Technológia és innováció

Hidrogénes üzemanyagcellák: Minden kérdést megválaszolunk

2020-06-15 | 12 perc

Lars Mårtensson

Nagy a felhajtás a hidrogénnel és azzal a kérdéssel kapcsolatban, és hogy kiváltja-e a jövőben a dízelt. De hogyan is működik a technológia? Melyek a hidrogén előnyei és hátrányai? Hogyan viszonyul az elektromos teherautókhoz? Itt olvashatók a válaszok a hidrogénes üzemanyagcellákkal kapcsolatos leggyakoribb kérdésekre.

Mit az a hidrogén, és miért olyan nagy körülötte az izgalom?

A hidrogén egy kémiai elem, amely számos, a természetben előforduló vegyületben, köztük a vízben is jelen van. A járművekben használt hidrogén (H2) szagtalan gáz, amelyet általában vízből vagy földgázból történő hidrogénkivonással állítanak elő.

Bár manapság nagy körülötte a felhajtás, a hidrogéntechnológia nem újdonság. Sőt, a hidrogént már régóta használják űrhajók meghajtására. A fuvarozási ágazat szén-dioxid-mentesítésére irányuló törekvéseinek, a megújuló energiaforrás-árak csökkenésének és annak köszönhetően, hogy a világ kormányzatai a technológia továbbfejlesztését szolgáló részletesebb stratégiáikat dolgoztak ki, mostanában újra megélénkült iránta az érdeklődés.

Hogyan állítják elő a hidrogénes üzemanyagot?

A vízgőzös metánreformálás (SMR) a legelterjedtebb módszer a hidrogén ipari mennyiségű előállítására. A folyamat során a földgázban lévő metán vízgőzzel lép reakcióba, és ennek eredményeként hidrogén és szén-monoxid keletkezik. A szén-monoxid további reakciókon megy keresztül, amelyek során további hidrogén keletkezik. A hidrogén vízből is származhat az elektrolízisnek nevezett folyamat révén, amikor a vizet áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontják.

Léteznek más hidrogénforrások is; ilyen például a biomassza gázzá alakítása – ennek során növényi anyagokat hevítenek és léptetnek kémiai reakcióba, hogy hidrogént és szén-dioxidot állítsanak elő – és az erjesztés, amikor bizonyos baktériumtípusok anyagcseréjük részeként hidrogént termelnek. Hidrogént vízbontással is, vízbe merített napelemek segítségével is lehet előállítani.

Hogyan történik a hidrogénes üzemanyag elosztása?

Bár a hidrogént a földgázhoz használt csővezetékeken keresztül is el lehet osztani, a manapság üzemanyagként használt hidrogén nagy részét nagyüzemekben állítják elő, majd speciális folyékonyhidrogén-szállító pótkocsikkal szállítják. A hidrogén töltőállomásokon is előállítható SMR vagy elektrolízis segítségével. Ez a módszer azonban általában kevésbé hatékony, és drágább.

Hogyan működik a hidrogénes üzemanyagcella?

Az üzemanyagcellás jármű működése egy kicsit olyan, mint egy belső égésű motoré, azzal a különbséggel, hogy a rendszer nem égeti el a hidrogént, amelyet egy nyomás alatt lévő tartályból nyer, hanem oxigénnel keveri, hogy elektromos áramot termeljen a villanymotor meghajtásához. A folyamat egy PEM (polimer elektrolitmembrános) üzemanyagcellában zajlik, amely membránokkal elválasztott vékony lemezekből áll.

Hogyan használják a hidrogént a teherautókban?

A hidrogén belső égésű motorok üzemanyagaként is használható, ami hasonló a sűrített földgázzal (CNG) működő motorokhoz. Újabb megoldást jelent a hidrogén üzemanyagcellában történő felhasználása, ahol a hidrogén villamos energiát termel a jármű meghajtásához. A hidrogén kiegészítő üzemanyagcellaként is használható az akkumulátorral működő elektromos járművek hatótávolságának növelésére.

Milyen előnyei vannak a hidrogénnek üzemanyagként?

Ha hidrogént használunk egy üzemanyagcella működtetéséhez, melléktermékként csak víz és hő keletkezik – szennyező anyagok vagy üvegházhatású gázok nem. A hidrogén az előállítás módjától függően a dízelolaj rendkívül tiszta alternatívája lehet. A hidrogén ráadásul igen erős üzemanyag: 80 kilogramm elegendő energiát biztosít egy teherautó számára 800 kilométer megtételéhez! A hidrogénüzemű járművek töltési folyamata is gyors és egyszerű.

A hidrogénes üzemanyagcellával rendelkező járművek meghajtása elektromos. Vagyis olyan vezetni, mintha elektromos teherautót vezetnénk; nincs motorzaj, gyors az indulás, és visszanyerhető a fékezési energia.

Milyen hátrányai vannak a hidrogénnek üzemanyagként?

A hidrogén nagyon reaktív, ezért hajlamos más anyagokat erodálni, és ráadásul nagyon gyúlékony is – mindez megnehezíti és költségessé teszi a szállítását. A másik nagy probléma a hidrogéninfrastruktúra kiépítésének hiánya és magas költsége. Napjainkban világszerte mindössze 337 hidrogéntöltő állomás található, a legtöbbjük Németországban és Japánban. És bár bebizonyosodott, hogy a meglévő CNG-infrastruktúra alkalmas a hidrogén szállítására és tárolására, ez nem jó megoldás az üzemanyagcellák számára, amelyeknek nagyon tiszta hidrogénnel kell működniük.

A hidrogénes üzemanyagcellák előállítása is drága, mivel a gyártás továbbra is kis léptékben, manuálisan zajlik. Újabb fontos költségelem a hidrogéntartály, amely nagy, és sok helyet foglal. Végül pedig ott a hidrogénes üzemanyag költsége, amely lényegesen magasabb, mint a dízelé.

Mennyire környezetbarát a hidrogén?

Amikor a hidrogén oxigénnel lép reakcióba egy üzemanyagcellában, az egyetlen végtermék a víz. Így amikor egy teherautó üzemanyagcellával működik, nincs káros kipufogógáz-kibocsátás. Az éghajlatra gyakorolt hatás mérésekor azonban a hidrogén előállítási folyamatát is figyelembe kell venni, amely igen energiaigényes. A hidrogén előállítása ma többnyire szén vagy földgáz felhasználásával történik. Ha azonban az előállításhoz felhasznált villamos energia megújuló energiaforrásokból származik, a hidrogénes üzemanyag szénlábnyoma közel semleges lehet (ezt nevezik „zöld hidrogénnek”). A hidrogénlábnyom-csökkentés másik módja a szén-dioxid-leválasztás és -tárolás (CCS), amely során az SMR-ből származó szén-dioxidot elkülönítik, elszállítják, és tartósan megkötik a mélyen földfelszín alatt.

Hidrogénes kontra elektromos teherautók: hogyan viszonyulnak egymáshoz?

Ahhoz, hogy a dízel bármelyik alternatívája sikeres legyen, egyértelmű előnyt kell biztosítania a költségeket, a hatótávolságot és az infrastruktúra rendelkezésre állását tekintve. Így viszonyulnak a hidrogénes üzemanyagcellák az elektromos járművekhez:

Költségek: Mind a hidrogénes üzemanyagcellák, mind a lítiumion-akkumulátorok drágábbak a dízelnél. A lítiumion-akkumulátorok ára azonban gyorsan csökken. A Bloomberg előrejelzése szerint a határpont – vagyis amikor az elektromos járművek olcsóbbak lesznek, mint belső égésű motorral hajtott társaik – már 2022-ben elérkezhet. Mivel a hidrogénüzemű járművek fejlesztése és elterjedése korlátozott, esetükben nehéz hasonló eredményeket mérni.

Hatótávolság: A hidrogénes üzemanyagcellák energiasűrűsége nagyobb az akkumulátorokénál, ezért nagyobb hatótávolságot biztosítanak a járművek számára. Egy 700 bar nyomású hidrogéntartály energia/tömeg aránya valójában tízszer nagyobb, mint egy akkumulátoré. A hidrogénes üzemanyagcellák könnyebbek is az akkumulátoroknál, vagyis a hidrogénüzemű járművek nagyobb teherbírásúak lehetnek.

Infrastruktúra: A lítiumion-akkumulátorok fejlesztése és gyártása jóval előrébb tart, mint a hidrogénes üzemanyagcelláké. Az elektromos teherautók kereskedelmi szempontból életképesnek bizonyultak, különösen a városi fuvarozásban. Az elektromos járművek üzemanyagtöltő infrastruktúrája is sokkal előbbre jár. Az Egyesült Államokban 2018-ban például 20 000 elektromos és kevesebb mint 45 hidrogéntöltő állomás működött.

Kiváltja-e a hidrogén a dízelüzemű vagy elektromos teherautókat?

A hidrogén egyre inkább lendületben van. A legtöbb nagy személy- és tehergépkocsi-gyártó vállalat, köztük a Volvo Trucks is, kutatásokat végez, megoldásokon dolgozik, és partnerségeket alakít ki a technológia fejlesztése érdekében. De nem csak az autóipar ébred rá a hidrogénben rejlő lehetőségekre.

Az éghajlatváltozással kapcsolatos aggodalmak fokozódása és a Covid19-járvány utáni „környezetbarát kilábalás” igénye miatt a kormányzatok részéről egyre nagyobb az érdeklődés a hidrogén iránt (és egyre több a beruházás is). Az Európai Unió éppen tavaly májusban mutatott be egy 750 milliárd eurós gazdaságélénkítési tervet a környezetbarát közlekedés és ipar finanszírozására. A terv, amelynek középpontjában az európai zöld megállapodás áll, prioritásként emeli ki a hidrogént, és a technológia fejlesztésével egy beruházási program és a hidrogén szabad, határokon átnyúló kereskedelme révén számol. Az év elején bejelentették a befektetőket kormányzati, intézményi és ipari partnerekkel összefogó Európai Tisztahidrogén-szövetség megalakulását is.

Bár ezek a fejlemények mind jót ígérnek a hidrogén jövője szempontjából a fuvarozási ágazatban, még mindig sok akadály áll az útjában annak, hogy a hidrogén érdemben hozzájáruljon az éghajlati vagy gazdasági változásokhoz. Az egyik olyan terület, ahol a hidrogén ígéretesnek tűnik, a nagy teherrel, nehéz terepen történő távolsági fuvarozás, ahol a hidrogén az elektromos hajtáslánc üzemanyagaként használható. Vagyis az (inkább elosztó és regionális árufuvarozásra alkalmas) elektromos teherautók kiváltása helyett a két technológia együttműködhet egy fenntarthatóbb fuvarozási rendszer kiépítésében.

És hogy a hidrogén kiválthatja-e a dízelmotorokat? A fenntarthatóbb közlekedésre törekvés azt jelenti, hogy a hidrogén valószínűleg kiváltja majd a dízelüzemű járművek egy részét. Különösen akkor, ha ezt egyértelmű üzleti érv és versenyelőny is segíti.

Alternatív üzemanyagok: Az előnyök és hátrányok felmérése

Hidrogénes üzemanyagcellák, elektromos teherautók, bioüzemanyagok, bio-LNG… egyre bővül a dízel alternatíváinak listája. Fuvarozási vállalkozóként nehéz lehet megérteni és átlátni az alternatív üzemanyagok világát. Segítségül készítettem egy útmutatót, amely áttekintést ad az egyes technológiák működéséről, valamint az általuk jelentett előnyökről és hátrányokról.