Mi lesz a hidrogénnel?
A 2035-ös EU-szabályzás minden meghajtási módot kizár az újonnan forgalomba helyezett közúti személygépkocsik esetében, amelynek nem zéró a szén-dioxid emissziója. A direktíva egyértelműen az akkumulátoros elektromos autókra helyezi a hangsúlyt – de vajon marad-e bármilyen alternatíva számára hely?
Ebben a cikkben körbejárjuk a hidrogén üzemanyagként való felhasználásának lehetőségeit, buktatóit, és jelenlegi technikai korlátait.
Úgy tűnt, elsőre a süllyesztőbe kerül
A hidrogént kétféle gyakorlati alkalmazásban használjuk a járművek meghajtására: az egyik a belső égésű motorban való elégetés, a másik pedig az üzemanyagcellás megoldás.
Mindkettőre már évtizedekkel ezelőtt megvoltak a kezdeti kísérletek.
Az úttörők egyike volt a BMW Hydrogen 7. Ez egy korlátozott példányszámban gyártott, belső égésű motorral működő jármű, melynek projektje 2005 és 2007 között futott. Az autó a BMW hagyományos benzinüzemű BMW 7-es (E65) 760Li-n alapul.
Ugyanazt a 6 literes V-12 motort használta, mint a 760i és 760Li; azonban módosították, hogy lehetővé tegye a hidrogén és a benzin égetését is.
Nagyjából 100 darabot készítettek belőle, és utólag ez is fájt a BMW-nek: a projekt bukás volt, a 6 literes V12-esből az eredeti teljesítmény töredékét tudták csak kinyerni, és egészen -253 °C-ig kellett hűtenie egy robot tankolóállomásnak a hidrogént, hogy a megfelelő mennyiséggel feltölthessék az autót. Ráadásul a tank nem igazán akarta magában tartani a hidrogént, és erre akkor még nem találtak megoldást.
Előállítás
A hidrogén elemi formában nem túl gyakori a Földön, többnyire valamilyen vegyület részét képezi. Érdekes tény, hogy a teljes világegyetemet tekintve viszont a leggyakoribb kémiai elem, a normál anyag tömegének 75%-át, az atomok számának 90%-át alkotja. Itt sajnos nem gyakori, ennélfogva valamilyen energiabefektetéssel elő kell idézni ezt az állapotot.
Az iparban leggyakrabban metánból, hidrogén-kloridból vagy vízből nyerik ki a hidrogént. Ez utóbbi az elektrolízis, amit az autóipar az elmúlt években megcélzott. Ugyanis az utóbbi időszakban létesített hatalmas mennyiségű szél- és naperőmű a pillanatnyi áramtermelési többletét sokszor képtelen továbbítani, így az energia elvész. Németország egyik törekvése, hogy ezt az elpazarolt energiát hidrogén előállítására használja fel.
Az ötlet akár működhet is, és lehet létjogosultsága, mert direkt energiaforrásból viszonylag nagy mennyiségű elektromos áram szükséges az elektrolízishez.
Tárolás
Bármelyik hajtásmódról van szó, ennek az üzemanyagnak a tárolása legalább akkora problémát jelent, mint az áramé az akkumulátoros elektromos autók esetében.
Az ok egyszerű.
Azon a hőmérsékleten, ahol az emberi szervezet jól érzi magát, a molekuláris hidrogén gáz halmazállapotú. Noha a fajlagos energiatartalma többszöröse a benzinének – nem beszélve a gázolajról –, ennek csak akkor lenne jelentősége, ha ugyanarról az anyagsűrűségről beszélnénk. Márpedig az olvadáspontja mindössze 14 Kelvin, azaz -259.13 °C, légköri nyomáson. Eddig kell hűtenünk a hidrogént, hogy cseppfolyós halmazállapotot, ezáltal használható sűrűséget kapjunk.
Belátható, hogy ez hatalmas energiabefektetéssel jár, és ez még nem minden (LH2 eljárás). A lehűtés után így is kellene tárolnunk a hidrogént, hogy minél többet tudjunk elraktározni a véges méretű tartályainkban – és még akkor is jól jönne, amikor a hengertérbe jut.
A hűtés kapcsán a fejlesztésekben elkezdtek kompromisszumot kötni: magasabb tartományban, de hatalmas nyomáson kezdték el a tárolást (CGH2 eljárás). Ez működik is, viszont ehhez speciális tartályokat kellett kifejleszteni, amely képes a rendkívül kisméretű molekulákat megakadályozni a tömeges diffundálásban még ekkora nyomás mellett is. Évtizedes fejlesztéseket kívánt, hogy ez a probléma elfogadható megoldásra találjon.
A mai napig zajlanak kísérletek a hidrogén abszorpciós tárolására.
Ennek során valamilyen fémötvözetben nyeletjük el a hidrogént, így a hidrogén atomok a folyékony állapotnál is sűrűbben helyezkedhetnek el (szobahőmérsékleten). Cserébe plusz súlyt jelent a tároló anyag, melyet a kutatások során igyekeznek minél könnyebb ötvözetből elkészíteni.
A felhasznált anyagok széles spektrumban terülnek el (nikkel-cirkónium, magnézium stb.).
Egy nemrég napvilágot látott új módszer a folyékony szerves hordozóanyag (LOHC). Ebben az esetben folyékony-szerves hordozóközegben tárolják a hidrogént. A folyamat során a hidrogén kémiai kötéssel más anyaggá alakul át, ami lehetővé teszi a nyomás nélküli tárolást és nagy mennyiségek szállítását akár szobahőmérsékleten is. A kémiai reakció megfordításával a hidrogén felszabadul a hordozóból.
Az LOHC-rendszerek példái közé tartozik a szerves anyagok hidrogénezése, az alkoholok szén-monoxiddal történő képzése, az olajokkal való összekapcsolás, vagy akár az ammónia használata a hidrogén hordozóanyagaként.
Az üzemanyagcella
A BMW balul sikerült projektje után mindenki úgy gondolta, hogy a hidrogén belső égésű motorban való elégetése tévút, nincs esély a gyártható és profitábilis kivitelezésre.
Ezért a kutatás egyöntetűen a hidrogéncella felé fordult.
A tüzelőanyag-elem (más néven tüzelőanyag-cella vagy üzemanyagcella) egy kémiai áramforrás, amelyben az áramtermelő folyamat valamilyen tüzelőanyag (pl. földgáz, gázolaj, szén, hidrogén, alkohol ) oxidációja. Tévhit tehát, hogy csak hidrogént vagyunk képesek használni az üzemanyagcellában. A hidrogén abban emelkedik ki a többi lehetőség közül, hogy a folyamat végén víz termelődik, tehát semmilyen negatív hatással nincs a környezetre.
A tüzelőanyag-elemek annyiban különböznek a galvánelemektől, hogy működésük közben az áramtermelő reakcióban részt vevő anyagokat folyamatosan táplálják be, a keletkező termékeket pedig elvezetik, így, szemben a galvánelemekkel, nem “merülnek ki”.
Ami szintén vonzó az üzemanyagcellában, hogy a hatásfoka igen magas – jelentősen magasabb, mint a belső égésű motoroké.
A két fő probléma egyike az, hogy ha az összhatásfokot nézzük a hidrogén előállításától, az már közel sem annyira kitűnő (hasonlóképp, mint az akkumulátoros elektromos autók esetén).
A másik, legalább annyira fájó probléma, hogy számos olyan anyag szükséges az üzemanyagcellához, ami igen ritka, ráadásul hatalmas költségekkel jár a gyártása. Ezek egyik legékesebb példája a platina, melynek kiváltására évek óta zajlanak a kísérletek.
Bár a hidrogénhálózat kiépítettsége még hagy kívánnivalót maga után, ma már vásárolhatunk hidrogéncellás személygépkocsit (lásd: Toyota Mirai). A jövőbeli elterjedésük még mindig kérdéses.
Vissza a belső égésű motorhoz
Az alternatívákra való átállás azonban nemvárt akadályokba ütközött, különösképp a teherfuvarozásban. Egyre inkább úgy tűnik, hogy a közelében sem járunk annak az akkumulátor-energiasűrűségnek, ami egy nehéz tehergépkocsi számára ideális lenne.
Ezért nagyon sok cég újra elővette a belső égésű motorokat, hogy hidrogén elégetésére alkalmassá tegyék.
A nehéz járművek fejlesztői ezúttal inkább a dízel erőforrás hengerfejének átalakításával próbálkoznak, míg a Toyota előrukkolt egy hidrogénnel hajtott Corollával, melyet benevezett egy 24 órás versenyre is.
Még nem tisztázott, hogy ez a megoldás belefér-e a 2035-ös zéró emissziós feltételekbe, hiszen a kenőanyaggal valamennyi szén-dioxid így is távozik a kipufogón.
Mindenképp érdekes lesz látni, mely technológiák írják tovább a járművek történelemkönyvét.
