Ezért hülyeség belső égésű motorban elégetni a hidrogént

Hidrogén a belső égésű motorban

2021.06.10. 06:05

Tulajdonságai alapján elvileg alkalmasnak tűnik arra a hidrogén, hogy belső égésű motort hajtsunk vele. Gyakorlatilag kicsit más a helyzet.

Talán még ma sem hiányzik az iskolai kémia órák anyagából egy látványos és ráadásul hangos kísérlet. Ennek során árammal vizet bontott a tanár, a keletkezett hidrogént és oxigént egy kémcsőbe vezette, majd azt egy gumidugóval lezárta. A kémcső azonban nem egy átlagos üvegcső, hanem két elektródát építettek a falába. Amikor a tanár a két elektródára nagyfeszültségű áramot kapcsolt, azok között szikra ugrott át. Erre a kémcsőben lévő gázkeverék felrobbant, és hangos durranással kilőtte a dugót. Ezzel látványosan sikerült bizonyítani, hogy a hidrogén éghető gáz, és egyben azt is, miért hívják a hidrogén- és oxigéngáz keverékét durranógáznak.

A hidrogén valóban ég, méghozzá kiváló tulajdonságokat mutat eközben. Mai, környezettudatos világunkban az egyik legfontosabb, hogy ha tiszta oxigénnel égetik el, a folyamat közben semmilyen káros anyag nem keletkezik. Még szén-dioxid sem, csupán vízpára. További jó tulajdonsága, hogy nagy az energiasűrűsége. A ma használatos folyékony üzemanyagokkal összehasonlítva egy kilogrammjában háromszor annyi energia van elrejtve. Számszerűsítve: míg egy liter benzin vagy gázolaj körülbelül 11 kWh energiát tartalmaz, addig a hidrogén egy kilogrammjában 33,6 kWh energia található. Ezeken túlmenően még további olyan képességeket is tulajdoníthatunk neki, ami különösen alkalmassá teszi arra, hogy belső égésű motorban égessük el. Ilyen például, hogy nagy a kompressziótűrése, márpedig egy (szívó)motornak minél nagyobb a kompresszióviszonya, annál jobb a hatásfoka. Elméleti hidrogén és levegő keverési arányt alkalmazva (lambda 1) nagy a lángterjedési sebesség, vagyis gyorsan ég el. Ez szintén kedvező a hatásfok szempontjából. Mindennek a tetejébe a hidrogén-levegő keverék meggyújtásához kisebb energiára van szükség, mint a benzinmotoroknál.

Ezeket a tulajdonságait elnézve azt mondhatnánk, hogy az égiek is arra teremtették a hidrogént, hogy belső égésű motort hajtsunk vele. Pláne, hogy tulajdonképpen műszaki értelemben sem olyan nagy kihívás átépíteni egy benzinmotort hidrogén üzeműre. Ezt az érzést erősítheti, hogy időről-időre előkerül egy-egy autógyár, amelyik ilyen autóval kezd kísérletezni. A legutóbb például a Toyota, amely egy Corolla Sportot épített át hidrogénhajtásúra a Yaris GR turbómotorjával, arra a célra, hogy elindítsa egy 24 órás versenyen. Bár az autónak gyönyörű hangja van, az a tény, hogy egy tankolás hét percig tart, és a verseny során olyan sokszor van rá szükség, hogy az összesen négy órát tölt ki a verseny 24 órájából. Ez már sejteti, hogy a technikának azért megvannak a maga korlátai.

Az első mindjárt az, hogy nem feltétlenül környezetbarát. Ha egy autó motorjában égetjük el a hidrogént, akkor azt nyilván nem színtiszta oxigén hozzávezetésével fogjuk megtenni, hanem környezeti levegőt fog beszívni a motor (vagy azt nyom be a turbó, mint a Toyotában). A levegőnek azonban továbbra is nyolcvan százaléka nitrogén, ezért az égés során nitrogén-oxidok keletkezhetnek, aminek senki nem örül. Ez a jelenség épp az elméletileg meghatározott keverék tömegaránynál, ami egyébként 34:1, jelentkezik a legnagyobb mértékben. Szerencse a szerencsétlenségben, hogy a hidrogén jól bírja a higítást, és akár jóval több levegő hozzáadása mellett is elég. Igaz, nem olyan gyorsan, és emiatt a teljesítmény is csökken, de el lehet menni egy olyan arányig, körülbelül 70:1-től kezdődően, amikor már nem keletkeznek nitrogén-oxidok.

A teljesítménycsökkenés réme azonban más okból is fenyeget. Még viszonylag kevés hidrogén is olyan sok térfogatot foglal el, hogy alig marad hely a levegőnek. Ez az arányromlás okozza, hogy a szívócső befecskendezéses hidrogénhajtású motor legfeljebb 85 százalékos teljesítményt nyújthat egy azonos lökettérfogatú benzinmotorhoz képest. Közvetlen befecskendezéssel, amit a Toyota is alkalmaz, azonban 15 százalékkal növelhető a teljesítmény, ám ennek gyakorlati megvalósítása nem a legegyszerűbb.

Ha már a gyakorlatnál tartunk, jelentős probléma a megfelelő mennyiségű hidrogén tárolása. Ugyan a hidrogénnel hajtott motor hatásfoka akár jobb is lehet, mint egy benzinesé, de például a tüzelőanyag-cellás autókénál jóval gyengébb, körülbelül feleakkora. (A különböző hajtásrendszerek energiaigényéről ebben a cikkben írtunk.) Ez azt jelenti, hogy azonos méretű autót, teljesítményt és hatótávot feltételezve egy hidrogénnel hajtott belső égésű motoros autónak körülbelül kétszer annyi hidrogént kell magával vinnie, mint egy tüzelőanyag-cellásnak. A Toyota Mirai három tartályának befogadóképessége összesen 141 liter, amihez még hozzájön a tartályok elég masszív falvastagsága. No, most ennek a dupláját, azaz nagyságrendileg 280-300 liternyi tartályt kellene valahogy eltüntetni az autóban. Ráadásul a nyomásállóság miatt csak hengeres tartályok jöhetnek szóba, amelyek csak sok holt tér árán építhetők be. A problémát jól illusztrálja a Toyota hidrogénes versenyautója, amelybe négy tartályt préseltek be, amitől eltűnt annak hátsó utastere és csomagtere is.

Megoldást jelenthetne elvileg persze, ha a Miraitól eltérően nem 700 báros nyomáson, gáz állapotban, hanem cseppfolyósítva, folyékony halmazállapotban vinné magával a hidrogént az autó. Ilyenkor például 10 kiló hidrogénhez elegendő lenne egy körülbelül tízliteres tartály. Ez szenzációs lenne, csak van egy apró bibi. A hidrogén nagyon nem szeret folyékony halmazállapotban létezni. Ahhoz, hogy úgy maradjon, és ne váljon gázzá, mínusz 253 Celsius fokos hőmérsékleten kell tárolni.

Épp 15 évvel ezelőtt a BMW bemutatott egy hidrogénhajtású autót, sőt forgalomba is helyezett belőle jó néhányat. A Hydrogen 7 a 760i-n alapult, annak vegyes benzin-hidrogén üzemre átalakított motorját használta, a hidrogént pedig folyékony állapotban tárolták benne. A hőszigetelés miatt azonban akkora külméretű tartályra volt szükség a 7,4 kilónyi, folyékony állapotban lévő hidrogén tárolásához, hogy a típus csomagtartójának befogadóképessége az eredeti 500 literről 225 literre csökkent - pedig a mérnökök minden lehető trükköt bevetettek. A hőszigetelés mértékére egyébként jellemző, hogy ha a tartályt forró kávéval töltötte volna fel valaki, akkor 80 napot, tehát majdnem három hónapot kellett volna várnia, hogy a kávé iható hőmérsékletűre hűljön.

Ám az a baj, hogy még ez a hőszigetelés sem tudja megakadályozni, hogy a folyékony hidrogén ne kezdjen párologni. Emiatt a tartályba egy szelepet kellett építeni, ami lassacskán kieresztette a gázzá vált hidrogént. Persze, nem csak olyan egyszerűen, hanem egy katalizátor közbeiktatásával, így vízpára formájában távozott a hidrogén. Apró gond, hogy a párolgás olyan mértékű, hogy például a félig telt tartályból kilenc nap alatt minden hidrogén eltűnik.

Ezt persze nem kell kivárni, de nem nagyon lehetett. A Hydrogen 7-es ugyanis alig 200 kilométer alatt teljesen kiürítette a tartályt. A fogyasztása papíron is 3,6 kg hidrogén volt 100 kilométerenként. Természetesen nem ennyi volt a típus teljes hatótávja, ugyanis biztos, ami biztos alapon meghagytak egy 74 literes benzintartályt is a hátsó ülés alatt (az eredeti 88 literes volt). A 13,9 l/100 km-es gyári fogyasztással számolva ez további körülbelül 500 kilométeres autózásra volt elegendő.

Arra is jó példa lehet a Hydrogen 7-es, hogy mennyiben befolyásolja a motor teljesítőképességét az üzemanyagváltás. A korabeli 760i hatliteres, V12-es benzinmotorjának legnagyobb teljesítménye 445 lóerő volt. Ezzel a típus 0-100 km/h közötti gyorsulási ideje 5,5 s, a végsebessége (korlátozva) 250 km/h. A Hydrogen 7 esetében a legnagyobb teljesítmény 260 LE, a gyorsulás 9,5 s, a végsebesség 230 km/h. A gyorsulásba részben persze belejátszik, hogy a 760i 2030 kilós saját tömegével szemben a Hydrogen 7 tömege 2395 kg. A terhelhetőség 600 kilóról 400-ra csökkent, ezért (is) a Hydrogen 7 utastere nem öt-, hanem négyszemélyes.

Eddig csak technikai részletekről beszéltünk, hanyagoltuk a piszkos anyagiakat. Egyrészt természetesen plusz költséget jelent a motorok átalakítása. Több kisebb módosítás mellett például keményebb szelepülésekre van szükség, különleges befecskendezőket kell beépíteni, platina-mentes gyertyákat kell becsavarozni, és természetesen ott a nyomásálló (700 baros), különleges tartályok beépítésének költsége. De ne feledkezzünk el az üzemanyagköltségekről sem! A BMW Hydrogen 7-es példája is mutatja, hogy ugyanakkora teljesítmény és autóméret esetén körülbelül harmadannyi hidrogént fogyaszt a motor, mint benzint. (Háromszoros energiatartalom!) Az az autó például, amelyik 6 litert fogyaszt benzinből, az két kiló hidrogént éget el 100 kilométeren. Mennyi is ez forintban? 420 forint/literes benzinárral számolva ez mintegy 2500 forint. Egy kiló hidrogén ára 10 euró, azaz körülbelül 3500 forint. Csakhogy a fogyasztás két kiló, ami már 7000 forintos költséget jelent 100 kilométerre. Megéri?

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.