Évek óta folynak a kísérletek: hidrogén-cella Magyarországon

Amikor Magyarország nagyobb városaiban a szállópor koncentrátum a kritikus érték közelében jár, és a szmogriadót és annak következményeit sokan a saját bőrükön, illetve tüdejükben érezhetik, akkor gyakran esik szó az alternatívákról. Ha a jövő üzemanyagáról beszélünk, elsősorban az üzemanyag-cella, illetve a hidrogén mint üzemanyag kerül szóba. De mindenki tudja, mit jelent ez pontosan?

Az ELTE-TTK Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratóriumába belépve azonnal otthonos környezet fogadott: kusza vezetékek, csövek, számítógépeken futó grafikonok, gyanús mérő berendezések és természetesen FBS gumiragasztó. Azonnal látszott, itt tényleg komoly munka folyik. Kriston Ákos és kollégái 2005-ben kezdtek az protoncsere-membrános üzemanyagcellák kutatásába. Nem csak az elmélettel vannak tisztában, évek óta alkalmazzák a gyakorlatban is. Már túl vannak a második generációs hidrogéncellás járművükön, amellyel lényegében az összes lehetséges megmérettetésről díjat hoztak el.

1800-ban William Nicholson (1753-1815.) és Antony Carlisle (1768-1840.) felfedezte az elektrolízist - vagyis a vízbontást -, azt a folyamatot, amikor elektromos áram hatására vízből hidrogén és oxigén gáz keletkezik. Az üzemanyag-cella működésének ez az egyszerű kémiai folyamat az alapja, csak visszafelé, azaz hidrogénből és levegőből elektromos áramot állítanak elő. Bár az elmélet nem tűnik bonyolultnak, a hatékony technikai kivitelezésre az űrkutatás fejlődéséig várnunk kellett.
A hétköznapi használatra szánt üzemanyag-cellás járművek fejlesztése az utóbbi időben begyorsult. Szinte minden nagyobb gyártó foglalkozik a kérdéssel, sőt többen túljutottak a prototípusokon. A Honda FCX Clarity és a Mercedes F-Cell járműve elméletben megvásárolható, gyakorlatban csak az üzemanyag töltésének infrastruktúrája és a magas vételár szab határt. Bár ezzel gyakorlatilag elárultam a technológia jelenlegi két legnagyobb buktatóját, érdemes azért belemélyedni a részletekbe.

Bár többféle üzemanyag-cella létezik jelen esetben hidrogén alapúról beszélünk. Ha egy kicsit tudományosabban szeretnénk fogalmazni, akkor Alkáli Elektrolitos Celláknak (Alkaline Fuel Cell - AFC), illetve feltalálójuk után Bacon Celláknak is hívhatjuk. Ez a megoldás a legelterjedtebb és a legkidolgozottabb, már 1960 óta használják őket, és a már említett NASA Apollo és Space Shuttle programokban a fedélzeti eszközök működéséhez szükséges áramot, valamint az ivóvizet is ilyen cellák biztosították. A Protoncsere-Membrános Cella (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) pedig a jővő megoldáasa lehet a közlekedésben.
 

Működésüket tekintve két elektródából és a köztük lévő elektrolitból állnak. Ez ismerős lehet, mert az akkumulátorok, elemek is hasonló felépítésűek. Itt a csavart az adja, hogy folyamatos üzemanyag-ellátása van a berendezésnek, konkrétan hidrogént és oxigént (levegőt) vezetnek be, melyek reakcióját platina katalizátor gyorsítja, miközben a hidrogénmolekulák protonokra és elektronokra szakadnak szét. A reakcióban résztvevő molekulák közé egy protoncsere membrán kerül, ami megakadályozza, hogy az elektron átmenjen rajta, így az elektront egy külső körön le lehet csatolni, így elektromos áramként hasznosítani. Egész egyszerűen lefordítva: van egy doboz, egyik végén hidrogént a másikon levegőt vezetnek be, minek hatására a madzagon elektromos áram jön ki belőle, miközben desztillált víz keletkezik. A folyamat addig működik, amíg az üzemanyag-ellátás folyamatos.

Protoncsere membán a platinával

Az üzemanyag-cellák gyakorlatilag érzéketlenek a mechanikai behatásokra, ezért ideális használatuk mozgó berendezésekben is. Működési élettartamuk 3-5000 óra, ami elsőre nem tűnik soknak, de ha mondjuk 50 km/ó átlaggal számolunk, akkor 150 000 - 250 000 futott kilométernek megfelelő értéket kapnánk. Az élettartamot csupán a bevezetett üzemanyag szennyeződései befolyásolják, például gépjárműben használva a külső levegőt nagymértékben szűrni kell, mert a szén-dioxid a szén-monoxid, a metán reakcióba léphetnek az elektrolittal és a katalizátorral, ezáltal csökkentve az üzemanyag-cella hatékonyságát. A cella minden alkatrésze újrahasznosítható, a felhasznált platina kezdetben kilowattonként 10 gramm volt, ma már csak egy gramm, és ez a mennyiség tovább csökken, valamint keresik az egyéb katalizátoranyag lehetőségeket. A jelenlegi autók kipufogógáz katalizátorában is platina található, bár jóval kevesebb mennyiségben, mint egy hasonló hatásfokú üzemanyagcella esetében. Nem a platina teszi drágává, a gyártási technológia kiforratlansága a költségnövelő tényező.
 

A HY-GO lelke tesztelés közben

Kriston Ákos elmondása szerint nem a hidrogén üzemanyag a kritikus a hatékony működés tekintetében, hanem a levegőből származó oxigén. Fontos tényező, hogy aktív legyen az oxigén redukciója a hidrogéncellában, emiatt nagyon lényeges a katalizátor szerepe, és ezért fontos, hogy nagy legyen a katalizátor felület, hogy a membrán jól ki legyen használva. Az általuk fejlesztett cella mérete 150 x 150 mm-es, maximális teljesítményét körülbelül fél volton adja le. A HY-GO fantázianevű kísérleti járműben 40 darab cella van két 20-as pakkba szerelve. Ennek körülbelül 2 kW a teljesítménye, amivel a könnyű három kerekes jármű képes folyamatosan 50 km/óra sebességgel haladni. Elemzésekkel arra jutottak, hogy nem feltétlenül szükséges nagy, mondjuk 100 kilowattos cellát alkalmazni a hatékony üzemhez. (Például a Mercedes ilyen teljesítményű cellákat használ.)
 

Mercedes F-Cell

Minden elektrokémiai rendszerrel épült jármű jellemzője, hogy vagy gyorsan megy, vagy messzire. Az üzemanyag-cellának jó az energiasűrűsége, de rossz a teljesítménysűrűsége. Ezért minden esetben akkumulátorokkal vagy szuperkapacitással (kondenzátorral) párosítják, melyet a cella folyamatosan tölt. Vagyis a hidrogéncellás jármű nagyon hasonlít a hibridekre azzal a különbséggel, hogy a robbanómotor helyett az üzemanyag-cella szolgáltatja az energia utánpótlást az akkumulátorok töltésére. Az ilyen jármű működését, hajtását tekintve az elektromos autóval megegyezik, azzal a különbséggel, hogy a folyamatos energiautánpótlás miatt nincs szükség óriási telepekre. A telepek élettartama a folyamatos töltés miatt hosszabb, a tankolás nem tart órákig, hanem egy klasszikus gáztöltéssel megegyező időtartam alatt zajlik.

20 darab saját készítésű cella egy csomagban

A HY-GO üzemanyag-ellátását két speciális, temperált vízhűtéses palackból oldják meg. Egy feltöltés 168 gramm hidrogén, ezzel teljes terhelésen körülbelül 90 percig képesek haladni. Számításaik szerint a hidrogén jelenlegi árával számolva egy kilométer megtétele 30 forintba kerül. A palackokban 15 báron tárolják a hidrogént, a cella táplálása kb. 400 millibar nyomáson történik. A Közlekedés Tudományi Intézet állásfoglalása szerint az alacsony nyomás miatt a HY-GO nem számít gázos járműnek. A Mercedes F-Cell esetében kicsit más a kép, ott 350 bar nyomással tárolják a hidrogént, ami körülbelül 400 kilométer táv megtételére elegendő.

A HY-GO két ilyen palackkal működik

Sokan a hidrogén gáz veszélyességében látják a hidrogén-cellás járművek zsákutcáját. Az tény, hogy a hidrogén valóban fokozottan veszélyes és gyúlékony anyag (gondoljunk a Zeppelin katasztrófára), de emellett a legkönnyebb gáz is. Vagyis az LPG-vel ellentétben nem marad meg a földfelszín közelében, szivárgás esetén azonnal elillan. Töréstesztek is bizonyítják, hogy sok esetben egy balesetnél az elillanó gáz előnyösebb, mint a folyékony, szétfröccsenő, hagyományos üzemanyag. A CNG járművek két-három 300 bar nyomású földgáz palackkal szaladgálnak, a töréstesztek mégis megnyugtatóan alakultak, kellő műszaki biztosítással nem jelenthet veszélyt a hidrogén palack sem.

Hidrogén töltőállomás

A hidrogén óriási előnye, hogy viszonylag egyszerűen rendelkezésünkre áll, szintén vízbontás segítségével. A szélenergiával termelt áram - és gyakorlatilag minden betáplált áram - problémája a nem egyenletes visszatáplálás, illetve a felvevő hálózat leterheltsége. A szélenergia vízbontásra való felhasználása sok problémát megoldana, természetesen a napenergia hasonló felhasználása is óriási lehetőségekkel bír. Ilyen jellegű hasznosításra a Hondának is vannak kezdeményezései. Külső energia bevezetés nélkül gyakorlatilag a töltőállomáson állíthatnák elő az üzemanyagot. A hidrogén az iparban nem ismeretlen, ma körülbelül hatszázmillió autót tudnának ellátni, ha nem használná el az ipar. A hidrogénhálózat Belgiumban, USA-ban, Kanadában jól kiépített. Érdekesség, hogy a hidrogént hazánkban elsősorban földgázból állítják elő, a földgáz katalitikus vagy termikus bontásából nyerik, amit aztán az üzemanyaggyártásban használnak fel. Százhalombattán van az egyik legnagyobb hidrogén előállító üzem, mely termelésének nagy részét helyben használják, a maradékot értékesítik. Nagy üzem van Budapesten, a Váci úti izzógyárban a nagy tisztaságú wolframot hevítik hidrogénnel.
 

A drága mérőberendezést ma mát itthon is meg tudnák csinálni

A laborban ott jártamkor éppen egy kísérleti cellát vizsgáltak a lehető legegyenletesebb körülmények között. Speciális analitikai berendezéssel temperált hidrogén és levegő betáplálással vizsgálták az elméleti működést. Matematikai illesztéssel próbálják visszakapni a belső tulajdonságait, megtudni, hogy milyen hatással van a mikrostruktúra a teljesítményre. A mérések során - ha szükséges - 30 paramétert képesek visszakapni a berendezésről. Számomra az volt a legérdekesebb, hogy milyen széleskörű analitikai ipar alakult ki csak speciálisan az üzemanyag-cellák vizsgálatára. Mint megtudtam, ez az egyetlen jövedelmező szolgáltatás jelenleg az ágazatban. A legkisebb mérőberendezés ára is 100 000 eurónál kezdődik. Az alapanyagok árai is többszörösébe kerül, ha kiderül, hogy üzemanyag-cellához szükséges, ezért a kutatók - ha lehetséges - sosem vallják be, mihez is kell.

Az üzemanyag-cella első ránézésre ideális megoldásnak tűnhet, az érvek, melyek mellette szólnak cáfolhatatlanok. Ha csak a károsanyag-kibocsátást nézzük, akkor szinte verhetetlen, főleg ha a hidrogén előállítása is környezetbarát módon történik. Egyesíti az elektromos autó jó tulajdonságait és a jelenlegi használati szokásokat, bizonyos terülteteken kompromisszumok nélkül használhatnánk. Az technológia energiasűrűsége jó, nem szükséges nehéz akkumulátor pakkokat szállítani, például a sem nehezebb, mint egy hagyományos társa.
 

Honda Clarity

Sajnos ma még ellenérv is van gazdagon. Talán a legriasztóbb az, hogy jelenleg a technológia az egyedi gyártások miatt rendkívül drága. Ipari cellák esetében 1 kilowatt kb. 500 dollár, ezzel szemben a robbanómotornál kilowattja 30 dollárra jön ki. Ez egy 100 kilowattos cella esetében körülbelül tíz millió forint. Az USA-ban korlátozott számban értékesített Mercedes-Benz B-osztály F-Cellnek nincs is vételára, csakis havi 849 dollár (kb. 180 000 Ft) részletér lehet hozzájutni, ami tartalmazza a biztosítást és az üzemanyag költségét is.
A hidrogén tankolása jelenleg nem megoldott, és ismerve a hazai ügymenetet, nem is látok rá esélyt Magyarországon. Több éve húzódik a CNG kúthálózat kiépítése is, a hazai üzemanyagforgalmazók nem partnerek, pedig a földgáz mindenhol rendelkezésre áll. Mi lenne itt a hidrogénnel?
 

A hidrogén feltöltés majdnem olyan gyors mint a hagyományos tankolás

Persze nem hagyhattam ki a kérdést, mit gondolnak a szakemberek a hidrogén-cella jövőjéről.
Ákos elmondta, hogy technikai oldalról a gyorsítás és a jármű leállítása okozza a legtöbb veszteséget, vagyis az első áttörés a városokon belül lehetne, tömegközlekedés, bérautó vagy taxik esetében, ahol folyamatosan üzemel az autó. Naponta 10-20 km esetén már nem éri meg.
Természetesen az infrastruktúra kiépítése alapvető feltétele az elterjedésnek, ez ügyben szinte csak egy kormányzati döntés segíthet, ahogy az E85 esetében Svédországban. Bár ő nem híve az ilyesminek, de egyik oldalról csakis radikális környezetvédelmi rendeletekkel, korlátozásokkal lehetséges elősegíteni a fejlődést. Természetesen az árak csökkenése a másik tényező, de ezek egymást gerjesztő folyamatok, ha az egyik megreked, a másik sem lép tovább.

Én meglepődtem, milyen józanul gondolkodnak az üzemanyag-cellát illetően. A mobilitás fő kérdés, a távoli jövőben valószínűleg nem lesz egységes üzemanyag. Az elektromos hajtás lesz a domináns a városi, esetleg előváros használat során az egyéni és a tömegközlekedés tekintetében is. Hosszú távú közlekedés esetén a hagyományos és bioüzemanyagok energiasűrűségével jelenleg nem lehet versenyezni, így valószínűleg azoknak is megmarad a létjogosultsága. Az emberek rá lesznek kényszerítve arra, hogy közlekedési szokásaikon változtassanak, esetleg többféle járműtípussal jussanak el végcéljukhoz. Ennek talán meg lesz az előnye is, mert megszűnik az egyféle üzemanyagtól való függőség. Az biztos, már nem távoli jövőről beszélünk, a folyamat elindult.

Forrás: AutoPRO