Hidrogén energetika

A globális primer energiaigény több mint 80 százalékát a fosszilis energiaforrások adják, melyek mellett a nukleáris energia, illetve a megújuló energiaforrások részesedése elenyészőnek hat. A felhasználás növekedése a jövőben tovább folytatódik, ezért mértékadónak tekinthető prognózisok szerint a fosszilis energiahordozók magas aránya már nem tartható fenn biztonsággal hosszú távon, esetleg már középtávon sem.

A fosszilis energiahordozókhoz kapcsolódó limitációk, kockázatok napjainkra több oldalról is jelentkeznek, és külön-külön is számottevő a hatásuk. Ezek közül talán a legismertebbek a forrásoldali limitációk, amelyek a készletek nyilvánvalóan véges jellegére utalnak, és amelyeket kicsit részletesebben az olajtetőzés elméletével foglalkozó fejezetben mutatunk be. Az utóbbi években a forrásoldali limitációkkal közel azonos súlyú szemponttá emelkedtek a nyelőoldali limitációk. A fosszilis energiahordozók felhasználásával (leggyakrabban: elégetésével) légszennyező anyagokat bocsátanak ki, leginkább jelentős mennyiségben az üvegházhatású szén-dioxidot, amelyet a Föld atmoszférája, pontosabban teljes ökoszisztémája (amely jelen esetben értelmezhető „nyelőként” is) már nem tud olyan ütemben asszimilálni, mint amilyen ütemben azok kibocsátásra kerülnek. Ennek egyik markáns jele, hogy mindössze hozzávetőlegesen két-háromszáz év alatt, nagy valószínűséggel az emberi tevékenységek következtében kb. 30%-kal megnőtt a légkör szén-dioxid-koncentrációja, amelynek a következménye a – nem minden részletében ismert, de – nagy kihívást jelentő globális klímaváltozás.

A fosszilis energiahordozók felhasználását tekintve további negatív tendenciát jelent az egész EU és különösen Magyarország számára, hogy jelentős mértékben külső importra szorulunk ezen energiahordozók vonatkozásában. Magyarországon a termelés és a behozatal aránya a 2000. évi 42–58%-ról 2010-ig 38–62%-ra változott, energiafüggőségünk tehát erősödött az utóbbi évtizedben, és továbbra is magasabb az uniós átlagnál.

Az importált energiahordozók kilenctizedét a földgáz, a kőolaj és annak különböző származékai tették ki. Egy elöregedő társadalomban, mint amilyen a magyarországi is, ez a jövedelemkiáramlás (az import energiahordozókért kifizetett jövedelem) komoly problémát jelent. Hazánk esetében ez igen jelentős mértékű: a világpiaci árak függvényében Magyarország teljes világpiaci exportbevételének akár 14 százalékát is elköltheti energiaimportra, ráadásul – ahogy fentebb láthattuk – az energiafüggőség tendenciájában növekvő.

A villamos energia, mint szekunder energiahordozó szerepe egyre fontosabbá vált a fejlett országok gazdaságaiban, de e tendencia már a fejlődő országokban is megfigyelhető. Ennek oka, hogy a villamos energiát a legértékesebb energiafajtának tartják, mivel kényelmesen és igen sokféle célra felhasználható, a felhasználás helyén már nem szennyez (viszont termelői oldalon jelentős környezetterheléssel állítjuk elő!), a felhasználás helyén jó hatásfokkal átalakítható azon energiaformává, amelyre éppen szükségünk van, és viszonylag könnyen szállítható. A statisztikai adatok azt mutatják, hogy a teljes energiafelhasználáson belül felhasznált villamos energia részaránya növekvő tendenciát mutat, mind Magyarországon, mind nemzetközi szinten.

Az általános jövőbeni tendenciákat mutatja a 1. ábra, mely szerint a XXI. század első évtizedéig jellemző – a jelenlegi – „fuel to electricity” koncepció (melynek keretében fosszilis energiahordozókból villamos energiát állítunk elő), majd átmeneti időszak következik, és fokozatosan áthelyeződik a hangsúly az „electricity to fuel” rendszerekre. Utóbbi esetében egyre jelentősebb arányban történik közvetlenül villamosenergia-termelés, és például a közlekedési szektoron belül a villamos energiát, vagy közvetlenül használjuk fel közlekedési célokra (akkumulátoros megoldások), vagy – az akkumulátoros technológia problémái, hiányosságai miatt – köztes energiahordozón, pl. a hidrogénen keresztül, erre utal az „electricity to fuel” kifejezés.

1. ábra Forrás: Ludwig–Bölkow Systemtechnik, 2008.

(Megjegyzés: az előző, 2008-as grafikonon 2010 és 2020 közöttre jósolt tetőzése a fosszilis és nukleáris tüzelőanyagoknak sajnos nem valósult meg, a mai előrejelzések ezt az időpontot 2020 és 2030 közé teszik – ld. 2. ábra.)

2. ábra Forrás: DNV GL Energy Transition Outlook 2018

Egy ilyen jövőbeni, a villamos energia „dominálta” energetikai rendszerben a hidrogénnek, mint köztes energiatároló médiumnak, illetve energiahordozónak lehet nagyon fontos szerepe, mert az úgynevezett tüzelőanyag-cellás technológiák segítségével a hidrogén igen jó hatásfokkal villamos energiává alakítható. Némi túlzással, de szemléletes megfogalmazásban a hidrogén és villamos energia „szinonim fogalmakká” válhatnak. A villamos energia egy speciális termék a tekintetben is, hogy nem lehet tárolni – ipari méretekben –, emiatt egy villamos energia dominálta energetikai rendszerben a szabályozás (a villamosenergia-termelés és -fogyasztás pillanatnyi egyensúlya fenntartásának) kérdése még inkább fontossá válik, így a hidrogén a VER (Villamos Energia Rendszer) szabályozási feladataiban is szerepet játszhat a jövőben.

 

A hidrogén a legegyszerűbb kémiai elem, a periódusos rendszer első eleme (vegyjele: H). Henry Cavendish fedezte fel közel 250 éve. „Vízképzőt” jelentő nevét Antoine Lavoisier alkotta szóképzéssel a görög hüdór (ΰδωρ = ’víz’) + gennó (γεννώ = ’nemzeni’) szavakból. Normál állapotban színtelen, szagtalan, íztelen, igen gyúlékony, kétatomos gáz, amely nagyon jó hővezető. A normál állapotú levegőnél sűrűsége kb. 14-szer kisebb, és számottevő diffuzivitással rendelkezik. A hidrogén a világegyetemben leggyakrabban előforduló elem, az univerzum anyagának kb. 75%-a (m/m) hidrogén, de a Földön is igen elterjedt: atomszázalék tekintetében a 2. helyen áll az elemek között, tömegszázalékát tekintve pedig a 9. helyen. A Földön a hidrogén elemi vagy kétatomos gázállapotával nem találkozhatunk, hanem szinte kizárólag vegyületeivel; jelen van a vízben, szinte minden szerves vegyületben, biomasszában. Csak az atmoszféra felsőbb rétegeiben található molekuláris hidrogén kisebb mennyiségben.

Tulajdonságai sok szempontból kedvezőek: nem toxikus, nem korrozív, nem rákkeltő, nem üvegházhatású, nem radioaktív,környezetbe való véletlenszerű kijutása során nem okoz semmilyen visszamaradó környezetszennyezést.

A hidrogén tehát igen gyakori elem, „elvileg korlátlan” mennyiségben rendelkezésre áll, de csak kötött formában, azaz vegyületeiben fordul elő, amelyekből számottevő mennyiségű energia befektetésével lehet előállítani a hidrogént (pl. vízbontással 286 kJ/mol). Viszont előállítása igen sokféle módszerrel történhet, akár decentralizáltan, azaz kisebb léptékben, a felhasználása helyén (on-site) is előállítható, és – tüzelőanyag-cellákban – jó hatásfokkal fel is használható. Ez az elterjedt és nagy mennyiségű földrajzi előfordulás éles ellentétben áll a jelenleg használt fosszilis energiahordozóink előfordulásával, amelyek – különösen pl. az olaj – egyes régiókra koncentrálódnak, és amelyek nem ritkán politikailag instabil régiók. A hidrogén vízben igen kis mértékben oldódik, viszont nagyon jól oldódik egyes fémekben (palládium, platina, nikkel).

A hidrogén nemcsak 250 évvel ezelőtti felfedezése miatt nem tekinthető újszerű „jelenségnek”, hanem igen elterjedt és kb. százéves múltra visszatekintő vegyipari alkalmazása miatt sem.

A hidrogént tehát eddig is használtuk, főként vegyipari célokra, viszont jelenleg, illetve néhány éven belül a hétköznapi, szélesebb körű és kiterjedt energetikai célú felhasználási lehetőségekhez érkezhetünk, érkezünk. Az eddigiek alapján is nyilvánvaló, de talán célszerű hangsúlyozni, hogy a hidrogén nem energiaforrás, hanem egy másodlagos energiahordozó (hasonlóan pl. a villamos energiához; a másodlagos „jelleg” azt jelenti, hogy valamilyen „elsődleges” energiahordozóból (pl. földgáz) vagy annak segítségével állítható elő).

A teljesség kedvéért és részben érdekességként meg kell említeni, hogy a hidrogén kvázi energetikai célú használata már évtizedekkel ezelőtt létezett Magyarországon is, mivel az úgynevezett „városi gáz” egyik, kifejezetten magas arányú (~35% V/V) összetevője volt a hidrogén. A lakosság a városi gázt fűtésre, főzésre használta az 1960-as évekig. (A városi gáz egy másik fontos, ugyanakkor veszélyes összetevője a szén-monoxid volt.)

A hidrogén fűtőértéke az ismert elemek közül a legmagasabb (120 MJ/kg) tömegegységre vonatkoztatva, azonban mivel a hidrogén sűrűsége rendkívül alacsony, a térfogategységre jutó energiasűrűsége viszont meglehetősen csekély. A hidrogén tömeg- és térfogategységre vonatkozó energiatartalmát (fűtőértékét), néhány más, jelenleg alkalmazott energiahordozóval összehasonlításban a 3. ábra mutatja.

3. ábra Forrás: M.Ball: The Hydrogen Economy, 2009.

A hidrogén tömegegységre vonatkoztatott fűtőértéke közel háromszorosa a benzinének, kb. 2,4-szerese a földgázénak és hatszorosa a metanolénak; viszont térfogategységre vonatkoztatott fűtőértéke kevesebb, mint harmada a benzinének, kb. 42%-a a földgázénak és kb. fele a metanolénak.

Hidrogén előállítása megújuló energiaforrásokkal


Szélenergiából

A hagyományos (jelenlegi) hidrogén-előállítási módszerek:

  1. Egyrészről mind meglehetősen környezetterhelőek, közvetlenül vagy közvetetten. Közvetlenül akkor, ha az előállítás során jelentkeznek káros kibocsátások. A villamos hálózatból vételezett energiával történő vízbontás is környezetterhelő, ha az energiamixben domináns a fosszilis eredetű energiahordozók felhasználása, mert bár a vízbontás nem jár káros kibocsátással, majd később a hidrogén felhasználása sem, de a villamos energia előállítása, annak módjától függően igen környezetterhelő lehet (ez jelenti a hidrogén közvetett környezetterhelését).
  2. Másrészről véges fosszilis energiahordozó készletekre alapulnak, így csak cseberből vederbe jutnánk, ha a nagy mennyiségű hidrogén-előállítást is pl. a földgázra alapoznánk. (Bár a hidrogénenergetika korai szakaszában ez is elfogadható módszer lesz, illetve lehet; mivel kezdetben már a hidrogén-technológiák puszta létének, működőképességének demonstrálása is nagy előrelépés lenne.)

Az előállítási módokat többféle szempont alapján lehet csoportosítani; jelen esetben az energiaforrásból indulunk ki. Ebben a fejezetben elsődlegesen és részletesen a szélenergia segítségével történő hidrogén-előállítás kerül bemutatásra, ez a leginkább érett, megújuló energia alapú előállítási mód, amelyhez minden szükséges eszköz kapható a hagyományos kereskedelmi forgalomban, és jelenleg már néhány ilyen rendszer üzemel is a világban.

A levegő mozgási energiája szélerőművek segítségével mechanikai (forgási) energiává, majd generátorral villamos energiává alakítható. A megtermelt villamos energiával vagy annak egy részével vízbontás segítségével hidrogén állítható elő. Az ilyen előállítási módot az angol szakirodalom a „wind hydrogen” kifejezéssel jelöli, ami magyarul „szél-hidrogén” rendszernek fordítható; az ilyen rendszerek igen csekély (nullához közeli, pontosabban csak az eszközök legyártása során jelentkező) károsanyag-kibocsátással tudnak hidrogént előállítani.

A szélerőművek – illetve az időjárásfüggő megújuló energiaforrások – egyik hátránya, hogy a villamos energiát a meteorológiai paraméterektől (jelen esetben a szélsebességtől) függően időben igen változó módon állítják elő, míg a villamosenergia-rendszer (VER) egyensúlyát minden pillanatban fenn kell tartani. A termelési kapacitás változékonyságára jellemző, hogy önálló szélfarmok esetén a kimenő teljesítmény 10 perc múlva történő megváltozásának fel és le irányú maximuma a beépített teljesítménynek kb. 85–95%-a is lehet. Több és az ország területén elszórtan elhelyezkedő szélfarm esetében a teljes termelés jóval kisebb ingadozásokat mutat. A szélerőművek villamosenergia-termelésének éppen ezen túlzott váltakozó jellegét segíthet „kisimítani” a hidrogén(előállítás), amikor is a VER nem képes befogadni a szélerőművek által termelt villamos energiát. Ebből kiindulva a szélenergiával történő hidrogén-előállítás esetében az alábbi alternatívák merülhetnek fel:

„Szigetüzem”, amikor a szélerőmű mellé ténylegesen telepítik a vízbontó rendszert, és a szélerőmű (illetve megfelelő hidrogéntároló kapacitás), valamint a vízbontó teljesítménye megegyezik, hogy bármely időpillanatban képes legyen felvenni a szélerőműből származó villamos teljesítményt. Ilyen szigetüzemű rendszer, bár technikailag megvalósítható, gazdaságossági szempontból – speciális kivételtől eltekintve – vélhetően nem lesz életképes, főként a beruházás magas tőkeköltsége miatt.

„Vegyes termelés” esetén elsődlegesen villamos energiát termel a szélerőmű, és csak azokban az időszakokban kerül a villamos teljesítmény egy része a vízbontóra, és történik hidrogén-előállítás, amikor a VER nem tudja fogadni a villamos energiát (pl. az éjszakai mélyvölgy időszakában). Egy ilyen rendszerben tehát két termék is előáll: a villamos energia és a hidrogén. Esetlegesen előállhat olyan – ritka – eset is, amikor a vízbontó másik elektródján keletkező oxigént is fel tudják használni (ezt is számos ágazat használja), ebben az esetben elvileg három hasznos termék is lehetséges.

„Intelligens hálózat”: ebben az esetben nincs, vagy általában nincs fizikailag a szélerőmű(park) mellé telepítve a vízbontással működő hidrogéntermelő berendezés, hanem a szélerőmű a villamos hálózatra termel, és esetlegesen földrajzilag távolabb, a felhasználás helyén kerül elhelyezésre vízbontó kapacitás (pl. hidrogén-üzemanyagtöltő kutaknál), és a VER képes intelligens megoldásokon keresztül, az aktuális stabil állapotát fenntartva, távvezérléssel a szükséges villamos kapacitással hidrogént termelni, akár az ország számos pontján, decentralizált módon. Az intelligens villamos hálózatot „smart gridnek” is nevezik, és ez természetesen nemcsak a szélerőművel termelt villamos energia, hanem bármely más megújuló (vagy éppenséggel nem megújuló) energiaforrással termelt villamos energia továbbítására, elosztására alkalmas.

A valóságban már működik néhány szél-hidrogén rendszer, ilyen például a norvégiai Utsira szigetén működő rendszer. Ugyanakkor az egyre terjedő megújuló energiaforrásokkal a VER szabályozása és az energiatárolás kérdése egyre fontosabbá válik, és a jövőben ebben szerepet kaphat a hidrogén is. Különösen igaz ez például Németországra, ahol jelenleg is 20 000 MW körül jár a beépített szélerőmű-kapacitás nagysága (megjegyzés: ez az adat 2020-ban már 55 GW, ld. https://www.cleanenergywire.org/factsheets/german-onshore-wind-power-output-business-and-perspectives), ami tovább fog növekedni a következő években, és a szivattyús-tározós (SZET) erőművek vagy más megoldások (pl. sűrített levegős tárolás, CAES) nem lesznek képesek önmagukban megoldani a szabályozási feladatokat.

A szélenergiával vagy más megújuló erőforrással előállított hidrogén nem egy „izolált” feladat, amelyben egyedüli cél a hidrogén előállítása lehet; hanem ez egy komplex problémakör, amely szervesen és elválaszthatatlanul illeszkedik a meglévő energetikai infrastruktúrába, és csak olyan fontos tényezőkkel kezelhető és értelmezhető együtt, mint például az intelligens hálózatok.

Napenergiából

A Napból érkező energia – emberi léptékhez viszonyítva – örökös és kifogyhatatlan mennyiségben van jelen: a Földre érkező napenergia ~3,5*1024 J/év, ami kb. 17 000-szerese az emberiség jelenlegi éves energiaigényének. A napenergia alkalmazásával járó probléma részben a napszakok és az évszakok szerinti váltakozó jellege, amit az aktuális időjárás változása (pl. felhősödés) tovább erősít. Ugyanakkor számos előnye is van: belátható időn belül nem fogy el, nem környezetszennyező, nem kell kitermelni és szállítani, nem drágul. A napenergia segítségével történő hidrogén-előállítás elvileg több módon is megvalósítható:

  1. az egyik, technikailag leginkább érett módszer a napenergiából fotovoltaikus (PV) úton történő villamosenergia-előállítás, ennek segítségével pedig vízbontás. Ugyanakkor gazdasági szempontból tekintve, a fotovillamos rendszerekből nyert energia még igen drága, emiatt a napelemes energiatermelés segítségével előállított hidrogén ára is az egyik legmagasabb,
  2. egy másik lehetőség a napenergiával történő hidrogén-előállításra a naperőművek alkalmazása lehet. Ezek a közvetlen napsugárzást egy optikai kollektorrendszerrel egy pontra fókuszálják, és itt igen magas hőmérsékletet állítanak elő. A hőmérséklet elérheti az 1 500–2 000 °C feletti hőmérsékletet, ahol a víz(gőz) termokémiai bomlása végbemegy, azaz alkotóelemeire, hidrogénre és oxigénre esik szét. Az eddig megépült kísérleti naperőművek villamos teljesítménye 5 kW – 80 MW tartományba esik, de ezek a rendszerek csak napi 4–10 órában tudnak működni, meglehetősen drágák és kockázatokat is hordoznak magukban,
  3. további lehetőség a napenergiával történő hidrogén-előállításra a fotokatalízis, amely jelenleg még nem ismert széleskörűen, viszont napjainkban erősen feltörekvő eljárás. A módszer lényege, hogy bizonyos katalizátorok fény hatására képesek a vizet bontani, ezáltal hidrogént termelni. Ezt a tényt és azt, hogy például a titán-dioxid alkalmas erre, már évtizedek óta ismerték, de korábban csak UV-fény hatására ment végbe a fotolízis. Jelenleg viszont biztató kutatási eredmények vannak olyan nanostruktúrált többkomponensű katalizátorok kialakításáról, amelyek így gazdaságosan, a látható fény tartományában és szobahőmérséklet-közeli állapotokban képesek a vízbontásra. A fotokatalitikus vízbontásra irányuló kutatások Budapesten, az MTA Kémiai Kutatóközpontban is folynak. Megjegyezzük, hogy nemcsak vízből, hanem metanolból is nyerhető hidrogén fotokatalitikus eljárásban.

Biomasszából

Biomassza (amelybe nagyon sok anyag tartozhat, a mezőgazdasági hulladékoktól, melléktermékektől, az energetikai ültetvények produktumán át, egészen a tengeri algapopulációkig) elviekben fontos hidrogénforrás lehetne. Amint a fosszilis eredetű szénhidrogéneknél, a biomassza hasonlóan hidrogénné alakítható elgázosítással vagy pirolízissel, amelyet gőzreformálás követ. E módszer előnye az lehet, hogy már széleskörű tapasztalatokkal rendelkezünk a fosszilis tüzelőanyagok átalakításával, finomításával kapcsolatosan.

A pirolízis és az elgázosítás a termikus eljárások közé tartoznak, de van néhány fontos különbség, és egyik sem tekinthető azonosnak a tüzelőanyag közvetlen elégetésével. A hagyományos égési folyamatban három dolog van jelen:

  1. éghető anyag (itt biomassza),
  2. oxidáló anyag (itt a levegő oxigénje) és
  3. hő.

A fő különbség, hogy pirolízis esetén oxigén nincs jelen a reakcióban (amely kb. 300–800 °C fok között zajlik), az elgázosítás során bár jelen van oxigén, de mennyisége nem elegendő a teljes oxidációhoz a reakcióban (amely kb. 750–1600 °C között zajlik). A pirolízis abban is különbözik az égetéstől, hogy míg ez utóbbi exoterm folyamat, azaz hőt termel, addig a pirolízis endoterm folyamat, azaz hőbevitelt igényel a folyamat fenntartásához. A pirolízises és elgázosítási eljárás a szerves anyagokból (ez lehet nemcsak biomassza, hanem szerves anyag tartalmú hulladék is vagy valamilyen szénhidrogén) első lépésben magas szén-monoxid (CO) és hidrogén (H2) tartalmú gázt, úgynevezett szintézisgázt eredményez; amelyet általában még vízgőzzel reagáltatnak, hogy minél nagyobb arányú legyen a folyamatból a hidrogénkihozatal (ez utóbbi reakció jelenti a fent említett gőzreformálást). A pirolízis során a biomasszában lévő oxigén eredményez CO-t, míg az oxidációs eljárásokban a bevitt oxigén a fő CO-forrás. A hidrogén és CO mellett még főként szén-dioxid keletkezik a folyamatban.

A biomassza égetésével vagy pirolízisével elviekben nagyjából csak annyi CO2 kerül a légkörbe, amennyit a növény élete során megkötött. Azonban figyelembe kell vennünk a termesztéshez szükséges egyéb inputokat is, mint például a legtöbbször szükséges műtrágyát (amelyhez szintén sok hidrogén szükséges ammónia formájában), a víz- és energiabevitelt a termesztéshez, betakarításhoz és szállításhoz, valamint az olyan egyéb környezeti aspektusokat, mint a termőtalajra, biodiverzitásra gyakorolt esetleges negatív hatások. Nem beszélve az értékes mezőgazdasági területek lefoglalásáról, ha elsődleges – energetikai célú – termékként kerül termesztésre a biomassza, amely így élelmezési célú terményeket szorít(hat) ki. Mindezek miatt rendkívül óvatosan értékelendő a biomasszából (ezen belül az intenzív energetikai célú termesztésen alapuló biomasszából) nyerhető hidrogén vagy bármely más bio-energiahordozó (pl. biodízel, bioetanol) előállításának módszere, mert életciklus-szemléletben könnyen több környezeti – és egyéb, például társadalmi-gazdasági – kárt okozhat, mint amennyi hasznot hozna.

Hulladékokból

Kommunális (vagy más szerves anyagot tartalmazó) hulladékokból is nyerhető hidrogén, alapvetően azon módszerek segítségével, amelyeket a biomasszából történő előállításánál részleteztünk. Egy további lehetséges módszer a hulladék anaerob fermentálása, amelynek során mikroorganizmusok segítségével a szerves anyagokból – az oxigéntől nagyrészt elzárt környezetben – biogáz, azaz magas metántartalmú (CH4) gáz keletkezik. Ezt a metánt azután – a hagyományos előállítási módszereknél leírtak alapján gőzreformálással (SMR) – hidrogénné alakíthatják; a visszamaradó biomassza pedig sok esetben komposztként használható.

Biotechnológiai módszerek segítségével (biohidrogén)

Egyes egysejtű élőlények, pl. a zöldalgák vagy baktériumok, is el tudják végezni azt a folyamatot, amelynek során a nap energiáját a rendelkezésünkre álló víz bontására használva hidrogént állítanak elő. A Chlamydomonas reinhardtiiról régóta ismert, hogy a fotoszintézis közben képződött tápanyagait kedvezőtlen körülmények között felélve hidrogént termel az úgynevezett biofotolízis során. E területen jelenleg csak alapkutatások zajlanak, de a cél egy olyan szerkezet megépítése, amely egysejtű mikroszervezeteket foglal magába, biztosítja a szaporodásukat, fennmaradásukat, anyagcseréjüket, és e folyamatok végtermékeként hidrogéngázt nyer ki a rendszerből. Az így megszerkesztett foto-bioreaktor kis befektetéssel a nap energiáját kihasználva a jövőben esetleg olcsó hidrogént képes előállítani. Ilyen alapkutatások jelenleg Magyarországon, a Szegedi Tudományegyetemen is zajlanak.

Nukleáris energiával történő előállítás

Alternatív előállítási mód a nukleáris energia segítségével történő hidrogén-előállítás. A nukleáris energia segítségével nagy mennyiségű hidrogén állítható elő, centralizált módon. A nukleáris energiával történő hidrogén-előállítás technológiai lehetőségei a következők lehetnek:

  1. termokémiai módszerek,
  2. magas hőmérsékletű elektrolízis,
  3. hibrid folyamatok.

(Itt most természetesen nem említjük meg külön az „alapváltozatot”, a nukleáris erőműben előállított és a villamos hálózatra továbbított villamos energia segítségével, vízbontáson keresztül történő hidrogén-előállítást.)

Hidrogén tárolása, szállítása és felhasználási módjai


A hidrogén tárolása komprimált gáz és folyékony állapotban

Gázhalmazállapotban megoldható a hidrogén csővezetékes szállítása: a Ruhr-vidéken például több mint 60 éve üzemel egy 25 bar nyomású 210 km hosszú csővezeték-hálózat. Azonban a földgázvezetékekhez és a szerelvényekhez képest elsősorban azt kell figyelembe venni, hogy a hidrogén nagy nyomáson elridegíti az acélt, mivel kis mérete miatt könnyen belediffundál. A hidrogén tárolása történhet gáz- vagy folyékony halmazállapotban. Gázhalmazállapotban történő tárolása a gyakorlatban nagy nyomású tartályokban történik (4. ábra), ekkor azonban a robbanásveszély elkerülésére kiemelt figyelmet kell fordítani.

4. ábra Forrás: H2 Logic

Elvileg viszonylag nagy mennyiségű hidrogén tárolható föld alatti üregekben, leművelt földgázmezőkben vagy akviferekben. A folyékony halmazállapotban való tárolás egy nagyságrenddel több hidrogén tárolását teszi lehetővé, viszont a –253 °C alatti hőmérséklet biztosítása nagyon költséges, ezért ezt egyelőre csak az űrtechnikában alkalmazzák. A folyékony tárolókban a hidrogén mindig forr, ahogy érintkezik a dupla falú tárolóedénnyel, ezért a nyomás túlzott megnövekedésének elkerülése érdekében a túlnyomást mindig leengedik. Ennek az a következménye, hogy hosszú távon a folyékony hidrogén elpárolog, azaz, csak akkor érdemes ezt a változatot választani, amikor a hidrogén nagy mennyiségben fogy. (Megjegyzés: a Mercedes a fenti technikai nehézségek ellenére mindig is a folyékony hidrogéntárolás elkötelezettje volt az üzemanyag-cellás járműprototípusai esetében. Ezzel kapcsolatban a Daimler Truck AG 2020 decemberében jelentette be, hogy a Linde-vel közösen folyékony hidrogén tankolására alkalmas üzemanyagtöltő állomásokat fejleszt, ami a cég 2023-ban már sorozatban gyártani tervezett GenH2 Truck kamionjainak a kiszolgálásához szükséges.)

A nagynyomású tárolás általában két lépcsőben történik. Először egy köztes nyomásra nyomják össze a hidrogéngázt, vagy pedig folyékony formában tárolják, majd az átfejtéskor egy kompresszor állítja elő a kívánt nyomást. Így kerül be például a járművek 350–700 bar nyomású kompozit tartályaiba.

5. ábra Forrás: http://fuelcell.hu/

A kompresszor vonatkozásában meg kell említeni, hogy nem alkalmazhatók a hagyományos kenési eljárásokat alkalmazó módszerek. (Megjegyzés: a Linde a hidrogéntöltő állomásaihoz fejlesztette ki és szabadalmaztatta 2006-ban az Ionic kompresszorait, amik szennyezésmentes, kis karbantartásigényű, nagy hatásfokú kompresszálást tesznek lehetővé.)

A hidrogén tárolása kötött állapotban

A metal-hidrid palackok a hidrogént a kristályszerkezetükben adszorbeálják, így alacsony nyomáson is nagy mennyiségeket lehet tárolni a segítségükkel. A legtipikusabban alkalmazott anyagok a TiFex porok, amelyeket egy sima acélpalackba töltenek. Újabban kísérleteznek nanocsövekkel is, amelyekkel a remények szerint 6 tömeg% hidrogént tudnának tárolni. Hagyományos nagynyomású palackokban 2%, az 6. ábrán bemutatott palackokban 3 tömeg% hidrogén tárolható.

A metal-hidrid palackok előnye:

  1. Nagy energiasűrűség
  2. Alacsony nyomás, ezért a jelenlegi hidrogén-infrastruktúrában is tölthető
  3. Egyszerű szabályozás

A metal-hidrid palackok hátrányai:

  1. Lassú tölthetőség; ebből a szempontból inkább akkumulátor, mint hidrogéntároló
  2. A hidrogén-deszorpció sebessége korlátozott
  3. Jelentős hő szükséges a deszorpcióhoz, illetve jelentős a hőfejlődés a töltésnél

A metal-hidrid palackokat a hidrogénkinyerés során folyamatosan melegíteni kell, hogy a teljes hidrogénmennyiséget kinyerhessük. Erre a tüzelőanyag-cella által termelt hő bőven elegendő, azonban kogeneráció esetén ez rontja a rendszer hatásfokát.

Évek óta folynak kutatások arra vonatkozóan, hogy fullerénmolekulában tároljanak hidrogént. Ezt a hatvan atomból álló szénmódosulatot 1985-ben fedezte fel a Rice Egyetemen Harry Kroto, Richard Smalley és Robert Curl. A focilabda külsejű molekulával a felfedezők kiérdemelték a kémiai Nobel-díjat 1996-ban. A „focilabda” 20 hatszögből és 12 ötszögből áll, ez a szerkezet adja stabilitását. Mérete nem éri el az egy nanométert, a valódi focilabda nagyságának a fullerénlabda tehát csupán egy tízmilliomod része. Hidrogéntárolásra akkor érdemes használni a fullerénmolekulát, ha tömegének legalább hat százalékát magába tudja zárni a gázból. Boris Yakobson és kollégái szerint már szobahőmérsékleten is 8 százalékos sűrűségben bennmarad a hidrogén a fullerénlabdákban. „Számításaink szerint egyes fullerénlabdák olyan mennyiségben képesek tárolni a hidrogént, hogy megközelíthetik a fémek sűrűségét” – tudatta Yakobson a Rice Egyetem sajtóközleményében.

A szénatomok közti kötés egyike a legerősebb kémiai kötéseknek. Ezeket a kötőerőket Yakobson csoportja számítógépes modellel szimulálta, ahogyan azt is, mi történik velük, ha hidrogénatomokat csomagolnak a labdába. A kutatók azt állítják, hogy a fullerénlabda szétpattanásának pontját is ki tudják számítani modelljükkel. Ez azért fontos, mert ekkor engedi ki „szállítmányát” a nanotartály.

A hidrogén szállítása

Jelenleg az az egyik alapkérdés, hogy a hidrogén elosztása központi vagy helyi szintű legyen. Ez leginkább a hidrogén termelésének jellemzőitől függ (azaz központilag nagyobb méretű üzemekben vagy decentralizáltan, több kisebb méretű helyszínen állítjuk elő), de az energetika más területeihez hasonlóan ezek valamilyen „egészséges” aránya lehet reális a jövőben. A földrajzi elhelyezkedéstől is függően egyes alkalmazásoknál a helyi termelés és elosztás a célszerűbb. Ilyen lehet pl. az ipari hidrogénbeszerzési lehetőségtől távol eső töltőállomás vagy a szünetmentes áramforrások (UPS) hidrogénellátása.

Jelenleg a hidrogént komprimált gáz vagy cseppfolyós halmazállapotban szállítják, többféle szállítási mód alkalmazásával. Nagyobb mennyiségek szállítására alkalmasabb a csővezetéken, illetve – a cseppfolyósított metán analógiája alapján – a vízi úton történő szállítás, kisebb mennyiségek esetén a közúti és vasúti szállítás tűnik előnyösebbnek.

Jelenleg a hidrogén elosztásának a közúti szállítás a leggyakoribb módja, mivel a legtöbb felhasználó viszonylag csekély mennyiséget igényel, és ilyen esetben a helyben történő előállítás túl költséges lenne. A hidrogén közúti szállításának két lehetősége van: nagyméretű palackokban komprimálva vagy tartálykocsikban cseppfolyós állapotban. Mint korábban láttuk, a komprimált hidrogéngáz előállítása és tárolása egyszerűbb és hatékonyabb a cseppfolyósításnál. Szállításkor viszont a kisebb energiasűrűségének megvannak a hátrányai: egy teherautóval egyszerre kb. 500 kg hidrogént lehet szállítani a 200 baros palackokban. A teherautók több (akár 40) tonnás önsúlyához mérten az alacsony kihasználtság szembetűnő.

Cseppfolyós hidrogén szállításához dupla falú, vákuumszigetelt tartálykocsikat használnak, amelyeket kamionokkal vagy vasúton juttatnak a fogyasztóhoz. Ezekkel jelenleg egyszerre mindössze 4000 kg hidrogén szállítása lehetséges – bár ez kb. 13000 liter benzin energiatartalmának felel meg. A cseppfolyós halmazállapotú szállítás elvileg tengeri úton is megvalósítható majd, amennyiben a hidrogéngazdaság olyan szintre jut, hogy a hidrogéntermelést és -felhasználást jelentős távolságok választják el. E téren az LNG (cseppfolyós földgáz) szállításával szerzett tapasztalatok nagy segítséget nyújthatnak.

A nagy mennyiségű hidrogént igénylő fogyasztók (pl. vegyi vagy petrolkémiai üzemek) ellátása optimálisan – és ha erre a körülmények lehetőséget adnak – csővezetéken történik, 10–70 bar nyomáson. Az ipari fogyasztók megnövekedett kereslete miatt az elmúlt években dinamikusan bővítették a hidrogén-csővezeték kapacitásokat – főként közvetlenül a termelők és a nagyfogyasztók között –, mivel ez a nagy mennyiségű szállítás leggazdaságosabb módja.

A hidrogén korábban említett jellemzőiből (illékonyság, anyaggyengítés, anyagkifáradás) fakadóan a hidrogén szállítását szolgáló csövekhez csak különleges acélötvözetek vagy más (pl. kompozit) anyagok alkalmasak, ami szintén érvényes a toldásokra, tömítésekre, illetve a segédüzemi berendezésekre, mint például a kompresszorok. Ez nyilván a beruházási költségekre is kihatással van; tehát drágább egy hidrogénvezeték-rendszer kiépítése, mint pl. a földgázé.

Már napjainkban is számottevő léptékű meglévő hidrogénvezeték üzemel. Németországban pl. egy 240 km-es hosszúságú, 30 bar nyomású hálózat gondoskodik a Ruhr-vidék 18 ipari fogyasztójáról az 1930-as évek óta. Az EU-ban a hidrogén-csővezetékek összesített hossza kb. 1600 km (ennek fele Belgiumban és Hollandiában található). Kazincbarcikán, a BorsodChem telephelyén belül is több kilométer hosszú hidrogénvezeték-hálózat juttatja el ezt a gázt az előállítás helyétől (HyCO üzemek) a felhasználási pontokra. Az USA-ban és Kanadában együttesen is kb. 1800 km meglévő, ipari hidrogénvezeték-rendszer működik, évtizedek óta biztonságosan.

Egyes vélemények szerint a legmodernebb földgázvezetékek alkalmassá tehetők majd hidrogén szállítására is, de ez jelenleg még vitatott kérdés. Az is viták, illetve vizsgálódások tárgyát képezi, hogy a meglévő földgázhálózatba néhány százaléknyi hidrogén bevezetése megvalósítható lenne-e, okozhatna-e gondot a szállítórendszeren vagy a végfelhasználói eszközökben.

A hidrogén jövőbeni (energetikai) felhasználási módjai

A hidrogén energetikai célú felhasználásának küszöbéhez érkeztünk, és jó esély van rá, hogy a hidrogén és a hidrogénenergetikai technológiák a következő évtizedekben számottevő részesedést szerezzenek maguknak. Az energetikai célú felhasználás, beleértve a közlekedést is, csíráiban tulajdonképpen már megjelent a 2000-es években is, mivel a hidrogén tüzelőanyag-cellás busz és/vagy személyautó projektek számos országban sikerrel megvalósultak, kiépült néhány tucat hidrogén-üzemanyagkút, illetve korai demonstrációs projektek az energiatermelés területén is zajlottak. Azonban ezek elsődlegesen a technológiai validációt, tesztelést hivatottak szolgálni; a gazdaságossági szempontok vagy a kommercializálódási (tömeges piacra lépési) lehetőségek még nem voltak adottak, egyes korai, speciális alkalmazásokat leszámítva.

A szemelvények forrása:

Mayer Zoltán és Kriston Ákos – Hidrogén és metanol gazdaság (https://regi.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_31_hidrogen_es_metanol/ch01s04.html)


A tüzelőanyag-cellákról

A tüzelőanyag-cellák története

Sir William Robert Grove (1811–1896) 1838-ban vette észre azt, hogy ha vizet elektrolizál, az alkalmazott áram kikapcsolása után ellenkező irányú áram kezd el folyni. Ezt az áramot az okozza, hogy az egyik platinaelektródnál fejlődő hidrogén oxidálódik, míg a másiknál keletkező oxigén redukálódik a vízbontás megfordításával. Grove kihasználta a felfedezését, és megszerkesztette az első tüzelőanyag-cellát, amelyet – megkülönböztetésül a többi elemtől, amelyekben fémek és vegyületeik közötti reakció szolgáltatta az áramot – gázelemnek nevezett el. A gázelem két kénsavoldatba merülő platinaelektródból állt. Az egyik elektród a hidrogén-, a másik az oxigéntartályba nyúlt be. Grove azt is észrevette, hogy az oldatok szintje emelkedik, amikor áram folyik a két elektród között. Ez jelezte a hidrogén, illetve az oxigén fogyását. Bár a tüzelőanyag-cellát Grove találta fel, végül Ostwald magyarázta meg teljes körűen a működésüket. Bevezetve az elektród, az ion és az elektrokatalizátor fogalmait. Ő vezette be a félcella-reakciókat, azaz hogy a hidrogén oxidálódik, az oxigén redukálódik a Pt katalitikus felületén. A redoxifolyamatban keletkező elektronokat a külső körön munkára lehet fogni, míg az elektrolitban a hidrogénion vezeti a töltéseket (Grove-féle cella esetén). Ő vezette be a gázelektród és a hármas határfelület (triple-phase boundary) fogalmait, amelyeknek optimalizálása ma is a tüzelőanyag-cella kutatásának egyik lényeges eleme.

A Grove-féle gázelem tiszta hidrogénnel működött, és mivel az elektród síkelektród volt, nagy felületeteket kellett alkalmazni. Ezzel szemben Mond és Langer 1889-ben a hidrogént szénből állították elő (szintézisgáz). Tüzelőanyag-cellájukban 3 dimenziós pórusos elektródokat alkalmaztak, amivel 65A/m2 áramot tudtak elérni 0,73V-on. Azaz a XX. század elejére minden megvolt, amit ma is alkalmaznak a tüzelőanyag-cellákban. Ostwald tehát jogosan gondolta úgy, hogy a hőerőgépeket a magasabb hatásfokuk miatt felváltja az „elektrokémiai égetés” és a hidrogén egyetemes tüzelőanyag, a tüzelőanyag-cellák pedig a XX. század meghatározó energiatermelő egységei lesznek. A tüzelőanyag-cellákat először nem az energetikában, hanem az űrkutatásban kezdték alkalmazni. Bár a történet nem így indult…

1 ábra Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/William_Robert_Grove

Francis Bacon 1932-ben olvasott egy német cikket, amiben arról írtak, hogy a völgyidőszakokban feleslegben rendelkezésre álló elektromos energia segítségével vizet bontanának, és az így termelt hidrogént belső égésű motorokban égetnék el üzemanyagként. Bacon úgy gondolta, hogy sokkal jobb hatásfokot érnének el, ha elektrokémiailag termelnének áramot. Első javaslata „Energy storage battery” címmel az elektromos energia tárolásáról szólt, de végül nem kapott támogatást. Ekkor határozta el, hogy saját maga készíti el az első cellákat. A platinát, vélhetőleg magas ára miatt, elvetette és aktivált nikkelhálót használt vizes NaOH oldatban. Az elektródokat azbesztszövettel választotta el. A nikkel aktvitását 100°C feletti hőmérséklettel és magas nyomással kívánta növelni (210bar!). Mivel akkoriban gőzgépekkel foglalkozott, nem volt számára probléma megoldani a szigetelést ebben a nyomás- és hőmérséklet-tartományban. Először egy reverzibilis cellát tervezett, de végül kétcellás rendszert épített, ahol az egyiket vízbontásra a másikat elektromos áram termelésére használta. Végül a cellák 200°C-on és 42bar nyomáson üzemeltek. A tüzelőanyag-cella legnagyobb teljesítménye nem haladta meg a 100mA/cm2-et (jelenleg 1500mA/cm2 egy jobb cella teljesítménye) és több sebből is vérzett. Végül egy titkos kutatásból kapott egy pórusos nikkeldarabot, aminek a nagy felületével el lehetett érni a kívánt áramsűrűségeket. További probléma, amit meg kellett oldani, az a stabil határfelület biztosítása a hidrogén, az oxigén és az elektrolit között. Erre többpólusos elektródot fejlesztettek ki, ahol a gáz felőli oldal nagyobb, az elektrolit felőli oldal kisebb pólusokat tartalmazott, így pontosan tudták szabályozni a gázok behatolási mélységét.

2. ábra Forrás: ELTE Elektrokémiai és Elektroanalítikai Laboratórium

Az instabil diafragmát úgy váltották ki, hogy minimálisan kisebb (0,14bar) nyomáskülönbséget alkalmaztak a gázok és az elektrolit között. A következő feladat a cella élettartalmának a növelése volt. Az oxigénelektróda ugyanis gyorsan oxidálódott, horpadás keletkezett rajta és végül összeesett. Rájöttek, hogy ha eloxálják a felületet, akkor az oxidréteg megóvja a nikkelt a további oxidálódástól. Azonban ekkor újabb probléma adódott, miszerint az oxidréteg elektromos szigetelőként viselkedett. Ezt a problémát is ki lehet küszöbölni, ha a réteget lítiummal doppolják. Már úgy tűnt, hogy az oxigén elektródproblémáinak a megoldásával a cella is jól fog működni, ekkor azonban a hidrogénoldal veszítette el az aktivitását. Rájöttek, hogy ezt az illesztésekből kioldódó katalizátorméreg okozza. Az oldódás megakadályozásához az illesztéseket teflonbevonattal látták el. Így végül az 50-es évek közepére elkészítették az első működő rendszert, ami 150W-ot szolgáltatott: 230mA/cm2 áramsűrűséget, 0,8V-os cellafeszültségekkel. Röviddel ezután figyeltek fel a találmányra az USA-ban, és végül a Prett&Whitney további 100 millió dollárt költött és 1000 mérnököt alkalmazott, hogy a demonstrációs modellből iparilag is hasznosítható termék legyen.

A Bacon-cella az űrkutatásban remekül bevált, ugyanis egyszerre szolgáltatott elektromos áramot, hőt és vizet az űrhajósok számára, ahol a tiszta hidrogén és oxigén folyamatosan rendelkezésre állt. A Bacon-cella későbbi ipari hasznosítására több kísérlet is történt, de végül földi alkalmazása nem hozott üzleti sikert.

A tüzelőanyag-cella típusainak bemutatása és csoportosítása


A tüzelőanyag-cellákat többféle szempont alapján lehet csoportosítani. A működési hőmérsékletük alapján a két fő típust különböztetünk meg:

  1. alacsonyhőmérsékletű és
  2. magas hőmérsékletű TC-k.

Viszont az egyik legelterjedtebb az alkalmazott elektrolit alapján történő kategorizálás; mi is ezt használjuk a következőkben.

Az alkáli elektrolitos cellák (Alkaline Fuel Cell – AFC) képviselik az egyik leginkább kidolgozott technológiát az üzemanyagcellák között. Már 1960 óta használják őket, többek között a NASA Apollo és Space Shuttle programjaiban is. Az űrjárművek fedélzetén ilyen típusú cellák biztosították a fedélzeti eszközök működéséhez szükséges áramot, valamint az ivóvizet is. Az ilyen típusú üzemanyagcellákat feltalálójuk után Bacon-celláknak is szokták hívni.

Az alkáli elektrolitos cellák esetében a töltéshordozó részecske a hidroxidion (OH-), amely a katódtól az anód felé halad, ahol reakcióba lép a hidrogénnel, amiből víz és elektron keletkezik.

Működési körülmények:

Az elektrolit típusa: pl. 30%-os vizes kálium-hidroxid oldat
Működési hőmérséklet: 80°C alatt
Elektromos hatásfok: 60%–70%

Reakciók:

Anódon: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
Katódon: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
A teljes reakció: 2H2 + O2 → 2H2O

Előnyei:

  1. Az egyik legnagyobb elektromos hatásfokú cella
  2. Nagyon olcsó az előállítása, mivel sokféle elektrolittal képes működni
  3. Viszonylag alacsony a működési hőmérséklete
  4. Gyors indulás

Hátrányai:

Nagyon érzékeny a szén-dioxidra, szén-monoxidra és a metánra, mivel ezek reakcióba léphetnek az elektrolittal, ezáltal csökkentve az tüzelőanyag-cella hatékonyságát. A külvilágtól elzárt környezetben érzi igazán jól magát, ahol nem fenyegetik az említett gázok. Működéséhez tiszta hidrogénre és oxigénre van szükség.

Felhasználási területek:

  1. Tengeralattjárók
  2. Hajók
  3. Hadiipar

Az olvadt karbonátos cella (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC) a magas üzemi hőmérsékletű cellák családjába tartozik. A magas üzemi hőmérséklet lehetővé teszi, hogy közvetlenül földgázzal is működtethessük a tüzelőanyag-cellát. Az 1960-as évek közepén fejlesztették ki, és azóta a legnagyobb eredményeket a teljesítmény és az élettartam növelésének tekintetében érték el. Az ilyen típusú cellák a többi cellától eltérő módon működnek. Elektrolitként olvadt karbonát-sókat tartalmaznak, általában két karbonát keverékéből. A két leggyakoribb kombináció: lítium-karbonát és kálium-karbonát keveréke.

A magas üzemi hőmérséklet ahhoz szükséges, hogy az elektrolit megolvadjon, és megfelelő ionáteresztő képességet érjen el. Olvadása után az elektrolit képes lesz arra, hogy vezesse a karbonátionokat (CO32-). Ezek az ionok a katódtól az anód felé haladnak, ahol hidrogénnel egyesülve víz, szén-dioxid és elektron keletkezik. Az elektron pedig egy külső áramkörön keresztül áramot és hőt termelve érkezik vissza a katódra.

Működési körülmények:

Az elektrolit típusa: olvadt lítium-, nátrium- és kálium-karbonát
Működési hőmérséklet: 600°C felett
Elektromos hatásfok: 50%–60%

Reakciók:

Anódon: CO32- + H2 → H2O + CO2 + 2e-
Katódon: CO2 + ½O2 + 2e- → CO32-
A teljes reakció: H2 + ½O2 + CO2 (katód) → H2O + CO2 (anód)

Előnyei:

  1. A magas működési hőmérséklet miatt nincs szükség üzemanyag-reformerre. Az ilyen tüzelőanyag-cellákat belső reformeres celláknak is nevezik.
  2. A magas működési hőmérséklet hatékony hőhasznosításra ad lehetőséget
  3. Olcsó alapanyagok

Hátrányai:

  1. Érzékeny a korrózióra
  2. Lassú indulás
  3. Körülményes a szén-dioxid áramlásának szabályozása

Felhasználási területek:

  1. Kogenerációs erőművek
  2. Segédáramforrások

A foszforsavas cellák (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC) kerültek elsőként kereskedelmi forgalomba az üzemanyagcellák közül. Az 1960-as évek közepén fejlesztették ki ezt a típust, és már a rákövetkező évtizedben sor kerülhetett az első eladásokra. Más üzemanyagcella-típusokhoz képest akkor jóval stabilabb viselkedést mutatott, nagyobb teljesítményre volt képes, és mindezek mellet az ára is elég alacsony volt. E cellákban az elektrolit teljes egészében foszforsavból áll (H3PO4). Mivel a foszforsav ionos vezetése alacsony hőmérsékleten rossz, ezért a működési hőmérsékletük elég magas, gyakran a 200°C-t is meghaladja. A működése nagyjából azonos a protoncsere-membrános celláéval. Ennek megfelelően az anódon és katódon lejátszódó reakciók is azonosak.

Működési körülmények:

Az elektrolit típusa: tömény folyékony foszforsav
Működési hőmérséklet: 150–220°C
Elektromos hatásfok: 50%–60%

Reakciók:

Anódon: 2H2 → 4H+ + 4e-
Katódon: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
A teljes reakció: 2H2 + O2 → 2H2O

Előnyei:

  1. A magas működési hőmérséklet hatékony hőhasznosításra ad lehetőséget
  2. Érzéketlen a szén-dioxidra és a szén-monoxidra
  3. Hosszú élettartam (a foszforsav illékonysága nagyon alacsony)
  4. Stabilitás
  5. Egyszerű felépítés

Hátrányai:

  1. Nagy méret
  2. Platinakatalizátor szükséges
  3. Nehezen indítható (a foszforsav 40 °C alatt szilárd)

Felhasználási területek:

  1. Épületek energiaellátása
  2. Erőművek
  3. Hadiipar

A protoncsere-membrános cella (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC) lehet a jövőben a legalkalmasabb arra a feladatra, hogy átvegye a mostani dízel- és benzinmotorok szerepét a közlekedésben. Először a NASA használt ilyen típusú cellákat a Gemini-programban az 1960-as években. Az elektród anyaga ezekben a cellákban szilárd polimer membrán (vékony műanyag filmréteg). E polimer jellegzetessége, hogy nedves állapotban a protonokat átereszti, azonban az elektronokat nem.

Az anódon a beáramló hidrogén a katalizátor felületén „szétesik” protonokra és elektronokra. A protonok a membránon keresztül haladnak a katód felé, az elektronok pedig egy külső áramkörön keresztül érik el azt, miközben elektromos energia keletkezik. A katódra érkező elektron az ott beáramló oxigénnel és a membránból érkező hidrogénionokkal egyesül és víz keletkezik.

A többi típusú üzemanyagcellával összehasonlítva sokkal jobb energia-, és teljesítménysűrűségi paraméterekkel rendelkezik. Egyik jellegzetessége, hogy a működési hőmérséklete a membrán anyagától nagymértékben függ. Membránként az egyik leggyakrabban használt anyag, a Nafion® esetében alacsonyabb a működési hőmérséklet, míg polybenzimidazole membrán esetén magasabb, akár a 200 °C-t is meghaladhatja.

Működési körülmények:

Az elektrolit típusa: protonáteresztő membrán

Működési hőmérséklet: 70–220°C
Elektromos hatásfok: 50%-70%

Reakciók:

Anódon: 2H2 → 4H+ + 4e-
Katódon: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
A teljes reakció: 2H2 + O2 → 2H2O

Előnyei:

  1. Hatékony
  2. A szilárd elektrolit miatt nem érzékeny a gravitációra
  3. Gyors indulás
  4. Hosszú élettartam

Hátrányai:

  1. Körülményes szabályozás (az elektrolitot nedvesíteni kell)
  2. Az alacsony működési hőmérséklet miatt kicsi a hőhasznosítás hatásfoka
  3. A nemesfémtartalom miatt drága

Felhasználási területek:

  1. Járműipar
  2. Hadiipar
  3. Hordozható áramforrások
  4. Erőművek

1.táblázat: Cella típusok

A cellák felépítése


– két elektróda (anód és katód)
– elektrolit vagy membrán
– katalizátor (platina vagy annak ötvözetei)

A 3. ábrán látható a tüzelőanyag-cella felépítése. Anódnak nevezzük azt az elektródot, ahol az oxidáció megy végbe, vagyis az ide áramló üzemanyag elektront ad le, míg a katódon redukció (elektronfelvétel) történik. Az elektrolit elszigeteli egymástól a két elektródot, meggátolva a tüzelőanyag és az oxidálószer közvetlen keveredését. Manapság a protonáteresztő membrános cellák terjedtek el, ahol a membrán szerepe az, hogy csak a hidrogén ionokat engedi átáramlani a membránon keresztül. Az elektronok a két elektródot összekötő fémes vezetőn jutnak el az anódtól a katódig. A gázbevezetés és homogén eloszlás segítésére az anód és a katódoldalon grafit gázvezető lapok (BPP – BiPolar Plates) és grafit papír vagy szövet lapok (GDL – Gas Diffusion Layer) szolgálnak. Fogyasztó (pl. elektromotor) beiktatásával, az elektronokkal munkát lehet végeztetni, amelynek nagysága a két elektród közötti potenciálkülönbségtől és az áthaladt töltésmennyiségtől függ. A cella felépítése és működése a következő ábrán látható.

Az elektrolit elektromos szigetelő, de kiváló ionvezető is. A két legfontosabb különbség az egyes tüzelőanyag-cellák típusai között a működési hőmérséklet és az ionos vezetést biztosító elektrolit anyaga.

3. ábra: Tüzelőanyag-cella felépítése

A PEM cellák működése


Az anódon átvezetett hidrogént a platina katalizátor szétválasztja hidrogénatomokra. Ezután a H+ ionok a membránon keresztül jutnak el a katódhoz. A membránt ezért nevezik protoncserélőnek, mivel csak a hidrogén iont, azaz a protont engedi át, míg a negatív töltésű elektront nem. Az elektronok egy külső fogyasztón keresztül tudnak átjutni a katódba. A katódra vezetett oxigénmolekulák a katalizátor segítségével szintén lebomlanak oxigénatomokra, melyek az anódból átáramló elektronokkal és a membránon átjutott hidrogénionokkal egyesülve vizet hoznak létre.

Tehát a reakciók az elektródákban:

Anód: 2H2 → 4H++4e(3.1)
Katód: O2+4H++4e → 2H2O (3.2)

A membrán általában egy szilárd műanyag lemez, amelyet platinával szoktak bevonni. A platina a legjobb katalizátor, viszont drága és ritka fém, ezért a platinát vagy ötvözeteit minél kisebb mennyiségben kell leválasztani a protoncserélő membrán felületére.

Fontos szempont, hogy megfelelő legyen a rendszerben a nedvességtartalom, ugyanis a Nafion típusú membránok ionvezető képessége kis és nagy nedvességtartalom esetén is romlik. Újabban azonban léteznek már „szárazon” is üzemelő membránok. A nedvességtartalom szabályozása befolyással van még az elektródák közötti ozmózis nyomásra is, ugyanis ez határozza meg a membránon keresztüli nedvesség áramlásának irányát, amelynek egybe kell esnie a protonáramlás irányával, mert ellenkező esetben éppen gátolja azt. Másrészről a reakció végterméke is víz, ezért lényeges annak elvezetése. Emiatt érdemes a hőmérsékletet 80-90 °C között tartani, de ebben az esetben a reakciók lassan mennek végbe. A hőmérséklet szabályozása a hűtést és a fűtést is magában foglalja, ugyanis nagyon alacsony hőmérsékleten a membránba fagyott víz gátolja a protonok áramlását.

A tüzelőanyag-cella élettartamát és hatásfokát jelentősen befolyásoló tényező az üzemanyag tisztasága. A platina katalizátort könnyen elszennyezheti az üzemanyagba jutó CO, ezért ennek meg kell felelnie bizonyos tisztasági kritériumoknak. A megengedett szénmonoxid tartalomnak általában 100 ppm alatt kell lennie.

A szemelvények forrása:

Mayer Zoltán és Kriston Ákos – Hidrogén és metanol gazdaság (https://regi.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_31_hidrogen_es_metanol/ch01s04.html)


Tüzelőanyag-cella alkalmazások

A tüzelőanyag-cellák (TC-k) alkalmazásának számos lehetősége ismert ma már, és várhatóan újabb és újabb lehetőségek merülnek fel a jövőben, ahogy egyre elérhetőbbé válik a technológia az árak csökkenésének és az egyre korszerűbb és versenyképesebb műszaki paramétereknek köszönhetően.

A gyors fejlődést a közlekedési célú felhasználásuk iránti erős igény katalizálta, ami így leginkább a járművekben használt PEM típusú tüzelőanyag-cellákat érintette, de a műszaki életben tapasztalható fokozódó érdeklődés a TC-k iránt felgyorsította az egyéb típusú, más területeken hasznosítható cellák fejlesztését is.

A tüzelőanyag-cellák kategorizálhatók az elektrolit típusa szerint, mivel az nagyban meghatározza a tulajdonságaikat. Ennek megfelelően az egyes alkalmazások is egy-két cellatípushoz köthetők leginkább. A 6 fő cellatípust a következő területeken használják:

Telepített alkalmazások


A telepített (stationary) alkalmazások nevüknek megfelelően általában helyhez kötött, fixen telepített berendezéseket takarnak. Azonban általánosságban minden, nem közlekedési és nem hordozható alkalmazást ebbe a kategóriába sorolnak, amiknek elsődleges célja nem egy, a berendezés részét képező, konkrét fogyasztó (pl. villamos motor) kiszolgálása, hanem a villamos energia általános célú előállítása „bármilyen” külső fogyasztó számára. Sok alkalmazásban a villamos energia előállítása mellett hasznosítják a cella veszteséghőjét is, ami így kombinált energia előállítást (co-generation) jelent, amit hívnak kapcsolt energiatermelésnek is.

A telepített TC rendszereket a működésük gyakorisága és folyamatossága alapján is fel lehet osztani, ami általában a berendezésben lévő cella élettartamával is összefügg:

  • folyamatosan működő, elsődleges célú energiatermelő alkalmazások – ezen belül léteznek csak villamos energiatermelésre, vagy kapcsolt (CHP) energiatermelésre, illetve újabban hármas energiatermelésre (CHHP, Combined Heat, Hydrogen & Power) szolgáló technológiák, 20-30.000 óra élettartamú stackkel,
  • időszakosan működő, pl. szünetmentes (UPS), illetve vészhelyzeti energiaellátást biztosító telepített berendezések, 3-5.000 óra élettartamú stackkel.

Teljesítmény szempontjából ma már igen sokféle telepített, energiatermelő TC érhető el. Nem hivatalos osztályozás szerint az alábbi fő kategóriák léteznek, de természetesen kialakíthatók köztes teljesítmények, illetve a moduláris felépítésnek köszönhetően szinte tetszőleges teljesítményű rendszerek létesíthetők (https://www.hfc-hungary.org/energiatermelo-telepitett-alkalmazasok/):

  • háztartási („domestic”) léptékű tüzelőanyag-cellás rendszerek: ~0,3 – 5 kWe,
  • kereskedelmi/ ipari („commercial/industrial scale”) léptékű tüzelőanyag-cellás rendszerek: ~100 – 500 kWe,
  • közmű („utility scale”) léptékű tüzelőanyag-cellás rendszerek: ~1 MWe-től több tíz MWe teljesítményig. A jelenleg működő legnagyobb tüzelőanyag-cellás rendszer 59 MWe kapacitású. Dél-Koreában működik és 2,8 MW egységteljesítményű MCFC tüzelőanyag-cella kötegekből, azaz stack-ekből épül fel.

A fixen telepített berendezések mellett természetesen léteznek hasonló célú (így a telepített alkalmazások közé sorolt), de mozgatható változatok is (konténeres, utánfutós stb. megoldások). Ezek általában a kisebb teljesítmény igényeket (5-100kW) képesek lefedni. Érdekes koncepció ezen a területen a Toyota elképzelése, járműveinek energiatermelési célú hasznosításával kapcsolatban: némely országban az eladott Mirai-ok csomagterébe szereltek egy csatlakozót, amin keresztül villamos energiát lehet vételezni, amit az autó tüzelőanyag-cellája állít elő. Ezzel akár egy háztartást is el lehet látni árammal szükség esetén. Ennek a koncepciónak egy másik változata szerint tüzelőanyag-cellás buszokból álló, energiatermelő „kiserőművekkel” ajánlják megoldani katasztrófa sújtotta övezetek vagy infrastruktúrával gyengén ellátott területek átmeneti energiaellátását.

Tüzelőanyag-cellás tartalék rendszerek


Olyan rendszereknél, ahol követelmény a nagyfokú rendelkezésre állás – mint például adatközpontok, telekommunikációs állomások – igen jelentős anyagi veszteséget okozhat egy áramkimaradás. A tradicionális, akkumulátor csomagokból és/vagy dízel generátorokból álló szükségáramforrások kevésbé szolgáltatnak stabilan energiát.

A hidrogén alapú energiaellátó rendszerek sokkal jobb megoldást kínálnak, a hagyományos áramforrásoknál:

  • Könnyen skálázható teljesítmény, rugalmas működési időintervallum.
  • Megbízható működés, alacsony fenntartási követelményekkel és távoli vezérléssel.
  • Hosszú élettartam, kevés szervizigénnyel.
  • Halk, környezetbarát működés.
  • Széles működési hőmérséklet tartomány.

(Kép forrása: https://www.hydrogenics.com/hydrogen-products-solutions/fuel-cell-power-systems/stationary-stand-by-power/telecom-data-centre-backup-power)

Hidrogén mobilitás


Az üzemanyagként használt hidrogén jó eséllyel szén-dioxid-mentesítheti a közlekedést, ha megújuló energiából állítják elő.
Ebben az esetben, a legnagyobb előnye a zéró CO2 és szennyezőanyag kibocsátás, hiszen a melléktermék csupán víz.

(https://hydrogeneurope.eu/index.php/hydrogen-applications)

Légi közlekedés


A légi közlekedésben, potenciális energiaforrásként tekintenek a hidrogénre, ugyanis az űrutazásban egy ideje már jelen van. Az üzemanyag-cella modulok villamos energiával látják el a repülőgép elektromos rendszerét vészhelyzeti generátorként, vagy kiegészítő tápegységként. Lehetővé teszik a gép hajtóműveinek elindítását, mozgatását a kifutón.

Léteznek már kisméretű drónok is, amelyek üzemanyag-cella által előállított villamos energiával repülnek (https://www.hes.sg/hycopter). Egy amerikai cég pedig a magyar Genevation Aircraft-tal koprodukcióban utasszállító drónt tervez, üzemanyag-cellás meghajtással (https://www.youtube.com/watch?v=cPfBhZYKm2E).

A jövőben a légi közlekedésben is cél lesz a zéró emisszió: jelenleg néhány nagy gyártónál hidrogénnel táplálható, átalakított gázturbinákkal folynak kísérletek.

(https://totalcar.hu/magazin/2020/01/29/uzemanyagcellas_szemelyszallito_dron_keszul_magyarorszagon/)

Vízi közlekedés


 

A vízi közlekedésben is használnak fedélzeti energiaforrásként hidrogént, meghajtásként való alkalmazása kezdeti fázisban van még, kisebb személyszállító hajóknál, kompoknál.

Ezen a területen a KONTAKT-Elektro Kft. is érdekelt: 2013-ban a balatonlellei Boat Show-n mutatta be a cég az első, 2.7 kW-os üzemanyag-cellás kishajóját, majd a 2020-as balatonkenesei Boat Show-n a már partról tölthető hidrogéntárolóval felszerelt, 15 kW-os jachtját. (H2-evolution jacht.pdf).

Vasúti közlekedés


A világ első üzemanyag-cellás vonatának, az Alstom-gyártotta Coradia iLint-nek a 2018-as üzembe állítása óta egyre erősebb az érdeklődés a technológia vasúti alkalmazása iránt. A Coradia iLint 2020 szeptembere óta már Ausztriában is üzemel, valamint aláírtak egy szerződést a holland vasúttársasággal is.

Az Alstom mellett a Siemens is belekezdett saját üzemanyag-cellás vonatának kifejlesztésébe, ami a cég elektromos vasúti kocsiján, a Mireo Plus-on alapul.

Nehézgépjárművek, buszok


A levegőszennyezés komoly egészségügyi probléma, és a szállítmányozási szektor ebben jelentős résztvevő. A zéró-kibocsátás szükségessége ezeknél a járműveknél még sohasem volt nagyobb.
Összehasonlítva az akkumulátoros-elektromos teherautókkal, az üzemanyag-cella technológia nagyobb hatótávot, teljesítményt, terhelhetőséget és gyors újratölthetőséget kínál.

Egy sorozat gyártott üzemanyag-cellás teherautó specifikációi a következő:

  • Töltési idő: 8-20 perc.
  • Hatótávolság: ~400 km.
  • 190 kW teljesítmény.

 

A városi tömegközlekedésben is sokan az üzemanyag-cellás meghajtás térhódítására számítanak. Több nagyvárosban kezdődtek demonstrációs és tapasztalat-gyűjtési céllal projektek üzemanyag-cellás buszflották üzemeltetésével összefüggésben. A https://www.fuelcellbuses.eu/ oldalon részletes információk találhatók az európai projektekkel kapcsolatban. Az első, 2010-es projekt indítása óta több, mint 11 millió kilométer futási teljesítményt gyűjtöttek össze a résztvevő buszok.

Személyautók


A csak tisztán akkumulátoros, zéró-emissziót kibocsátó személyautók egyetlen alternatívája a hidrogén üzemanyag-cella.

Bár a hidrogén tiszta energiahordozó, kedvező kémiai tulajdonságokkal, még nem vált népszerű üzemanyaggá a közúti közlekedésben. Az elmúlt néhány év tapasztalata alapján azonban a személyautók esetében is egyre jobban középpontba fog kerülni a technológia.

Manapság már rengeteg gyakorlati tapasztalat áll rendelkezésre az üzemanyag-cellás személyautók terén. Ez annak köszönhető, hogy több nagyobb autógyártó a 2010-es évek közepén elkezdte az autók sorozatgyártását, amelyek már ugyanolyan minőséget nyújtanak, mint a hagyományos belső égésű példányaik. Egy közepes méretű üzemanyag-cellás autó ára még mindig jóval magasabb, mint a hagyományos belsőégésű versenytársaké, de ez a tömeggyártással lényegesen csökkenni fog.

A Toyota Mirai vagy a Hyundai Nexo (korábban ix35) már jelentős flottával bír Nyugat-Európa országaiban. A Toyota Magyarország 2021-re tervezi a Mirai hazai forgalomba hozatalát, ami lendületet adhat a régóta tervezgetett első magyarországi hidrogéntöltő állomás megépítésének.


Saját fejlesztéseink

A KONTAKT-Elektro Kft. tüzelőanyag-cellás fejlesztési projektjei


Cégünk közel 15 éve kezdett el foglalkozni a tüzelőanyag-cellákkal. A cég első fejlesztési eredménye ezen a téren egy 100 W-os tüzelőanyag-cella stack megépítése volt, amit 2007-ben, egy INNOCSEKK pályázat keretében valósított meg. A következő lépés az első stack továbbfejlesztése volt, valamint minél több komponensének kiváltása saját fejlesztésűre. Erre az MTA Kémiai Kutató Intézettel (később MTA TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézet) közösen elnyert GOP pályázati támogatás adott lehetőséget 2010-ben. A projekt során az MTA KKI által kifejlesztett, platinamentes anódoldali katalizátorral ellátott MEA-kra alapozva több méretben és kialakítással készültek el tüzelőanyag-cella stackek (Katalizátor_MEA). A 10 W-tól a néhány kW-ig épített stackek 10 cm2, 50 cm2, 100 cm2 és 200 cm2 aktív felületű, nyitott- és zártkatódos kialakítású, lég- és folyadékhűtéses változatokban készültek el (Stack prototípusok). A stackekhez használt bipoláris lapok grafit-alapú kompozit lapok voltak, melyek egy részét a BME Polimertechnika Tanszéke fejlesztette ki (Bipoláris lapok).

A stackek fejlesztésével párhuzamosan a KONTAKT-Elektro Kft. belekezdett tüzelőanyag-cellán alapuló berendezések fejlesztésébe is. Első ilyen berendezésünk egy 300 W-os hordozható áramfejlesztő készülék volt, melyet kifejezetten elektromos kismotorral hajtott csónakok tápellátáshoz fejlesztettünk ki. A bőrönd mellé egy szintén hordozható keretbe épített, metál-hidrid palackokból álló hidrogéntárolót építettünk, amely körülbelül 6 órán át képes hidrogénnel ellátni a készüléket (Hordozható áramfejlesztő).

2010-ben egy nagyobb szabású projektet is indítottunk berendezések fejlesztése terén, melyhez a PTE Pollack Mihály Műszaki Karának Műszaki Informatika és Villamos Intézetével közösen elnyertünk egy Baross Gábor pályázati támogatást. A projekt célja tüzelőanyag-cellán alapuló stacionárius és mobil alkalmazások prototípusainak megépítése volt 5 kW teljesítményhatárig. A feladat megvalósításához piaci stackeket kívántunk felhasználni, így kerültünk ismerettségbe a kanadai Ballard céggel, amely az első és indulása óta piacvezető gyártója a tüzelőanyag-celláknak (Ballard stackekre épülő áramforrások).

Az első prototípusunk, mely Ballard-stackre épült egy 400 W teljesítményű tüzelőanyag-cellával táplált elektromos kerékpár volt (Tüzelőanyag-cellás kerékpár). Ezután egy 48VDC rendszerekhez tervezett, 3 kW teljesítményű szünetmentes tápegységet építettünk, amit egy hasonló teljesítményű, akkumulátoros hibrid áramfejlesztő berendezés követett. Később ez a hibrid áramfejlesztő lett az alapja a 2013-as Balatonlelllei Boat Show-n bemutatott tüzelőanyag-cellás kishajónk tápellátó rendszerének (FC-kishajó). A Ballard FCgen-1020ACS léghűtéses stack-családon kívül két berendezésben felhasználtuk a cég FCgen-1310 típusú folyadékhűtéses stackjeit is: készítettünk egy 4,5 kW-os szünetmentes áramfejlesztőt, valamint egy hasonló teljesítményű, kogenerációs (hő- és villamosenergia fejlesztésére is alkalmas) berendezést. A fentieken kívül műszaki tanácsadással segítettük a Műszaki Kar által a nemzetközi ECOMarathon versenyre épített Orca versenyautó elkészítését is, melynek első változata a cégünk által biztosított 1,2 kW-os stackről működött.

A tüzelőanyag-cellás berendezések fejlesztésén túl foglalkozunk a kapcsolódó egyéb hidrogén-technológiákkal is. 2012-ben megépítettünk egy napelemekről táplált, elektrolizáló berendezésekkel felszerelt, hidrogéntöltő konténert, melyben egy robbanásbiztos, pneumatikus táplálású nyomásfokozóval tudunk 300 bar-ig hidrogént tölteni palackokba, a 15 bar-os puffetartályból (Napelemmel táplált hidrogéntöltő állomás). 2013-ban pedig, tovább fejlesztve az előző koncepciót, építettünk egy autonóm energiakonténert, mely hálózati betáplálással és napelemekről működtet fogyasztókat, a felesleg energiából pedig elektrolizálóval hidrogént állít elő, melyet egy 30 bar-os puffertartályban tárol, hogy hálózatkimaradás esetén tüzelőanyag-cellával előállított villamos energiával pótolja a napelemek termelését meghaladó fogyasztói igényt (Energiakonténer). Hasonló energia ellátási séma demonstrálására építettünk egy kis, kerekeken guruló bemutató berendezést is, melyben kisméretű elektrolizáló berendezés és tüzelőanyag-cella lett integrálva akkumulátorokkal és inverterrel, valamint napelem-csatlakoztatási lehetőséggel (Hidrogénes energiatároló berendezés).

Az évek során szerzett tapasztalatok alapján a figyelmünk a tüzelőanyag-cella stackek fejlesztése helyett egyre inkább a vásárolt stackeken alapuló berendezés-fejlesztés felé fordult, mivel ez kevésbé időigényes, gyorsabb „piacosítást” lehetővé tevő irány, de a stackek és a komponenseik fejlesztése során szerzett ismeretek felbecsülhetetlen értéket jelentenek a vásárolt stackek berendezésbe építésekor, a működtetésükhöz szükséges BOP (Ballance of Plant) rendszer megtervezésénél és az optimális működési körülmények biztosításánál.

A pályázati projektek után elsősorban a stacionárius alkalmazásokban, azok közül is a szünetmentes tápokban láttuk az üzleti lehetőséget, így ezen a területen folytattuk a fejlesztést. 2014-ben elkészültünk egy moduláris, rackes kivitelű szünetmentes tápellátó rendszerrel, melyből piaci értékesítésünk is született (FC-UPS 2500 – ismertető).

A tüzelőanyag-cellás technológiák 2017-ben világszerte tapasztalt fellendülése hatására mi is felvettük a kapcsolatot több „régi-új” cellagyártóval, és végül a Hydrogenics cégtől sikerült kedvező feltételekkel vásárolnunk egy 15 kW-os, modern tüzelőanyag-cella modult, melyre alapozva már megcélozhattuk a 10 kW feletti teljesítménytartományt. Első ilyen berendezésünk egy kereken gurítható, 15 kW-os áramfejlesztő, mely kis zajterhelése és nulla károsanyag-kibocsájtása miatt kiválóan alkalmas koncertek, fesztiválok és filmforgatások áramellátására (FCPS-15 – ismertető).

A másik terület, ahol a Hydrogenics modulja felhasználásra került, az egy szabadidős tevékenységre szánt, tavi kishajó, ami 15 kW-os villamos motort és egy akkumulátor-tüzelőanyag-cella hibrid tápellátó rendszert tartalmaz, aminek a hidrogénellátásáról egy tölthető, 300 bar-os kompozit palackokból álló tároló-rendszer gondoskodik (H2-evolution jacht). A hajót a 2020 szeptemberében, Balatonkenesén megtartott Boat Show-n mutattuk be.

A jövő fejlesztései közé tartozik a 15 kW-os kishajó nagyobb méretű változatainak megépítése (Hidrogénüzemű elektromos jacht), valamint egy hulladékgyűjtő jármű prototípusának kifejlesztése (Kommunális és haszongépjármű hajtások).

Saját fejlesztéseink ismertetői letölthetők az alábbi listában a címre kattintva


Tüzelőanyag-Cellák

2003. évi Hannoveri vásáron figyeltünk fel egy szinte teljesen elkülönülő kiállítási területen szereplő energetikai újdonságokat bemutató, maximálisan környezetbarát energiatermelő berendezésre. A figyelmünket felkeltő tüzelőanyag-cella egy olyan elektrokémiai átalakító, amely a hidrogén oxigénnel történő katalitikus reakciójával úgy állít elő magas hatásfokon villamos energiát, hogy közben hő szabadul fel. A keletkező melléktermék: víz.

Cégünk régi, és folyamatos törekvése, hogy tevékenységében minél nagyobb arányt képviseljenek a saját fejlesztésű termékek. A Hannoveri vásárlátogatás után eldöntöttük, hogy érdemes lesz megismerni ezt az új technológiát. Bár a tüzelőanyag-cellák története William Grove felfedezésével 1839-ig nyúlik vissza, csak az utóbbi két évtizedben kapott tömeges alkalmazásuk nagyobb figyelmet.

Lépjünk KONTAKTba

Örömmel állunk rendelkezésére tevékenységi köreinkben akár villamosipari gyártás, tervezés, szaktanácsadás, fejlesztés, robotizálás, vagy érzékeléstechnika területeken.

Kapcsolatfelvétel

Oszd meg
ismerőseiddel!