Milyen lehet a hidrogénalapú jövő?

A hidrogénatom a világegyetem leggyakoribb anyaga, és számos előnnyel rendelkezik a ma használt fosszilis tüzelőanyagokkal szemben. Az üzemanyagcellákban történő felhasználáskor az egyetlen kibocsátás a vízgőz. A hidrogén rendelkezik a legmagasabb fajlagos energiával a nem nukleáris energiaforrások közül, és forróbban és hatékonyabban ég, mint bármelyik alternatív üzemanyag. Egyes folyamatokban minimális átalakítással akár közvetlenül helyettesíthető is. Mindez egy olyan üzemanyagból lehetséges, amely vízből és villamos energiából állítható elő.

Sajnos a nagyüzemi alkalmazása kihívásokkal jár. A hidrogén forradalmasíthatja az energiarendszereinket, de mielőtt ez megtörténne, a mérnököknek a legjobb digitális eszközökre lesz szükségük az akadályok elhárításához.

Az infrastruktúra kihívásai

Az első számú kihívás a hidrogén energiatárolásra történő felhasználása során a hidrogén fenntartható előállításához szükséges méretarányok elérése. Bár a hidrogén számos különböző eljárással előállítható, az egyetlen környezetbarát megoldás az elektrolízis - a hidrogénnek az oxigénből való leválasztása vízben folyó áram segítségével. Napjainkban a legelterjedtebb eljárás a metán gőzzel történő átalakítása, amely alapanyagként földgázt használ, de a szén-dioxid-kibocsátás eleve semmissé teszi a hidrogén használatának előnyeit.

A zöld hidrogén stabil ellátása mellett is nagy kihívást jelent annak hatékony felhasználása. A hidrogén hihetetlenül gyúlékony gáz, a legkisebb atomsugárral rendelkező elem, és nem megfelelő tárolás mellett a tartályok megrepednek. Ahhoz, hogy a hidrogént olyan méretben lehessen alkalmazni, hogy hatást gyakoroljon, ki kell építeni az infrastruktúrát és a logisztikai hálózatokat, hogy megfelelően el lehessen szállítani az üzemanyagot oda, ahol a legnagyobb szükség van rá.

A hidrogén lehetséges alkalmazásai

Ma még kevés olyan terület van, ahol hatékonyan lehet használni az üzemanyagot. A szállítása körülményes és költséges. Az egyszerű megoldás a hidrogén nagyobb piacának megteremtése a keresleti oldalon. Számos vállalat adott már ki ilyen termékeket, de az ehhez szükséges komplex mérnöki munkát átfogó digitális eszközökkel kell végezni.

A hidrogén piaca teljes mértékben a hidrogén üzemanyag-helyettesítő, energiatároló és globális árucikként való alkalmazásától függ. A hidrogéngyártás nem lesz kivitelezhető a termékkeresletből adódó egyértelmű és jelenlévő igény nélkül. Szerencsére rengeteg olyan technológia, termék és eljárás van, amelyek ezt az igényt megteremtik.

Energiatermelés és -tárolás

A hidrogén energiaforrásként való elterjedésében talán az energiaipar jutott a legmesszebbre. A Siemens Energy már gyárt és értékesít hálózati méretű, rugalmas üzemanyaggal működő gázturbinákat. Ezek a hatalmas turbinák a földgáz (metán) égetésére tervezett konstrukcióik továbbfejlesztései, de minimális átalakítással átállhatnak hidrogénre, mint alapanyagra. Ez a képesség teszi a turbinákat értékessé a hidrogénre és a fenntarthatóbb energiára való áttérés során. A közműszolgáltatók ma olyan berendezéseket vásárolhatnak, amelyek még az elkövetkező években is működőképesek lesznek, amikor a hidrogénnel való üzemelés hatékonyabbá válik.

A jövőbeni hidrogén iránti érzékelhető kereslet az egész energiaágazatban ösztönzi az innovációt. A meglévő földgázüzemek olyan felszín alatti gőzreformációs folyamatokat vizsgálnak, amelyek szén-dioxid melléktermékeket hagynak a tározóban. A kis moduláris atomreaktorok megjelenésével pedig az atomenergia felhasználása a stabil hidrogén-üzemanyagellátás előállítására szintén egyre nagyobb teret kap az energiavállalatok körében. A megújuló energiaforrások tárolására szolgáló hidrogén és a fenntartható forrásból származó üzemanyagként az energiaellátási láncban is változást hoz.

Szállítás

A nagy hatótávolságú repülőgépek, a szárazföldi járművek és a tengeri hajók esetében a hidrogénnek a hagyományos fosszilis tüzelőanyagokkal, sőt még az akkumulátoros villamosítással szemben is nagy előnyei vannak. A távoli környezetekben történő szállítás a hidrogén, mint energiaforrás fontos alkalmazási területe lesz, de a közlekedés beindításához több infrastrukturális fejlesztésre lesz szükség. A tervezés során már a korai szakaszban is lesznek vitás kérdések, mivel a hidrogénben rejlő kémiai energiapotenciál felszabadítására két egymással versengő technológia létezik - az égetés és az üzemanyagcellák. Az égetés sokkal több energiát szabadít fel, mint az üzemanyagcellák a hidrogén kilogrammonként, de az e módszer során keletkező hőmennyiség kárba veszhet.

Egy autó tervezésénél az elektromos motorok működtetéséhez az üzemanyagcellás technológiát választhatják, míg egy repülőgépnél az égést választják, mert a sugárhajtóművekkel több energiát tudnak hasznosítani.

A hidrogén harmadik, és talán legkülönfélébb alkalmazása a szén-dioxid-mentesítésben és a fenntartható üzleti gyakorlatban az ipari folyamatok esetében. Számos modern gyártási folyamat magas hőmérsékletű fázisokat igényel. Ezt hagyományosan fosszilis tüzelőanyagok elégetésével érik el, de a világ dekarbonizációja során új megoldásokra van szükség. Egyes fémolvasztási és magas hőmérsékletű folyamatok elektromos árammal is elvégezhetők, de az ezekben a megoldásokban alkalmazott ellenállásos fűtőberendezések hatásfoka túl alacsony a szükséges energiához képest. A gázturbinákhoz hasonlóan a hidrogén is lehet helyettesítő üzemanyag, de a közlekedési hálózatokhoz hasonlóan a hidrogénhez hozzáférésre szoruló létesítmények száma túl nagy lesz a mai infrastruktúra számára – írja az IndustryWeek.