Nem akarok különösebben belemászni a hidrogén körüli hitvitába, hiszen vehemens ellenzői és elvakult rajongói sem mindig vannak tisztában azzal, hogy egy kiforratlan, gyerek-, de inkább babacipőben járó technológiáról van szó, melyet igenis érdemes kutatni és fejleszteni. A Siemens Mireo Plus H, vagy a már sorozatgyártásban lévő, Alstom-féle Coradia iLint formájában látszódik néhány kezdeményezés, ennek ellenére a japán gyártók pillanatnyilag még a közelében sincsenek a hidrogén széleskörű alkalmazásához, noha itt inkább a motiváció, semmint a K+F-hez szükséges technológia hiányáról van szó. A Toshiba, a Toyota és egyéb, Japánon kívül kevésbé ismert cégek ugyanis jelenleg is lázasan kutatják a hidrogénben rejlő lehetőségeket, melyek egyszer talán a vasút felé is utat törnek.

Japánban a hidrogénnel üzemelő vasúti jármű gyakorlatilag teljesen ismeretlen jelenség, az egyetlen kivételt a JR East – Toyota – Hitachi trió által 2022-ben bemutatott FV-E991-es prototípus jármű jelenti, ám a sorozatgyártott változatai ideális esetben is éveket kell még várnunk. (Forrás: 2nd Train)

A mostani bejegyzés ezért részben a vasútra, részben a hidrogénre, illetve e kettő kapcsolatára fókuszál, így itt is felbukkannak majd olyan „buzzword”-ök, mint a „kék hidrogén”, „fenntartható” vagy a „heteroepitaxiális rendszer”.

Miből lesz a hidrogén?

A Galápagos-szindrómában „szenvedő” Japán már évtizedek óta szeret külön utakon járni egy-egy technológiai újdonság kapcsán, tehát ha világszerte egy problémára elérhető A, B vagy C megoldás, akkor Japánban biztos, hogy lesz egy nem feltétlenül jobb, de legalább hazai fejlesztésű D változat is és az előbbi három egyáltalán nem, vagy csak nagyon kis részben képviselteti magát. A hidrogénnel, vagy úgy általában az üzemanyagcellával kapcsolatban is megfigyelhető ez a trend, úgyhogy elképzelhető az is, hogy a japán ipar csak néhány év lemaradással éri utol például az Alstom- vagy Siemens-féle technológiák teljesítményét.

～HYBARIのご紹介　①～

JR東日本では水素をエネルギー源としたハイブリッド試験車両「HYBARI」の開発を進めています。日立製作所、トヨタ自動車と連携し、脱炭素社会の実現に向けて新しい車両の開発に挑戦していきます。 #南武線　#SDGｓ pic.twitter.com/HtMa5dgrWN

— なんなん南武線（ＪＲ公式） (@nambu_linePT) December 9, 2022

E különcködés azonban nem mondható el Japánról a hidrogén előállítása, szállítása és tárolása kapcsán, hiszen a 2020-ban előállított mintegy 585 millió Nm³ több mint 90%-a valamilyen fosszilis tüzelőanyagból, elsősorban kőszénből és földgázból (LNG) származik. Az ásványkincsekben szegény Japán így már a hidrogén alapanyagaiból is kb. 100%-ban behozatalra szorul, így nem csoda, ha a japán energiaipari vállalatok rendszeresen felbukkannak a Chevron, a Shell, a Santos stb. ausztráliai projektjeinek befektetői között. Joggal mondhatja bárki, hogy a hidrogén jelentette előnyök már itt elvesztek, hiszen a kitermelés során fellépő lokális környezeti károkon a túl a szenet, földgázt szállító hajók sem jóindulattal üzemelnek.

Az alapanyagokkal ezután jellemzően két dolog történhet: Kőszén esetén egy többlépcsős, ún. szénelgázosító kombinált-ciklus (integrated gasification combined cycle, IGCC), LNG esetén pedig az ún. gőzreformálás végtermékeként nagy tisztaságú hidrogén és szén-dioxid elegye születik. Itt a problémát elsősorban az jelenti, hogy ez utóbbival kezdeni kell(ene) valamit. Ez a valami lehet a keletkezett szén-dioxid kiengedése a légkörbe, ebben az esetben a „legyártott” hidrogént „szürke hidrogénnek”, ha pedig a szén-dioxidot valamilyen módon megkötik, akkor „kék hidrogénről” beszélünk. A teljesen környezetbarát „zöld hidrogén” vízbontással keletkezik, melyhez a szükséges elektromos áram is kizárólag megújuló energiaforrás, pl. napelem segítségével állítható el. Hamarosan mindhárom hidrogénfajtára láthatunk egy-egy japán példát.

A Kawasaki gyártmányú „Suiso Frontier” összesen 1250m³ cseppfolyós hidrogén szállítására alkalmas, melyet képes az út során végig -253°C-on tartani. A kvázi prototípus jellegű járművet a 2020-as években követheti egy roppant, 160000m³ kapacitású társa, ugyancsak a Kawasaki jóvoltából. (Forrás: Nippon Steel)

A „legjobb” megoldás persze az, ha más szenved a hidrogén előállításával, így elkerülhető a lokális környezetszennyezés (nagy része). Erre példa a fentebb is látható „Suiso Frontier”, a világ első cseppfolyóshidrogén-szállító hajója, melyet 2021 végén bocsájtottak vízre Ausztrália és Japán közötti ingázás végett. Érdekesebb azonban a Japán – Brunei kooperációban megvalósult AHEAD (Advanced Hydrogen Energy Chain Association for Technology Development), mely egyúttal a világ első nemzetközi hidrogénszállítási útvonalaként is hirdeti magát. Az AHEAD több japán cég, a Chiyoda Co., a Mitsubishi, a Mitsui, a Nippon Yusen, valamint a brunei kormány közreműködésével jött létre és lényege, hogy a hidrogén anélkül utazzon a két ország közt, hogy a hajózó legénységnek egy vízi Hindenburgon kelljen éreznie magát. Hogyan lehetséges mindez? A Chiyoda-féle „SPERA Hydrogen” segítségével, melynek során nem tiszta hidrogént, hanem egyfajta folyékony szerves hidrogénhordozót (liquid organic hydrogen carrier, LOHC), metilciklohexánt (MCH) és toluolt szállítanak.

A kémiai részletek ismertetése nélkül annyit érdemes tudni, hogy az MCH egy telített szénhidrogén, melyet a toluol hidrogénezésével állítanak elő, így a tiszta hidrogénnél egy jóval stabilabb és könnyebben is kezelhető anyaggal lesz dolgunk. Az MCH ezt követően hajón érkezik Japánba, ahol jelenleg az ENEOS három olajfinomítója (Kawasaki, Wakayama és Okayama) végzi az MCH dehidrogenálását. A dehidrogenálást követően ismét toluolt kapunk, mely ugyancsak hajón tér vissza Bruneibe, hogy újfent MCH-vá alakuljon. Az MCH – toluol kombó legnagyobb hátránya egyelőre a dehidrogenálás, melynek hatásfoka nem túl magas, illetve – mivel a reakció egy platina alapú katalizátor segítségével megy végbe –, nem is kimondottan olcsó.

A Kawasaki városában található dehidrogenáló üzem részlete. (Forrás: METI)

Japánon belül egyébként a főváros közelében lévő Kawasaki városa lehet a hidrogénfelhasználás nagy úttörője, hiszen itt nemcsak a külföldről származó hidrogén átvétele, hanem hazai „gyártás” is zajlik, az egyik cég pedig éppen a JR East. A JR East ugyanis örökölt a JNR-től egy erőművet is, mely véletlenségből éppen LNG-t hasznosít, így a vasúttársaság képes gyakorlatilag saját magának előállítani pl. a HYBARI teszteléséhez szükséges hidrogént, mely azonban – talán nem meglepő módon –, egyelőre a szürke hidrogénhez tartozik, bár ez a jövőben akár változhat kékre is.

De mitől lesz kék az a hidrogén? Ennek kapcsán érdemes szót ejteni a különféle, szén-dioxid megkötésére szolgáló technológiáról (Carbon capture, (utilisation) and storage, CC(U)S), melyek lényege, hogy a hidrogén előállítása során keletkezett szén-dioxidot belenyomjuk egy arra alkalmas talajba. Véresszájú ellenzői e technológiát ugyan inkább csak az olajipar egy újabb fondorlatos átverésének tekintik a „környezetszennyező tevékenységeik elrejtésére” (igaz, hogy valóban kérdéseket vethet fel az, mikor azért nyomnak szén-dioxidot a talajba, hogy több olajat lehessen kisajtolni belőle, ld. Petra Nova), de a legnagyobb gond szerintem nem is ez, hanem az, hogy ahhoz, hogy a CCUS érdemben képes legyen csökkenteni akár egyetlen ország szén-dioxid kibocsátását, úgy egy relatíve kiterjedt és költséges infrastruktúrára lesz szükség. Japánban az első CCS telephely a hokkaidói Tomakomai közelében jött létre a tenger alatt, ahol az Idemitsu Kosan, az út túloldalán található olajfinomítójából származó szén-dioxid (egy részét) tárolják, de a szakemberek már dolgoznak olyan szén-dioxid szállítási megoldásokon is, melyekkel a távolabbi üzemekből – például az előbb említett kawasaki erőműből –, származó gázokat is képesek lesznek a CCS helyszínekre szállítani (Japán esetében ez a megoldás nagy valószínűséggel a hajó lesz).

A Tomakomai CCS telep vázlata. (Forrás: Tomakomai Város Önkormányzata)

Napjainkban (2023) a zöld hidrogén aránya az összes felhasznált hidrogénből továbbra is rendkívül csekély. Olyannyira, hogy kevésbé precíz diagramokon gyakran meg sem jelenik az a pár tizedszázalék. Jelenlegi előrejelzések szerint 2040 előtt a zöld hidrogén nem is fog sokkal nagyobb szereppel bírni, noha 2070-re már legalább 60%-os részesedéssel számolnak az optimista szakemberek (noha a mostani felállásban örülhetünk, ha a 2030-ig kihúzzuk valahogy).

E hidrogénfajta előállításának egyik legfőbb kutatója a Toshiba, mely érdekes mód a 2011-es szökőár által leginkább érintett területek egyikén, Namie közelében létesített egy kutatóközpontot, mely névlegesen 1300Nm³ hidrogént állít elő óránként. A telep viszonylag kézenfekvő módon, napelemek segítségével „termeli meg” a víz bontásához szükséges elektromos áramot, a keletkezett hidrogént pedig üzemanyagcellás járművekben, illetve „statikus” üzemanyagcellákban, pl. a szintén Toshiba-féle H₂One-ban hasznosítják, melynek első (ám azóta leszerelt) tagja 2015-ben jelent meg szintén Kawasaki városában.

A H₂One-nak egyébként van egy vasutas vonatkozása is, hiszen a JR East 2017 áprilisában az állomások energiatakarékosságát célzó programok (Environment Earth Conscious Station of East Japan Railway Company) keretén belül efféle berendezésekkel látta el a Nambu vonalon található Musashi-Mizonokuchi állomást. A H₂One alapvetően üzemanyagcellát, akkumulátort és különféle megújuló energiaforrások (pl. nap, szél) által táplált elektrolizáló egységet tartalmaz, mely az üzemanyagcella által hasznosított hidrogént állítja elő. Az eszköz egyébként elektromos áram mellett forróvíz előállítására is képes.

A Musashi-Mizonokuchi állomáson helyet foglaló H₂One egység részlete. A berendezés előtt látható pad sem véletlenül van ott, ahol: A JR East fűthető padokat is tesztelt a H₂One segítségével. (Forrás: Twitter | Nambu201)

Látható tehát, hogy a hidrogén felhasználása még Japánban is számos nehézséggel néz szembe, a megannyi kezdetleges technológia közül sokáig fog tartani kiválogatni azokat, melyek valóban érdemesek a fejlesztésre.

A JR East és a hidrogén

Az Olvasó joggal kérdezheti, hogy a hidrogén kapcsán miért írok egyfolytában csak a JR East-ről. A válasz rendkívül egyszerű: Mert nincs más vasúttársaság, mely érdeklődne a hidrogén iránt és nem feltétlenül azért, mert nincs pénz, hanem mert mások másfajta környezetbarát megoldásokat (is) keresnek. Itt van például a JR East-hez hasonlóan jól kitömött JR Central. Ugyan a társaság legnagyobb gondja mostanában az, hogy végre átgyötörje a leendő Chuo shinkansen pályáját Shizuoka prefektúrán, némi biodízeles kísérletezést is megfigyelhet az érdeklődő az egyébként nem túl terebélyes, villamosítás nélküli vonalakon. A Tokyu és a Hankyu-Hanshin duó „100%-ban megújuló energiaforrásból származó villamos árammal közlekedő vonatokat” is bemutatott, bár az rejtély, hogy ez konkrétan mit jelenthet. Mindezzel nagyjából a végére is értünk a vasúttársaságok erőfeszítéseinek, hiszen a többiek legfeljebb a jövőben elterjedő környezetbarát technológiák könnyebb elérhetőségében, alkalmazhatóságában bízhatnak.

A JR East viszont láthatóan komolyan gondolja ezt a hidrogénes dolgot, hiszen nemcsak járművet, hanem gyakorlatilag egy egész ökoszisztémát, a 2050-re megvalósuló nettó zéró kibocsátás elérését is a hidrogén számottevő részvételével képzeli el. A cég 2018-ban mintegy 5,8 TWh villamos energiát használt fel, ennek 21%-a saját üzemeltetésű vízerőművekből, 36%-a saját üzemeltetésű, jellemzően fosszilis energiahordozókat hasznosító erőművekből, 43%-a pedig külső energiapiaci szereplőktől került megvásárlásra. A megújuló energiahordozók viszonylag nagy arányának köszönhetően a társaság CO₂ kibocsájtása utaskilométerenként mindössze 12g volt, mely még a japán vasutak, viszonylag jónak mondható, 19g-os átlagánál is kevesebb.

A Toyota egyik Sora busza a JR East kötelékében. A társaság nemcsak vasúton, hanem közúton is fontos szerepet szán a hidrogénnek. (Forrás: Twitter | Urawa Sun)

A hidrogénhez kapcsolódó infrastruktúra kiépítése azonban nem jelent kisebb kihívást az üzemanyagcellák vagy a hidrogén tárolására szolgáló technológiák fejlesztésénél. Annyi már körvonalazódik, hogy a JR East a mostani helyzethez hasonlóan, a hidrogén előállítása és tárolása kapcsán is szeretne viszonylagos önállóságot élvezni, illetve a hosszadalmas szállítás helyett közvetlenül a felhasználás helyszínén, vagy az ahhoz legközelebb eső területen, számos kisebb kapacitású üzem segítségével előállítani a szükséges hidrogént. Ennek első hírnöke a már említett kawasaki erőmű, mely egy környezetbarátabb hidrogénforrás csatasorba állításáig gondoskodik a Tsurumi és a Nambu vonal kiszolgálásáról, ám a Kelet-Japánban gombamód szaporodó nap- és szélerőművek a zöld hidrogén előállításához szükséges energiát is fedezhetik a jövőben.

E rendszer kiépítésére a vasúttársaságnak mondhatni „bőven” lesz ideje, hiszen a sorozatgyártott üzemanyagcellás járművek 2030 előtt aligha fognak a köz szolgálatába állni, ráadásul a közel 11 milliárd forintból kifejlesztett HYBARI 140km-es hatótávján is van mit reszelni.