Mi a baj a hidrogénhajtással?

2021.05.11. 15:25 Módosítva: 2021.05.12. 08:26

Már nálunk is kapható hidrogénhajtású, üzemanyagcellás autó, és átadták az első itthoni hidrogén töltőkutat is. Mik a hajtásmód előnyei és hátrányai a tisztán elektromossal szemben?

Az arányokon lehet talán vitatkozni, de a tapasztalatok azt mutatják, hogy hosszabb próbalehetőség után a többség a hidrogénhajtású autót választaná az tisztán elektromossal szemben. Hozzá kell tenni, bizonyos feltételek teljesülése esetén. Ilyen feltétel, hogy hasonlóan sűrű a töltőhálózat álljon rendelkezésre, és valaki átvállalja az üzemanyagköltségeket. Azonban azoknál, akiknél ezek teljesültek, és a két különböző hajtásmódot több héten át tesztelhették, egyértelműen a hidrogénes autó volt a nyerő. Hogy miért? Mert az élet vele sokkal közelebb áll a belső égésű motoros autókéhoz, így könnyebben ment az átállás.

Az elektromos autók mindennapi életet nehezítő problémái ismertek. A hatótávolságuk szabvány szerint mérve ugyan már gyakran eléri a 400-500 kilométert, de a gyakorlatban egy töltéssel elérhető távolság ennél rövidebb, kedvezőtlen körülmények esetén akár a felére is csökkenhet. Az otthoni töltés lehetősége általában időigényes, és bár rövidíthető, de többlet beruházást igényel (wall-box). Az egyenáramú gyorstöltők, nevükhöz méltóan gyorsan töltenek, de így is legkevesebb fél órát vesz igénybe egy telitankolás.

Ezek a gondok a hidrogénhajtású, hivatalos nevükön üzemanyagcellás autóknál ismeretlenek. Egy töltéssel gond nélkül elmennek 400-500 kilométert, vagy még többet is, és a telitankolás sem tart tovább öt percnél. További előny, hogy autópályán is felszabadultabban lehet velük autózni, mert a fogyasztás nem ugrik az égig. A hajtásmód az autók használhatóságát más szempontokból sem befolyásolja hátrányosan. Az utasterük eléggé tágas öt utas részére, és általában a csomagtartójuk mérete is elfogadható. A vezetésük pedig teljesen megegyezik a belső égésű motoros automataváltós, a hibrid és az elektromos autókéval. A különbség hátul van, ahol csupán vízpára távozik az autóból.

De mi fán is teremnek ezek, az elterjedt nevükön üzemanyagcellás (hivatalos nevükön tüzelőanyag-cellás), hidrogénhajtású autók? Talán már ez elején érdemes tisztázni, hogy valójában ezek is elektromos hajtású autók, azzal a különbséggel, hogy a hajtó elektromotor nem egy akkumulátorból, hanem üzemanyagcellából kapja az áramot.

A több mint ötven éves múltra visszatekintő üzemanyagcella zseniális szerkezet. Arra képes, hogy folyékony vagy gáz állapotú tüzelőanyagból levegő felhasználásával, égés és lángképződés nélkül állítson elő áramot. Ezért is alkalmazták elsőként űrhajókon. Bár létezik metil-alkohollal, vagy más folyékony tüzelőanyaggal működő típus, káros-anyagok kibocsátásától mentes működése miatt autók hajtására kizárólag hidrogénnel táplált üzemanyagcellákat alkalmaznak.

Működése nagy vonalakban a következő: az üzemanyagcellába körülbelül környezeti nyomáson hidrogéngázt vezetnek, ami egy platinaötvözettel bevont, negatív elektródára érkezik. A katalizátorként működő platinaötvözet arra kényszeríti a hidrogént, hogy leadja a negatív töltésű elektronját, ami az elektródán keresztül megindul a fogyasztó, jelen esetben az elektromotor felé. A pozitív töltésű hidrogén ion áthalad egy speciális (ionáteresztő) membránon, és megérkezik a szintén katalizátorral bevont pozitív elektródához, amelynek a másik oldalára körülbelül 1,7-2 bar nyomással levegőt fújatnak. A pozitív töltésű hidrogén ion itt egyesül a levegő oxigénjével és eközben felveszi a pozitív elektródán a fogyasztótól érkező elektronokat (az áram nem más, mint elektronok áramlása). A hidrogén és az oxigén egyesülésekor vízpára keletkezik, ami a kipufogócsövön keresztül távozik. De semmi más ezen kívül!

Bár a működési elv nem túl bonyolult, számos részproblémát kellett megoldani, hogy valóban használhatók legyenek az üzemanyagcellák a mindennapokban. Hogy egyet említsünk, azt a bizonyos membránt vízpárával nedvesíteni kell, és egyébként is, vízpára keletkezik a cella működése közben. Ez nulla fok felett rendben van, de mi történik, ha beköszöntenek a mínuszok? Ma ott tartunk, hogy az autóba beépített üzemanyagcellák akár mínusz harminc fokon is képesek feladatuk ellátására.

Egy cellával azonban nem jutánk messze. Az általa előállított feszültség ugyanis 0,8 és 1 V közötti, ami vajmi kevés egy autó meghajtásához. Ezért annyi cellát kapcsolnak sorba, amilyen feszültséget szeretnének elérni. A teljesítményhez azonban áramerősség is kell, ezt a cella felülete határozza meg. Egy négyzet-centiméternyi, vagyis körülbelül kisujj körömnyi felületen 1-1,2 amper az átlagos áramerősség. Tehát például egy 500 cm2-es felületű üzemanyagcellán körülbelül 500 A áram keletkezik 1 V feszültség mellett. Ha háromszáz ilyen cellát sorba kapcsolunk, 150 kW teljesítményű üzemanyagcella-köteget kapunk. Ez már elég egy autó hajtásához!

Gyakorlati példának vehetjük a már itthon is elérhető Toyota Mirait. Üzemanyagcellája 330 egyedi cellából áll, a legnagyobb teljesítménye 128 kW (174 LE), a telep tömege 52 kg. A Mirai állandó mágneses szinkronmotorjának teljesítménye 134 kW (182 LE), vagyis kicsivel több, mint az üzemanyagcelláé. Ez azért nem gond, mert mint minden üzemanyagcellás autóban, a Miraiban is van egy lítium-ion akkumulátor. Ennek kapacitása 1,2 kWh, vagyis nem túl sok, de arra elegendő, hogy a hirtelen gyorsítások alkalmával besegítsen az üzemanyagcellának, amíg az is felveszi a terhelést. A villanyautókhoz hasonlóan a rendszernek itt is része a motor teljesítményét vezérlő, nagy teljesítményű elektronika.

Az üzemanyagcella táplálásához hidrogénre van szükség, amit tartályokban, 700 bar nyomáson tárolnak. Ez óriási nyomás, ezért a tartályok különleges kialakításúak, ami egyben azt is jelenti, hogy nem olcsók. A belső, tényleges tartályt szénszálas szövettel veszik körbe a nyomásállóság növelése érdekében, amit egy külső, általában üvegszálas műanyagréteg véd a sérülésektől. A több rétegből álló tartály fala közel tíz centi vastag. Ha ehhez hozzávesszük, hogy az 500 kilométeres hatótávolság eléréséhez szükséges 5-6 kg hidrogén még 700 bar nyomás mellett is körülbelül 120 liternyi helyet igényel, akkor kiadódik, hogy nem kicsi tartályt, illetve inkább tartályokat kell valahogy eldugni az autóban.

Ez nehezebb feladat, mint a lapos akkumulátort elrejteni a villanyautókban, nem is sikerül mindenkinek egyformán. Míg például a Toyota Mirai csomagtere az alá beépített tartály ellenére elfogadható méretű, a Honda Clarity esetében a nagyobb tartályt tették hátra, ezért a csomagtartója sokkal kisebb. Nagyon ügyesen oldották meg a kérdést a Hyundai mérnökei, a Nexónak mind az utastere, mind a csomagtere teljes értékű.

Ha ez mind megoldható, akkor mégis mi a gond a hidrogénes autókkal? Az egyik probléma megegyezik az elektromos autókéval, ez pedig a bekerülési költség. Már a nagynyomású tartályok sem olcsók, de az üzemanyagcella kimondottan drága. Önmagában is összehasonlítható az ára egy villanyautó nagyobb kapacitású akkumulátoráéval. Korábban ezt a platinatartalom rovására lehetett írni, de az új katalizátor-ötvözetek, amelyek kevesebb platinát és több olcsóbb fémet, például kobaltot vagy mangánt tartalmaznak, csökkentették némileg a költségeket. A legnagyobb gond, hogy kicsik a sorozatok, a Toyota új gyára is csak évi 30 000 üzemanyagcellát állít elő. Ha a szériaszámot több százezerre lehetne növelni, akkor töredékére lehetne csökkenteni az egy egységre jutó árat.

Itt jön azonban a másik probléma, ami szintén hasonló a villanyautókéhoz, csak annál sokkal nagyobb mértékben. Ez pedig a töltőhelyek száma. Nálunk most nyílt az első, nem teljesen nyilvános töltőhely, de még Németországban sincs száz belőle, igaz, ott további háromszázat kívánnak telepíteni az elkövetkezendő években. Ám még ez is töredéke csupán a benzinkutak, vagy akár az elektromos töltőoszlopok számának. Mondhatnánk, hogy ha minden benzinkútnál volna egy töltőhely, mindjárt más lenne a helyzet!

Csakhogy magával a hidrogénnel is akad egy kis probléma. Nem olyan olcsó ugyanis. Jelenleg 10 euró, azaz körülbelül 3600 forint egy kiló hidrogén ára a töltőhelyeken. Ezzel körülbelül 100 kilométert képes megtenni egy üzemanyagcellás autó, ami a jelenlegi benzinárakat figyelembe véve (430 Ft/liter) körülbelül 8 literes fogyasztás költségének felel meg. Igaz, károsanyag-kibocsátás nélkül.

De, ha már itt tartunk, érdemes talán megnézni azt is, honnan jön a hidrogén. Ideális esetben elektromos vízbontással állítják elő, méghozzá megújuló energiaforrásból (víz, levegő, nap) származó árammal. Ebben az esetben a hidrogén és az üzemanyagcellás autó teljesen tisztának minősül. Azonban az igazság az, hogy jelenleg a hidrogén 95 százalékát földgázból állítják elő, és mivel a földgáz, mint vegyület szenet is tartalmaz, ezért a hidrogén gyártása során szén-dioxid is keletkezik.

Energetikai szempontból egy kilogramm hidrogén előállításához körülbelül 40-50 kWh energiát kell befektetni, és mintegy 3-5 kWh-t emészt fel az összesűrítése 700 bárra. Ez lehet, ijesztően hangzik, de ne felejtsük el, hogy egy kiló hidrogén energiatartalma 33 kWh. Ez azt jelenti, hogy a hatásfok, vagyis befektetett és a nyert energia aránya valahol 60 és 75 százalék közötti. Az elektromos autókkal összehasonlítva azonban nem szabad elfelejteni, hogy az elektromos áram is csak akkor tiszta, ha megújuló energiaforrásból származik. A ma még nagy számban alkalmazott hagyományos hőerőművekben azonban az áram előállításának hatásfoka 40-55 százalék (szén, olaj: 35-40 %, gáz: 50-55 %), vagyis 1 kWh áram előállítása közel 2 kWh energia befektetésébe kerül. (Ezért váltak be a fosszilis üzemanyagok, azoknál a hatásfok ugyanis a 90 százalékot is meghaladhatja, vagyis például 100 kWh energiatartalmú üzemanyag előállításához csak pár kWh energiát kell befektetnünk.)

Kérdés még, hogy a már előállított és betárolt energiát hogyan hasznosítjuk. Az elektromos autók hatásfoka 90 százalék feletti. Az üzemanyagcellás autók hajtásláncának hatásfoka is ennyi, csakhogy magának az üzemanyagcellának is van egy hatásfoka, ami körülbelül 50-60 százalék. Ez nem tűnik túl soknak, de ebben már benne van az üzemanyagcellába a levegőt befújó kompresszornak az energiafogyasztása is. Hozzá kell tenni, hogy az üzemanyagcellák részterhelésnél, ami a használat nagyobb része, jobb hatásfokkal működnek, mint teljes terheléskor.

Az üzemanyagcellás autók összhatásfoka tehát nem olyan jó, mint az akkumulátoros elektromosoké. Ugyanakkor szintén nem bocsátanak ki használatuk során káros-anyagokat, és jó (lenne) őket használni a mindennapokban (ha sokkal-sokkal több helyen és olcsóbban lehetne tankolni őket). Mindennek tetejébe nem is túl olcsók, például a Toyota Mirai hazai induló ára 26 millió forint. Azaz épp annyiba kerül, mint például egy Mercedes EQC, de már egy Tesla Model S is majdnem megkapható ennyiért.

Ezzel együtt korai lenne temetni az üzemanyagcellát. Bár személyautóban a felhasználása kérdéses, de még erre is jelenthetnek megoldást az egyéb felhasználási módok. Az üzemanyagcella ugyanis kiválóan használható bárhol energiaellátásra, ahol problémás az elektromos hálózat elérése, vagy az onnan való töltés. Ilyenek például a hajók. Az ilyen és ehhez hasonló célokra való gyártás megemelheti a gyártási darabszámot, ami az egy egységre jutó költségek csökkenéséhez vezethet.

Ráadásul nem kell feltétlenül különböző méretű és teljesítményű cella-telepeket gyártani, felhasználhatók modul rendszerben is. Például, ahogy arra a Toyota törekszik is, a 128 kW-os telep nemcsak önmagában alkalmazható, hanem igény szerint többet is össze lehet kapcsolni belőle, és ezzel emelhető a kívánt szintre a teljesítmény. Ha például körülbelül 500 lóerőre van szükségünk, három telepet kell beépíteni. Például egy kamionba.

Az üzemanyagcella közúti felhasználása várhatóan épp az áruszállításban, és esetleg a tömegközlekedésben várható. A Toyota már készített üzemanyagcellást buszt és kamiont is, a Hyundai tavaly mutatta be a saját nyerges vontatóját. Az Excient névre keresztelt járműbe 34 kg hidrogént lehet tankolni, amivel egy teljesen szokásos méretű szállítmányt lehet 400 kilométerre elszállítani. Természetesen a tankolás tovább tart, mint 5 kiló hidrogén esetében, de így is legfeljebb 20 perc. Ja, és ne felejtsük el, hasonló tervek megvalósítására a Volvo és a Mercedes épp a napokban kötött szerződést. Vagy a német állam által meglengetett hatalmas állami támogatást, amit a hidrogén töltő hálózat kiépítésére terveznek fordítani. A meccs tehát még koránt sincs lejátszva!

Hirdetésblokkolóval néznéd éppen a Totalcart, és ettől mi éhen halunk.

A TC olvasása ingyen van, de a működtetése nem: szerzőink és családjaik táplálkoznak, és ami fontosabb: rendszeresen tankolnak, pénzért.

Kérjük, engedélyezd a TC-n a hirdetések megjelenítését, vagy ellehetetleníted a működését annak, amit épp olvasni szeretnél.