Lehetőségek és korlátok a hidrogén tüzelési célú felhasználásában

Vizsgálatok a gázellátó és gázfogyasztó rendszer egyes komponensein

Az előadó, Dr. Vajda József először azokat a vizsgálatokat ismertette, amelyek Németországban kerültek elvégzésre, és a különböző gáztechnikai rendszerkomponensek földgáz-hidrogén keverékekhez való alkalmasságának igazolását célozták.

Egy, még 2016-ban elvégzett DVGW kutatási projekt célja annak megerősítése volt, hogy a hidrogén maximum 10 térfogat%-os koncentrációban a háztartási és kisfogyasztói gázfelhasználás területén hozzákeverhető a földgázhoz. A vizsgálatba egy gázellátási körzetben található, összesen 174 darab gázkészüléket vontak be, amelyek többsége (139 db) kondenzációs gázkazán volt, de volt köztük átfolyós vízmelegítő, gáztűzhely, és blokkégős készülék is. A hidrogén-betáplálás időtartama változó hidrogénkoncentrációk mellett (2, 3, 4, 6,5 és 9 térfogat%) összesen 2683 órát tett ki.

Az üzemi vizsgálatok fontosabb megállapításai a következők voltak:

1. A gyakorlatban semmilyen negatív hatás nem jelentkezett a gázkészülékek üzemében.

2. Átlagban csökkentek a szénmonoxid-emissziók.
3. Problémamentes indítási, leállítási, üzemi és szabályozási viselkedést tapasztaltak magas hidrogénkoncentrációk és a legrosszabb feltételek mellett is. 
4. A maximális teljesítmény néhány százalékponttal csökkent, amelynek oka a földgáz-hidrogén-keverék kisebb égéshője a tiszta földgázéval összehasonlítva.

Egy másik vizsgálat, vagyis acél szállítóvezetékek vizsgálata során a szakemberek azt tapasztalták, hogy a csőanyag mikrorepedései a hidrogénatomok kristályrácsba való behatolásához, és ezzel ridegedéshez vezetnek. Ugyanakkor a kompresszor indítása és leállítása miatt jelentkező ciklikus terhelések a repedések gyorsabb növekedését okozzák. Fontos megjegyezni, hogy a csőanyag tulajdonságai már néhány százalékos hidrogén-betáplálásnál is változhatnak, ezért ügyelni kell arra, hogy az alkalmazott csőanyag alkalmas legyen a hidrogén szállítására.

A településeken belüli műanyag elosztóvezetékek vizsgálata során tett megállapítások a következők voltak:

1. A hidrogén műanyagcsőanyagokba való diffúziója elhanyagolható mértékben befolyásolja a cső mechanikai tulajdonságait.

2. A hidrogént szállító vezetékek öregedése révén nem jön létre szignifikáns változás a kristályszerkezetben.
3. A PE 80, PE 100, PE 100-RC és PA-U12 szerkezeti anyagokból készült csőanyagok alkalmasak a hidrogén szállítására.

Külön vizsgálat tárgyát képezte a műanyag elosztóvezetékek időnként szükséges elszorítása során jelentkező gázátszivárgás mennyisége is. Az ezzel kapcsolatban rendelkezésre álló 190 vizsgálati eredmény azt mutatja, hogy az átszivárgó gázmennyiség függ a gázösszetételtől (illetve az ettől függő sűrűségtől és viszkozitástól), és hogy az átszivárgó gázmennyiség 30 térfogat% hidrogéntartalomig alig különbözik a tiszta metánnál mért értékektől, efölött viszont jelentősen nő.

Hidrogéngyártás, definíciók

A továbbiakban az előadó felsorolta a hidrogéngyártás lehetőségeit, azaz a földgázbontás, a metanol reformálása és a víz elektrolízíse révén történő eljárásokat. Megállapította, hogy az utóbbi – bár környezetbarát – eljárás energiaigénye két nagyságrenddel nagyobb a másik két gyártási módszer energiaigényénél. Ehhez kapcsolódóan az alábbiak szerint megadta a zöld, a szürke és a kék hidrogén definícióját is:

Zöld hidrogén: elektrolízissel, 100%-ban megújuló energiaforrásból állítják elő.

Szürke hidrogén: Földgáz reformálása révén állítják elő, a keletkező széndioxidot a légkörbe vezetik.

Kék hidrogén: Földgáz reformálása révén állítják elő, a keletkező széndioxidot nem vezetik a légkörbe, hanem leválasztják és arra alkalmas geológiai képződményekben tárolják.

A hidrogéngyártás témaköréhez kapcsolódóan elmondta, hogy már többféle, és különböző teljesítményű elektrolizáló készülék is kapható a piacon, kezdve az 500 l/h hidrogéntermelési kapacitású készülékkel, és bezárva a sort a 4920 m³/h teljesítményűvel.

Tanúsítványok, konformitási nyilatkozatok, és hidrogén-deklarációk

A gáztechnikai rendszerkomponensek gyártóinál egyre növekvő számban állnak rendelkezésre tanúsítványok, konformitási nyilatkozatok, és hidrogén-deklarációk, amelyek ezek bizonyos hidrogénkoncentrációk melletti használhatóságát bizonylatolják. Vonatkozik ez csatlakozó- és fogyasztóvezetéki csővezetékekre, idomokra, gömbcsapokra, gáznyomásszabályozókra, gázmérőkre, és gázkazánokra. Az utóbbiaknál például a Weishaupt WTC-GB 470-A és 620-A, valamint a Viessmann Vitodens 100-W, és Vitodens 111-W kondenzációs gázkazánok tüzelésénél 20 % hidrogéntartalom megengedett.

A nagyléptékű hidrogénfelhasználás korlátai

Ezzel kapcsolatban az előadó egyrészt ismertette a Miskolci Egyetem kutatóinak tanulmányát, amely szerint a Magyarországon beépített 2591 MW-nyi villamos-energia kapacitással 2720 GWh/év villamosenergia termelhető, amellyel kb. 49 ezer tonna hidrogén állítható elő, ami gáztechnikai normál köbméterben 578 millió m³-t jelent. Ezzel a 2021 évben hazánkban felhasznált földgázmennyiség mindössze 1,9 %-a váltható ki. Megjegyzendő, hogy a kapacitások számbavételénél a fotovoltaikus erőművek esetén csak az 500 kW feletti teljesítményűek kerültek figyelembevételre. Az ezzel kapcsolatos publikáció[1] az ÉPÜLETGÉPÉSZ 2022. évi 6. számában, és itt is olvasható:
https://epuletgepesz.hu/2023/07/02/foldgazfelhasznalas-hidrogen-helyettesites-magyarorszag/

Másrészt az előadó a német Gebaeude Energieberater szaklapban megjelent egyik cikkre hivatkozva elmondta, hogy a hidrogén alkalmazása a zöld áram többszörösét igényli az elektromos üzemű hőszivattyúval összehasonlítva.

Amig ugyanis hőszivattyúk alkalmazása esetén ökölszabályként 1 kWh villamosenergiából 3 kWh hőenergiát tudunk előállítani, addig ez az arány hidrogénes gázfűtés esetén a tetemes átalakítási veszteségek miatt 1 kWh villamosenergiából 0,5 kWh hőenergia.  Vagyis ahhoz, hogy hidrogénből ugyanannyi hőenergiát megtermeljünk, hatszor annyi szél- és napelemes-erőművet kellene létesítenünk, mintha az így megtermelt árammal hőszivattyúkat hajtanánk meg. A hőszivattyús hőtermelés előnyét a hidrogéntüzeléssel szemben tovább növeli az a tény, hogy újabban már megjelentek a piacon A++ kategóriába sorolt levegő-víz hőszivattyúk is, az egyik ilyen konkrét gyártmány SCOP-értéke már 4,70. Ez pedig tovább javítja az előbbi energiamérleget a hőszivattyúk javára.  

Németországi szakmai körök állásfoglalása szerint a náluk is szűkében lévő zöld hidrogént inkább az olyan energiaintenzív iparágak karbonmentesítésére kellene felhasználni, mint az acél- és cementipar, ahol egyéb lehetőségek arra nem adódnak. Az előadó véleménye szerint a közeljövőben hazánkban sem kerülhet sor a hidrogén nagyléptékű, háztartási és kisfogyasztói területeken való felhasználására, így a fűtéstechnikai célú felhasználás azokon a földrajzi területeken jöhet szóba, ahol a hőszivattyúk tömeges alkalmazásához szükséges villamos infrastruktúra-fejlesztés akadályokba ütközik, vagy túl nagy költségekkel jár.

A fentieken túl a szakmai nap programját Blazsovszky László (Gázipari Műszaki Szakbizottság), Hegyi Gábor (Weishaupt), Farkas Róbert (Gienger) és Murányi Sándor (Gázközösség) előadásai gazdagították.

[1] Galyas Anna Bella, Dr. Szunyog István, Dr. Vadászi Marianna: A földgázfelhasználás hidrogénnel történő helyettesítésének elméleti potenciálja Magyarországon

B. B.