Az elmúlt 25 év minden napján írt a sajtó egy-egy cikket arról, hogy a hidrogénhajtásé a jövő az autóiparban. Ám ez a jövő eddig még nem jött el, és nem is fog! Megmutatom, hogy miért nem.
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.
Mitől megy a Toyota Mirai?
A hidrogénes autózás zászlóshajója egyértelműen a Toyota Mirai. Nézzük, hogyan válik a hidrogénbe zárt energia gördülő mozgássá egy ilyen autóban. Azt már láttuk, ha elégetjük a hidrogént, akkor felrobban, és akár ezt az utat is lehetne követni az energia kinyeréséhez.
Azonban itt nem belsőégésű motorral van dolgunk, hanem egy csendes, mozgó alkatrészt nem tartalmazó egységgel, az úgynevezett üzemanyagcellával (Fuel Cell).
Ez a cucc olyan ravasz módon párosítja újra össze a hidrogént az oxigénnel, hogy egy katalizátorral leválasztja a hidrogénatomról az 1 darab elektronját, és azt egy kábelen elvezeti munkavégzésre, ami aztán ezen a kerülőúton jut vissza az oxigénmolekulához. A megmaradt pucér proton pedig egy elektrolitban “átúszik” az oxigénmolekulához.
Végül minden alkotóelem összetalálkozik, s a folyamat végén ugyanúgy létrejön a vízmolekula, mintha elégettük volna a hidrogént, csak épp a felszabaduló energia nem hő, hanem kapásból elektromos áram formájában került mohó kezeink közé, amit elteszünk egy akkumulátorba.
A hidrogénautó tehát szintén villanyautó. Hoppá!
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.
Hová megy Akio Toyoda?
Korábban bemutattam, hogyan működik a hidrogénes Toyota. Most megvizsgáljuk, hová megy Akio Toyoda. Nyugdíjba!
Akio Toyoda egy Toyota-unoka, aki épp a múlt héten mondott le elnök-vezérigazgatói tisztségéről. Nem kell sokat találgatnunk, hogy miért. A Toyota elfecsérelt 15-20 évet a hidrogénautós témával, mindeközben csúnyán lemaradt a villanyautós forradalomról. A Toyota még mindig a világ legnagyobb autógyártója, de aki trendvonalakat gondolatban meg tud hosszabbítani, az láthatja, a vég közeleg, ha nem tesznek valamit gyorsan.
Az elvesztegetett évtized pedig közvetlenül Akio Toyodának köszönhető, aki egy igazi petrolhead, és mint ilyen, tökéletes akadálya a Toyota megújulásának. Erre maga is rájött, ezért kellett mennie, ezért mondott le.
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
