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.

Buszozunk

A cím helyesebb lenne úgy, hogy buszozunk és autózunk. Egyik faluból a másikba és vissza, városba be és vissza, kinek mi a programja.
Az utak rosszak, de mivel a gyerekek a szomszéd faluba járnak óvodába, iskolába, ezért a forgalom általában kimerül abban, hogy az őzikéket és az egerészölyveket számoljuk, a settenkedő cicákat nézzük. Ritkábban, de akad út szélén üldögélő rókakoma, út közepén a ködben álldogáló szarvas és nyaranta az út szélén kelepelő gólya.

enter image description here

Janka fotója

Reggel autózunk, délután mindenki busszal jön már haza. Az anyukák a megállóban várják a gyerekeket - ez az egyik igazi helye a falusi trécselésnek.
A mai napig döbbenetes átélni azt a végletességet (azt az éles váltást), ami a gyerekek nélküli csend és a gyermeki léttel járó hangosság között van. Egy pillanat az egész: az előbb még halk zörejek, lehelet finom vagy távoli hangok, neszezések hallatszottak csupán, a következő pillogáskor pedig már a fizikai zsizsegést kísérő erős hanghatások vesznek körül. Jó. Vicces. Néha fájdalmas. Néha várakozós. Néha kapkodós. Megunhatatlan.
Ha munkából érkezek, akkor fél órám van itthon arra, hogy begyújtsak, elindítsam a házat és máris hazarobban valamelyik skac, vagy az összes egyszerre. Mindig mindenki éhesen érkezik haza.
Nem iskolabusszal járnak a gyerekek, hanem távolsági busszal. Először furcsának tűnt nekem, de az iskolásoknak tényleg biztonságos és életszerű. Az összes sofőrt ismerjük, szeretjük. Két megálló - tíz perc. Integetés, bólintás. Az elhagyott cuccok mindig előkerülnek - valaki mindig akad, aki tudja, hogy milyen címre kell eljuttatni.
Buszozni is tanulni kell, de vidéken két nap alatt minden lényeges tudnivalót át lehet adni: egy helyi szokásrendszer részesei vagyunk.
Egy vágyunk van csak: olyan buszokat szeretnénk, aminek az elején van biciklitartó (Santa Barbarában és a fiúk legó városában ez valóság!) - beérve a városba egyszerűen csak két kerékre váltana az ember. Talán, talán....

enter image description here

Autózunk

Olyan helyen lakunk, ahol a házunk felett hattyúk szállnak, a fákon mókusok kergetőznek, a kertben pedig nyulak vendégeskednek (ennek Robi annyira azért nem örül, tekintve, hogy a hívatlan nyuszi-vendégek az áfonyabokraiból lakmároznak).

enter image description here

És olyan helyen lakunk, ahol már rég elfogyott az útról az aszfalt, a kukásautó télen hólánc hiányában olykor egész egyszerűen nem viszi el a szemetünket, és úttakarítási munkálatokkal sem kényeztetnek el minket túlságosan. Ez az a bizonyos "valamit valamiért". Teljes mértékben a mi választásunk! Dimbes-dombos környék, kanyargó utak, tekergő folyócska, csendes zsákutca négy házzal... Lehet ennek ellenállni? Bizonyára, de én nem tudtam! Nyugodt, természetközeli, és mégsem Isten háta mögötti hely! Hozzáteszem: ha van autónk. Vagy inkább: két autónk...

Autóval igazán kényelmes: Robi negyed óra alatt a munkahelyén van. Mi (=én+gyerekek) pedig ritkán ülünk tíz percnél tovább az autóban, hiszen többnyire csak a szomszédos kisvárosig, Alavusig megyünk. Ádám óvodája 3 kilométer, kisbolt úgyszintén, nagyobb bolt, orvosi rendelő, városközpont (városháza, posta, bank, templom, könyvtár stb.) pedig 6-7 kilométer. Én különösen tudom értékelni ezt a kényelmet, hiszen világéletemben tömegközlekedtem. Szóval amikor az otthoniak azt kérdezik tőlem, hogy bírom ezt a hideget, ezt szoktam válaszolni: Magyarországon sokkal többet fáztam! Itt nem ácsorgok buszmegállókban, várva a csodát, na meg a téli ruhatáram is megkomolyodott kissé.

Van egy remek találmány, amivel a téli autózás jelentősen komfortosabbá tehető. Ez az elektromos autómelegítő, amivel indulás előtt előmelegíthetjük a motort és az utasteret. Robinak időzítős van, én pedig távirányítóval kapcsolom be a fűtést hőmérséklettől függően akár már 2 órával indulás előtt. A képen pedig egy - lakók vagy dolgozók számára fenntartott - parkoló látható, ahol oszlopokra helyezett dobozokban található a konnektor a motor-előmelegítő számára:

enter image description here

enter image description here

Ami az autós közlekedést illeti, nagy könnyebbséget jelent nekem a gyér forgalom, és az általában jellemző nyugodt vezetési stílus. Jövet-menet látom, hogy olyanok is volán mögé ülnek - nagyon idős emberek, járni alig tudók - akik otthon valószínűleg jogosítványt se kaphatnának. Talán ezért is türelmesebbek, toleránsabbak itt a sofőrök: tudják, hogy sokan vezetnek kényszerből.

Itt a vezetést nem a többi jármű nehezíti, hanem a természet. Különösen a téli vezetés nem egy leányálom: az utak havasak-jegesek-latyakosak, és ehhez jön még a sötétség is tél derekán a nap jelentős részében. Az autókon szöges gumi van (igaz, nem kötelező, de szerintem őrült, aki nem használja), ami sokat segít, de adódnak helyzetek, amikor még ez is kevésnek bizonyul. Van is ehhez kapcsolódó friss történetem... Múlt hét elején nagyon hideg volt: mínusz 27 fok. Aztán pár nap alatt gyors felmelegedés, plusz néhány fokra. Az utak csütörtök reggelre jégpályává váltak. Említettem már, hogy a környékünkön nem gondozzák túl az utakat. Kora délután Ádámot kellett vinnem valahová, nevezzük jobb híján hittanos napközinek. Az utcánkból kikanyarodva nekiveselkedtem az emelkedőnek, de akkor az autó elkezdett egészen mást csinálni, mint amit szerettem volna: szöges gumi ide vagy oda, megpördültek a kerekek, és már ott is álltam keresztben az úton, hoppá! Meglepődés, lélekjelenlét pillanatnyi elvesztése majd visszanyerése. Visszatolattam a jobb oldalra, de az autó nem akart újra elindulni a jeges emelkedőn. Fogalmam sincs, mihez kezdtem volna, ha nem jön a segítség. Van egy rendkívül pozitív élményem ebben az országban: ha szorult helyzetbe kerülök (párszor már megesett...), valaki mindig ott terem és segít! Ez alkalommal egyszerre ketten is: először a postásunk, aztán egy környékbeli férfi, aki épp akkor jött szembe a terepjárójával. Rögtön megállt, kipattant a kocsiból, váltott pár szót a postással, aztán kikapott egy vödör homokot a csomagtartójából (micsoda felkészültség!), és már szórta is a kerekeim elé. Tanácsokkal látott el (ne nyomjam olyan vadul a gázpedált), még kaptam egy kis kezdőlökést és végre elindultunk, köszönöm, köszönöm! Eső után köpönyeg, azért ideért hozzánk is a traktor a homokkal:

enter image description here

Végezetül egy kis körkép, mivel lehet mifelénk még autón kívül közlekedni. A teljesség igénye nélkül, csak azok alapján, amit látok, tapasztalok magam körül:

Gyalog, bármilyen időjárási viszonyok között.

Biciklivel, szintúgy. Állítólag biciklihez is lehet szöges gumit kapni! Több környékbeli kisgyerek jár ilyenkor télen is kerékpárral iskolába. (Ezt az iskolákban szorgalmazzák is nagyon.) Én ezt egy ismerős testvérpár konkrét esetében oda-vissza kb. 8 kilométernek számolom. Hozzáteszem: nem könnyű terep! Vagány kölykök, nem? De lakik például a közelben egy idősebb házaspár: ők is biciklivel járnak át a mínusz 28 fokban is bevásárolni Alavusba, mivel itt a faluban nincsen bolt már sok-sok éve.

enter image description here

enter image description here

Motorkerékpárral. Ez nagyon népszerű a fiatalok (és örök fiatalok) körében.

Télen úgynevezett "potkukelkkával" (a szótár szerint taposószán). Ez egy lábbal hajtott szánkó, az ülésre kisgyerek vagy csomag helyezhető. Mi is "örököltünk" egyet, egyszer próbáltam: nem is olyan egyszerű (főleg a mi környékünkön...), gyakorolni kell!

enter image description here

Taxival. Ezzel is szállítanak iskolás gyerekeket. Meg idősek is igénybe vehetik, úgy tudom, támogatottan.

enter image description here

Busszal, alig-alig. Van tőlünk 1 kilométerre egy buszmegálló, de utánanéztem: napi egyetlen buszjárat közlekedik (csak munkanapokon), az iskolások órarendjéhez igazítva, tehát elsősorban nekik szánva.

Felsorolás vége. Nagyvárosokban bizonyára más a helyzet, ez itt viszont a finn vidék a javából. És én pont ilyennek szeretem.