A földgázfelhasználás hidrogénnel történő helyettesítésének elméleti potenciálja Magyarországon

A hidrogénnek, mint energiahordozónak egyre erősödik a szerepe az egyes országok klímapolitikai törekvéseiben. Nincs ez másképpen Magyarországon sem. A hidrogénnel, mint energiahordozóval korábban a 2020/3, 2020/5 és 2021/1 lapszámainkban foglalkoztunk. Jelen cikk szerzői arra vállalkoztak, hogy megbecsüljék, mekkora hidrogén mennyiség előállítása lenne szükséges a hazai földgázfogyasztás kiváltásához. Az adatok a Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal (továbbiakban: MEKH) hivatalos földgáz statisztikái alapján kerültek figyelembe vételre.

A hidrogén tárolása

Az Innovációs és Technológiai Minisztérium 2020 januárjában adta közre a „Nemzeti Energiastratégia 2030, kitekintéssel 2040-ig” című tanulmányt [1], melyben egyértelműen felfedezhető a földgázhálózat „szezonális energiatároló”-ként történő definiálása. Innen származik a következő idézet: „Az elektrolizálás technológiájával megoldható, hogy az adott pillanatban felesleges villamos energiát hidrogén formájában tároljuk, és később számos lehetőség közül választva felhasználjuk.”
Egyetlen kérdés a hidrogén tárolásának technológiája. Kisüzemi méretekben tárolható és szállítható tisztán gáz és folyékony halmazállapotban, valamint adszorpciós és abszorpciós módszerekkel is. Jelen pillanatban a jogszabályi keretek úgy tekintik a hidrogén előállítását, mint egy nagyüzemi méretek melletti vegyipari folyamatot. A jövőre nézve elvárt technológiák mellett viszont ez az állítás már nem fogja megállni a helyét. Ahhoz tehát, hogy nagy mennyiségben előállítva tárolni lehessen, kiváló alternatíva a meglévő földgázhálózati infrastruktúra igénybe vétele. Betáplálható közvetlenül az elosztó hálózatba kisebb kapacitások esetén, illetve a földgázszállító rendszerbe, és azon keresztül a földalatti gáztárolókba is. Ennek a jogszabályi keretrendszere még nem áll rendelkezésre, csak a földgázra vonatkozó előírások alapján lehet bizonyos következtetéseket levonni. Több vonalon jelenleg is folynak kutatások a meglévő infrastruktúrák „hidrogéntűrő” határértékeinek meghatározására. Mindenesetre kijelenthető, hogy a hidrogén földgázhálózati betáplálásával foglalkozni kell.

Földgázfogyasztási statisztika

A vizsgálatok során a hazai földgázfelhasználás hidrogénnel való helyettesítésének potenciálja került elemzésre az elérhető legfrissebb statisztikai adatok alapján. A MEKH által közzétett statisztikai adatok alapján az 1. táblázat térfogategységben kifejezve mutatja be az elmúlt 6 év vonatkozásában a földgázkereskedők és az egyetemes szolgáltatók által a végfelhasználóknak átadott éves földgáz mennyiségeket ezer m3 mértékegységben a földgáz átlagos éves felső hőértékére (GCV) vonatkoztatva, 15/15 °C égési és mérési referenciaállapotban. Az éves átlagos felső hőértékek a MEKH energiatartalomra (MWh) és térfogategységre (ezer m3) vonatkoztatott statisztikai adatai alapján kerültek kiszámításra. [2]

A táblázat adatai alapján megállapítható, hogy a vizsgált időszakban a felhasználóknak átadott földgáz mennyisége 8,5 és 9,6 milliárd gáztechnikai normál m3 között változott. A nem lakossági célú felhasználók között a legtöbb mennyiség az 500 m3/h feletti ipari, illetve erőműi fogyasztóknál került értékesítésre.
A 2. táblázat szintén a vizsgált időszakban a földgázkereskedők és az egyetemes szolgáltatók által a végfelhasználóknak átadott éves földgáz mennyiségeket mutatja be MWh mértékegységben kifejezve a földgáz átlagos éves felső hőértékére (GCV) vonatkoztatva, 15/15 °C égési és mérési referenciaállapotban. A táblázat adatai alapján megállapítható, hogy a vizsgált időszakban a felhasználóknak átadott földgáz energiatartalma 89,9 és 103,2 TWh között változott.

A kiváltáshoz szükséges hidrogén elméleti mennyisége

Vizsgálatra került, hogy az előzőleg bemutatott földgázmennyiségek meghatározott mértékű kiváltásához mekkora elméleti hidrogénmennyiség lenne szükséges. A vizsgálat során nem került figyelembevételre, hogy a földgázszállító rendszer elemei nem a közel nyolcszor kisebb sűrűségű hidrogénre vannak tervezve és méretezve, illetve az sem, hogy a hidrogénnek milyen, még nem ismert hatása lehet a rendszer anyagaira. A hidrogén molekulaméretéből adódó szivárgási kockázatról és a földgázhoz (~4,4-15,5 V/V%) képest kiszélesedő gyulladási koncentráció tartományról (~4,0-77,0 V/V%) nem is szólva.
A 3. táblázat bemutatja az előzőekben megadott évekre vonatkozóan a belföldön felhasznált teljes földgázmennyiségek kiváltásához szükséges hidrogén mennyiségét ezer m3 mértékegységben a hidrogén átlagos felső hőértékére (GCV) vonatkoztatva, 15/15 °C égési és mérési referenciaállapotban.

Látható, hogy az éves hazai felhasznált földgázmennyiségek energiatartalmának teljes mértékben hidrogénnel történő kiváltása 26,7-30,7 milliárd m3 hidrogén előállításával lett volna megoldható 2016-2021 között. Amennyiben kisebb hidrogén hányadot alkalmazunk, értelemszerűen ezeknek az értékeknek a százalékos arányát kell vennünk, ahogyan azt a 4. táblázat adatai is szemléltetik. Láthatóan a felhasznált földgázmennyiség 20%-os kiváltásához az előző táblázatban feltüntetett hidrogénmennyiségek egyötöde szükséges, amely még mindig jelentős, 5,3-6,1 milliárd m3 előállítását irányozza elő a szükséges mértékű helyettesíthetőség eléréséhez.

Kérdésként vetődik fel, hogy a jelenlegi magyar földgázrendszer képes-e ekkora hidrogén mennyiségek befogadására, tárolására és továbbítására, főként, ha a teljes földgázfelhasználás kiváltásához szükséges kb. 27-31 milliárd m3 mennyiséget vesszük alapul. A mai magyar földgázrendszer éves szinten nagyságrendileg 14-16 milliárd m3 földgáz szállítását oldja meg az országon keresztüli szállított tranzit mennyiségekkel együtt [3]. Ennek következtében elmondható, hogy az elméletileg szállítandó hidrogén mennyiségének legjobb esetben is csak az 50%-áig terjedő kapacitással rendelkezik a magyar földgázrendszer. Természetesen a kérdés nem egyszerűsíthető le ennyire, hiszen a jelenlegi szállítóvezetéki nyomások, illetve megengedett áramlási sebességek emelése további kapacitás növelést eredményezhet, de korlátként ott fognak állni a rendszer műszaki paraméterei. A kérdést meg is lehetne fordítani, mikor fog Magyarországon egyáltalán rendelkezésre állni ekkora hidrogén mennyiség.
A hazai földalatti gáztároló kapacitás jelenleg 6,3 milliárd m3 [4]. Napjainkban is folynak kutatások abban az irányban, hogy milyen hatással lehet a hidrogén a tároló szerkezetére, a felszíni és kút technológiákra. Pontos arányok még nem állnak rendelkezésre. Minden esetre önmagáért beszél az a tény, hogy amennyiben a teljes tároló kapacitást hidrogénnel töltenénk fel, akkor a bennük jelenleg tárolt energiamennyiségnek csupán 30%-a lenne hasznosítható (a hidrogén kisebb hőértékéből következően), ami nemzeti energiabiztonsági oldalról nem vállalható, nem ejtve szót a további lehetséges üzemeltetési problémákról. Egy dolog az előzőekből viszont egyértelműen látható, a jelenlegi földgáz infrastruktúra egésze csak a földgáz bizonyos mértékű hidrogénnel történő keverését fogja lehetővé tenni.

Magyarország megújuló forrásból megtermelhető elméleti hidrogénpotenciálja

Egy másik szemszögből is érdemes megvizsgálni a kérdést, mégpedig hogy mekkora földgáz mennyiség kiváltására lennének képesek a jelenleg működő hazai megújuló energiával működő erőművek, amennyiben a megtermelt villamos energiából teljes egészében zöld hidrogént állítanánk elő. Hangsúlyozni kell, a kapott eredmények arra a feltételre épülnek, hogy az országban található összes erőmű – amely megújuló alapú – figyelembe vételre kerül, és feltételezett, hogy a megtermelt villamos energia kizárólag hidrogéntermelésre kerül felhasználásra.
Az elméleti zöld hidrogénmennyiség meghatározásához a MEKH által kiadott villamosenergia engedélyesek listája került felhasználásra. A MEKH adatok alapján azok a kiserőművek kerültek kiválasztásra, amelyek megújuló alapú tüzelőanyaggal működnek, valamint 2022 év szeptemberében engedéllyel rendelkeztek. Utóbbinak jelentősége abban áll, hogy a későbbiekben vizsgálatra kerül, hogy a megtermelhető elméleti zöld hidrogénpotenciál mekkora mértékben lett volna képes fedezni a 2021. évi magyar földgázfelhasználást. Szintén fontos hangsúlyozni, hogy a maximális elméleti hidrogénpotenciáltól vélhetően jelentősen elmarad a ténylegesen felhasználható hidrogénmennyiség, hiszen az erőművek által megtermelt villamosenergia jelentős része felhasználásra kerül.
Az 5. táblázat a MEKH hivatalos adatbázisa alapján kigyűjtött adatokat tartalmazza [5]. A számításhoz csak azok az erőművek kerültek kiválasztásra, amelyek megújuló alapú tüzelőanyaggal, vagy energiaforrással üzemelnek, melyek a biogáz, biomassza, depóniagáz, víz, szél, geotermikus-, valamint a napenergia kategóriákba kerültek rendszerezésre. A MEKH adatai alapján 2022 év szeptemberében 239 db fotovoltaikus erőmű üzemelt az országban, mindösszesen 2021,3 MW beépített kapacitással, melyek közül a legkisebb erőmű 0,54, a legnagyobb 49,92 MW teljesítményű. 58 db biogáz-, 10 db biomassza-, valamint 12 db hulladéklerakóban keletkezett depóniagáz erőmű üzemelt, mindösszesen 191,3 MW beépített kapacitással. Emellett 11 db vízerőmű 48,2 MW teljesítménnyel, 46 db szélerőmű 327,3 MW beépített kapacitással, valamint egy geotermikus erőmű üzemel 2,7 MW teljesítménnyel.

2022. év szeptemberig összesen 2590,8 MW megújuló alapú beépített kapacitással rendelkezett Magyarország. Ennek jelentős része, 78,02%-a fotovoltaikus erőművi, 12,63%-a szél, 2,77%-a biogáz, 0,45%-a depóniagáz alapú, 1,86%-a víz, valamint 0,10%-a geotermikus erőművi kapacitásként jelentkezett.

A megújuló alapon történő elméleti hidrogénpotenciál meghatározásához az alábbi, a szakirodalomban fellelhető alapadatok kerültek felhasználásra:

• 20 MW beépített kapacitás átlagosan évi 21 GWh villamos energia termelésére képes; [6]
• 1 kg hidrogén előállításához kb. 50 kWh villamos áram szükséges. Ennek pontos mértéke az elektrolizátor típusától függően változik. A vizsgálatokhoz a 6. táblázatban feltüntetett típusok kerültek figyelembe vételre. Az előállítható elméleti hidrogén mennyiségek minden elektrolizátor típusra vonatkozóan külön-külön kiszámításra kerültek. Ezek alapján az alkáli elektrolízis villamosenergia szükséglete 50-51 kWh, a PEM elektrolizátoré 55-58 kWh, míg a SOE elektrolizátor esetében 40-41 kWh villamos energia szükséglet jelentkezik 1 kg hidrogén előállítása során. A számításhoz ezekből átlagértékek lettek figyelembe véve. Az alkáli elektrolízis során 50 kWh/kg, a PEM elektrolízis során 56 kWh/kg, míg a SOE elektrolízis során 40 kWh/kg [7].
• 1 kg hidrogén térfogata 11,89 m3 gáztechnikai normálállapotban (15 °C hőmérsékleten és 1,01325 bar nyomáson);
• a hidrogén sűrűsége 0,0841 kg/m3 gáztechnikai normálállapotban (15 °C hőmérsékleten és 1,01325 bar nyomáson) [8].

A számítások során kapott eredményeket a 6. táblázat tartalmazza. Ezek alapján elmondható, hogy a jelenleg rendelkezésre álló beépített megújuló alapú villamosenergia kapacitás Magyarországon megközelítőleg 48-68 millió kg, azaz gáztechnikai normálállapotban véve 577-808 millió m3 hidrogén gáz előállítását és földgázrendszerbe történő betáplálását tenné lehetővé, a felhasznált elektrolizátor típustól függően. Ha figyelembe vesszük az egységnyi átlagos földgáz (10,672 kWh/m3) és hidrogén (3,362 kWh/m3) energiatartalmat, akkor a táblázat utolsó oszlopában szereplő kiváltható földgáz energiatartalmakat kapjuk. Hozzá kell tenni, hogy mindez az elméleti mennyiség a teljes 2021-es éves földgázfogyasztásunknak 1,9-2,6%-át tudta volna fedezni, amennyiben ténylegesen az összes megújuló forrásból termelt villamosenergia kizárólag hidrogéntermelésre kerül felhasználásra.

Következtetések

A földgáz 100%-ban hidrogénnel történő kiváltásának lehetősége jelenleg még távol áll a realitásoktól Magyarországon. A teljes éves végfelhasználói földgázmennyiség energiatartalmának hidrogénnel történő kiváltásához kb. 27 – 30 milliárd normál m3 hidrogén előállítása lenne szükséges az elmúlt évek földgáz statisztikáit figyelembe véve. A beépített megújuló kapacitások egésze is csak az éves földgázfogyasztásunk kb. 2%-át tudná fedezni. A 100%-os hidrogénnel történő földgáz kiváltás elméleti érték, ehhez olyan földgáz rendszer és gázkészülék technológia szükséges, mely szigetüzemben működik. Jelen cikk keretében nem került vizsgálatra, de probléma várható a hidrogén megjelenése során a földgázrendszer szerelvényeinek anyagánál, kapacitásoknál, nyomásoknál és legfőképpen a gázkészülékek biztonságos működésénél. További tény, hogy a lakossági és kommunális szektorokban fordulnak elő a legnagyobb darabszámú, a legszélesebb típus palettájú, valamint életkorú gázfogyasztó készülékek. Mindezekből következik, hogy a földgázhálózaton keresztül szolgáltatott hidrogén részarányának vizsgálatakor kiemelt figyelmet kell fordítani a lakossági és kommunális szektorra a végfelhasználói berendezések tekintetében. Mindent figyelembe véve azonban a hidrogén, mint tiszta és környezetbarát energiahordozó kiemelt szerepet kell kapjon a jövő energetikájában.

Köszönetnyilvánítás
„RRF-2.3.1-21-2022-00009, azonosítószámú, Megújuló Energiák Nemzeti Laboratórium megnevezésű projekt a Széchenyi Terv Plusz program keretében, az Európai Unió Helyreállítási és Ellenállóképességi Eszközének támogatásával valósul meg.”

Irodalom
[1] Innovációs és Technológiai Minisztérium: „Nemzeti Energiastratégia 2030, kitekintéssel 2040-ig”; 2020. január
(https://www.banyasz.hu/images/klimapolitika/Nemzeti%20Energiastratégia%202030-melléklet.pdf)
[2] Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal: Földgázipari társaságok 2021. évi adatai
(http://www.mekh.hu/foldgazipari-tarsasagok-2021-evi-adatai)
[3] Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal: A magyar földgázrendszer 2020. évi adatai
(http://www.mekh.hu/a-magyar-foldgazrendszer-2020-evi-adatai)
[4] Szunyog I. – Galyas A. B.: A földgáz hidrogénnel történő helyettesítésének potenciálja Magyarországon, MŰSZAKI FÖLDTUDOMÁNYI KÖZLEMÉNYEK 89 : 1 pp. 227-233., 7 p. (2020)
[5] Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal: Villamosenergia-ipari engedélyesek listája 2022. szeptember
(http://www.mekh.hu/villamosenergia-ipari-engedelyesek-listaja)
[6] Fotovoltaikus erőmű létesítése Felsőzsolcán
(http://mvm.hu/bemutatkozas/mvm-csoport/mvm-zold-generacio/naperomu-letesitese-felsozsolcan/)
[7] G. Kakoulaki, I. Kougias, N. Taylor, F. Dolci, J. Moya, A. Jäger-Waldau: Green hydrogen in Europe – A regional assessment: Substituting existing production with electrolysis powered by renewables, Energy Conversion and Management, Volume 228, 2021, 113649, ISSN 0196-8904,
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113649.
[8] Galyas A. B.: Hidrogén a földgázhálózatban – Fikció vagy már a valóság? 26. Dunagáz Konferencia és Kiállítás, Visegrád, 2018.

Galyas Anna Bella
Dr. Szunyog István
Dr. Vadászi Marianna

Kiemelt fotó: Freepik