BMW Innovation Days 2015 - tüzelőanyag-cella

A hidrogén gazdagon megtalálható a Földön, azonban sosem tiszta gáz formájában. Illetve ahol ez mégis így van, ott senki se gyújtson rá, de még műszálas ruházatot se viseljen, mert a hidrogén szeret a légkör oxigénjével hevesen egyesülni, elég hozzá egy szikra. Magyarán felrobban, talán innen kapta beszédes nevét a hidrogén-oxigén gázkeverék: durranógáz. Amikor az ember először találkozik a kémia tantárggyal, szeretik ilyen durranógázas kísérlettel kezdeni a tanárok, hogy erős legyen a felütés.

Ugyanezt a kísérletet nagyobb méretekben mutatta be a Hindenburg nevű hidrogéntöltésű léghajó, ahol valószínűleg a sztatikus elektromosság kisülése volt a borzasztó tragédia oka. Csoda, hogy mindenki tart a hidrogéntől? (Egyébként a második világháború alatt derült ki, hogy a hidrogénes léhajókat nem is olyan könnyű lelőni, mert pusztán hogy szitává lövik a burkolatát, önmagában nem okoz tüzet.)

A hidrogén égéstermékétől azonban nem kell tartanunk: víz. Ma az energiaszükségletünk javát szénhidrogének (benzin, gázolaj, földgáz és tsai.) elégetésével fedezzük, az égéstermékek között a víz mellett a szén égéséből származó szén-dioxid is mindig szerepel. Ha kihagyjuk a szenet a játékból, nem kellene többé a szén-dioxid problematikájával foglalkoznunk. Csodálatos lenne.

Azonban a hidrogént nem olyan egyszerű munkára fogni. Rögtön az első probléma: nem elég lefúrni, és egy csövön át kiszivattyúzni a földkéreg mélyebb rétegeiből, mint a kőolajat. A hidrogént elő kell állítani, amire kézenfekvő megoldás a víz szétszedése a két alkotóelmére: hidrogénre és oxigénre. A vízkészletek gyakorlatilag végtelenek, csak energiára van szükség hozzá, nem is kevésre: ha két elektródát lógatunk a vízbe, és feszültséget kapcsolunk rájuk, az egyiknél hidrogén, a másiknál oxigén képződik. Eddig pofonegyszerűnek tűnik.

És mit tudunk vele kezdeni?

Mint láttuk, a hidrogén égése elég intenzív, de a gyakorlatban nem állja meg a helyét például a benzinnel szemben, vagyis nem érdemes egy normál benzinmotort átállítani hidrogénüzemre, mert rossz a hatásfoka, és nem tud elég gáztartályt magával cipelni, hogy ugyanolyan ritkán kelljen tankolni, mint egy benzinest. Ezt már bemutatta a német BMW: 2006-ban készítettek egy hatliteres, V12-es hidrogénmotort, amit a legnagyobb autójukba, a 7-es limuzinba szereltek.

Mindössze 260 lóerős volt, ami elég szánalmas az akkori benzines verzió 445 lóerős teljesítményéhez képest, egy feltöltéssel pedig akár 205 kilométert is meg tudott tenni. Itt a hangsúly az akár szón volt, vagyis ez azt jelenti, hogy ennyinél többet szakadékban, hátszéllel sem. Hát így nem érdemes a hidrogénnel vesződni, az biztos. Azóta ezt a BMW, és még számos gyártó belátta, és az úgynevezett tüzelőanyag-cellás villanyautókra koncentrál. Ennek pedig egyetlen oka van: sokkal használhatóbb lenne, mint egy akkumulátoros villanyautó.

Hogy miért? Mert az akkukkal a mai napig nem tud zöld ágra vergődni az ipar: nehezek, és a tömegükhöz képest aránytalanul kevés energiát tudnak tárolni. A BMW által rendezett Innovációs Napon az egyik szakember elmondta, hogy ha a tüzelőanyag-cella gyengébb hatásfokát is figyelembe vesszük, akkor is hatszoros a sűrített és hűtött hidrogénből felszabadítható energiamennyiség, mint ugyanannyi akkuban.

A tüzelőanyag-cella valójában egy áramtermelő készülék, amely a hidrogént és az oxigént egyesíti, de nem a hagyományos Hindenburg-módszerrel. Egy katalizátor anyaggal (platinával) bevont protonáteresztő membrán (PEM) két oldalára pumpálják a két gázt. Természetesen a két elem között működik a kémia, a hidrogén szeretne egyesülni, de nem fér át a membrán résein, legalábbis amíg egyben van. Azonban a katalizátor segít megszabadulni az egyetlen elektronjától, és akkor már a maradék proton átfér a lyukakon – és át is megy. A hoppon maradt elektron miatt negatív töltés keletkezik az egyik oldalon, míg a másikon pozitív – létrejön a feszültség, amit bármilyen elektromos fogyasztó táplálására használhatunk. Mondjuk meghajthatunk vele egy villanymotort.

Egy autó mozgatásához elég sok cella kell: 200-400 darab, a jármű méretétől függően. A BMW most bemutatott prototípusában, egy 5-ös GT-ben egy 180 kW teljesítményű (245 LE) villanymotort táplál a kocsi orrába épített hatalmas cellaköteg: a kiegészítő berendezésekkel akkora egység, mint egy V8-as benzinmotor, nem véletlen, hogy az autó orrába építették. A villanymotor a hátsó tengelyt hajtja, elég tisztességesen: a nagykocsi bő 8 másodperc alatt képes százra gyorsítani, és a fejlesztőközpontban megtett tesztkörök alapján egy teljesen használható jármű. Helyi emisszója nincs, hisz a cellában zajló reakciók végterméke a víz.

Igaz, egy ilyen tüzelőanyag-cellás autóban van akku is, arra az esetre, ha bő gázzal gyorsítana a vezető. A cellákban a startgomb megnyomása után nem azonnal indul be a reakció, viszont megszoktuk, hogy az autóval azonnal elindulhatunk: a pufferakku ilyenkor is segít. Az akkuban tárolt elektromos energiát fékezéskor nyerte vissza a villanymotor, tehát nem kell külön tölteni.

A BMW a Toyotával működik együtt a tüzelőanyag-cellás járművek fejlesztésében. A németek a tárolás, az akkuk technológiáját adják, a japánok a celláét. A cellák árát nagyban befolyásolja, hogy ma cellakötegenként 40 gramm platinára van szükség, a fejlesztés következő fázisa az lesz, hogy ezt lecsökkentik 20 grammra, ami már elfogadhatóbbá tenné a költségeket. Azt azonban nem árt tudni, hogy nemcsak a Föld kőolajkészlete véges, hanem a platina is, elvégre ez a világ egyik extrém ritka nemesféme, vagyis a tüzelőanyag-cellás alkalmazásnak is vannak korlátai. Az első szériagyártású tüzelőanyag-cella elkészülését 2020 utánra teszi a BMW, csak a lényeget nem tudni: mennyivel.

A tárolással azért akadnak gondok

A hidrogén egy fránya gáz, nem lehet csak úgy cseppfolyósítani. Illetve lehet, de mínusz 260 fokon, vagyis alig valamivel az abszolút nulla fok fölött. Így nem is nehéz magunkkal vinni pár kilót, de van itt egy bibi. A folyékony hidrogén ahogy melegszik, elkezd forrni, és ha nem akarjuk, hogy szétdurrantsa a tartályt, a felszabaduló hidrogén gázt érdemes inkább kiengedni. Vagyis ha áll az autó, akkor is fogy a tank tartalma, két-három hétig nem használva pedig ott áll üresen.

A másik tárolási módszer a gáz sűrítése. Hogy emberi mennyiségű hidrogént vihessünk magunkkal, 700 barra érdemes sűríteni, ami felfoghatatlanul nagy nyomást jelent. Így viszont a tartálynak kell elképesztően nyomássállónak lennie, belső falát fémhuzallal, vagy szénszállal tekerik körbe sok-sok rétegben.

A BMW most egy harmadik módszert fejlesztett ki: ha nem is - 260, de - 230 fokra hűtik a hidrogént, amely így még mindig gáz halmazállapotú, de össze is sűrítik 350 baros nyomásra. A hűtött, nagynyomású hidrogénből 7,1 kg fér az 5 GT hosszúkás tartályába, amivel akár 500 kilométernél többet is meg tud tenni a prototípus két tankolás között. Ha véletlenül nincs kéznél hűtött hidrogén, a normál hőmérsékletű gázból is belemegy 2,3 kilogramm, amivel harmadára csökken a hatósugár.

És akkor a tankolás...

A hidrogén kezelése elővigyázatosságot igényel, bár ez igaz a benzinre is. A mai technológia mellett az autógyártók nem érzik akkora problémának a tankolást, ráadásul ennek ideje körülbelül annyi, mint egy benzines vagy dízel kocsit teletölteni a benzinkúton. És itt látszik a hidrogén második nagy előnye: nem kell órákat tölteni a kúton, mint egy akkus villanyautóval. Igaz, léteznek gyorstöltők is a villanyautókhoz, de a nagy töltőáram károsítja az akkukat – bár ezt nem reklámozza senki –, és csak 80 százalékra lehet így feltölteni őket. Ami nagy luxus a mai akkuk kicsi kapacitása mellett, a ma megvehető villanyautók többsége 150-170 kilométert tud megtenni két töltés között, ami drasztikusan csökken, ha klímázni vagy fűteni kell az utasteret.

A BMW be is mutatta, milyen egy tankolás. A kamion félpótkocsijára épített mobil hidrogénkútban egy tonnányi, hűtött és sűrített H2 gáz volt. Az elektrosztatikus kisülések elkerülésére az egészet egy hatalmas fémlemezre állították. A csatlakozó teljesen szabványos, hasonló, mint amilyet a földgázos járművekhez használnak, csak rá kell cuppantani a csövet. Ezután a rendszer automatikus nyomáspróbákat végez, ilyenkor látszólag nem történik semmi, majd ha minden oké, mehet a hidrogén, pár perc az egész. Mondjuk a csövet elég vastagon le kell hőszigetelni, hogy ne okozzon fagyási sérüléseket.

Hol van kút?

Bár mi Magyarországról csak nézünk, de Nyugat-Európában már akadnak kutak, és az államok fejlesztési programjai komolyak. Németországban 2023-ra 400 ilyen hidrogénkút lesz, szemben a mai ötvennel. A hidrogén előállítása, hűtése, tárolás és szállítása sok energiát igényel, és bár a tüzelőanyag-cella maximális hatásfoka 65 százalék (szemben a legjobb dízelek 30 százalékával), valójában akkor éri meg igazán a hidrogént használni a villanyautók, vagy bármi más hajtására, ha a hidrogént megújuló energiaforrásokkal állítjuk elő.

Az ilyen megújuló erőforrások, mint a szél- vagy a napenergia csöppet sem egyenletesen termelhetők, hogy a legelemibbet mondjam: éjjel nem süt a nap. De a nappali csúcs egy része simán elraktározható lenne a borult napokra. Van olyan eset, amikor megéri a hagyományos erőművek áramával vizet bontani, mivel az erőművek többsége sem kapcsolgatható ki-be, mint a villany: néha érdemesebb lenne elraktározni a csúcsidőn kívüli elektromos energiát – ilyenkor is hasznos lenne, ha hidrogént állítanánk elő vele.

Hát ennyi az elmélet, és mint kiderült, a tüzelőanyag-cella egy működőképes dolog, olyannyira, hogy már télen is gond nélkül használható: a BMW-nél -23 fokig tesztelték. Nagy hidegben szokatlan módon nem az indítás, hanem a leállítás a hosszabb, mivel ilyenkor vízmentesíteni kell a cellákat, nehogy szétfagyjanak. (Maga a reakció 65-80 fokos hőmérsékleten zajlik a PEM-típusú cellákban.) Igaz, már 15 éve is voltak működőképes prototípusok, én többet is vezettem közülük. Már akkor sem az volt a kérdés, hogy lehet-e így autó hajtani, hanem az, mikorra szánják rá magukat a politikusok és az energiapiac szereplői az átállásra, és így megszülethetnének az olyan villanyautók, amelyekkel egy Győr-Nyíregyháza túra akár egy nap alatt is teljesíthető.