Magazin

A hidrogén, mint üzemanyag

2020-11-21 08:40:20

Alternatív energiaforrásként a hidrogén hosszú ideje foglalkoztatja a szakembereket, hiszen annyira kézenfekvő megoldás. De a mindennapi használathoz rögös út vezet.

Hidrogen Uzemanyag 3

A hidrogént az ipar minden területe hosszú ideje használja. Kezdve az élelmiszeriparon át a gépgyártásig, széleskörűen alkalmazott gáz. Hajtóanyagként azonban eddig minimális volt a szerepe, lényegében csak a rakétatechnikában alkalmazták és alkalmazzák ma is ebben a szerepkörben.

A „civil” iparban voltak ugyan próbálkozások a hidrogén hajtóanyagkénti munkára fogására, de ezek inkább kísérleti jellegűeknek tekinthetők: ilyen volt a Szovjetunióban épített kísérleti TU–154-es hidrogénüzemű sugárhajtású repülőgép. A hidrogén ugyanis nem feltétlenül hagyja magát, hogy az ember azt tegyen vele, amit csak akar: rendkívül reaktív anyag (gondoljunk a durranógáz-kísérletekre, vagy a német Hindenburg léghajó katasztrófájára), kiemelten robbanásveszélyes, ezért nagy nyomáson cseppfolyósítva szállítják, tárolják.

Van mit megoldaniuk a mérnököknek. De érdemes ezen dolgozniuk, mert ha minden nehézségre megoldást találnak, akkor olyan energiahordozót nyerünk, amelyet oxidálva vízgőz az égéstermék. További előny, hogy a hidrogéngyártáshoz a víz alapanyag majdnem mindenhol a rendelkezésre áll, de ez nem feltétlenül van így. Ivóvízkészletben a világ egyre nagyobb része nem bővelkedik, a tengervíz bontása pedig újabb problémákat vetett fel.

A vízre, mint alapanyagra két megoldást látnak járhatónak: az egyik ma még részben kísérleti, ez a tengervíz használata. A gond az, hogy a sós víz rendkívüli mértékben korrodálja a vízbontáskor használt elektródákat. Azonban tavaly a kaliforniai Stanford Egyetem kutatói mutattak be olyan nikkel vegyülettel bevont anódot, amelynek az élettartama nagyságrendekkel nagyobb az addig használt és a tengervíztől 12 óra használat után már korrodálódó elektrodáktól.

A víz mellőzésének a másik útja már napi gyakorlat. Az iparban a hidrogént hosszú idő óta földgázból állítják elő. Ennek az eljárásnak az egyik mellékterméke azonban a szén-dioxid, a mára bizony üldözött anyag. Hogy néz az ki, hogy eleve bányászott anyagból állítanak elő károsnak tekintett melléktermékkel egy tisztának tekinthető üzemanyagot? Japán kutatók válasza erre a következő: az így keletkezett szén-dioxid-mennyiséget visszapumpálnák a kitermelt földgáz helyére, így nem kerül a légkörbe.

Hidrogen Uzemanyag 2
Toyota Mirai sorozatgyártású üzemanyagcellás autó

A hidrogénnel a következő kérdéskör a gáz kezelése: azaz a szállítás, az átfejtések, a tankolások. Az ipari felhasználáshoz 200-300 bar nyomáson tárolják, szállítják a gyártott hidrogént. Erre van kialakított és mára biztonságosnak tekinthető technológia. Azonban a gépjárművekben való alkalmazáshoz nagyobb nyomásra van szükség, hogy egy töltéssel, a belső égésű motorral hajtott autókét megközelítő legyen a hidrogént felhasználó üzemanyagcellás jármű hatótávolsága.

Megoldásként olyan üzemanyagtöltő állomásokat képzelnek el a fejlesztők, ahol helyben állítják elő a gázt, így a költséges szállítás összege kiesik – napjainkban a szállítás speciális tartálykocsikban történik, amelyek veszélyesanyag-szállítóknak minősülnek az utakon. A német kutatók által elképzelt rendszerben a hidrogén egyfajta puffer energiatároló lenne. Ugyanis a szél- és naperőművek kapacitása nagyban függ a környezeti körülményektől. Esetükben az energia-előállítás volumene nem szabályozható úgy, mint egy hagyományos hő-, víz- vagy atomerőmű esetén. Pontosabban: akaratlagosan a termelést csak csökkenteni lehet, az igény szerinti növelésre nem mindig van mód (szélcsend, borús idő, éjszaka).

Így az ideális körülmények között a helyzetet kihasználva megtermelt zöld energia fölöslegével – tehát amit nem használnak fel – hidrogént állítanának elő. A zöldenergia- előállítók holtidejében pedig a hidrogén újrafelhasználásával termelnének villamos energiát az igények folyamatos fedezésére. Ennek a rendszernek a mellékvonalán látnák el a közlekedést is a hidrogén üzemanyaggal.

Hidrogen Uzemanyag 1
Üzemanyagcellás áramfejlesztő egység: bárhová telepíthető

A gépjárműállomány reformjára szolgálnának a hidrogént felhasználó járművek. Ezek az eszközök üzemanyagcellákkal állítanak elő áramot, a cellák üzemanyaga a hidrogén. A hidrogén gépjárműbe tankolása/tárolása elméletileg már megoldott, bizonyítják ezt a BMW, a Hyundai és a Toyota működő kísérleti, illetve már sorozatgyártású járművei. A működési rendszer is bizonyított, ami viszont még megoldandó kérdés, az hasonló az elektromos autóknál tapasztalttal: drága az előállítás.

Az elektromos autók esetén a ritka földfémeket tartalmazó akkumulátorok az elsődleges költségnövelők, az üzemanyagcellások esetében pedig a ritka földfémeket tartalmazó üzemanyagcellák. Kétféle üzemanyagcellát ismerünk, az egyik a direkt metanol membrán cella: ezt előállítani olcsóbb, viszont autóba nem jó, mert nem tud gyorsan alkalmazkodni a változó áramtermelési igényhez. Tehát, ha mélyre nyomja a „gázpedált” az autós, csak 10 perc múlva kezdene gyorsulni a kocsi. Így szükséges lenne egy nagyobb kapacitású puffer-akkumulátor, ami nehezebbé tenné az autót, drágábbá a gyártást.

Ezért alkalmazzák a protoncsere-membrán cellákat. Ebben platina elektródák vannak, amelyek nemcsak drágák, de hajlamosan a szén-monoxid-„mérgezésre”, ami hatékonyságuk csökkenésével járhat. Tavalyelőtt azonban az amerikai Rice University kutatói kínai kutatókkal együttműködve egy nitrogénnel szennyezett grafénon és ruténiumon alapuló katalizátort dolgoztak ki, amely képes kiváltani a platinát az üzemanyagcellákban.

Mind a vízbontásra, mind az üzemanyagcellára feltalált új megoldások a kísérleti időszakukban működtek. A kutatók és a fejlesztők következő feladata, hogy ezeket beillesszék a már létező rendszerekbe és megoldják az ipari méretű gyártás kérdéseit.