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.

A pottyantós dicsérete

enter image description here

A pottyantós WC szemérmes. Elbújik a csalitosba, megkímélve a háziakat a hangoktól, szagoktól, a kosztól.
A pottyantós WC őszinte. Az ami, se több, se kevesebb.
A pottyantós WC bio, öko, tudatos és ezért menő. Nincs víz, nincs villany, nincs környezetszennyezés, csak a porból leszünk, porrá leszünk alaptétel.
A pottyantós WC közösségi élmény. Nincs finnyásság, hogy ki használhatja, ki nem.
A pottyantós WC kaland. Ritkán vezet hozzá kikövezett út. Azt először meg kell találni (este különösen nehéz), csalánon, dzsumbujon, árkon-bokron kell átvágni. Az ember sohasem tudhatja, odaér-e, mire kell. Kerítés nélküli falvakban, sűrűn épült telkeknél nem tisztázott az sem, ez nem a szomszédé-e.
A pottyantós WC egészséges. Már csak azért is, mert a friss levegőn kell elsétálni/futni hozzá.

enter image description here

A pottyantós WC a hely, ahol egyedül vagy, távol mindenkitől, mégsem vagy sosem egyedül (pókok, legyek). Itt fedezheted fel igazán a természet hangjait. :-)
A pottyantós WC megtanít az időt használni. Be kell tudni tervezni, mikor kell oda elindulni, hogy oda is érjünk és akkor érjünk oda, amikor kell. Se előbb, sem később.
A pottyantós WC jellemfejlesztő. Fiúknak főleg. Hogy ne csábuljunk el az útközben bokrok, fák szirénhangjaira.
A pottyantós WC előtt nem kell sorban állni. Végső esetben a természetben mégis minden megoldható.
A pottyantós WC megtanít tisztelni a másikat. Nincs takarítónő. Amit otthagysz más megtalálja.
A pottyantós WC kialakítása a népművészet egzakt megnyilvánulása. Lehet fából, lehet ötvözete fakalibának és fajansznak, lehet tégla és fa ülőke, és minden csupa tégla. Lehet ülőkével, ülőke nélkül. Lehet csak kapaszkodós. Lehet fedéllel és fedél nélkül. Ablakkal és ablak nélkül. Poszterrel és poszter nélkül. Törülközővel, WC papírral, újsággal, kukoricával, vagy anélkül. Lehet ajtóval, lepellel, pokróccal, lehet gyékénnyel. Lehet árnyékban és lehet napon. Lehet sötét, lehet világos. A kreativitás végtelen, az igényesség mérhető.
A pottyantós WC kikapcsolódás nálam. Ennek legfőbb oka, hogy nem használom a mindennapi életben. Nem csatlakozik a rohanás, kapkodás, munka és időbeosztás fogalmaihoz. Nálam inkább a nyaralás, kert, telki buli kategória része, így csakis kellemes élmények jutnak róla eszembe.
Szeretem...