entso-E, E.ON, Eurelectric, EU Energy Research Alliance, Fertilizers Europe, Friends of Supergrid, Iberdrola, IRENA, Mitsubishi, Red Electrica de Espana, Shell, Siemens, Total, Toyota Europe. A felsorolással nem ingyen reklámot akarunk biztosítani az említett szervezeteknek, hanem bemutatni azt, hogy a saját iparágukban tekintélyes cégek gondolkodnak és fejlesztenek ilyen irányba.
A viszonylag újszerű koncepció jobb megértése érdekében a következőkben néhány működő, vagy a működését rövidesen megkezdő mintaprojektet mutatunk be.
HyBalance mintaprojekt: MW léptékű PEM elektrolízis, szélerőművek villamosenergia termelésére alapozva
Európa egyik legfejlettebb hidrogén-technológiai létesítménye kezdte meg működését 2018 őszén a dániai Hobróban. A demonstrációs projekt a HyBalace nevet viseli, mivel a beépített 1,2 MW-os elektrolizáló a villamosenergia-rendszerrel együttműködésben állít elő hidrogént, segítve az elektromos hálózat kiszabályozását. A projekt keretében a közeli szélerőművek fluktuáló villamos teljesítményéhez igazodva 500 kg/nap „zöld” hidrogént állítanak elő elektrolízissel. A módszerrel egyrészt elősegítik a hálózat (VER) stabilitását, másrészt a vízbontást a napnak abban a szakában végzik, amikor olcsó a villamos energia, vagyis a megtermelt hidrogén ára is kedvező lesz. Ráadásul a folyamat során semmilyen üvegházhatású gáz sem kerül ki a környezetbe. A választás azért esett erre a dániai helyszínre, mert itt magas a szélerőműves villamosenergia-termelés aránya, fejlett a gázhálózat, és az egyik projekt partner cég már jelenleg is több hidrogén töltőállomást üzemeltet Dániában. Az előállított „zöld” hidrogént nem csak a közlekedés, hanem egyes ipari üzemek is hasznosítják.
A komplex projekt főbb célkitűzései és előnyei:
- A hidrogén alapú energiatárolás demonstrálása, az előállított „zöld” hidrogén felhasználása a közlekedésben, ami segíti a közlekedési dekarbonizációt, a hagyományos légszennyező anyagok kibocsátásának csökkentését, az import energiafüggőség csökkentését, valamint az időjárásfüggő megújulók jobb integrációját a villamos energia rendszerbe.
- A hidrogén disztribúció és tárolás demonstrálása, hidrogén-töltőállomás üzemeltetése.
- A projekt során az igen dinamikus terhelésváltozásokat is elviselő PEM típusú elektrolizálót használják, valós ipari környezetben. Az elektrokémiai reakció révén magas nyomáson állítják elő a hidrogént. Ennek eredményeként a hidrogént előállító „üzem” a VER kiszabályozási feladatában is részt vállalhat, azaz nem csak az előállított hidrogénből juthat jövedelemhez, hanem a szabályozási piacon nyújtott szolgáltatásból is. A projekt ezzel a kettős előnnyel bizonyítja várhatóan az ilyen típusú üzleti modell életképességét.
- A hidrogént nem csak a közlekedésben, hanem a vegyiparban is hasznosítani tudnák, emiatt a projektet „multiple high value market” demonstrációjára is használják, ami kellően átgondolt és okos, azaz „smart” tervezés esetén a hidrogén-energetikai rendszerek jellemző tulajdonsága.
- Távlati kitekintésben vizsgálják, hogy a projekthelyszínként szolgáló Hobro városától nem messze található földtani formációk (sódómok) alkalmasak lehetnek-e az előállított hidrogén nagy mennyiségű tárolására. Ha ez kivitelezhetőnek bizonyul, a projekt a szezonális energiatárolás lehetőségét is előrevetíti.
A gondos tervezést végző országokban, mint Dániában is, a HTC projektek részben legalábbis egymásra épülnek. Nem véletlen, hogy Európa egyik legnagyobb, kétszáz darabos HTC buszflottája rövidesen (2020-2021) éppen Dániában áll üzembe.
Hidrogén alapú acélgyártás
A szektorintegráció (sectoral integration) keretében nem csak energetikai, de jelentős üvegházhatású gázkibocsátással rendelkező iparágak is alkalmazzák a hidrogént, pontosabban a megújuló energiák segítségével előállított hidrogént. Az egyik ilyen iparág az érdeklődés középpontjában álló acélgyártás, amely az EU emisszió-kereskedelmi rendszerének (ETS) hatálya alá tartozik. Az acélgyártás azonban nem csak a szén-dioxid vonatkozásában számít súlyosan környezetterhelő tevékenységnek, hiszen a hagyományos légszennyező anyagok, úgy mint CO, NOx, por kibocsátása is jelentős. Ráadásul a termelés igen sok energiát igényel.
Jelen „best practice” leírás alapvetően az acélgyártást tárgyalja, egyrészt jelentős potenciálja miatt, másrészt azért, mert az acélipar némelyik meghatározó, világhírű piaci szereplője (POSCO, SSAB, Voestalpine) már most is ilyen irányba kutat, illetve kezdeményezi az efféle demonstrációs projekteket. A háttér megértéséhez azonban először nagyon röviden át kell tekinteni az acélgyártást és azon belül a hidrogén potenciális szerepét. Vas a természetben nem fordul elő tiszta fém formájában (legfeljebb a meteoritvas ilyen), ezért érceiből, tűzi kohászati eljárással kell előállítani, jellemzően az ún. nagyolvasztókban. A tűzi kohászat során a vasércből, ami főleg vasoxidok elegye, az oxigént redukálással távolítják el, azaz a vas-oxidból (Fe2O3) különböző lépéseken keresztül elemi vas (Fe) keletkezik. Az acélművekben jelenleg a koksz az alkalmazott redukálószer, amely egyben tüzelőanyag (hőforrás) is. Az acélgyártás jelentős szén-dioxid kibocsátása elsősorban a koksz (szén) alkalmazásából adódik.
A fenti, rövid technológiai leírás tükrében már valószínűleg érthető, hogy az acélgyártás redukáló tüzelőanyagai körében miért lenne szerencsés a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése és más előnyök szempontjából is, ha minél több hidrogént, lehetőleg környezetkímélő módon előállított „zöld” hidrogént, és kevesebb kokszot használnának fel. A folyamatok jelentőségét a következő számadatok támaszthatják alá: 2014-ben a német acélipar a teljes németországi szén-dioxid-kibocsátás 6,4%-át adta, ami 51,4 millió tonna CO2 kibocsátását jelenti. Jelentős arányról és mennyiségről beszélhetünk tehát. A EU ETS negyedik kereskedési ciklusa 2021-ben indul, és várható, hogy a következő évtizedben a CO2 kvóta ára (€/t) a jelenlegi szintet érdemlegesen meg fogja haladni. Ez is nagyon jelentős hajtóerő az ilyen jellegű fejlesztések irányába, és adott esetben az ETS iparágak versenyképességének megőrzését is jelentheti.
Másrészről, a hidrogén-technológiák oldaláról az utóbbi években ugrásszerűen fejlődtek a kifejezetten gyors válaszidejű, több MW egységteljesítményű elektrolizálók. A villamosenergia-hálózat több országban küszködik az időjárásfüggő megújuló energiák által termelt villamos energia „felvételével”.
Ausztriában, a Voestalpine linzi acélművében már folyamatban van egy érdemleges, 6 MW kapacitású, „zöld” hidrogént előállító elektrolizáló demonstrációs projekt. Az elektrolizáló kapacitás 2019 végére már kiépült az üzemben. A H2FUTURE elnevezésű projektet egy konzorcium valósítja meg, amelynek tagjai a Voestalpine, a Siemens, a VERBUND, az Austrian Power Grid, valamint a kutatási partnerek:
- A Voestalpine Group szerteágazó tevékenységei között fontos az acélgyártás, illetve egyéb fémek feldolgozása. A csoport 50 országban van jelen, összesen 500 leányvállalattal és 48500 alkalmazottal.
- Siemens: a cég elektrolizálókat is gyárt, jelen projektben a Siemens AG Österreich vesz részt, mint technológia szállító.
- VERBUND: Ausztria vezető villamosenergetikai cége és Európa egyik legnagyobb vízerőműves termelője. Az általa termelt villamos energia 96%-a már jelenleg is megújuló energiaforrásokból származik, alapvetően vízerőművekből. A cég villamosenergia-szállítással és kereskedelemmel is foglalkozik, utóbbit 12 országban végzi.
- APG (Austria Power Grid): az osztrák villamosátviteli rendszerirányító.
Az itt ismertetett projektben is az ipar (esetünkben az acélipar), az energiaszolgáltató, a rendszerirányító és egy technológiát szállító cég működik együtt. A megújulók – vagy egyéb, low-carbon technológiák – segítségével előállított „zöld” hidrogén óriási potenciált jelenthet azokban az iparágakban, amelyek már most is használnak hidrogént a termelési folyamatok során, vagy amelyek a jövőben használnák ki ezt a lehetőséget. A linzi projektben a hidrogént az acélmű belső gázhálózatába vezetik, ezáltal az acélgyártás különböző fázisaiban tesztelhetik annak használatát. Projektpartner még az osztrák átviteli rendszerirányító (APG), amely segít integrálni a hidrogént előállító üzemet a rendszerszintű szolgáltatások piacára, kereslet-oldali (demand side management) megoldásokat fejlesztve.
A projekt teljes – 18 millió eurós – költségének fennmaradó részét, mintegy 6 millió eurót a résztvevő cégek biztosítják a 4,5 évre tervezett demonstrációs időszakra. A hidrogénüzem Linzben, az acélművön belül épült meg 2019 őszére.
Összefoglalva, a projekt az egyes szereplőknek (szektoroknak) a következő, sokrétű előnyöket nyújtja:
- Az acélgyártó évek óta következetesen dolgozik az acélgyártás folyamatának fokozatos dekarbonizálásán. A linzi acélműben megvalósuló „zöld” hidrogénüzem egy újabb fontos lépés az acélgyártás technológiájának hosszú távú átalakításában. A „zöld” hidrogén valódi, kereskedelmi alapú térnyerése 20-30 éves folyamat lehet az acélgyártásban, de a cég vezetése bízik a fejlesztésekben és meggyőződésük, hogy végül sikeresen elérik a kitűzött célokat.
- A villamosenergia-termelő számára a „zöld” hidrogén ipari alkalmazása jelentős potenciált kínál, és egyfajta energiatárolási megoldásként is értékes lehetőség. Hasznos továbbá az időben váltakozó jelleggel termelő megújuló energiaforrások VER szintű kiszabályozásában, integrációjában is.
- Az átviteli rendszerirányító a villamosenergia-rendszerben a termelés és fogyasztás mindenkori egyensúlyáért, a stabil hálózati frekvenciáért felel. Ebből következően a projektben való részvétel a szabályozási tartalékok piacán nyerhető tapasztalatok miatt érdekes a TSO számára, mivel a hidrogén-technológiák mind a szabályozásban, mind az energiatárolásban szerepet játszhatnak.
A 6 MW-os elektrolizáló kb. 1.200 m3/h (~110 kg/h) hidrogén megtermelésére képes. Ez önmagában még nem túl jelentős az acélmű összes redukáló- és fűtőanyag-felhasználásához képest, azonban a beépített teljesítmény – amennyiben a projekt sikeresnek, az üzleti modell életképesnek bizonyul – szükség esetén könnyen megsokszorozható.
A bemutatott projekt nem egyedi: az acéliparon belül több jelentős szereplő kezdett, vagy kezd bele a közeljövőben hasonló, hidrogén-technológiát alkalmazó projektbe. Az új projektek jellemzően a megvalósíthatósági tanulmány fázisában vannak, így további pilot projektek megjelenése várható.