A hidrogén, mint üzemanyag első pillantásra rendkívül zöldnek és megújulónak tűnik, mivel a kipufogógázban csak vízgőz található (ami nem feltétlenül igaz, erről részletesebben lentebb) azonban az előállítása napjainkban legtöbbször nem a víz elektrolízisével, hanem a fosszilis metán bontásával történik, mivel az utóbbi folyamat sokkal gazdaságosabb[1].
A hidrogéngáz felhasználása a járművekben kétféleképpen történhet. A legkézenfekvőbb megoldás a gáz elégetése belsőégésű motorokban, ám ennek hatásfoka megegyezik a belső égésű motorok igen alacsony hatásfokával. Sőt, a rendkívül nagy tömegű hidrogéntartályok és a hidrogén kis energiasűrűsége miatt a fogyasztás jelentősen meg is növekedik. Ugyanakkor a belső égésű motorokban a beszívott levegő nitrogéntartalma és a nyomás alatti égés miatt mindig keletkezik valamennyi NOX is, ami szintén légszennyező anyag. Nem árulok el nagy titkot, ha már most fellebbentem a fátylat: ezt a megoldást mára már egyáltalán nem alkalmazzák.
A helyzetet súlyosbítja, hogy a cseppfolyósított hidrogén fűtőértéke csupán 10,1 MJ/liter, szemben a benzin 34,6 MJ/literes értékével, így rendkívül nagy befogadóképességű tartályokra volt szükség a vállalható hatótávolság eléréséhez.
A BMW kísérletezett sokáig a belső égésű hidrogénmotorokkal, sőt, szériagyártású modellje is volt (már amennyiben az elkészült mindössze 100 darab autót szériagyártásúként nevezhetjük) a Hydrogen 7, de a 6 literes hengerűrtartalmú V12 motor magas üzemanyagfogyasztása (benzinüzemben több mint 13 liter, hidrogénüzemben nagyjából 50 liter) miatt végül nem volt életképes a konstrukció.
A hidrogén alkalmazásának másik lehetősége az üzemanyagcellában történő felhasználás, mely elektromos áramot termel, így használható a jármű hajtására. Az alábbiakban erre térek ki részletesen.
Tankolás
Lássuk először a hidrogén, mint üzemanyag tankolását, járműben való tárolását. Az üzemanyagcellának, mint központi elemnek külön pontot szentelünk, míg az elektromos hajtás részleteire nem térünk most ki, mivel az felépítését tekintve nem különbözik jelentősen a tisztán elektromos járművektől, arról pedig később még bőven lesz szó.
Sorozatgyártott, megvásárolható üzemanyagcellás autót napjainkban a Toyota (Mirai) és a Honda (Clarity) kínál, illetve belátható időn belül csatlakozik hozzájuk a Hyundai is a Nexoval, mely a korábbi Tucson FCV utódjának tekinthető. Rajtuk kívül a Mercedesnek voltak még sorozatgyártottnak nevezhető hidrogénhajtású, üzemanyagcellás modelljei (F-Cell), de ezek általában az 50 darabos legyártott példányszámot sem érték el.
A hidrogén rendkívül kis sűrűségű és kis energiasűrűségű gáz, alkalmazását azért kedvelik, mert üzemanyagcellában felhasználható, ahol ténylegesen csak vízgőz keletkezik, semmilyen más szennyezőanyaggal nem kell számolni. Ugyanakkor a járműben való tárolása a nagy nyomás miatt meglehetősen problémás.
A hidrogén tankolási folyamata nagyon hasonlít a CNG tankoláshoz, azzal a különbséggel, hogy itt sokkal nagyobb, 350 vagy 700 bar nyomású gázt kell a jármű tartályaiba juttatni. Korábban problémát jelentett az, hogy a hidrogént folyékony állapotban tárolták, a nagyon alacsony hőmérsékletet azonban a kriogén tartályok sem tudták megtartani sokáig, így az LNG-nél már megismert elforrási folyamat miatt pár nap alatt a tárolt hidrogén nagy része „elszökött”. Természetesen folyékony állapotban sokkal nagyobb mennyiséget lehetett a járművekbe tölteni, ami mondjuk egy 50 liter / 100 km-es fogyasztású BMW Hydrogen 7 esetében elengedhetetlen is volt, ám az üzemanyagcellák magasabb hatásfoka lehetővé teszi kisebb tárolt mennyiség mellett is elegendő hatótávolság elérését.
Üzemanyagtartályok. Vagy palackok?
A Toyota Mirai esetében például két darab háromrétegű, szénszálas erősítésű üzemanyagtartály van beépítve, melyek üres tömege 87,5 kg, és 5 kg hidrogént tudnak tárolni, ezzel az autó 512 kilométert tud menni az EPA standard szerint mért gyári adat szerint.
A hidrogéntartályok biztonsági szelepei baleset esetén azonnal lezárnak, tűz esetén pedig a robbanás elkerülése érdekében kiengedik a hidrogéngázt, amely kis sűrűségének köszönhetően gyorsan száll felfelé, és elkeveredik a levegővel.
A hidrogénautózás korlátjai manapság kézenfekvők, és ezeket csak egyetlen paraméter ellensúlyozza az elektromos autókhoz képest, ez pedig a rövid töltési idő. Ugyanakkor lehet a töltési idő rövid, ha a legközelebbi hidrogénkút Bécsben van, Jelenleg hazánkban egy darab sincs, így ez számunkra most még nem jelent túl sok előnyt. További hátrány, hogy jelenleg még a tüzelőanyagcella magas hatásfoka mellett is több, mint 3000 forintba kerül 1000 km megtétele, mert egy kilogramm hidrogén ára a német Shell adatai alapján 9.5 EUR, ami a mai napon aktuális árfolyam alapján majd’ 3400 forint. Összehasonlításképpen a hasonló méretű Toyota Auris Hybrid Spritmonitor.de szerinti átlagfogyasztása 5,75 liter/100 km, ami a mai napi 323 Ft / literes 95-ös benzin árral számolva 1857 Ft-ot jelent 100 kilométerre. A különbséget zongorázni lehet.
Félúton az elektromos hajtás felé? Az üzemanyag cella
A hidrogénautók legfontosabb eleme kétségkívül az üzemanyagcella. Ez egy olyan energiaforrás, illetve tulajdonképpen energia-átalakító, amely kémiai energiából elektromos áramot csinál, egy úgynevezett redoxi reakción keresztül. Az anódon, azaz a negatív elektródán a hidrogéngáz oxidálódik, azaz elektront ad le. Ez az áramkörön keresztül átjut a katódra, azaz a pozitív elektródára, ez pedig maga az elektromos áram, ami elektromos munkát végez. Természetesen a katódon sem tűnik el nyomtalanul az elektron, itt ugyanis redukció játszódik le, melynek során oxigén, pozitív hidrogén ion és elektron egyesül, azaz víz keletkezik. A hidrogéngázt azonban mindenekelőtt ionokra és elektronokra kell bontani, ezt egy katalizátor végzi. Anód elektródának például platinát, míg katódnak nikkelt lehet használni. A pozitív töltésű hidrogén ionok elektrolitban „úszva” jutnak át az anódról a katódra, mely elektrolit csak az ionokat engedi át, az elektronokat nem.
A működése tehát viszonylag egyszerű, károsanyagkibocsátása nincs, a járművekben használt protonáteresztő elektrolitmembrános (PEM-FC) változat teljesítménye elegendő a meghajtáshoz, ráadásul a működés közben keletkező hulladékhő megoldja a tisztán elektromos autókban oly nehézkes utastérfűtés problémáját is. Ugyanakkor a felhasznált platina miatt az előállítása meglehetősen drága.
A tüzelőanyagcella azonban egyenletes teljesítmény leadására képes, nem tolerálja sem a kiugróan magas energiakivételeket (intenzív gyorsítás), sem pedig az energia-visszatermelést (fékezés), így az ilyen autókban mindenképpen szükséges egy akkumulátor beépítése is, például a már említett Toyota Miraiban egy 1,6 kWh-s 245 V-os NiMH akku látja el ezt a feladatot.
VIII. rész: Hibrid hajtásrendszerek –>
[1] Járműfedélzeti elektronika (BME MOGI, Budapest, 2014; 9. fejezet)
2 thoughts on “Elektromos a jövő? – VII. rész: Hidrogén hajtás”