A hidrogénenergia

Ha a hidrogénre gondolunk, talán a legavatatlanabb embereknek is beugrik, azon kívül, hogy a periódusos rendszer első eleme az, hogy ez egy a levegőnél könnyebb, éghető gáz. Aki egy kicsit jobban is odafigyelt az általános iskolai kémia órán az azt is tudhatja, hogy oxigén jelenlétében vízzé ég el. Éppen ezért ha a hidrogénhajtású autókról, egyéb eszközökről beszélünk, joggal gondolhatnánk, hogy ezekben egy sima benzin vagy gázüzemű motorhoz hasonló, belsőégésű motorban égetjük el a hidrogént, így meghajtva a járművünket. Kézenfekvő lenne, de nem ez a helyzet.

Miért nem így használjuk akkor a hidrogént?

A hidrogén ily módon történő eltüzelése, bár nem jár közvetlenül szén-dioxid keletkezésével, de korántsem mondható se környezetbarátnak se gazdaságosnak.
A hidrogén magas égési hőmérsékletén egyéb nem kívánt reakciók is lejátszódhatnak. Az egyik ilyen a beszívott levegő nitrogéntartalma és az oxigén között játszódik le. Ily módon nitrogén-oxidok (NO, NO2, N2O) keletkezhetnek, melyeknek nagy szerepe van többek között a savas esők és a „Los Angeles típusú” szmog kialakulásában.
Nitrogén-oxidok, természetesen a benzinmotorokban is keletkeznek, melyek lebontása már megoldott.
A kipufogórendszerbe épített katalitikus átalakítók (hétköznapi néven csak katalizátorok) egyik fő feladata éppen ez. Ennek ellenére egyszerűbb a keletkezésüket megelőzni, mint később átalakítani őket.
Arról nem is beszélve, hogy az autó katalizátorok az üzemi hőmérsékletük eléréséig, nem képesek a nitrogén-oxidok (és egyéb anyagok) átalakítására, így a beindításuk után elkerülhetetlenül nagyobb szennyezéssel járnak.
A másik nagy baj a belső égésű motorokkal, a működési elvükből adódó zaj. A zajszennyezés, még a legmodernebb motorokkal ellátott autóknál sem elhanyagolandó. Ez minden ember életminőségét rontja, aki olyan környezetben él ahol jelentős az autóforgalom. A sok mozgó alkatrész esetén jelentős a kopásból származó elhasználódás is. Az utolsó és legfontosabb ok, pedig a belső égésű motorok alacsony hatásfoka. A fizika törvényei egyszerűen meggátolják, hogy egy bizonyos szint felé emelkedjen (~40%), mivel a felszabadult energia jelentős része hő formájában elvész. Jogos tehát a kérdés, hogy akkor, hogy használhatjuk fel a hidrogénben rejlő energiát, úgy, hogy az meg is érje? A válasz erre pedig az üzemanyagcella.

enter image description here

Az üzemanyagcella vagy más néven tüzelőanyag-cella vagy tüzelőanyag-elem egy olyan eszköz, amely elektromos áramot és hőt állít elő valamilyen anyag (a tüzelőanyag) oxidációjával. Tehát közvetlenül alakítja át a kémiai energiát elektromos energiává, ezért magasabb hatásfokkal üzemelnek, mint a belső égésű motorok, de valamennyi felesleges hőt az üzemanyagcellák is termelnek. (1) Nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, így sokkal csendesebbek, mint a hagyományos megoldások. A tüzelőanyag leggyakrabban hidrogén, de léteznek alkohollal, szénhidrogénekkel, cukrokkal és más oxidálható anyagokkal táplált cellák is. Az oxidálószer leggyakrabban oxigén, amelyet a levegőből nyernek. A cellák működésükben és felépítésükben hasonlítanak az elemekhez és az akkumulátorokhoz. Azokkal ellentétben azonban nem csak véges mennyiségű energia eltárolására alkalmasak, hanem addig képesek elektromos áram előállítására, amíg tüzelőanyagot táplálunk beléjük. A többi elektrokémiai cellához hasonlóan az üzemanyagcella is egy anódból, egy katódból és a közöttük lévő elektrolitból áll, az általános felépítésüket az alábbi ábrán láthatjuk.

enter image description here

Anódnak nevezzük az oldalt, ahova a tüzelőanyagot vezetjük, míg a katód az, ahova az oxigén. Az anód oldalon oxidálódik a tüzelőanyag (elektront ad le), a katódoldalon pedig az oxigén redukciója, (elektronfelvétel) játszódik le. Az így keletkezett töltéssel rendelkező részecskék, azaz ionok (ezen az ábrán protonok) a rájuk nézve vezető elektroliton átjuthatnak, míg az elektronok egy elektromos hálózaton keresztül kell haladniuk, ahol meghajthatnak egy fogyasztót. A lejátszódó reakció gyakorlatilag egy megfordított elektrolízis. A hidrogénből és az oxigénből víz keletkezik. Ezt a reakciót nevezhetjük a hidrogén ,,eltüzelésének”, innen származik a tüzelőanyag-cellák neve. (1)
Működési hőmérsékletük és az elektrolit típusa szerint több különböző cellát különböztetünk meg, de ezekre, most jelenlegi bejegyzésemben nem térnék ki. Az autóiparban leggyakrabban használt típus a protoncserélő membrános tüzelőanyag-cellák, melyek alacsony hőmérsékleten üzemelnek, így megvan az az előnyük, hogy gyorsan elérik az üzemi hőmérsékletüket. A bennük található elektrolit egy ellenálló, szilárd protoncserélő polimer membrán. (1) (2)

Ha ilyen jó dolog a tüzelőanyag-cella, akkor miért nem terjedtek el jobban?

Bár átlagemberként lépten-nyomon nem futunk bele ebbe az eszközbe, attól ez a technológia se nem új se nem ritka. A hadiiparban és az űrtechnológiában is jó ideje használják. Már a holdra szálláshoz használt Apolló űrhajók energiaellátásáért is egy üzemanyagcella felelt.
A hétköznapokban való elterjedésüket, viszont több tényező is gátolja.
Az egyik ilyen, maga a leggyakoribb tüzelőanyag a hidrogén. (Természetesen, mint említettem más tüzelőanyagot használó cellák is, de kevésbé elterjedtek és természetesen azoknak is megvannak a saját buktatóik.)
A hidrogén, noha az világegyetem leggyakoribb eleme, a Földön elemi formában nagyon kis mennyiségben fordul elő. Ennek az oka egész egyszerűen abban keresendő, hogy a kis tömege miatt könnyebben elszökik a Föld gravitációjából, mint más gázok. Vegyületei, mint a víz vagy a szénhidrogének, már jóval gyakoribbak, előállítani is ezekből lehet. Bár a víz elektrolízisét, is alkalmazzák, de iparilag sokkal jelentősebb a földgáz alapú előállítás, melyet a földgáz gőzreformálásának nevezünk. Ennek során ugyanúgy szén-dioxid keletkezik, mintha csak elégetnénk a földgázt, így az e forrásból származó hidrogén nem is nevezhető környezetbarát tüzelőanyagnak. Ellenben jóval olcsóbb jelenleg, mint a vízbontás.
A hidrogén tárolása is problémás. Mint a legkisebb elem, könnyen átdiffundál a legtöbb anyagon és egyszerűen elszökik a levegőbe, ezért nem mindegy hogy tároljuk. A hidrogén szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú, így bár az energiasűrűsége tömegre vonatkoztatva kiváló, de térfogatra vonatkoztatva nagyon alacsony. [Körülbelül 10 m3 hidrogéngázt kell elégetnünk, hogy annyi energiát nyerjünk, mint 1 gallon benzin elégetésével. (3)
Éppen ezért a sűrített hidrogén (350-700 bar) a legegyszerűbb és a legelterjedtebb megoldás jelenleg. (3) Bár semmivel sem veszélyesebb, mint a benzin, de az embereket, mégis nehéz meggyőzni, hogy egy sűrített hidrogéntartály felett üljenek, miközben a gyereket viszik iskolába. A további lehetőségek között felmerülhet a hidrogén tárolása folyékony halmazállapotban, hiszen ez már jól bevált rakéta hajtóanyagként is. A hidrogént a forrpontja alatt (-253 °C) tartani, viszont meglehetősen energiaigényes. Jelenleg a legígéretesebbek azok a megoldások, ahol a hidrogént valamilyen nanostruktúrában vagy fém-hidrid formájában tárolják, de ezek még kutatási fázisban vannak.
Továbbá fontos, hogy egyszerűen nincs meg a megfelelő hidrogén infrastruktúra, ezért kevésbé versenyképes a hagyományos technológiákkal. Egy ember, ha új autót szeretne, kétszer is meggondolja, hogy hidrogénhajtású autóba fektessen, ha megtudja, hogy még az ebből a szempontból legjobban álló Németországban is kevesebb, mint 80 hidrogén töltőállomás áll az emberek rendelkezésére.
A tüzelőanyag-elemek legnagyobb vetélytársát, az elektromos autókat, legalább otthon is töltheti az ember, nem is beszélve arról, hogy az elektromos töltőállomások szerte a nagyvilágban, lassan minden sarkon megtalálhatók. Végső soron talán a legfontosabb gátja az üzemanyagcellák elterjedésének, a magas áruk. Különösen a bennük használt katalizátorok, például a platina növeli meg az előállítás költségeit. 2020 februárjában, a platina árfolyama unciánként (31,1g), 1000 USD körül mozog.
Bányászható mennyiségben pedig csak néhány országban fordul elő, ahol csak rendkívül környezetkárosító módon lehet kinyerni. Éppen ezért a kutatások egyik fontos célja, hogy alternatív, nem nemesfém alapú katalizátorokat találjanak.
Mindezek ellenére a tüzelőanyag-cella technológia igazán ígéretes és hiszem, hogy a közeljövőben robbanásszerűen el fog terjedni, mivel már a döntéshozók is egyre inkább hajlanak rá. Bízom benne, hogy rövidesen megépül Magyarország első hidrogén töltőállomása is és nem csak egy lesz a be nem váltott ígéretek sorában.

Lábjegyzet:
(1) Cooper K. R.; Ramani V.; Fenton J. M.; Kunz H. R.; Experimental Methods and Data Analyses for Polymer Electrolyte Fuel Cells. Scribner Associates, Inc., Southern Pines. North Carolina. USA (2012).
(2) O'HAYRE, Ryan, et al. Fuel cell fundamentals. John Wiley & Sons, 2016.
(3) EBERLE, Ulrich; MÜLLER, Bernd; VON HELMOLT, Rittmar. Fuel cell electric vehicles and hydrogen infrastructure: status 2012. Energy & Environmental Science, 2012, 5.10: 8780-8798.