A hidrogén-átverés, és ami mögötte van

A világ egyik legígéretesebb autópiacán (USA) 2022-ben 750 darab hidrogénmeghajtású autó talált gazdára, ami egy decens 19 százalékos csökkenés a 2021-es eredményhez képest.

Nem csupán ezen eredmény alapján, de bátran kijelentem, hogy a hidrogénes szép új jövő soha nem fog eljönni. És nemcsak az autók nem lesznek hidrogénesek, hanem a központi fűtésed és a gázrezsód sem. Sőt, a tengeri teherszállító hajók sem. No, de miért?

Ez pofonegyszerű: mert nincs szabad hidrogén a Földön. Ennyi. Ez a legfőbb ok. Lehet ezt még ragozni, de a többi már következmény.

V É G E

A hidrogénnek van vége, nem a cikknek, vagy félreérthető voltam? Haladjunk tovább!

Azt el kell ismerjem, hogy a hidrogén fantasztikus energiatároló megoldás. Energiasűrűsége háromszorosa a kőolajszármazékoknak (33,6 kWh/kg versus 12 kWh/kg)!

Ha ezt összevetjük a legjobb lítiumion-akkumulátorok szánalmas adatával (Tesla-Panasonic NMC: 260 Wh/kg), rájövünk, hogy egyszerűen nincs más út a jövőbe, mint a hidrogén.

Íme a jövő: a hasznos teher többszörösével röppennek a levegőbe a hidrogénhajtású repülőgépek, háromszor gyorsabban hasítanak az Atlanti-óceánon az energiacellás teherhajók, szinte a légi szállítás bruttó szállítási idejével versenyre kelve, mindezt zéró károsanyag-kibocsátás mellett...

Csakhogy sajnos hidrogén - az nincs

Mi az, hogy nincs? Hát nem a hidrogén a világegyetem leggyakoribb eleme? De bizony, az. Az univerzum teljes anyagmennyiségének 73 százaléka hidrogén.

Ám az nem itt van, hanem az univerzumban. Idehaza, a Földön a leggyakoribb elem az oxigén (46%), őt követi (hoppácska, tudtad-e, hogy) a szilícium (28%)? Majd az alumínium, a vas és a kalcium következik, a hosszú sor közepén-végén pedig ott kullog valahol a hidrogén, kemény 0,14 százalékos részesedéssel.

Ha ránézünk a Földre, ami csurom víz, meg óceán, nehéz elhinni, hogy a hidrogén részaránya 0,14 százalék, és mégis igaz. Hiába az óceánok hatalmas víztömege, abban ugyanis kötött állapotban van jelen a hidrogén. És ugyanez igaz a földgázban, a cukorban, a fakéregben, a jégsapkában, a felhőben, a körömpiszokban, az összes szerves anyagban (pl. kőszében vagy akár a pálinkában) illetve mindenben, amiben víz van, úgyhogy akár a betonban is.

Ezek egyike sem alkalmas semmiféle gép meghajtására, mert a hidrogén köszöni szépen, kényelmesen elvan ott, ahova éppen beágyazódott – többnyire jó erős kovalens kötéssel. Ismételjük meg, mert fontos lesz a további gondolatmenethez: a hidrogén a Földön 99,999999 százalékban csak valami máshoz (oxigénhez, szénhez, stb.) kötötten fordul elő, tehát benne van már valamiben, amiből ki kell szedni.

Azért van kötésben, mert a vegytiszta hidrogén egy rendkívül kacér jószág. Állandóan és fűvel-fával összefekszik, elég, ha a Hindenburg-léghajó tragédiájára gondolunk:

Azt tudtátok, hogy a Hindenburg-léghajón volt egy dohányzószoba? Mégsem a dohányzás okozta a katasztrófát (a szoba túlnyomásos volt, oda hidrogén nem tudott bejutni), hanem simán a gáz szivárgása. Ez alkotott olyan robbanóelegyet, amit kb. a légyfing is be tudott robbantani, így kis túlzással a közelben bámészkodó járókelők csikkje elég volt a katasztrófához.

Ennél persze cifrább a történet. Vajon miért nem héliumot használtak, ha egyszer a partykellék boltban is tudják, hogy a hélium a helyes megoldás a lufiba? Nos, a szó, amit keresünk, az az embargó. 1937-et írunk, és a Hitler-féle harmadik birodalom már érezhetően fegyverkezik.

A hélium 1937-ben nem a viccbolt, hanem a haditechnika kategóriába tartozott. A korszellemnek megfelelően az USA, mint a héliumtechnológia birtokosa nem adott el sem héliumot, sem gyártástechnológiát a németeknek. Így fanyalodtak végül a köztudottan robbanékony hidrogénes megoldásra a légiközlekedésben.

A durranógáz az elmúlt száz évben sem lett kezesbárányabb, és mi mégis előszeretettel alkalmazzuk - ezúttal autókban.

A helyszínen tartózkodó szemtanúk állítása szerint a robbanás (oxidáció) eredménye sima víz lett: 2 H₂+O₂ —> 2 H₂O - vagyis a Hindenburg lángolt, közben meg esett az eső.

A fentiekből következik, hogy ha valaki hidrogénalapú energetikára vágyik:

• a hidrogént minden esetben energiabefektetéssel járó folyamattal kell előállítania (ki kell rángatnia abból a kötésből /anyagból/, amiben éppen van), és
• a vegytiszta hidrogént meg kell védenie az oxigénnel való találkozástól, különben berobban.

Jelenleg ezen a bolygón mindössze két forrásból állít elő az emberiség vegytiszta hidrogént: fosszilis energiahordozókból (95%) és vízből, vízbontással (5%). Lássuk most ezeket! (Érdemes megjegyezni, hogy vegyipari melléktermékként is számottevő mennyiségű hidrogén keletkezik – a szerk.)

1: Állítsunk elő hidrogént földgázból

Az előállított hidrogén 95 százaléka fosszilis energiahordozókból származik, ennek fele pedig földgázból (lényegében metán, azaz CH₄). Nézzük ezt a vonalat, mert a kőszén, kőolaj átalakítása is hasonló lenne a végeredményét tekintve, ám a metán egy pofonegyszerű molekula, ennek könnyű megérteni az átalakítását.

Nini, ott csücsül a metánmolekulában négy darab hidrogénatom! Szedjük ki belőle! Egy kis forró vízzel (1000 °C) ha nyakon öntjük (+nikkel katalizátor +egyebek, nem olyan egyszerű ez), a szén kínjában elengedi a hidrogénatomokat:

CH₄ + H₂O —> CO + 3 H₂

Így kapunk 3 molekula hidrogént, meg egy kis mérges gázt. Ha itt megállnánk, nem is lenne semmi baj, a szénmonoxidot meg majd letüdőzzük. De mi mohók vagyunk, és még egy kört kérünk, így:

CO + H₂O —> CO₂ + H₂

Ennyi. Készen vagyunk. Összesen kinyertünk 4 hidrogént! A dolog szépséghibája, hogy 1 tonna hidrogén előállítása során 12 tonna szén-dioxid is keletkezik, tehát erre fátylat boríthatunk. Ezen a ponton elmehetnénk carbon capture irányba, de most nem tesszük.

Inkább nézzük a folyamat energiamérlegét! Ha még nem adtad fel, és bírtad a metános képleteket, most felírom neked a metán —> hidrogén előállítás energiamérleg egyenletét, aztán persze röviden el is magyarázom. Íme a képlet:

És a rövid magyarázat: a gyártási folyamat során bevitt energiamennyiség mind kuka. Az összes. A fenti képletre egyáltalán nincs szükség, nem baj, hogy a felét kitakarja a tanár úr, mert a képlet felesleges.

Elég, ha megnézzük, mennyi energiát fogyaszt a „hidrogéngyár”, mert az mind, 100 százalékban veszteség.

Nem keverendő össze tehát az energiasűrűség, és az energiamennyiség. Az előállított tiszta hidrogén energiasűrűsége háromszorosa ugyan a földgázénak, de plusz energiamennyiség nem keletkezik, sőt!

Az energiaveszteség ráadásul kétszer is megtörténik, mert a legyártott hidrogént össze kell préselni ( ekkor felmelegszik), és úgy lehet értelmesen tárolni (ekkor pedig lehűl), szállítani, tankolni. Összességében a metán —> hidrogén előállítás annyi energiát fogyaszt, mintha elégetnénk a kiinduló metánmennyiség 50 százalékát (!).

Igen, kidobtuk a nyersanyagunk felét!

És ezzel még mindig nincs vége, mert a készterméket szállítani kell, és majd még az autónk üzemanyagcellája is összehoz olyan 20-30 százalék veszteséget.

A végeredmény az, hogy energetikailag lényegesen jobban jártunk volna, ha simán elégetjük a metánt. A folyamat vége így is, úgy is rengeteg szén-dioxid, akkor minek is bohóckodtunk a hidrogénnel?

Hát mert...

GREENWASHING

Talán van még, akinek újdonság, de a hidrogénálmot a kőolajipar tartja életben PR-cikkek és agymosás segítségével, hogy hosszú távon biztosítsák a fosszilis energiahordozókra a „zöld” keresletet. Azt állítják, hogy a hidrogén tiszta - de ez kamu, csak az üzleti érdekek miatt teszik.

Ez az erőfeszítésük amúgy meglepő módon egyáltalán nem káros, mivel hatástalan. Az agymosási része jól működik, rengetegen várják a szép új hidrogénjövőt, ám az energiamérleg annyira borzalmas, a végeredmény pedig annyira gazdaságtalan, hogy ez a jövő sosem jön el. Ez egy teljesen felesleges rángatózás a kőolajipar részéről.

Szerencsére ez csak az előállított hidrogén 95 százalékára igaz, mert a maradékot sokkal hatékonyabban, vízbontással állítjuk elő. Lássuk!

2: Állítsunk elő hidrogént vízbontással!

Érdekes, hogy a vízbontás milyen pofonegyszerű dolog. Áramot vezetsz a vízbe, és az így bevitt energia vízmolekulákat fog felbontani hidrogénre és oxigénre. Ennyi. Ezt persze szintén lehet cizellálni, katalizálni, nagyiparosítani, de te is megpróbálhatod házilag, és működni fog. Íme a követendő példa: 

Katalizátorként Mr. Muscle lefolyótisztítót használtak a fiúk. Erre mondják, hogy ügyes! Ugyanezt képzeld el ipari méretekben, túlbonyolítva, és kész is a hidrogéngyárad.

Vajon mi a vízbontás energiamérlege? Mert ez fogja eldönteni, érdemes-e ezzel vacakolni, vagy nem. Érdekes kérdés, ugyanis ha belegondolunk, a vízbontással majd az újbóli összecsinálással összességében nem csinálunk semmit, a vízből végül víz lesz megint.

Akkor tehát a vízbontásba fektetett energia szépen vissza is tér hozzánk, amikor a hidrogént felhasználjuk. Ezzel fel is találtuk az örökmozgót, a perpetuum mobilét! Ez egy zseniális csiki-csuki! Hát nem? Hát nem.

Sajnos a befektetett energia egy része szétszóródik. A 30 százaléka totál mellémegy, nem vízbontás lesz belőle, hanem egyéb mellékhatások, mint például a készülék túlmelegedése. Egyáltalán nem igaz, hogy X egységnyi energia 1 egységnyi hidrogént állít elő, amelyet ha visszaalakítunk, akkor újra X egységnyi energiát kapunk vissza.

Végeredmény: Az elektromos árammal végzett vízbontás energiavesztesége még a metán —> hidrogén előállításánál is nagyobb. (Az energiamérleg valóban negatív, ám ha a hidrogénbontáshoz szükséges áram megújuló erőforrásból származik, akkor a hidrogén felhasználása károsanyagkibocsátástól mentes – a szerk.)

De, vajon létezik-e energetikailag jobb alternatíva? És ha igen, mi lehet az?

Sokan tiszta szívből gyűlölik az akkumulátorokat, mivel a készítésükhöz “gyermekvér tapad”, hiszen azokhoz nélkülözhetetlen a kobalt (nem igaz), amit csakis gyermekmunkával tudnak kibányászni a Kongói Nemdemokratikus Köztársaságban (nem igaz).

Nos, valóban léteznek kobaltot tartalmazó lítiumion-akkumulátorok, de ez csak az egyik, ráadásul arányaiban csökkenő, drága típus, az NMC (nikkel-mangán-kobalt). Eközben viszont ott van például az LPF (lítium-foszfát-vas), amiben egy gramm kobalt sincs.

Itt jegyzem meg, hogy már gyártásban vannak, és sok területen leválthatják a lítium ionos akkumulátorokat a nátriumot használó akkumulátorok, melyekhez nem gyermekvér, csak sima asztali konyhasó tapad. Szóval a tiszta akkumulátor igenis létezik. Ha a BYD kínai autógyártó nem kamuzik, akkor idén elkezdik szállítani az első konyhasó alapú személyautókat is.

Így már egészen más a leányzó felfekvése, érdemes elgondolkodni a használatukon, mert így az energiaveszteségünk harmada lesz a hidrogén-energetikának.

És ha még hozzátesszük, hogy a hidrogén egyszerhasználatos energiatároló, az akku pedig több ezerszer feltölthető, az eredmény mindenki számára egyértelmű.

Green hidrogén ide vagy oda, végső soron nincs zöldebb annál, mint hogy a megtermelt energiát nem pazaroljuk el valami másra, mint ami a végcélunk.

Végezetül íme az akkumulátoros és a hidrogénes technológia energiamérlege egy látványos ábrán, mindkét esetben 100 százalékban megújuló energiaforrásból (pl. napelem) kiindulva:

A kérdés tehát röviden a következő: vajon a nagy nehezen, drága pénzen megtermelt energia egynegyedét, vagy közel 80 százalékát szeretném elpazarolni adott munkamennyiség elvégzéséhez?

Vagy másképpen: adott mennyiségű megtermelt energiából vajon több mint 3 kilométert szeretnék megtenni, vagy inkább csak egyet? Ugyanis energiakihozatal tekintetében az akkumulátoros technológia több mint háromszoros teljesítménnyel bír. (Matek: 73 százalék megmaradt hasznos energia több mint háromszorosa a megmaradt 22 százalék energiának.) 

Ki az, aki a 78 százalékos veszteségre szavaz a 27 százalék ellenében? Ép ésszel senki. A hidrogén-energetika ugyan kiállja a tudomány próbáját – de nem állja ki a pénztárcáét.

A De a tengerjáró hajók! / De a repülőgépek! kifogás:

Hát igen. Amíg nincs olcsón 400 Wh/kg-nál nagyobb energiasűrűségű akkumulátor megfizethető áron (mert megfizethetetlen áron már van, lásd Amprius), addig hosszútávú akkumulátoros repülésről ne is álmodozzunk. De minek ide földgázból készített hidrogén? Ott a kerozin, és a teljes kerozinalapú infrastruktúra, és kész. A szén-dioxid kibocsátás mindkét esetben brutális, bár a kerozin égetésével egy picit kevesebb.

No és a hajók? A helyzet ott is ugyanez. Amíg a vegytiszta hidrogén 95 százaléka fosszilis alapú, addig nyugodtan égesd el a dízelolajat, barátom! Még jót is teszel a Földnek, mert a földgázból előállított hidrogén elégetésével nyert energia összességében több szén-dioxid kibocsátással jár, mintha a dízelolajat közvetlenül tüzelnénk el, hisz elmarad a mennyiség felének előre elégetése, vagyis a hidrogéngyártás folyamata.

Összefoglalás: a vegytiszta hidrogén energiasűrűsége kiváló, azonban az előállítása miatt az energiahatékonysága borzasztó, ezzel a végső energiakihozatala nettó háromszoros bukta az akkumulátorokhoz képest.

3:1

A hidrogén egy álom. És az is marad.

Fóti Marcell,  energetikai fotelszakértő, áltudományos munkatárs
Fotók forrása: GettyImages; Ballardmotivesolutions; Metallurgyfordummies