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
tá
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
Dostları ilə paylaş: |