Németország ipara rendkívüli átalakulás küszöbén áll, hiszen a kormány előírta, hogy a helyi gyáraknak át kell állniuk az energiaszükségleteik megújuló energiából, így legfőképpen zöld hidrogénből való fedezésére. A hidrogén, különösen a zöld hidrogén használata, technológiai és gazdaságossági szempontból is kihívásokkal jár, és bár elméletben megoldást nyújthat, a gyakorlati alkalmazás még számos kérdést vet fel. Megőrizheti-e Németország ipari termelését, vagy elveszíti a fontos gazdasági pozícióit?
A német kormány célként tűzte ki maga elé, hogy az ország iparát hidrogénalapú termelésre állítsa át. A hidrogénstratégia megszüntetné a nehézipar fosszilis energiahordozóktól való jelentős függőségét. Az acélipar, az üvegipar, és a vegyipar is jelenleg olyan termelési módszerekkel üzemel, amelyek számottevő mennyiségű fosszilis energiahordozókra, így például földgázra építenek.
A nehézipar fosszilis alapjai
Az acélgyártás során a legfőbb feltétel, hogy a vasérc megolvasztásához rendkívül magas hőmérséklet, 1 500 °C szükséges. Ehhez a folyamathoz jelenleg szükséges a koksz, amelynek az égetése során szén-monoxid szabadul fel, tehát magas emissziókkal jár.
Az emissziók csökkentése központi eleme a németországi zöldítési terveknek. Ezt leghatásosabban elektromos ívkemence használatával lehet megtenni, amely mellesleg a fémhulladékot is képes beolvasztani az acélba. Az elektromos kemencék használatakor ugyanakkor fontos a megszakításmentes áramszolgáltatás, ami megújuló energiák használatával önmagában nem biztosítható. Amennyiben megszakad az áramellátás, visszahűl a megolvasztott vas, annak újra megolvasztása során minőségbeli problémák léphetnek fel.
Az üveggyártás során szintén a magas hőmérsékletigény jelenti a fő kihívást: 1 700 °C hőmérsékletet kevés energiaforrás képes megbízhatóan biztosítani. Így ebben az iparágban is a földgáz és a kőolaj adja meg az energiaszükséglet alapját.
A földgáz hidrogénnel való kiváltása tűnik egy lehetséges útnak. A Schott már gyártott olyan optikai üveget 2024 áprilisában, amelynek alapanyagait egy hidrogénnel fűtött kemencében olvasztották meg. Ugyanakkor az üveg minőségét még jelenleg is elemzik, az április végi teszt óta egyelőre nem jelent meg hír arról, ez ugyanolyan minőségű üveg gyártását jelentette-e, mint amilyet a földgázfűtésű kemencében hoznak létre.
A hidrogénalapú üveggyártás kamionokkal beszállított szürke hidrogénnel történt, hiszen szükséges mennyiségű zöld hidrogén nem áll egyelőre rendelkezésre. Három napi termeléshez naponta kellett újratölteni kamionokkal a Schott hidrogéntankját, ami felveti a kérdést, hogy a hidrogénhálózat kiépüléséig mennyire környezetbarát ez a termelés. A mainzi gyár esetében, ahol a Ruhr-vidékről származó szürke hidrogént használták fel, a kamionokkal történő hidrogénbeszállítás CO2-kibocsátása több százszorosa a csővezetéken történő földgázbeszállításnak.
A hidrogén különböző színei
A hidrogénnek sok „színe” van, ezekből a legfontosabbak a szürke, és a zöld. A szürke hidrogén földgázból készül, annak gőzreformálásával (SMR). Ez a folyamat ugyanakkor magas emissziókkal jár, továbbá az energia 30%-a elveszik az átalakítás során. Amennyiben a földgázt átalakítják szürke hidrogénné, majd úgy használják fel, az a földgáz közvetlen felhasználásához képest jelentősen, 38%-kal magasabb CO2-kibocsátással jár együtt.
Ezeket a magasabb kibocsátásokat 1 GWh energiára számszerűsítve: a földgáz közvetlen felhasználása során 195 tonna szén-dioxid-kibocsátás keletkezik. Ezzel szemben a földgáz szürke hidrogénné alakítása, majd ebben a formában való felhasználása során az SMR-folyamat veszteségei, továbbá annak szén-dioxid-kibocsátása miatt 315 tonna szén-dioxid-kibocsátás keletkezik összesen.
A zöld hidrogén a megújuló áramforrásokkal kapcsolatban került bele a technológiai tervekbe. A megújulókkal alapvető probléma, hogy termelésüket az időjárási viszonyok határozzák meg, így előállhat olyan helyzet, amikor sokkal több a termelés, mint a felhasználás. Ilyenkor nyújtanak megoldást a különböző áramtárolók. Az áramtárolási megoldásokból a három legfontosabb a kémiai, tehát az akkumulátoralapú tárolás, a vízenergiára épülő tárolók használata, és a zöld hidrogénné való átalakítás.
A felesleges energia zöld hidrogén formájában való tárolása a többi tárolási megoldás kapacitáshiányai miatt merült fel. A németországi akkumulátoros tárolókapacitás jelenleg töredékét tudja csak kielégíteni az igényeknek. A teljes telepített nap- és szélenergiateljesítmény 158 GW, az akkumulátorok teljes teljesítménye 9,5 GW. A megújulók teljesítményéhez képest csekély a szivattyús-tározós vízerőművek 10 GW-os teljesítménye is, továbbá az újabb vízerőművek kiépítését környezetvédelmi szempontok akadályozzák.
A zöld hidrogén használata nem hatékony
A zöld hidrogén előállítása elektrolízis útján történik, az elektromos áram az elektrolizálókban vizet bont hidrogénre és oxigénre. A folyamat során az energia 24,5%-a elveszik. A hidrogénből történő áramtermelés folyamata közben 40%-os energiaveszteség keletkezik. Mindeközben a szélenergia termelése során a forgási energiának körülbelül 53%-a, napenergia esetén pedig a bejövő napsugárzás energiájának 75%-a elveszik az átalakítás során.
Így amennyiben a napenergiát napelemekkel árammá, majd elektrolizálókkal zöld hidrogénné alakítjuk, majd abból termelünk áramot, a beérkező napsugárzás energiájának mindössze 11,3%-át tudjuk felhasználni, tehát a túlnyomó többsége, 88,7%-a elveszik az energiának. A zöld hidrogénnel történő áramtárolás, mint az adatok is mutatják, nem hatékony folyamat.
Az ábra itt hivatkozható: https://public.flourish.studio/visualisation/18339076/
Német előrejelzés: jóval több hidrogénre lesz szükség
2024 májusának elején jelent meg a német nemzeti hidrogénügyi tanács (Nationaler Wasserstoffrat) frissített előrejelzése a hidrogénszükségletről. Mivel Németország jogi kötelezettséget vállalt arra, hogy 2045-re klímasemlegessé válik, 2030-ra minden gazdasági szektorban több hidrogénre lesz szükség.
A frissített előrejelzés egyébként azután jelent meg, hogy az Európai Bizottság bejelentette: jóváhagyták a tervet, hogy az országon belüli zöldhidrogén-előállítási kapacitások kiépítését 350 millió euróval támogassák. Az előző évi előrejelzéshez képest a mostani adat, miszerint 94-125 TWh-nyi hidrogénre lesz szükség, legalább 68%-os emelkedést jelent. A szürke hidrogén magas emissziókkal járó felhasználása is a terv része. A felhasználók hidrogénnel való ellátására 2037-ig 9 700 km hosszúságú hidrogén-vezetékhálózatot építenek ki egy 20 milliárd eurós beruházás keretében.
Kérdéses megtérülés, elégtelen kapacitások
Mint ahogyan feljebb említésre került, a hidrogénfelhasználás technológiája műszaki szempontból jelentős energiaveszteségekkel jár, így tisztán piaci alapon nem látható, miként tudnának megtérülni a beruházások. A vezetékhálózat kiépítése hitelből kerül finanszírozásra. A hálózatot elvileg piaci alapon fogják működtetni a vállalatok, a német kormány viszont garantálja a 6,7%-os tőkehozamot. Amennyiben nem lesz meg az elegendő kereslet, mindössze 24%-át kell viselniük a költségekből a hálózat üzemeltetőinek.
A számítások alapján 2055-re térülhet meg a beruházás. A használati díjak, annak ellenére, hogy egy teljesen új hálózatról beszélünk, nem lesznek magasabbak, mint a földgázhálózat díjai. A hálózatüzemeltetőknél emiatt eleinte jelentkező veszteségeket szintén a német állam tulajdonában lévő KfW bank által nyújtott hitelek fedezik.
A nemrégiben bejelentett, 350 millió eurós támogatás a zöld hidrogénkapacitások kiépítésére, összesítve 90 MW teljesítményű elektrolizáló berendezések kiépítésére ad forrást. A támogatást, amely a megtermelt zöld hidrogén után jár, maximum tíz évig kapják meg a résztvevő cégek.
Németországban a teljes telepített nap- és szélenergia-teljesítmény 2024-ben 158 000 MW, tehát ehhez képest az elektrolízis-kapacitás úgy is elenyésző méretű lesz, hogy összesítve 62 MW-nyi teljesítményű elektrolizáló már üzemben van az országban. Szintén nem egyértelmű, hogy milyen úton érhető el a 2030-ra tervezett 10 000 MW-os belföldi elektrolizáló teljesítmény, ahhoz jelentősen meg kellene nőnie a telepítések ütemének.
A német iparnak a kormány döntése alapján mindenképpen át kell állnia hidrogénre, illetve a megújuló energiaforrásokra. Ez pénzügyileg nem indokolható meg, így a kormány egy 4 milliárd eurós programot indított, amely finanszírozza a cégek veszteségeit. 15 éven keresztül ellentételezhetik a cégek ezekből a támogatásokból azt a veszteséget, amely például abból áll elő, hogy a piacon nem versenyképes a zöld hidrogén felhasználásával való acéltermelés. Amint olcsóbbá válik a megújuló energiával való termelés, mint a hagyományos úton történő, a cégeknek fizetniük kell majd az államnak.
Olcsóbb-e a hidrogén?
Az ábra itt hivatkozható: https://public.flourish.studio/visualisation/18337731/
Fontos megvizsgálni azt is, hogy a hidrogénből származó energia ára hogyan viszonyul más, jelentős ipari termeléssel rendelkező országok relatíve környezetbarát energiaforrásainak árához. Az LCOE, tehát a Levelised Cost of Electricity azt mutatja meg, hogy 1 MWh energia megtermelése mennyibe kerül, a beruházásokat és a működtetési költségeket is figyelembe véve – és egyedül a német szürke hidrogén ára vethető össze a kínai nukleáris energia árával, vagy az egyesült államokbeli, földgázból termelt áram árával.
A zöld hidrogén áramforrásként történő használata több, mint háromszor annyiba kerül, mint akár a szürke hidrogéné. Továbbá a német LBBW kutatása szerint a zöld hidrogén 2030-ra sem éri el azt az árszintet, hogy a sok folyamathőt igénylő iparágakban, mint az üveggyártás, vagy az acélgyártás, gazdaságilag megérje a földgáz helyett alkalmazni.
EU: minden körülmény közt hidrogén
Az ábra itt hivatkozható: https://public.flourish.studio/visualisation/18338759/
Mindezek ellenére az Európai Unióban már meghozták a döntést, hogy az európai ipar részben átáll a hidrogén használatára. Mint a fenti ábrán is látható, a hidrogénfelhasználási tervek jelentősen eltérnek a valóságtól. A 2022-es REPowerEU terv keretében cél, hogy 2030-ra 20 millió tonna zöld hidrogén kerüljön felhasználásra az EU szintjén. Ez tartalmazza a német hidrogénigényt is, amelynek jelentős része importból érkezne, az országon belül nincsenek meg a feltételei az önellátásnak.
Az EU-s terv 20 millió tonna zöld hidrogénjének fele importból érkezne, olyan országokból, mint Norvégia, Chile, Egyiptom, Marokkó, Omán, és Namíbia. Ezek az országok ugyanakkor összesítve is csak 2,6 millió tonna hidrogén exportálására lennének képesek, elméletben. Továbbá ennek a tervezett kapacitásnak a 99%-a még nincsen kiépítve, így nem egyértelmű, hogy akár Németország, akár az EU többi tagállama hogyan, mikortól, és mekkora mértékben fedezhetnék ebből importigényeiket.
Lesz-e elegendő víz a hidrogéngyártáshoz?
A zöld hidrogén ipari mennyiségben való gyártásához továbbá tisztított édesvízre van szükség, a piacon jelenleg elérhető ipari elektrolizálók kizárólag ezzel üzemeltethetőek. A tengervizet közvetlenül alkalmazó berendezések aktuálisan még a kutatási fázisban vannak. Hasznos élettartamukról nincsenek hosszútávú adatok, laborkörülmények között a leghosszabb tesztjük pár ezer óráig tartott eddig. Ezzel szemben a piacon már elérhető, tisztított édesvizes elektrolizálók több, mint 60 ezer órát képesek üzemelni, mielőtt alkatrészeik cseréje szükséges.
Az aktuálisan megvalósítás alatt lévő projektek is a piacon elérhető megoldásokat használják – Németországban jelenleg folyamatban van a H2Wind projekt, amelynek keretében a tengerre telepítenek szélturbinákat, hozzájuk közvetlenül kapcsolt elektrolizálókkal. Ezek sótlanított tengervízzel fognak üzemelni. A tengervíz sótlanítása szintén energiát igényel, továbbá a folyamat melléktermékeként koncentrált, sós víz keletkezik, amelyet a legtöbb, a világon már üzemelő, tengerparti sótlanító berendezés az óceánba vezet vissza.
Ezekkel szorosan összefügg, hogy a fentebb felsorolt hat országból egyedül Norvégiában üzemel már jelenleg is zöldhidrogén-gyártási kapacitás, amely a bőséges norvégiai édesvízkészletre épít. Ez a vízkészlet olyan nagyságú, hogy elméletben a világ teljes népességét napi 150 liter édesvízzel el tudná látni. A többi lehetséges exportáló országban, mint Chilében és Namíbiában, ez sem egyértelmű, hogy vízkészletükből, amit már most is közel maximálisan kihasználnak, miként fog elegendő víz jutni a hidrogéngyártásra is. A tervnek szintén kérdéses része, hogy olyan országok exportálnának energiát, amelyek aktuálisan saját energiaszükségletüket sem képesek fedezni. Namíbia lakosságának jelenleg fele fér hozzá az áramszolgáltatáshoz, amely alapvetően importált áramra épül. Mindezek ellenére a terv alapján 2030-ra tízszer annyi zöld hidrogént exportálna Namíbia, mint amennyi energia a saját fogyasztásának fedezésére szükséges.
Összefoglalás
Sok megválaszolatlan kérdés van Németország zöld hidrogénre átállásával kapcsolatban. Technológiailag nem egyértelmű, hogy minden egyes iparágban kiválthatóak-e hidrogénnel a fosszilis energiahordozók, a zöld hidrogén útján történő energiatárolás pedig műszakilag az egyik legkevésbé hatékony megoldás. Az országon belüli hidrogénkapacitások mindeközben jelentősen elmaradnak a tervektől, és azok az országok sem állnak készen a zöld hidrogén exportálására, ahonnan Németország importszükségleteit fedezni tervezi. A zöld hidrogén használata pénzügyi értelemben is veszteséges, így a terv betartásához államilag, az adóbevételekből szükséges finanszírozni a vállalatokat, energiacégeket.
A legfontosabb kérdés újfent az, hogy miként találkozhatnak a német kormány és az EU által kitűzött ambiciózus célok a valósággal.
