Áttérés a szén alapú gazdaságról a hidrogén alapú gazdaságra

Az Európai Unió rendelete alapján a gazdaságot, a kifogyóban lévő olajkészletek miatt, 2050-ig teljesen át kell állítani a szén alapú gazdaságról a hidrogén alapú gazdaságra. 2015-ben kezdenek kifutni a gyártószalagokról az első, sorozatban készített hidrogén meghajtású BMW-k és Mercedesek. 2030-ig már 1,8-2 millió hidrogén meghajtású autónak kell robognia a német utakon. 2030-ig legkésőbb ezer hidrogéntöltő állomás kell legyen Németország-szerte. Az autóipar, amennyiben ezen új technológia segítségével kilábal a krízisből, úgy az európai gazdaság is kilábal a krízisből, és elkezdődhet egy hosszú távú gazdasági virágzás.

2030-ig Németországban 800–1000 töltőállomás fog üzembe lépni

Nehézségek az áttérésben

A műszaki problémák nagy részben megoldódtak. Léteznek már a hidrogén és oxigén keverékével működő üzemanyagcellák, ezek az iskolában tanult elektrolízis fordított elvén működnek. Mint tudjuk, az elektrolízishez víz kell, amit egy tartályban helyezünk el, és ebben 2 elektródát. Az egyik elektróda körül összegyűl a hidrogén, míg a másik körül az oxigén, mivel a vizet (H2O), felbontotta a vízen át cirkuláló áram. Ezeket a gázmolekulákat az elektródáknál fel lehet fogni, sűríteni és tárolni. Nagyipari berendezések léteznek már erre. S állítólag víz van elég, legalábbis Európában. Az elektrolizörök hatásfoka 40–80% között van. Gondot jelent, hogy az elektródák platinából készülnek, ami rendkívüli módon megdrágítja ezen berendezések árát, hisz egy berendezésben sok száz gyűrű alakú elektróda van. Az elektrolizörök nagyobb hatásfokú működéséhez a szétbontandó vízhez 40% KOH-ot (ejtsd: kálium-hidroxidot) kevernek. Ebből használattal veszélyes iszap állagú hulladék keletkezik. Ezt az iszapot Németországban már fel tudják dolgozni. Viszont létezik a kisebb, 60-65%-os hatásfokkal működő elektrolizör is, a PEM). Ebben egy membrán van elhelyezve 2 gyűrű elektróda közé, melynek tulajdonsága, hogy nyomás alatt csak a kis hidrogénmolekulákat engedi át, a nagyobb oxigénmolekulákat nem. Ennél a technológiánál már nem keletkezik semmilyen veszélyes hulladék.

Az üzemanyagcellákban a hidrogén- és oxigénmolekulák újratermelik a vizet, miközben áram keletkezik. Az üzemanyagcellák hatásfoka 40-45% közé tehető. Ezt az áramot használjuk fel, hogy az autó meghajtási láncában a villanymotort meghajtsuk vele.

Amennyiben a hidrogént tároljuk, akkor tulajdonképpen energiát tárolunk le. A villamos áram termelésnek az egyik legnagyobb gondja a megtermelt fölösleges energia letárolása azokra az időkre, amikor nem áll elégséges áram rendelkezésre. A villamos áramot direktben letároló akkumulátorok fejlődése nem hozta meg a várt reményt. A sok milliárd dollár és euró, DM és egyéb valuták, nem tudtak áttörést hozni ezen a területen. A régi ólomakkumulátorokhoz képest van fejlődés, de ezek az új lítiumion-akkumulátorok sem oldják meg a problémát. Időközben viszont a hidrogéntárolás területén olyan megoldások születtek, melyek megadták a reményt a hidrogén alapú gazdaságra való áttérésre. Különösen a napenergia, szélenergia az időjárás szeszélyeinek van teljesen kitéve. Például déltájban, szép napsütéses nyári napokon túl sok napenergia áll rendelkezésre. Ugyanez a helyzet a szélenergiával, amely szintén akkor áll nagy mennyiségben rendelkezésre, amikor fúj a szél. Tehát jó lenne ezt a fölösleges energiát letárolni a szélerőművek leállítása helyett. Mi a probléma a hidrogén letárolása körül?

Az általunk ismert anyagok közül a hidrogénatom mérete a legkisebb. Ebből adódik az a gond, hogy képes átszivárogni a tartályok vastag acélfalán is. Az átszivárgás mennyisége növekszik a tartályban lévő nyomásnak megfelelően. A másik probléma, hogy a hidrogén reakcióba lép a közönséges acéltartályok falában lévő szénatomokkal, aminek következménye, hogy metángáz (CH4) keletkezik. Ugyanakkor a tartály acélanyagának mechanikai szilárdsága romlik, az anyag sprőddé válik. A kutatások mindkét problémára hoztak megoldásokat. A compound (összetett) anyagok és a magasan ötvözött acélokban kialakuló karbidok, meg az alumíniumötvözetek váltak a megoldások szereplőivé. A compound anyagok ugyanakkor nemcsak a szivárgást gátolják meg, hanem magasabb nyomás elérését is lehetővé teszik. Az új autók tartályaiban már 700 bar nyomás lehetséges, amivel a hatótávolság eléri a 450-600 km-t is. A compound anyagoknak köszönhetően a 950 baros autók is lehetségesek lennének. Az autógyártók egyelőre a 700 baros tartályok mellett döntöttek. Sokkal nagyobbak a gondok a hidrogén nagyipari tárolása körül, mégpedig a hidrogéntöltő állomások területén. Ugyanis amennyiben 700 barra akarod feltölteni az autódat, úgy a töltőállomáson tárolt hidrogén nyomása 950 bar kell legyen. Miért? Mert az autódat nem szeretnéd 30 percig tölteni. A töltés nem kerülhet több időbe, mint a benzines autók feltöltése. A SAE J2601-es norma szerint 3 perc alatt fel kell tölteni a teljesen üres tartályú autódat is. Attól függetlenül, hogy mekkora a tartálya: 5 kg H2 megy bele, vagy 7 kg. Csakhogy a hidrogén nagyon könnyű anyag, a levegőnél 14x könnyebb, sűrítéskor rendkívül gyorsan felforrósodik. Ez megakadályozza a gyors töltést. A SAE J2601, alapos kutatások eredményeit foglalja össze. Alig 3 éve annak, hogy e kutatások eredményei lehetővé teszik a 3 perces feltöltést, ill. buszoknál, 350 bar nyomású tartályokban, 35 kg H2 feltöltése 10 perc alatt történhet meg.

Miképp is működik a feltöltés?

A töltőpisztolynak mechanikai kódja van: pl. a 350 bar nyomású tartályt nem töltheted fel a 700 bar nyomású pisztollyal. A pisztolyok végén infravörös kommunikációs kapcsolat van, mely a jármű komputerjével lép közvetlen kapcsolatba. Az első kapcsolatfelvétel után a pisztoly kap egy nyomáslöketet, ami kinyitja a szelepeket. A következő löket a tartályban lévő maradék nyomást méri meg. Ugyanis a löket, amely rövid másodpercig tart, a tartályban a nyomás emelkedéséről szerez információt. Ennek alapján becsüli fel a vezérlő számítógép, hogy mennyi a meglévő hidrogén mennyiség a tartályban és mennyit lehet kb. benyomni még a tartályba. Ezek után elkezdődik az úgynevezett rámpás töltés. Vagyis egy nyomáslöket után rövid szünet következik, amely idő alatt a 700 baros töltésnél egy hűtőberendezés a gázt –40°C fokosra lehűti. Aztán következik a második löket és ez így folytatódik, amíg a tartály fel nem telt teljesen. A tartályba sűrített gáz hőmérséklete nem emelkedhet 85°C fok fölé. Hasonló módon megy a töltés a 350 baros autóknál is, azzal a különbséggel, hogy a hűtő teljesítménye csak –20°C fok kell legyen. De mi történik, ha a jármű számítógépével az infravörös kommunikáció nem működik? Ekkor sincs baj. A kutatások kimutatták, hogy a töltési idő megduplázása elegendő, hogy a hőmérséklet emelkedése ne kerüljön a megengedett maximum 85°C fok fölé.

A hidrogéntöltő állomások teszik lehetővé a hidrogénmeghajtású autók eladását. Amennyiben ilyen töltőállomások nem léteznek, addig az autókat sem lehet eladni. Az EU tagállamaiban nem sok erőfeszítés történt ezen töltőállomások hálózatainak kifejlesztése területén. Itt is Németország kivételt képez: 33 hidrogéntöltő állomást építettek (14 nyilvános, a többi üzemi). Franciaországban 3 töltőállomás létezik, Dánia pedig 5 millió eurós kutatási pénzből egy töltőállomást állított fel. Svájcban is létezik egy üzemi hidrogéntöltő állomás, amely 5 hidrogénmeghajtású busznak termeli és tölti is a hidrogént. A többi nyugati EU-s tagállam sem áll jobban, de az erőfeszítések egyre intenzívebbek.

Az EU rendelete szerint a klímaváltozás megakadályozása elsődleges szempont. Ennek megfelelően ezek a töltőállomások helyben kell előállítsák, ivóvízből, a hidrogént és az előállításhoz szükséges villamos energia csak tiszta energia lehet. Ez azt jelenti, hogy az elektrolizörök akkor működnek, amikor fölösleges tiszta energia áll rendelkezésre. A klíma felmelegedésének megakadályozásában az egyedüli ígéretes megoldás a hidrogéngazdaságra való áttérés. Ugyanis ez nagyban meglendíti a tiszta energiát előállító erőművek építését, és ami szintén nagyon fontos, hogy a hidrogénmeghajtású autók kipufogójából, ami általában az autók tetején van elhelyezve, oxigén jön ki és kevés vízpára. Tehát a jövő hidrogén autói a levegő minőségét javítani fogják.

Alig vannak kompresszorgyártók, melyek 950 barra sűrítenék fel a nagy mennyiségben érkező hidrogént. Amennyiben a kompresszorok gyakrabban kényszerülnek leállni, mivel az elektrolizör nem termel elég hidrogént, akkor a meghibásodási esélyük magasabb, a gyakori hideg indítás miatt. Ezért mindig dupla kompresszorral látják el a töltőállomásokat, mivel az állomáshoz érkező autókat mindig ki kell tudni szolgálni. Egy olyan töltőállomásnál, ahol CNG-t (compressed natural gas=sűrített földgáz) is lehet tölteni, vagy HCNG-t (ez hidrogénnel vegyített földgáz 5 ill. 10 energia %-ban) ill. hidrogént 350 baron és 700 baron, sok dupla kompresszor működik. Ugyanis 200 bar nyomáson töltik a földgázt (CNG) és a HCNG-t is. Míg a buszokat 350 baron és a jövő kisautóit pedig 700 baron. A 350 baros töltéshez a hidrogént 450 baron tárolják, míg a 700 baros autók töltéséhez a hidrogént 950 baron tárolják. A 410 baros kb. 10-12 m hosszú CE jellel ellátott tárolóhengerek sorozatgyártása USA-ban már problémamentesen megoldódott. A nagy autógyártók és gázgyártók eldöntötték, hogy 450 bar és 950 bar lesz a tárolási nyomás.

A gazdasági krízis akadályozza a töltőállomások kifejlesztését és megépítését. Sem Magyarországon, sem Romániában nincsenek állami támogatások előirányozva ilyen hidrogéntöltő állomások kifejlesztésére, melyek helyben állítják elő a hidrogént.

Alternatív lehetőségek

1) Steam electrolysis, a vizet 800-1000°C fokra hevítik, s ezen keresztül az elektrolízis hatásfoka megnövekszik. 2) Klór-alkáli termelés során a hidrogén melléktermékként keletkezik. 3) Földgázreformálással óránként nagy mennyiségű hidrogént lehet előállítani; az átalakítás hatásfoka közel 100% stb. Németországban melléktermékként több száz millió m3hidrogén termelődik. Ezeket magas nyomáson csövekben szállítják el a hidrogénkutakhoz, ill. nyomják bele a földgázhálózatba.

A Hold sötét oldalán 2-3 millió tonna fagyott állapotú hélium 3-as izotóp van. Azon fúziós reaktorok alapanyagául szolgálhatna, melyek nem termelnének mellékesen radioaktív hulladékot. 2050 után gazdaságossá fog válni ennek a kibányászása és leszállítása a földre. Tehát a naprendszerünkben, a fenntartható gazdálkodás felé egy nagy lépést fogunk tenni. Remélhetően ezt a sokfelé emlegetett 2050-es évet világháborúk nélkül megússzuk, és az évszázad végére elérjük az egyes civilizációs fokozatot.

Természetesen fel lehet használni az atomerőművek által termelt energiát, de a fejlődés a tiszta energiaforrásokat részesíti előnyben: a PEM elektrolizőröket, nem az alkáliakat, melyek nem eléggé tiszták, mivel veszélyes iszap is keletkezik működésük során. Majd amikor szükség van arra az energiára, mely éppen nem áll rendelkezésünkre, akkor a letárolt hidrogént az üzemanyagcellákban vissza lehet alakítani vízzé és elektromos vagy hőenergiává.

A folyékony hidrogén akadályai

Sokáig vitatéma volt, hogy a folyékony hidrogén vagy a magas nyomású hidrogén lesz a jövő megoldása. A folyékony hidrogén 20°K (Kelvin) fok alatti hőmérsékleten marad cseppfolyós állapotban. Ezen a hőmérsékleten tartani rendkívül nehéz. Még nem született meg az a hőszigetelési technika, amely ezen a hőmérsékleten tudná tartani a cseppfolyós hidrogént. Ez azt jelenti, hogy a folyékony hidrogén folyamatosan párolog, vagyis gáz állapotba kerül, amit el kell szívni és komprimálni.

Jóváhagyási eljárások

Az egyik legnagyobb gondot, az ország előírásainak függvényében, a hidrogénkutak jóváhagyása jelentheti, annak függvényében, hogy a hidrogénkutakat hova szeretnék elhelyezni. A hidrogéntöltő állomások kerülhetnek a Föld felszínén elhelyezett konténerbe is, amennyiben a hidrogén csak csövön, vagy tréjleren érkezik, de kerülhet az egész berendezés a föld alá vagy a benzinkút megerősített tetejére is. A rengeteg előírás, amit kidolgoztak a földgázkutak építésére, alapul szolgálhatnak a hidrogénkutak építéséhez is. Vannak azonban nagy különbségek, melyek a hidrogénkutaktól való félelmet a közemberben megalapozzák. Pl. a CNG-kutaknál a nyomás „csak” 200 bar, míg a H2-kutaknál 450 bar, ill. 950 bar; a hidrogén 4%-ban vegyülve a levegővel már gyúlékony, míg 18% fölött robbanékony, amennyiben nyílt lángot kap, ill. ez a keverék 560°C fok fölötti felülettel érintkezik.

A Mercedes és a BMW 2015-től elkezdi a sorozatgyártott hidrogénmeghajtású autók eladását. A meglévő benzines, dízelolajos autópark leváltásával reméli az autóipar, hogy kikerül a válságból. Amennyiben 2050-ig az autópark teljesen kicserélődik a tiszta energiával meghajtott autókra, úgy a klíma felmelegedése a kibocsátott CO2 drasztikus csökkentésével megállítható, sőt visszafordítható lenne. A világon különböző nyomású hidrogéntartályokkal már néhány ezer autó szaladgál. A gáztartályok/palackok folyamatos ellenőrzés alatt állnak jelenleg is, egyikük sem robbanhat fel magától.

dr. Sebestyén István (professzor, Műszaki Egyetem, Zürich)

A cikk eredetiben itt olvasható.

Forrás: http://www.szabadsag.ro

 

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé.

%d blogger ezt szereti: