Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás



Yüklə 135,26 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix02.03.2018
ölçüsü135,26 Kb.
#28612


Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

 

 



BME OMIKK 

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG 

VILÁGSZERTE 

44. k. 4. sz. 2005. p. 22–35. 

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 

Megújuló forrású energiával előállított hidrogén – 

az új gazdaság alapja 

 

A jövő energetikája a hidrogénen mint energiaforráson fog nyugodni – ezzel a kijelentéssel egyre 

több szakértő egyetért. A hidrogén előállítása is energiát igényel azonban, és nem is keveset, így 

ezt fosszilis forrásokból nyerve könnyen el lehet veszteni a réven, amit a vámon nyertünk. A meg-

oldás kulcsa a megújuló forrású energiával előállított hidrogén, a szóba jöhető nap- és szélenergia 

viszonyai, energetikai hatásfokuk. Egy fontos együttműködés az állam és a vállalatok között: az 

amerikai FreedomCAR projekt a jövő közlekedésének kutatására. 

 

Tárgyszavak: hidrogénalapú gazdaság; megújuló energiaforrás; tüzelőanyag-elem. 

 

A sűrűn lakott fejlődő országok gazdasági ex-



panziójával és energiaigényességük fokozódá-

sával a kőolaj iránti kereslet jelentős mértékű 

növekedése fenyeget a nem túl távoli jövőben. 

E problémát fokozza az is, hogy az USA to-

vábbra is a világ olajtermelésének aránytalanul 

nagy hányadát (többet, mint az utána követke-

ző öt legnagyobb felhasználó együttvéve) fo-

gyasztja el. A fosszilis fűtőanyagoktól való 

jelentős mértékű függés komoly problémák 

forrása a levegőtisztaság és az éghajlatváltozás 

szempontjából is.  

Ha sikerülne a gazdaságot fokozatosan hidro-

génre, mint energiaforrásra átállítani, az USA 

(és Európa) függetlenné válhatna a politikailag 

instabil régiók olajszállításaitól, mivel a hidro-

gént különféle (fosszilis, megújuló, nukleáris) 

hazai forrásokból nyert villamos energiával 

lehet előállítani. Erre támaszkodva a hidrogén-

nel hajtott tüzelőanyag-elemekkel mind a 

helyhez kötött, mind a mozgó fogyasztók 

(járművek) energiaigényét ki lehetne elégíteni. 

Nem meglepő tehát, hogy a 90’-es évek köze-

pétől kezdődően fokozódó érdeklődés mutat-

 

22




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

kozik a megújuló forrásokból származó hidro-

génre és tüzelőanyag-elemekre támaszkodó 

gazdaság iránt világszerte. A becslések szerint 

2050-re 10–30 TW-nyi (10

12

 W) környezetkí-



mélő energiaforrásra lesz szükség, amelynek 

előállítására az atombomba kifejlesztését ered-

ményező Manhattan-programhoz, vagy az 

Apollo  űrprogramhoz mérhető nagyságú és 

sürgősségű állami erőfeszítésre lesz szükség.  

 

Az előző számunkban közölt hasonló témájú 



írás (Hidrogéntermelés megújuló forrásokból = 

Energiaellátás, energiatakarékosság világszer-

te, 2005/2, p 32-38) a kutatások támogatási 

rendszerére, az ágazat úttörő vállalkozásaira és 

a termelés és felhasználás biokémiai vonatko-

zásaira összpontosított, a most következő ösz-

szeállítás viszont röviden áttekinti a hidrogén-

re alapozott gazdaság főbb jellemzőit, különös 

tekintettel a hidrogén megújuló energiaforrás-

okra (szél és nap) alapozott előállítására és 

hasznosítására (ld. az 1. ábrát).  

 

 



A hidrogén 

mint fűtő- és üzemanyag 

 

A következő néhány fontos sajátosságának 



köszönhetően a hidrogén fűtő- és üzemanyag-

ként is kiválóan felhasználható: 

 

 

 



 

1. ábra A hidrogén fenntartható forrásokból való előállításának sémája 

 

napenergia 

hidrogén 

villamos energia 

elektrokémiai 

bontás 


hő 

mechanikai energia 

termikus bontás 

biomassza 

átalakítás 

fotokémiai 

bontás 

 

23




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

 



Bármely ismert fűtőanyaghoz viszonyítva a 

legnagyobb a tömegegységre jutó fajlagos 

energiatartalma – 134 200 Btu/font

1

, ami kö-



zel háromszorosa a benzinének (1. táblázat). 

 



Normál hőmérsékleten és nyomáson egy 

térfogategységre jutó energiasűrűsége ugyan 

kicsi, de ezt a nyomás fokozásával, vagy 

igen alacsony hőmérséklet alkalmazásával 

növelni lehet. Emellett a hidrogén fém-

hidridek formájában is tárolható. 

 

Mivel igen gyúlékony, kis energiával lángra 



lobbantható és elégethető. E tulajdonsága 

miatt a levegőben 4–74%-ban jelen levő 

hidrogén elégethető. 

 



Halványkék, alig látható lánggal ég, ennek 

során sem szén-dioxid, sem lebegő részecs-

ke, sem káros kénkibocsátás nem keletke-

zik. Meghatározott feltételek mellett viszont 

a hidrogén elégetése nitrogénoxidok (NO

x



kibocsátásával járhat. 

 

1. táblázat 



Egy kilogramm (kb. 12 normálköbméter) 

oxigénnel vízzé átalakuló hidrogén 

energiatartalma 

 

Nagyobb fűtőérték Alacsonyabb 



fűtőérték 

134 200 Btu 

113 400 Btu 

39,3 kWh 

33,2 kWh 

141 600 kJ 

119 600 kJ 

33 800 kcal 

28 560 kcal 

 

A hidrogén a Föld egyik legegyszerűbb, leg-



nagyobb mennyiségben megtalálható kémiai 

eleme, amely természetes feltételek között 

mindig csak más elemekkel – például oxigén-

nel és szénnel – együtt fordul elő. Leválasztva 

igen tiszta energiahordozó. Tisztaságát mi sem 

jellemzi jobban, mint az a körülmény, hogy az 

USA  űrsikló-programjában a kozmikus jármű 

villamos energiáját hidrogénnel üzemelő tüze-

lőanyag-elemek szolgáltatják, amelyek mellék-

termékét a legénység igen tiszta ivóvízként 

hasznosítja. A szénhidrogén fűtőanyagok nyil-

vánvaló alternatívájának tekinthető hidrogén 

biztonságosan és környezetkímélő módon elő-

állítható. Ami hasznosítását illeti, már ma is 

működnek személy- és teherautók, villamos 

erőművek, épület-villamossági rendszerek stb. 

hidrogénnel, de e gáz előállításához, szállí-

tásához és nagy mennyiségű tárolásához szük-

séges infrastruktúra hiánya miatt erre csak 

kevés helyen kerül sor. Pedig a hidrogén széles 

körű hasznosítása az USA-ban több előnnyel 

járna. 


 

Erősödne az energetikai biztonság, mivel a 

hidrogénre és a tüzelőanyag-elemes technoló-

giára támaszkodva mérsékelni lehetne a füg-

gést a külföldi olajszállításoktól. Az USA 

ugyanis jelenleg naponta körülbelül 20 millió 

hordó kőolajat használ fel, ami hetente közel 

2 milliárd dollár kiadással jár. E mennyiség 

jelentős részét gépjármű-üzemanyag előállítá-

sára használják fel – a benzintartályokba kerü-

lő üzemanyag közel fele importból származó 

olajból készül. Pedig hidrogént különböző 

 

24




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

hazai energiaforrások révén, köztük fosszilis 

fűtőanyagokból, megújuló forrásokból és 

atomenergiából is elő lehetne állítani. 

 

Az üvegházhatású gázok (GHG, greenhouse 

gas) kibocsátásának csökkentésével mérsékel-

hető a globális éghajlatváltozás. Ezek a gépko-

csik közlekedése, fűtés vagy világítás kapcsán 

felszabaduló gázok ugyanis elnyelik a nap 

infravörös sugárzásának egy részét. Ha viszont 

a közlekedésben és az energiatermelésben is az 

igen jó hatásfokú tüzelőanyag-elemeket lehet-

ne alkalmazni, a GHG-kibocsátás számottevő 

mértékben mérséklődne – különösen akkor, ha 

a hidrogént megújuló, nukleáris forrásból vagy 

igen tiszta fosszilis technológiával lehetne 

előállítani.  

  

A levegőszennyezés csökkentése nyilvánvaló 

előny, hiszen az erőművek, a gépjárművek és 

más források káros kibocsátása kapcsán füst-

köd (szmog) keletkezik és az egészségre ár-

talmas lebegő részecskék is jutnak a levegőbe. 

Az alapanyagként földgázt, metanolt vagy 

benzint felhasználó tüzelőanyag-elemek átala-

kítói viszont ennél jóval kisebb mennyiségben 

bocsátanak ki káros anyagokat (például szén-

monoxidot). 

  

Az energiahatékonyság javulása következne 

be annak köszönhetően, hogy a tüzelőanyag-

elemek (lásd a keretes írást p. 35-ön) hatásfoka 

jelentős mértékben meghaladja az égési fo-

lyamatok energetikai hatásfokát. Egy hagyo-

mányos, égési folyamatokra támaszkodó vil-

lamos erőmű rendszerint 33–35%-os hatásfok-

kal üzemel, míg a tüzelőanyag-elemes erőmű-

vek hatásfoka elérheti a 60%-ot. Ha pedig a 

tüzelőanyag-elemeket kapcsolt villamosener-

gia- és hőtermeléssel működtetik, a hatásfok 

akár 85% is lehet. A jelenleg használatos gép-

kocsik üzemanyaguk energiatartalmának keve-

sebb mint 30%-át alakítják át hasznos teljesít-

ménnyé, míg a hidrogénes tüzelőanyag-

elemekkel működő, villamos motorok hajtotta 

autók energetikai hatásfoka elérheti a 40–60%-

ot. A tüzelőanyag-elemes kocsik hatásfoka 

még benzin reformálásával előállított hidro-

gén-üzemanyag esetében is körülbelül 40%. 

 

 

A hidrogén gyártása 



 

A világon jelenleg évente mintegy 40 millió 

tonna hidrogént gyártanak, ebből az USA-ban 

9 millió tonnát (ez elegendő lenne 20–30 mil-

lió személygépkocsi hajtásához vagy 5–8 mil-

lió lakóház energiaigényének fedezéséhez). A 

gyártás fő alapanyaga a metán (földgáz), ame-

lyet vízgőzzel reformálnak; a gyártott mennyi-

ség közel 95%-a ezzel a technológiával készül. 

Emellett alkalmazzák az USA-ban hidrogén 

előállítására a fosszilis fűtőanyagok (pl. szén), 

valamint a biomassza termikus vagy biológiai 

átalakítását is.  

 

25




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

Ma a hidrogént elsősorban közbülső vegyi 

anyagként vegyszerek és műtrágya gyártásához 

szükséges ammónia előállítására, olajfinomí-

tókban, fémek kezelésénél, villamos alkalmazá-

sokra, valamint az élelmiszer- és a szap-

pan/mosószergyártásban használják fel. Energe-

tikai célokra főleg a NASA alkalmazza, ami jól 

mutatja, hogy a felhasználási technológiák még 

csak kísérleti stádiumban vannak. A hidrogént 

jelenleg csővezetéken, közúton hengeres tartá-

lyokban, csöves trélereken vagy mélyhűtött 

tartálykocsikban szállítják. A hidrogént előállító 

és forgalmazó cégek tulajdonában levő csőve-

zetékek csak az USA néhány körzetében mű-

ködnek, ahol nagy hidrogén-finomítók és vegyi 

üzemek vannak (főként Indiana, California, 

Texas és Louisiana álamokban). A nagynyomá-

sú hengeres tartályokban és csöves trélereken 

végzett szállítás távolsága a termelőüzemtől a 

felhasználókig 160–320 km, ennél nagyobb 

távolságra (akár 1600 kilométerre is) a szállí- 

tást általában folyékony halmazállapotban, ki-

válóan szigetelt hűtő-tartálykocsikban bonyolít-

ják le.  

 

 



Megújuló energiaforrások 

 

A legfontosabb megújuló energiaforrások kö-



zött a nap-, a szél- és a geotermikus, valamint 

a biomasszából előállított energia említendő. 

Bármelyikük fenntartható kiaknázásához meg-

felelő energiatároló kapacitás beiktatása szük-

séges. Erre a célra a hidrogén mellett megfe-

lelhetnek a bio-üzemanyagok, az akkumuláto-

rok, a vízenergia és a lendkerék is – mindegyi-

kük közös jellemzője, hogy segítségükkel pró-

bálják összhangba hozni az energia időben 

eltérő kínálatát a kereslettel. Egyébként ener-

giahordozónak számít a metanol is, mivel 

megfelelő tüzelőanyag-elemben ebből is előál-

lítható villamos energia, nemcsak hidrogénből 

– a megújuló energiaforrások nagyszabású 

kiaknázásához azonban kétségtelenül az utóbbi 

a „nyerő” megoldás. 

 

Induljunk ki például 40 millió tonna hidrogén 



előállításának energiaigényéből, különböző 

megújuló források felhasználása esetén. Ennek 

során feltételezzük, hogy a hidrogént mind-

egyik esetben elektrolízis útján, 70%-os hatás-

fokkal lehet előállítani az adott, megújuló for-

rásból származó villamos energiával. Azért 

éppen 40 millió tonna a kiindulás, mert ebből 

fedezni lehetne az USA tüzelőanyag-elemes 

hajtásra feltételezetten átállított könnyű jármű-

vei üzemanyagának 50%-át – mégpedig a je-

lenleginél mintegy kétszer jobb átlagos hatás-

fokkal. Ekkora mennyiségű megújuló energia 

megtermelésére szélenergiából 555 GW, nap-

elemekkel 740 GW, nukleáris forrásból pedig 

216 GW kapacitásra lenne szükség. Ehhez 

képest jelenleg az USA szélerőművekkel 4,67 

GW, napelemekkel valamivel több mint 0,1 

 

26




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

GW, nukleáris forrásokból pedig 98 GW előál-

lítására képes. A hidrogén használatának fel-

futtatásához ezért jelentős beruházásokra lenne 

szükség. Ezek megtérülését a pénzügyi szem-

pontok mellett energetikai szempontok szerint 

is vizsgálni kell, mert e a rendszereknek csak 

akkor van értelmük, ha több energiát képesek 

termelni, mint amennyit gyártásuk és egész 

élettartamukra kiterjedő üzemeltetésük során 

együttesen felhasználnak – ellenkező esetben 

az adott technológia nem fenntartható. Egy 

szélkerék 3–4 hónap alatt szolgáltatja vissza az 

általa a fent említett módon felhasznált energi-

át (beleértve hulladékként való feldolgozását is 

lebontása után), napelemes panelek esetében 

viszont e mutató nagymértékben függ a fény-

elemek anyagától. Félvezető egykristály al-

kalmazása esetén 4 év, vékonyréteg eszközök 

esetében viszont csak 3 év ez a megtérülés, 

beleértve a napelemek mellett a keretek és 

állványok előállításának energiaigényét is. Bár 

a szerves anyagokra épülő napelemek megté-

rülési ideje ennél rövidebb, még mindig 1–2 

év, míg nukleáris forrásból (a sugárzó hulladék 

10 000 éven át történő biztonságos tárolásának 

garantálása nélkül) már csak 1 év ez az energe-

tikai megtérülés.  

 

A megújuló energiatermelést az elektrolitikus 



vízbontáshoz a szélenergia révén lehetne elő-

nyösen csatolni, ahogy azt a szélerőművek 

tervezett  kapacitását  is  megjelenítő  2.  ábra 

 

0



200

400


600

800


1000

1200


1400

2000 2001 2002 2003

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

2011 2012 2013 2014

üz

em

be



 he

ly

ez



et

t ös


sz

ka

pa



ci

s,



 G

W

az EWEA 1999-es becslése



36%-os növekedési ütem

a világszerte beépített 343 GW

atomerőmű-kapacitás

 

 



2. ábra A szélenergia termelésének tervezett növekedése az USA-ban 2014-ig 

 

27




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

mutatja. A General Electric eddig egy 3,6 

MW-os, egy Boeing 747-es szárnyainak fesz-

távolságával közel megegyező kerékátmérőjű 

prototípust épített Spanyolországban, az USA 

keleti partvidékén pedig Californiában és Te-

xasban létesítettek számottevőbb mértékben 

szélkerekes energiatermelő egységeket, és a 

jövőben e trend várhatóan fokozódni fog. A 3. 

ábra a különféle megújuló forrásból származó 

energia költségeinek feltételezett jövőbeni 

alakulását mutatja be. Az energiaköltséget 

(COE) minden esetben egy kilowattórára ve-

títve, 2000. évi USD értékére átszámítva álla-

pították meg. E becslés nem is annyira a pon-

tos éves adatok szempontjából, hanem a költ-

ségek változási irányzatának bemutatása miatt 

érdemel figyelmet. 

 

A napelemes energiatermelés az USA számos 



körzetében bőségesen rendelkezésre álló nap-

energiát környezetszennyezés nélkül haszno-

sítva több megoldást kínál a hidrogéntermelés-

re is. E technológia alapja a félvezető alap-

anyagból előállított napelem, amelyben a kü-

lönböző vezetési típusú tartományok között 

úgynevezett p-n átmenetet alakítanak ki, ahol a 

napsugárzás hatására keletkező elektron-lyuk 

párok elkülönülnek egymástól – megfelelő 

ohmos ellenálláson keresztül elektromos erőte-

ret és feszültséget keltve. Az erre a célra az 

utóbbi évek folyamán alkalmazott különböző 

típusú félvezető anyagoknak köszönhetően a 

napelemek hatásfoka folyamatosan javul. 

Mindazonáltal az így előállított áram fajlagos 

költsége (22 UScent/kWh) még mindig egy 

nagyságrenddel meghaladja a szénre jellemző 

értéket (2,1 cent), az atomenergiáét (6,5 cent), 

a földgázét (3,6 cent), a fűtőolajét (3,9 cent) és 

a szélenergiáét (5,5 cent). További költség-

csökkenés az úgynevezett harmadik generációs 

napelemektől várható, amelyek nano-

nagyságrendű méreteket alkalmazó vékonyré-

teg struktúrákra, kvantum-sűrűsödési helyekre 

(quantum dots) és elektromos szempontból 

aktív szerves anyagokra támaszkodnak.  

 

Amennyiben a napenergiát a fotoelektromos 



eszközben közvetlenül lehetne hidrogénné 

alakítani, úgy a víz elektrolitikus elbontására 

épülő technológiai fázisra nem lenne szükség. 

E rendszerben a bemeneten a napsugár és a víz 

közvetlenül reagál, míg a kimeneten hidrogén, 

oxigén, hő és víz keletkezik.  E különleges 

napelemben a kulcsszerepet a félvezető-víz 

aktív felület tölti be. A víz hidrogénre és oxi-

génre bontásához (mindkét esetben légköri 

nyomáson és 25 °C-on) 1,23 V feszültség 

szükséges. Az ohmos feszültség-esést és a 

kinetikus veszteséget is beszámítva, a gya-

korlatban is működőképes ilyen eszköz fe-

szültsége körülbelül 2 V. Megfelelő eszköz 

létrehozásához optimálisan kell illeszteni a fél-

vezetős napelem fényelnyelési sávját a be-

érkező napsugárzáshoz;  megvilágított állapot- 

 

28




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

szélenergia

0

10



20

30

40



1980

1900


2000

2010


2020

CO

E (



U

Scent/kW


h)

napelem

0

20



40

60

80



100

1980


1900

2000


2010

2020


CO

E (


U

Scent/kW


h)

geotermikus energia

0

2



4

6

8



10

1980


1900

2000


2010

2020


CO

E (


U

Scent/kW


h)

 

napenergia közvetlen felhasználása

0

10

20



30

40

50



60

70

1980



1900

2000


2010

2020


CO

E (


U

Scent/kW


h)

biomassza

0

2



4

6

8



10

12

14



1980

1900


2000

2010


2020

CO

E (



U

Scent/kW


h)

 

 



3. ábra Megújuló energiák fajlagos költsége (COE) UScent/kWh-ban 

(2000. évi vásárlóértéken) 

 

 

ban és vízzel érintkezve is stabil félvezető fe-



lületet kell találni, miközben kellőképpen il-

leszkednie kell a félvezető energiaszintjének 

és a víz oxidációs-redukciós szintjének is 

egymáshoz. Egy TiO

2

 vékonyrétegből kialakí-



tott eszköz például a napsugárzásnak csupán 

kis hányadát képes elnyelni, ezért a világszerte 

működő kutatólaboratóriumokban megfelelő 

 

29




Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

adalékanyagok segítségével és más módsze-

rekkel próbálják fokozni ezen anyag napsugár-

zás iránti érzékenységét. Ebből a szempontból 

a több n- és p-típusú félvezető-folyadék p-n 

átmenetet tartalmazó eszközök hatékonyabbak, 

és laboratóriumi feltételek között már működ-

nek is ilyenek. 

  

Más technológiákkal is lehet napsugár segítsé-



gével vízből hidrogént fejleszteni – foto-

biológiai úton, oldott állapotba hozott komplex 

fémvegyületeket katalizátorként alkalmazó 

homogén vízbontással, de folynak kísérletek a 

vízbontást a nap hőenergiájának közvetlen 

igénybevételével megoldó eljárással is. A 

megújuló forrásokból előállított energiát a 

közlekedés mellett akár lakóházak komplex 

energiaellátására is fel lehetne használni – 

ahogy azt a 4. ábrán szereplő futurisztikus 

séma is szemlélteti. Az energiát itt a nap és a 

szél szolgáltatja, ami pedig a tüzelőanyag-

elemeket illeti, jelenleg helyhez kötött felhasz-

nálók céljaira is számos cég forgalmaz már 

ilyeneket. 

 

 



 

napelemes táblák 

vízbontás 

elektrolízissel 

tüzelőanyag-

elem 


kompresszor/ 

gázáramlás 

szabályozás 

a központi 

hálózathoz 

inverter és 

szabályozóegység

föld alatti 

tartályok 

 

4. ábra Szél- és napenergiából előállított hidrogént felhasználó lakóház – 



valamikor a jövőben 

 

 



30


Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

A víz és a hidrogénes 

tüzelőanyag-elemek 

 

Az elkövetkező 50 évben a vízellátás az embe-



riség egyik legkiélezettebb problémája lehet, 

mivel a háztartások mellett a mezőgazdaságban 

és az energetikában és másutt is nőni fog a víz 

iránti igény. Az USA-ban a fosszilis fűtőanyag-

gal üzemelő erőművek létesítésénél ez már ma 

is problémát okoz. Amennyiben a megújuló 

energiát hidrogénné alakító megoldásban gon-

dolkodunk, a víz technológiai segédanyagként 

van jelen a rendszerben. A közlekedési hálózat 

számára szükséges hidrogén-üzemanyag előál-

lítását vizsgálva, ehhez az országos vízfelhasz-

nálás mintegy 1%-os növekedésével kell kalku-

lálni – világos tehát, hogy ezt a mennyiséget 

csak tengervíz-sótalanító üzemek beállításával 

lehetne biztosítani. Az elektrolízishez szükséges 

nagy tisztaságú vizet központi tisztítóművek 

állíthatnák elő, ami a költségek és a hatásfok 

szempontjából is hatékony megoldás. A tisztí-

tott vizet ugyanis a meglevő folyékony üzem-

anyag szállítására használt vezetékeken szállít-

hatnák a tengerparti sómentesítő üzemekből a 

parttól távoli hidrogéngyárakba. A nagytiszta-

ságú víz előállításának problémáját a tengervíz 

feldolgozására kidolgozott fejlett fotoelektro-

litikus és fotobiológiai technológiák kidolgozá-

sával lehetne megoldani. 

 

A leírt módon előállított hidrogénből tüzelő-



anyag-elemekben termelnének villamos ener-

giát. Egy világprognózis szerint 2015-re a tü-

zelőanyag-elemes hajtású távolsági buszok 

száma 130 000–150 000-re nő, személyautóból 

pedig 17–80 millió darabra lenne majd szük-

ség. Az ezekhez szükséges éves hidrogén-

mennyiség 20–90 millió tonnára becsülhető – 

jelenleg kereskedelmi célokra a világon évente 

csupán 2,5 millió tonnát termelnek. A tüzelő-

anyag-elemek piacának megfelelő kialakulása 

nélkül aligha lehet számítani arra, hogy ekkora 

beruházásokra sor kerül. A tüzelőanyag-

elemek elterjedéséhez viszont könnyen elérhe-

tő hidrogén-újratöltő rendszerek szükségesek – 

ellenkező esetben a cégek nem hajlandók vál-

lalni az új fűtőanyagra való átállást. Az állami 

támogatás mellett az adott területen működő 

vállalatok összefogására is szükség van a káros 

kibocsátás nélkül üzemelő járművekben rejlő 

lehetőségek gyakorlati bemutatásában. Ilyen 

irányú kezdeményezés a Kaliforniai Üzem-

anyagelem Társulás (California Fuel Cell 

Partnership) vagy a Dow Chemical Co., amely 

utóbbi már jelezte is, hogy kész összefogni a 

tüzelőanyag-elemek gyártóival a két technoló-

gia ötvözése érdekében. A következő pont a 

gépjárműipari kutatások kereteit és célkitűzé-

seit ismerteti. 

 

 

 



31


Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

A FreedomCAR gépjármű-

technológiai kutatási/fejlesztési 

program 

 

A FreedomCAR and Fuel Partnerships (gép-



jármű- és üzemanyag-társulás) nevet viselő 

hosszú távú kutatási/fejlesztési program min-

denekelőtt azokat az önállóan még nem ver-

senyképes, nagy kockázatú kutatási irányokat 

fogja össze, amelyek a gyakorlatban is megva-

lósítható, új rendszerű személy- és könnyű 

tehergépkocsik szerkezeti elemei, valamint a 

használatukhoz szükséges infrastruktúra lét-

rehozásához szükségesek. A program stratégi-

ai célja az USA importált üzemanyagoktól 

való függőségének és a gépjárművek káros 

kibocsátásainak mérséklése oly módon, hogy 

eközben ne sérüljön sem a mobilitás, sem pe-

dig az állampolgárok szabadsága a számukra 

szükséges gépjárműtípusok kiválasztásában és 

anyagi lehetőségeiknek megfelelő üzemelteté-

sében.  

 

Az érdekelt kormányzati szervezetek és üzleti 



vállalkozások által alakított társulás ambició-

zus céljai megfelelő kutatási/fejlesztési prog-

ramra támaszkodnak és a következő főbb terü-

letekre terjednek ki: 

 

integrált rendszerek elemzése; 



 

tüzelőanyag-elemes villamosenergia-termelő 



rendszerek; 

 



hidrogént tároló rendszerek; 

 



a gépjárművek kellő mozgékonyságához 

szükséges hidrogéngyártási és -elosztási 

technológia; 

 



a hidrogénhajtású gépjárművek és a megfe-

lelő infrastruktúra, illetve az egymáshoz il-

leszkedésüket elősegítő jogszabályok és 

szabványok technikai alapjai

 

a tüzelőanyag-elemes és belsőégésű/villa-



mos hajtású hibrid járművekben egyaránt 

alkalmazható hajtórendszerek (pl. teljesít-

ményelektronikai eszközök, villamos moto-

rok); 


 

ultrakönnyű szerkezeti anyagok; 



 

rendszerek a villamos energia tárolására (pl. 



akkumulátorok, nagyteljesítményű konden-

zátorok); 

 

korszerű szabályozórendszerek belsőégésű 



motorok égési folyamatainak és kibocsátá-

sának kézbentartására (különféle üzem-

anyagok – köztük dízel, hidrogén és bio-

üzemanyagok alkalmazása, valamint olyan 

új megoldások vizsgálata, mint például a 

homogén töltéseloszlású, túlnyomásos 

gyújtási rendszerek; a változtatható sűrítési 

arány; a kipufogógáz visszavezetése még a 

hengeren belül stb.). 

 

Az együttműködésben érdekelt partnerek a 



hosszú távra szóló közös célkitűzések megva-

lósításában elért előrehaladás mérésére szá-

mos, 2010-ig és 2015-ig szóló, de menet köz-

ben szükség szerint kiegészíthető technológia-

 

32



Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

specifikus célt is meghatároztak. Ezek elérése 

érdekében elsősorban az egyes alkotóelemek-

re, alrendszerekre és a célok eléréséhez szük-

séges infrastruktúrára összpontosítják a fi-

gyelmet. Ami az így elért technológiai ered-

mények üzleti hasznosítását illeti, az érdekelt 

társaságok függetlenül hozhatnak döntést.  

 

A 2010-ig és 2015-ig szóló konkrét fejlesztési 



célkitűzések: 

 



Megbízható tüzelőanyag-elemes áramfej-

lesztő rendszerek előállítása, mégpedig a 

hagyományos belsőégésű motor/automa-

tikus sebességváltó rendszerekéhez mérhető 

költségszinten

2

 – a következő konkrét cé-



lokkal: 

 



olyan villamos hajtórendszerek létreho-

zása, amelyek élettartama 15 év, miköz-

ben 18 másodpercig legalább 55 kW 

energiát, folyamatos üzemben pedig 30 

kW-ot képesek leadni, 12 USD/kW ma-

ximális rendszerköltség mellett; 

 

60% maximális hatásfokú, tartósan mű-



ködőképes tüzelőanyag-elemes áramfor-

rások (beleértve a hidrogén tárolását is), 

amelyek 325 W/kg és 220 W/l hidrogén 

teljesítménysűrűséget érnek el. A költ-

ségelőirányzat 2010-re 45 USD/kW, 

2015-re pedig 30 USD/kW

3





 

„Környezettiszta”, jó energetikai hatásfokú, 

tiszta szénhidrogénekkel hajtott járművek 

létrehozása, amelyek hajtórendszereit bel-

sőégésű motorok vagy tüzelőanyag-elemek 

képviselik – a következő konkrét célokkal: 

 

olyan belsőégésű, 30 USD/kW fajlagos 



költségszinten működő hajtórendszerek 

létrehozása, amelyek csúcshatásfoka 

45%, és kielégítik vagy túlteljesítik a ki-

bocsátási normákat; 

 

45% csúcshatásfokú tüzelőanyag-elemes 



rendszerek (beleértve az üzemanyag-

átalakítót is), amelyek kielégítik vagy 

túlteljesítik a kibocsátási normákat, mi-

közben fajlagos költségszintjük 2010-

ben 45 USD/kW, 2015-re pedig 30 

USD/kW


4



 

Tartósan és megbízhatóan működőképes, 

elérhető áron forgalmazható villamos hajtá-

sú hibrid járművek létrehozása – a követke-

ző konkrét célokkal: 

 



a villamos energiát 15 éves élettartama 

során tárolni képes, járművenként 300 

Wh kapacitású, 18 másodpercig 25 kW 

kisülési teljesítményű, 20 USD/kW faj-

lagos költségű tárolóegység. 

 



Annak érdekében, hogy át lehessen állni a 

hidrogénre alapozott energiagazdálkodásra, 

széles körben lehetővé kell tenni a hidrogén 

üzemanyaghoz való hozzáférést, fenntartva 

a járművekre jelenleg jellemző funkcionális 

jellemzőket is – a következő konkrét célok-

kal: 



 



a gyakorlatban is demonstrált hidrogén-

utántöltő rendszer fejlett kereskedelmi 

 

33



Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

szabályozással és szabványokkal, külön-

böző megújuló és nem megújuló ener-

giaforrásokkal. A földgázkúttól a töltőál-

lomás csatlakozófejéig 70%-os energeti-

kai cél-hatásfok; a hidrogénből előállított 

energia feltételezett fajlagos költsége 

egyenértékű gázolajra számítva 1,5 

USD/gallon. Ennek során a gépjárműve-

ket tankoló rendszerben legyen átalakító, 

kompresszor és adagolóegység, amelyek 

napi feltételezett kapacitása 150 kg (ab-

ból kiindulva, hogy az átalakító napi 

60 000 SCF földgázt kap, és naponta egy 

300 járműből álló –- járművenként 0,5 

kg hidrogént fogyasztó – járműparkot 

szolgál ki). A célparaméterek teljesítését 

lehetőleg több száz utántöltő állomáson 

demonstrálni is kell. A szóba jöhető 

technológiák között szerepelhet a nátri-

um bórhidrid és más hasonló anyag is; 

 



a járművekbe építhető hidrogéntároló 

rendszerek létrehozása, 2010-re 2,0 

kWh/kg (6 tömegszázalék hidrogén), il-

letve 1,5 kWh/liter fajlagos energiasűrű-

séggel és 4,- USD/kWh fajlagos költség-

gel, 2015-e pedig 3,0 kWh/kg (9 tömeg-

százalék hidrogén), illetve 2,7 kWh/liter 

fajlagos energiasűrűséggel és 2,- 

USD/kWh fajlagos költséggel; 

 



hidrogénnel üzemelő belsőégésű ener-

giatermelő rendszerek létrehozása 2010-

re 45 USD/kW, 2015-re pedig 30 

USD/kW fajlagos költséggel, 45%-os 

csúcshatásfokkal, amelyek kielégítik 

vagy túlteljesítik a kibocsátási normákat. 

 

Olyan könnyített kiskategóriájú jármű-



rendszerek kialakítása, amelyek nagy so-

rozatban gyárthatók, miközben a jelenlegi 

járművekhez és alrendszereikhez viszo-

nyítva tömegük 50%-kal kisebb, elérhető 

áron forgalmazhatóak és gyártásuk során 

fokozott mértékben használnak fel újra-

hasznosított/megújuló forrásokat. 

 

A célok elérését számos előre meghatározott 



időpontban konkrét eredmények tesztelésével 

állapítják meg (mérföldkövek, milestones). Az 

első néhány mérföldkő kitűzött időpontja már 

elmúlt, az eredmények egyelőre nem ismertek, 

de vissza fogunk térni rájuk, ha ismertté vál-

nak.   


 

 

Következtetések 

 

Ahhoz, hogy a hidrogén a gyakorlatban is 



használható fűtő- és üzemanyag lehessen, javí-

tani kell energiafelszabadításának technológiá-

it, csökkentve egyben a költségeket is. Nincs 

ésszerű akadálya annak, hogy a megújuló 

energiák területén felhasznált hidrogén kezelé-

séhez szükséges infrastruktúra kiépüljön, hi-

szen elemei többnyire megegyeznek a fosszilis 

alapanyagokból előállított hidrogénével. A 

 

34



Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás 

 

 



 

megújuló forrásokra alapozott eljárások ver-

senyképességének javításához azonban továb-

bi kutatás és fejlesztés szükséges, de ugyanez 

vonatkozik a tüzelőanyag-elemekre is. Piacké-

pes tüzelőanyag-elemes és hidrogén infrastruk-

túra létrehozásához az iparnak össze kell fog-

nia az állami testületekkel, ahogyan az például 

az USA-ban a FreedomCAR életre hívásával is 

történt.  

 

Összeállította: Dr. Balog Károly 

 

Irodalom 

 

[1]  Turner, J. A.; Williams, M. C.; Rajeshwar, K.: 



Hydrogen economy based on renewable energy 

sources. = Interface – Electrochemical Society, 13. 

k. 3. sz. 2004. p. 24–30. 

 

[2] 



 

Turner, J. A.: Electrochemistry and hydrogen 

economy. = Interface – Electrochemical Society, 

13. k. 3. sz. 2004. p. 23. 

 

[3] 


 

A FreedomCAR hivatalos honlapja. = 

http://www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/ 

 

A tüzelőanyag-elemek alapjai 

 

A tüzelőanyag-elemek a hidrogén kémiai energiájából „környezettisztán” és hatékonyan állítanak elő vil-



lamos energiát és eközben melléktermékként víz keletkezik. Ezen az elven akár erőmű méretű berendezé-

sek vagy éppen egy füstérzékelő energiaigényeit fedezni képes kisméretű készülékek is gyárthatók. Ha 

üzemanyagául tiszta hidrogént használnak, a cella melléktermékként csak hőt és vizet bocsát ki magából. 

 

A hidrogénben dús anyagokból vagy hidrogénből oxigén jelenlétében energiát termelő tüzelőanyag-



elemekben lejátszódó elektrokémiai folyamathoz megfelelő elektrolit és két, katalizátorral bevont porózus 

elektróda (anód és katód) szükséges. Noha különféle típusú tüzelőanyag-elemek készíthetők, alapvető 

működési elvük megegyezik: 

 



A hidrogént vagy a hidrogénben dús üzemanyagot az anódhoz vezetik, ahol egy katalizátor az ionizált 

hidrogén elektronjait, illetve a pozitív töltésű hidrogén ionokat elválasztja egymástól. 

 

A katódon az oxigén felveszi az elektronokat, más megoldások esetén protonnal vagy vízzel egyesül, 



és megfelelően hidroxil-ionokat vagy vizet alkot. 

 



Amennyiben polimer elektrolit membránnal és foszforsavval működő tüzelőanyag-elemekről van szó, 

az elektrolitban protonok mozognak az anódhoz, ahol a hidrogénnel egyesülve víz és hő keletkezik be-

lőlük. 



 



Alkáli, olvasztott karbonát és szilárd oxidos tüzelőanyag-elemek esetén negatív töltésű ionok áramla-

nak át az elektroliton az anódhoz, ahol a hidrogénnel egyesülve vizet és elektronokat bocsátanak ki. 

 

Az anód-oldalon található elektronok képtelenek az elektroliton keresztül eljutni a pozitív töltésű ka-



tódhoz, ezért arra kényszerülnek, hogy ezt az utat egy villamos hálózaton keresztül tegyék meg – az 

elektronok mozgása így villamos áramot kelt.

 

 

1



 1 BTU (British Thermal Unit) = 0,252 kcal = 1055,06 Joule = 0,29307 kWh; 1 font = 453,6 g

 

2



 A referenciaköltségek 2001. évi USD-vásárlóértéken értendők. A kW-ban megadott célparamétereket a kisjármű 

kategóriában lehetséges terhelésből kiindulva állapították meg. 

3

 Kivéve a hajtás elektronikáját. 



4

 Beleértve a tüzelőanyag-elem blokkot, az üzemanyag-átalakító alrendszert – az üzemanyagtartály kivételével.



 

 

35




Yüklə 135,26 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2022
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə