Az elektrolízis ajándékai
Egy szegedi kutatócsoport 2014 óta dolgozik olyan eljárásokon, amelyek szén-dioxidot használnak fel és alakítanak át. Elektrolizáló technológiák fejlesztésével sikerült a vegyipar számára hasznos anyagokat létrehozniuk vízből és szén-dioxidból, napenergia felhasználásával. Berendezésük egy kéményhez telepítve befogja és átalakítja az üvegházhatású gázt, mielőtt a levegőbe kerülne. Eredményeik a hidrogén előállítását is előbbre viszik, a gáz pedig energiatárolásra alkalmas.
Az Európai Bizottság 2050-re tűzte ki célként a klímasemlegességet, vagyis az üvegházhatású gázok kibocsátásának nullára csökkentését. Ebből következően egyre nő az érdeklődés az olyan technológiák iránt, amelyek szén-dioxidot használnak fel vagy alakítanak át. Legegyszerűbb, hogy ne engedjük ki a légkörbe, mert onnan kiszűrni nagyon bonyolult és energiaigényes, ehelyett a kéményből kijövő szén-dioxidot kellene rögtön befogni és átalakítani. Dr. Janáky Csaba és munkatársai 2014 óta foglalkoznak a kérdéssel, eddig elért eredményeik a téma kutatási élvonalába tartoznak.
– Víz és szén-dioxid felhasználásával elektrolizáló technológiát dolgoztunk ki, amellyel szén-monoxidot állítunk elő. Ez beépíthető a vegyipari értékláncba, különösen a petrolkémiába, műanyagok, kenőanyagok, folyadékanyagok gyártásához alapanyagként eladható – meséli dr. Janáky Csaba, a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai Tanszékének docense, az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoportjának vezetője. A csoport elnevezése arra utal, hogy elektromos áram hatására végbemenő folyamatokkal foglalkozik, s ehhez napenergiát használnak fel.
Tiszta haszon
A magyar kutatók számos ponton fejlesztették az eddig ismert technológiákat, többek között kiderítették, hogy a katalizátor alakja is befolyásolja a folyamatot. Eredményeik egyszerre teljesítik az ipar több elvárását, hiszen az eljárás kizárólag zöldáramot, szén-dioxidot és vizet használ fel, energiahatékony, nagy konverziót tesz lehetővé és gyors. A csapatnak a világon elsőként sikerült átlépnie az 1 amper/négyzetcentiméter áramsűrűségi álomhatárt a szén-monoxid előállítása során.
A módszer több előnye közül az egyik az, hogy attól függően, milyen katalizátort tesznek a cellába, különböző termékeket tudnak előállítani. Egyik nemzetközi tanulmányukban két ilyen termék létrehozásának elveit írják le, az egyik a szintézisgáz, ami sok vegyipari folyamat kiindulási anyaga, a másik az etilén, ami a petrolkémia és a műanyagipar fontos alapanyaga.
A folyamathoz azonban sok energia szükséges, így ha az nem tiszta forrásból származik, a módszer egésze több szén-dioxidot termel, mint amennyit átalakít. A szegedi kutatók ezért használnak napelemmel termelt áramot. A napenergia termeléséhez a hazai körülmények rendkívül kedvezőek, a Magyar nemzeti energia- és klímastratégia célja szerint 2030-ra 7 gigawattnyi kapacitás lesz belőle Magyarországon, ez a mennyiség pedig lehetővé teszi a felesleg ilyen irányú felhasználását.
A szén-dioxid-átalakító módszer alapja pedig közös a hidrogén előállításának folyamatával, ami szintén a csoport kutatásainak tárgya. A hidrogén azért fontos, mert energiatárolásra alkalmas, és minél több megújuló energiát használunk, annál inkább tárolni is kell, hiszen időjárásfüggő a termelés. Az eljárás megértéséhez érdemes felidézni az elektrolízis egy ismertebb folyamatát: ha áramot vezetünk a vízbe, a vízmolekulák kötései felbomlanak, vagyis hidrogénre és oxigénre válnak szét. Ezzel ellentétes folyamat az egyesülés, amelynek révén elektromos áram keletkezik, illetve víz. Tehát a hidrogénnel képesek vagyunk energiát tárolni, el is szállíthatjuk a szükséges felhasználási területre, ahol visszaalakíthatjuk villamos energiává. A folyamat pedig aránylag kevés energiaveszteséggel jár.
A megoldás
Janáky professzor 2014-ben az MTA Lendület programjának támogatásával indította útnak a kutatást, később egyéb hazai és EU-s forrásokból folytatták a munkát, 2017-ben pedig az addig elért eredményekből elkezdtek technológiát építeni. Ehhez először a ThalesNano cégcsoport csatlakozott, velük közösen a kutatás a laboratóriumi méretekből lassan áttért a valós ipari fejlesztésekre.
– Kezdetben a ThalesNano hidrogéncellájának továbbfejlesztésére kértük fel Janáky Csabát, hogy tegye hatékonyabbá és robusztusabbá. Mivel nagyon jó benyomást keltett a munkája minőségével és eredményeivel, kerestünk új területeket az együttműködésre – mondja Engel Gábor, a ThalesNano Energy Zrt. marketingigazgatója.
Ennek eredményeképpen 2019-ben megoldást találtak a szén-dioxid-átalakító berendezések méretnövelésére.
– Az újítás lényege, hogy egymás tetejére pakolunk elektrolizálócellákat, amivel csökken a berendezés mérete. Ez azt jelenti, hogy a technológia méretnövelése során nem az elektródák lesznek egyre nagyobbak, hanem ezekből sokat, vagyis réteget helyezünk egymásra, cellakötegeket létrehozva. Ezek tették lehetővé mind a tüzelőanyagcellák, mind a hidrogén előállítása során az igazi ipari elterjedést, és hasonlóra számítunk a szén-dioxid átalakításában is. Korábban ezt senki nem tudta megcsinálni – mondja Janáky Csaba. A következő lépésben konténer nagyságú berendezéseket szeretnének építeni, amelyek többhektárnyi erdő szén-dioxid-átalakító kapacitásának felelnek majd meg.
Közben a Delaware-i Egyetem fiatal kutatóiból álló W7 Energyvel is elkezdtek együttműködni, a cég másfél éve fejlesztett ki tüzelőanyagcellák számára használatos olyan membránt, ami az elektrolizálóberendezések egyik fő komponense is. Ez választja el az oxidációs és redukciós folyamatokat, amelyek nem keresztezhetik egymást az elektrolízis során. Ma már a szegedi kutatók is ezt használják fejlesztési munkájuk kísérleteiben.
A kutatásokért Janáky Csaba 2019 decemberében a civil szféra legnevesebb műszaki alkotói elismerését, a Gábor Dénes-díjat kapta meg, 2020 szeptemberében pedig a kutatócsoport módszerét bemutató, úttörő jelentőségű tanulmány jelent meg az energia- és környezettudomány vezető nemzetközi folyóiratában (Energy & Environmental Science), amelyre a nemzetközi tudományos közvélemény is felfigyelt.
Sokszínű hidrogén
Ahogyan arra a Nemzeti energia- és klímastratégia is kitér, a következő évtizedekben a kormány számol a zöldhidrogénnel, illetve ez az EU 2050-re kitűzött klímasemlegességi céljának elérésében is nélkülözhetetlen eszköz. A hidrogén ugyanis használatos a vegyiparban, az acéliparban, a petrolkémiában és az olajiparban is, de az előállítása jelenleg szén-dioxid-kibocsátó technológiával történik, ezt barna- vagy szürkehidrogénnek nevezik. Ennél fejlettebb módon állítják elő a kékhidrogént, ekkor már csapdázzák a keletkező szén-dioxidot. A zöld jelzőt a megújuló energiával létrehozott hidrogén kapta.
A hidrogén ráadásul az elektromos mobilitásban is használható. A hidrogénnel működő üzemanyagcella ugyanúgy üzemelteti a villanymotort, mint ahogy az akkumulátor a mostanában elterjedt elektromos autókban. De az üzemanyagcellás elektromos járművek előnye, hogy sokkal nagyobb a hatótávolságuk és a teherbírásuk, mert a tüzelőanyagcelláknak kicsi a tömege és a térfogata. Maga a tankolás pedig pont olyan egyszerű, mint a benzines és dízeles kutaknál, három-négy percet vesz igénybe. Ez azt is jelenti, hogy alkalmasabb a kamionok, távolsági buszok meghajtására.
Személyautók esetében egy körülbelül 100 km-es utat 1 kg hidrogén felhasználásával lehet megtenni, aminek ára Németországban és Ausztriában 10 euró körül mozog. A Toyota élen jár a hidrogénnel hajtott üzemanyagcellás járművek fejlesztésében, a Toyota Miraiban egy 5 kg-os hidrogénpalack van. Japánban és Kaliforniában ki van építve a megfelelő töltőállomás-hálózat, Magyarországon egyelőre nincs még hidrogénes kút. Mindez azonban hamarosan változhat, ugyanis idén megalakult a Nemzeti Hidrogén-technológiai Platform, amely összehozza a kutatás és az ipar érintett szereplőit, illetve javaslatot tesz egy hazai hidrogénstratégiára.
– Legfőbb feladatunk annak feltárása, hogy mely hidrogéntechnológiai ágazatok jönnek szóba leginkább Magyarországon. Feladatunk továbbá itthon tartani és mentorálni azokat a projekteket, amelyekben magas az innovációs tartalom – mondja Lepsényi István, a Valor Zrt. vezérigazgatója és a hidrogénplatform irányítóbizottságának elnöke.
Az ipar- és gazdaságtörténeti példák alapján az ilyen technológiák 15-20 év alatt válnak ötletből olyan termékké, amely széles körben elterjed, és használják is. A fiatal kutató szerint nekik még 10-15 év kell ehhez.
– Reálisnak látom, hogy elterjedjen. Azért is időigényes a fejlesztés, mert ezek nem önmagukban működő technológiák, hanem mindig integrálni kell őket a meglévő ipari és gazdasági rendszerekbe: egyrészt a szén-dioxid-forráshoz, másrészt az előállított terméket a további felhasználáshoz – mondja Janáky Csaba.
Így viszont biztosan hasznos lesz az ipar számára.
– Janáky Csabával mindketten elkötelezettek vagyunk amellett, hogy a tudomány eszköztárával javítsuk az emberek életét – folytatja Engel Gábor. – Mivel mindketten apák vagyunk, mindketten szeretnénk egy jobb világért dolgozni a gyerekeink számára, így a szén-dioxid-projekt komoly szenvedélyünk. Amikor a lehetőségeket vizsgáltuk, megállapodtunk, hogy olyan technológiát dolgozunk ki, ami nyereséges lesz, mert ez hatékonyabban gyorsítja az elterjedését, mint amire a jogszabályok vagy a környezetvédelmi adók képesek.