Szintetikus benzint vagy hidrogént a tankba!
Környezetbarát üzemanyagok
A szén-dioxid kibocsátás szempontjából ígéretesnek hangzó javaslat, hogy a kőolajból előállított üzemanyagok helyett a levegőből kivont szén-dioxidból előállított szintetikus üzemanyagot égessünk el a belső égésű motorokban. Hiszen így nem kerülne további új szén-dioxid a levegőbe. Mint ahogy akkor sem, ha hidrogént égetnénk el bennük.
Tényleg, miért ne tehetnénk ezt meg? Hiszen mennyivel jobb lenne, ha nem a kőolajból finomított üzemanyagok elégetésével folyamatosan új és még újabb szén-dioxidot juttatnánk a levegőbe, hanem a már ott lévőt hasznosítanánk újra. Visszaalakítanánk üzemanyaggá, újra elégetnénk, de ezzel csak körbe-körbe forgatnánk, de nem gyarapítanánk az összmennyiséget, ami a maga 36 milliárd tonnás éves mennyiségével már épp így is több a soknál.
A legjobb lenne ehhez a szén-dioxidot mindjárt a keletkezési helyén befogni, ami bizonyos esetekben nem is olyan nehéz. Például a szén, olaj, vagy földgázüzemű hőerőművek kéményeiből viszonylag olcsón, tonnánként hét és fél dolláros költséggel meg lehetne tenni. Közlekedési eszközöknél, nem utolsósorban a személyautóknál kicsit zűrösebb lenne a történet. Mindenesetre érdemes eljátszani a gondolattal, hogy a saját szén-dioxid-kibocsátás visszagyűjtése miatt hogyan nehezülne el az autó.
Egy liter, azaz körülbelül 80 deka benzin elégetésekor ugyanis 2,3 kiló szén-dioxid keletkezik, így például 40 liter benzin elhasználása után 60 kilóval nőne meg az autó tömege. (Minden egyes liter után 80 dekával megkönnyebbül az autó, de 2,3 kiló szén-dioxidot begyűjt, a többlet a kettő különbsége, másfél kiló. Ezt negyvennel megszorozva jön ki a 60 kiló. (Amúgy, ha valakinek véletlenül nem lenne meg: elégésük során a benzinben lévő szénatomok két oxigénatommal egyesülnek, amelyek egyenként is harmadával nehezebbek, mint a szénatom, ezért keletkezik sokkal nagyobb tömegű szén-dioxid a benzinből, mint eredetileg annak a tömege volt. Gázolajból még több, 2,6 kilónyi szén-dioxid keletkezik, mert abban több a szénatom, mint a benzinben.)
Talán ebből is látszik, hogy a személyautók, de még a teherautók szén-dioxidjának begyűjtése is eléggé zűrös történet, marad az, hogy a levegőből vonják ki. Ezt azonban némileg megnehezíti, hogy a szén-dioxid levegőben lévő aránya mégis nagyon pici. Alig 0,04 százalék. Vagyis egy köbméter, azaz ezer liter levegőben összesen négy deci szén-dioxid oszlik el. Ezért ahhoz, hogy egy tonna szén-dioxidot kivonhassunk a levegőből, körülbelül 800 olimpiai uszoda térfogatával egyező levegőt kell átszűrni. Ez nagy méretű létesítményt igényel, és ennek megfelelően a költségei is magasabbak, mintha a hőerőmű kéményeinél ejtenénk csapdába. Egyes számítások szerint jelenleg tonnánként 250 és 600 dollár körül kellene áldozni rá, ami azonban 5-10 éves távlatban 150-200 dollár közé csökkenthető.
A szén-dioxid kivonás technológiája egyébként máris működik. A levegőt katalizátor hatású szűrőfelületre vezetik, ami megköti a szén-dioxidot - kicsit úgy, mint a részecskeszűrő kormot. Amikor a felület megtelik, árammal felmelegítik a szűrőt, ami ekkor koncentráltan bocsátja ki magából a szén-dioxidot, amit ezután csak be kell gyűjteni és tartályokba pumpálni. Az elképzelések szerint évente egymillió tonnát kivonni képes rendszert már hamarosan képesek lennénk felállítani. Más kérdés, hogy ha a teljes éves szén-dioxid-kibocsátást akarnánk átalakítani, akkor 36 000 ilyen létesítményt kellene felhúzni.
Az összegyűjtött szén-dioxid szintetikus üzemanyaggá alakításának technológiáját is kidolgozták már. A szén-dioxidot újabb folyamatelősegítő katalizátor jelenlétében vízgőzzel reagáltatják egymással, aminek eredményeként szén-monoxid és hidrogéngáz keletkezik. Ezeket egy reaktorba vezetik tovább, ahol szénhidrogén láncokká egyesülnek, lényegében mesterséges nyersolajat alkotva, ami azután akár gázolajjá, akár benzinné finomítható tovább. A módszer lényegében egyezik azzal Fischer-Tropsch eljárással, amellyel a németek már a második világháború idején tonnaszám állítottak elő mesterséges benzint.
Tehát a szén-dioxidot ki tudjuk vonni a levegőből, és folyékony üzemanyagot is képesek vagyunk gyártani belőle. Egy komolyabb kísérleti egység épp napjainkban kezdi meg működését. A konténer méretű szerkezet naponta fél hordó, azaz körülbelül 75 liter repülőgépbe való kerozint képes előállítani. A folyamatokhoz napenergiát használ, és ezzel rá is világít a szintetikus üzemanyagok előállításának legnagyobb problémájára.
A gond ugyanis az, hogy a kémiai folyamatok energiát igényelnek. Kezdődik ez már a szén-dioxid szűrőnél, ahol a ventilátorok hajtása, a szűrőfelület melegítése, a kiszűrt szén-dioxid összesűrítése és továbbítása mind-mind csak energia bevezetése árán valósítható meg. De nincs ez másként a folyamat további részével sem, mind a szén-dioxid és a vízgőz reagáltatása, mind a mesterséges nyersolaj szintézis, majd az azt követő finomítás energiát igényel. Ahhoz pedig, hogy a gyártás során az energiatermeléssel kapcsolatban ne jusson további szén-dioxid a levegőbe (ami tönkretenné azt, hogy a szintetikus üzemanyag elégetésekor ugyanannyi szén-dioxid jusson vissza a környezetbe, amit a gyártásához felhasználtunk) elengedhetetlenül szükséges, hogy az energia teljes egészében megújuló forrásból, esetleg atomerőműből érkezzen.
Nem kevés energiáról van szó, egyes tanulmányok szerint szerint az előállított üzemanyag energiatartalmának körülbelül 30-50 százalékát kell bevezetni a folyamatba. Ami pedig a költségeket illeti, széles skálán mozognak a becslések. A legoptimistább forgatókönyv szerint nagyon nagy tételben való gyártásnál csupán körülbelül harmadával kerülne többe a mesterséges üzemanyag a kőolajból előállítottnál. A legtöbben azonban ennél magasabb költségeket látnak, a felső határ körülbelül a kétszeres termelői ár – amire természetesen rárakódnak még a különböző adók és járulékok. Hazai viszonylatban a két véglet, így 2021 végén, körülbelül 700 és 1200 forint közötti literenkénti kiskereskedelmi árat eredményezne.
A szén-dioxid kivonás és átalakítás energiaigényét elnézve felmerülhet, hogy nem jobb lenne-e azt a bizonyos, szerencsés esetben megújuló eredetű elektromos energiát vagy közvetlenül (elektromos autókban) felhasználni, vagy megkerülve az egész hajcihőt, inkább vizet bontani vele, és az ennek során keletkező hidrogént felhasználni járműhajtásra. Már csak azért is, mert ahogy már korábban is volt róla szó, a hidrogén több szempontból is kiválóan alkalmas arra, hogy belső égésű motorban égessék el. A legnagyobb előny persze, hogy elégetésekor elvileg csak vízgőz keletkezik, tehát használata nem jár együtt szén-dioxid-kibocsátással. Azonban emellett háromszor annyi energiát tartalmaz, mint a benzin, ezért nem kell belőle sokat magunkkal vinni, nagy a kompressziótűrése, így emelhető a sűrítés és javítható ez által a hatásfok, s aminek egyik következménye, hogy közvetlen befecskendezést alkalmazva egy azonos benzinmotort alapul véve 15 százalékkal növelhető a teljesítmény. Mindennek a tetejébe elméletileg egy sima benzinmotor átépítése nem olyan nagy ördöngösség.
Valójában azonban nem olyan egyszerű a feladat, bár nem megoldhatatlan. A hidrogén molekulája nagyon apró, ezért a hagyományos tömítések nem válnak be. Az üzemanyag ellátó rendszerrel összefüggésben minden tömítést ki kell cserélni, a karter szellőztetését át kell alakítani (részben a hidrogén, részben a vízgőz gyűrűk melletti leszökése miatt) és speciális befecskendezőket kell beépíteni. No és persze a benzintartályt is hidrogén tartályra, pontosabban tartályokra kell cserélni. A hidrogént ugyanis csak gáz formában érdemes tárolni, akkor viszont sok helyet igényel. Öt kilogramm hidrogén 700 bar nyomáson körülbelül 120 liter térfogatot igényel, ehhez azonban hozzászámítandó még a nyomásálló tartály közel tízcentis falvastagsága. Ráadásul ennyi hidrogénnel legfeljebb 250, de inkább csak 200 kilométert képes megtenni egy 150 lóerős csúcsteljesítményű autó.
Talán ebből is látszik, hogy a hidrogén esetében egyszerűbb eleve úgy gyártani az autót, hogy az alkalmas legyen hidrogénes üzemre. Ez azonban, legalábbis személyautók esetében nem várható. Nem kis részben azért, amire a hatótáv adat is utal. A hidrogén belső égésű motorban elégetésének a hatásfoka ugyanis körülbelül 25 százalék, vagyis a bevezetett hidrogénnek csak a negyede alakul át mozgássá. A hidrogénből elektromos áramot előállító tüzelőanyag-celláé azonban ennek legalább a duplája, amire a Toyota Mirai 100 kilométerenként 1 kilós fogyasztása és 500 kilométeres hatótávja a bizonyíték.
A hidrogént továbbá azért is kevésbé érdemes motorban elégetni, mert szemben a tüzelőanyag cellával, ahol valóban csak vízgőz távozik a kipufogón, a motor esetében nitrogén-oxidok és némi szén-dioxid is a levegőbe kerülhet. Az előbbi körülbelül ugyanazért, mint a benzin- és dízelmotor esetében is, vagyis mert a levegő nitrogén tartalma az égési nyomás és hőmérséklet következtében oxidálódik. A szén-dioxid a gyűrűk mellett esetlegesen felszivárgó olaj elégésével kerülhet a kipufogógázba.
Természetesen a mai kipufogógáz-kezelési technikákkal a nitrogén-oxid közömbösíthető, azonban személyautók esetében nem nagyon éri meg. Bár a Toyota a minap két hidrogénnel hajtott tanulmány járművet, egy versenyautót és egy kétszemélyes, terepjáró ATV-t is bemutatott, mégis úgy kalkulálnak, hogy belső égésű motoros járműként leginkább teherautók és kamionok jöhetnek szóba, ahol a teljes villamosítás még mindig kérdéseket vet fel.
Vagy hajóknál! A világ legnagyobb, társasház méretű, százezer lóerő feletti hajómotorjait gyártó Wartsila is teszteli a hidrogénhajtás lehetőségeit. Sőt, olyan tervük is van, hogy a hidrogént a hajón állítanák elő földgázból, az ennek során keletkező szén-dioxidot pedig egy tartályba gyűjtenék. Amennyiben a motor képes lenne száz százalékban hidrogénnel üzemelni, a szén-dioxid-kibocsátása majdhogynem nulla, de legalábbis a töredéke lenne annak, mintha pakurával vagy gázolajjal etetnék.
Akárhogy is használják fel a hidrogént, ahhoz, hogy tisztának lehessen tekinteni, megújuló forrásból származó árammal kell előállítani. A ma megszokott eljárás azonban a gőz-metán reformálás, amelynek során melléktermékként jelentős mennyiségű szén-dioxid keletkezik, és a folyamat hatásfoka sem jobb 65-75 százaléknál. Tehát ha ilyen reformálásból származó hidrogént égetünk el belső égésű motorban, azzal nem nagyon vagyunk kint a vízből. Amennyiben viszont megújuló energiából származó áramot vetünk be, megint felvetődik a kérdés, hogy azt nem egyszerűbb lenne közvetlenül, teljesen tisztán felhasználni?
A kérdésre azonban jelen pillanatban nem is olyan könnyű válaszolni. Főként egyértelműen nem, aminek oka, hogy a Föld különböző területeinek eltérőek az adottságai. A sűrűn lakott területeken, ahol ráadásul mind technikailag, mind anyagilag adott az elektromos töltőhálózat kiépítésének lehetősége, mint például Európában, az Egyesült Államokban, vagy Japánban, Kínában, ott már középtávon is az elektromos autózásnak áll a zászló. A szintetikus üzemanyagok és a hidrogén a motorsportokban, a teherszállításban, a hajóknál és leginkább a repülőgépeknél tehet szert szerepre. Természetesen mindnél kérdéses az ár, és az, hogy a megrendelők, a légitársaságok esetében pedig az utasok hajlandóak-e megfizetni a jelentkező felárat.
A költségeket illetően azonban a háttérben zajlik egy folyamat, aminek a kimenetele még nem látható. Már régóta szándék van rá, hogy a szén-dioxid-kibocsátást beárazzák. Ennek alapja lehet például a közömbösítésének a költsége, amit jelenleg széles határok, 100 és 600 dollár közé tesznek tonnánként. Utóbbi a pillanatnyi ára a szén-dioxid kővé változtatásának, amit utána a földbe ásnak. Ha ezt ráterhelnék arra a körülbelül 430 liter benzinre, amiből az egy tonna szén-dioxid keletkezik, az mintegy 450 forinttal emelné meg a benzin árát. Egyelőre azonban nem árazták be a szén-dioxidot, ráadásul a kővé változtatásra is távlatilag előirányoztak egy sokkal barátságosabb, szén-dioxid tonnánként 50 dolláros árat.
A szintetikus üzemanyagok talán ott juthatnak komolyabb szerephez, ahol nem lehet, vagy nem érdemes elektromos töltőhálózatot kiépíteni, ellenben nagy mennyiségben áll rendelkezésre megújuló energia, aminek a szállítása és tárolása is kétséges. Afrika, Ausztrália, Dél-Amerika egyes területei a nap-, vagy a szélenergia előállítására különösen alkalmasak, ott esetleg érdemes lehet ilyen üzemeket felállítani, hiszen a folyékony szintetikus üzemanyagnak mind a szállítása, mind a tárolása könnyen megoldható. Talán nem véletlen, hogy a Porsche is Chilében épít szintetikus üzemanyaggyárat. Kérdés persze itt is a telepítés költsége, aminek megtérülését szintén befolyásolhatja, hogy milyen speciális adókat vetnek ki esetleg a jövőben környezetet újabb és újabb szén-dioxiddal terhelő fosszilis eredetű üzemanyagokra.
