A közúti járműveknél megkezdődött a villamos hajtás alkalmazása. Ma már Magyarországon a környezetkímélő megoldások használatára utaló hatósági zöld rendszámmal 58,5 ezer jármű közlekedik, túlnyomó többséggel személygépkocsi. A villamosított tehergépjárművek száma 1800 körüli, és városi használatban 143 autóbusz rendelkezik zöld rendszámmal. A másik környezetkímélő lehetőséget a hidrogén-hajtás alkalmazása jelenti, ezért érdemes foglalkozni ezzel a megoldással.
A nehézgépjárművek és mezőgazdasági önjáró munkagépek villamosításának megvalósítása szorosan összefügg a villamosenergia járműben való tárolásának problematikájával. Az üzemeltető igényének megfelelő, a zavartalan folyamatos, legalább 10 órás munkavégzés biztosításához, például a nagy terjedelmű és tömegű akkumulátor gyakori és hosszantartó töltése nehézséget jelent. A másik környezetkímélő, CO2-mentes lehetőséget a hidrogén-hajtás alkalmazása jelenti. A hidrogén nem energiaforrás, csak energiahordozó, ezt is elő kell állítani más, például villamos energia felhasználásával.
HIDROGÉN TULAJDONSÁGA
A hidrogén – vegyjele H – a periódusos rendszer első kémiai eleme, a legkönnyebb és leggyakoribb elem a Földön. Normál körülmények között színtelen, szagtalan, íztelen, nem mérgező, nem fémes, egy vegyértékű, igen gyúlékony kétatomos gáz, kémiai képlete H2. Nagyon jól oldódik egyes fémekben, ez metallurgiai szempontból a fémet rideggé és törékennyé teszi, ami megnehezíti a csővezetékek és tartályok tervezését, gyártását.
HIDROGÉN ELŐÁLLÍTÁSA
A hidrogéngázt mesterségesen először a 16. század elején állították elő, fémek és erős savak összekeverésével. Az iparban jelenleg a hidrogént nagyrészt földgáz és vízgőz reakciójával vagy a víz elektrolízisével termelik. Az úgynevezett „szürke” hidrogént kifejezetten energiaigényes gőzreformálási vagy szén-elgázosítási technológiával, földgázból vagy szénből nyerik. Sajnos azonban 1 kg hidrogén előállításakor a földgáz reformálása során kb. 10-11 kg CO2 üvegház hatású gáz is keletkezik. Ha a gyártás során keletkező hidrogén gázban található széndioxidot leválasztják, akkor az így előállított hidrogént „kék” hidrogénnek hívják. Az atomerőműben termelt villamos energiával, elektrolízissel előállított hidrogént „sárga” hidrogénnek nevezik. A „zöld” hidrogén elnevezést a gőzreformálással, biológiai alapú nyersanyagok felhasználásával, vagy a víz elektrolízissel történő bontásával elállított hidrogén kapta, ha a villamos energiát megújuló energiaforrások szolgáltatják. A zöld hidrogén előállítása egyelőre a legköltségesebb. A legtöbb hidrogént a termelés helyéhez közel használják fel. Két legnagyobb felhasználási területe jelenleg a fosszilis tüzelőanyagok feldolgozása (pl.: hidrokrakkolás) és az ammóniagyártás. A hidrogén 5 térfogat %-ban, vagy nagyobb arányban, a lakossági földgázhoz keverve is felhasználásra kerülhet. A hidrogént széles körben alkalmazzák a különböző űrprogramokban: a rakétamotorok üzemanyaga ként is tartamaz.
HIDROGÉN TÁROLÁSA GÉPJÁRMŰBEN
A hidrogén energiasűrűsége nagy, például 100 liter gázolaj energiájával egyenértékű hidrogén tömege csak 12,6 kg. Ezt a hidrogénmennyiséget 20 oC-on és légköri nyomáson csak 240 m3-es tartályban lehet elhelyezni. Ennek a mennyiségnek 25 bar nyomáson való tárolásához lényegesen kisebb térfogatú tartály szükséges, de ennek az acéltartálynak tömege közel 1864 kg. A kis térfogatú, cseppfolyós tároláshoz a hidrogént légköri nyomáson 20,2 K (mínusz 252,8 oC) hőmérsékletre kell hűteni.
A gépjárműben és a mezőgazdasági erőgépekben a hidrogén tárolásának megoldása – az előbbiek alapján – nem egyszerű feladat. Kisebb futásteljesítés/üzemidő esetén 200÷700 bar nyomásra összesűrített hidrogént használnak korszerű, könnyű, de erős pl. kevlár/kompozit anyagú tartályokban tárolva. Nagyobb üzemidőt a kis térfogatú cseppfolyós hidrogénnel lehet biztosítani, amelyet 6 bar nyomáson, speciális ipari termoszban cryo-tankban tárolnak. A hidrogén tárolható úgynevezett hidridtankban (hidrogén-akkumulátorban) is, ahol a fémötvözetek kristályrácsaiba elnyeletett hidrogént hő hatására szabadítják fel. Gépjárműveknél a hidrogén felhasználására két eljárás használata kezdődött el.
Az egyik üzemanyagcellás hidrogénegységgel elállított, villamosenergiával működtetett villanymotoros hajtás, a másik pedig a belső égésű, dugattyús motor hajtóanyagaként mechanikus hajtás megvalósítása. A közlekedési szektorban a kezdeti figyelem az üzemanyagcellás hidrogénnel működő elektromos járművekre összpontosult. Az utóbbi időben a belső égésű motorral hajtott, hidrogénüzemű járművek is fokozott figyelmet kapnak, különösen a közepes és nehéz teherszállítási és ipari alkalmazások körében.
HIDROGÉN-ÜZEMANYAGCELLA ALKALMAZÁSA A TRAKTORTECHNIKÁBAN
Az első hidrogén-üzemanyagcellás traktormegoldást 2009-ben a New Holland NH2 jelöléssel mutatta be (1. kép). A hidrogénüzemű traktort a T6000-es traktorcsalád alapgépéből alakították ki.
A belső égésű motor helyett a hajtást üzemanyagcella által szolgáltatott villamos energia és villanymotor látta el (1. ábra). A hidrogén-üzemanyagcella működése nem okoz környezetszennyeződést.
A traktor hidrogén-hajtáslánc maximális teljesítménye 78 kW (106 LE) volt, és 8,2 kg 350 bar nyomáson sűrített hidrogént vitt magával, amely csak 3 órás mezőgazdasági munkavégzésre volt elegendő.
A hidrogénnel működtetett üzemanyagcella (Ballard Power Systems) elvi kialakítását a 2. ábra szemlélteti. A több cella sorba kapcsolásával nagyfeszültségű egyenáram nyerhető.
HIDROGÉNÜZEMŰ BELSŐ ÉGÉSŰ MOTOROK
A hidrogén jó dugattyúsmotor-hajtóanyag, de tulajdonságai eltérnek a benzintől, gázolajtól. A hidrogén oktánszáma 130 körüli, fűtőértéke több mint kétszerese a benzinének, de sztöchiometriai (kémiailag szükséges) összetétel esetén a hidrogén–levegő-keverék fűtőértéke kb. 20%-kal kisebb, mint a benzin-levegő keveréké. A hidrogén–levegő-keverék gyulladásienergia-szükséglete igen kicsi, és széles sávban, 4-74%-os keverék esetén képez éghető keveréket. Emiatt a motor „kopogásos” üzemre hajlamos, de CO2-szennyeződést nem okoz. A motorba jutó hidrogén–levegő-keverék előállítása általában a szívócsőbe vagy közvetlenül a motorba fecskendezett hidrogén mennyiségével valósul meg.
A szikragyújtású hidrogénmotor kialakítása viszonylag egyszerűbb. A hidrogén magas öngyulladási hőmérséklete miatt kompresszió gyújtású (dízel) motorban közvetlenül nem alkalmazható, de kis mennyiségű gázolaj-befecskendezéssel együtt igen. A hidrogénüzemű, dugattyús belsőégésűmotor-kínálatból példaként néhányat röviden bemutatunk.
New Holland T5.140 H2 Dual Power traktor
A hollandiai Scholmann építőipari vállalkozás New Holland T5.140 H2 Dual Power elnevezésű traktorokat használ (2. kép). A T5.140 alapmodellek FPT NEF négyhengeres, soros, 4,5 literes dízelmotorjának hidrogéngázolaj befecskendező üzemanyag-ellátó rendszerét a Blue Solution cég alakította ki. A Stage V motorral felszerelt traktorok legfeljebb 65%-os hidrogénkeverékkel vagy tiszta gázolajjal működtethetők. A traktorfülke tetején öt darab hengeres gáztartályban, 350 bar nyomáson, 11,5 kg hidrogén tárolható, amely nyolcórás üzemeltetéshez elegendő, és eközben 40-45%-kal csökken a CO2-szennyezés. Az első hidrogéngázolaj és gázolaj kettős üzemeltetésű traktor 2020-ban állt munkába.
DEUTZ TCG 7.8 H2
A német DEUTZ AG piacra dobta a TCG 7.8 H2-t, a cég első hidrogénmotorját, amely zéró CO2-kibocsátású, nagyon csendes, és alkalmas közúti, mezőgazdasági, energiatermelési feladatok ellátására (3. kép).
A TCG 7.8 H2 hidrogénmotor szikragyújtású, hathengeres, soros, 7,8 literes, 200 kW névleges teljesítményű, és elvileg minden jelenlegi DEUTZ-alkalmazáshoz felhasználható. A rendelkezésre álló H2-t a hiányos infrastruktúra miatt valószínűleg először helyhez kötött berendezésekben, generátorokhoz és vasúti közlekedésben fogják alkalmazni.
Liebherr H964 hidrogénmotor
A svájci Liebherr vállalat a CO2-kibocsátás drasztikus mérséklése céljából hidrogénmotorokat kínál közúti és ipari alkalmazásokhoz, 6-16 literes lökettérfogattal, a 200-450 kW teljesítménytartományban. Jelenleg a H964es, soros, négyhengeres és a H966 jelölésű, soros, hathengeres hidrogénmotor érhető el. (Ez utóbbi motor szívócsőbe fecskendezett hidrogénnel, szikragyújtással üzemel).
A Liebherr H964 típus jelzésű hidrogénmotor soros, négyhengeres gyári elnevezéssel, DI technológiával felszerelt hajtóanyag-ellátó rendszerrel rendelkezik (4. kép).
Ebben az esetben a hidrogént közvetlenül az égéstérbe fecskendezik be, míg a gyújtást elősegítő gázolajat a szívócsőbe fújják be.
A hidrogénhez alacsony nyomású, közvetlen befecskendezéses (LPDI) rendszert használnak (5. kép).
A motor beállításától függően a maximális befecskendezési nyomás értéke 30-60 bar lehet. A Liebherr integrált hajtóanyag-bejuttatási megoldásra törekszik, ezért a hidrogénbefecskendező rendszer felépítése a dízel üzemanyagokra jellemző, közös nyomócsöves megoldást követi.
Cummins 6.7 Hydrogen
A Cummins Inc. amerikai nagymotorgyártó is elkötelezett a gyorsan fejlődő, nulla CO2-kibocsátású, hidrogénüzemeltetésű, belső égésű motortechnológia fejlesztésében. A Cummins B6.7 dízelmotor hidrogénüzemű változata felhasználható könnyű és közepes teherautók, építőipari és mezőgazdasági gépek stb. üzemeltetésére.
A Cummins 6.7 Hydrogen hathengeres, soros, 6,7 liter lökettérfogatú turbótöltős, szikragyújtású, szívócsőbe juttatott hidrogénnel üzemelő motor névlegesen 216 kW (290 LE) teljesítménnyel és 1200 Nm-es csúcsnyomatékkal rendelkezik (6. kép).
Ennek a csendes üzemű hidrogénmotornak a teljesítménye megegyezik a dízelmotoros változattal, és járműbe építése is kompatibilis (ugyanazt a sebességváltót, hajtásláncot és hűtőrendszert lehet használni).
NÉHÁNY HAZAI EREDMÉNY
Első hazai mobil hidrogén-töltőállomás
Budapesten 2021. április 29-én a Linde Gáz Magyarország Zrt. telephelyén átadták az első hazai mobil hidrogén-töltőállomást (7. kép).
Ezzel lehetőség nyílt, hogy hidrogénüzemeltetésű járművekhez próbaüzemeltetés céljából üzemanyaghoz jussanak a vásárlók. A hidrogén-töltőállomások kiépítése Európában elkezdődött, számuk kb. 150-re tehető, de például Ausztriában is csak 5 helyen vásárolhat a nagyközönség hidrogént.
HIDROGÉN MEGHAJTÁSÚ AUTÓBUSZ MAGYARORSZÁGON
A hazai Zöld Busz Program keretében év elején, február 11-től március 6-ig Vecsés és a főváros között a Volánbusz demonstrációs üzemeltetésében hidrogénhajtású autóbusz közlekedett. A közforgalmú személyszállítást Solaris Urbino 12 electric H2 típusú, 89 utas szállítására alkalmas, háromajtós, 12 méter hosszú autóbusz látta el (8. kép). A buszban egy 70 kW teljesítményű hidrogén-üzemanyagcella és villanymotoros hajtásrendszer működött. A jármű tetején elhelyezett, összesen 1560 literes kompozit hidrogéntartályokban 350 bar nyomáson, 36,8 kg hidrogéngázt lehet tárolni, amely 350400 km út megtételéhez volt elegendő.
HIDROGÉNTECHNOLÓGIASZAKMÉRNÖK KÉPZÉS MAGYARORSZÁGON
A Pécsi Tudomány Egyetem Műszaki és Informatikai Kar képzési kínálatában szerepel Magyarországon először „Tüzelőanyag-cella és hidrogéntechnológia-szakmérnök/-szakember” képzés indítása. Az Informatika és Villamos Intézet gondozásában folyó szakirányú továbbképzés elméleti és gyakorlati ismereteket nyújt a tüzelőanyag-cellák mint villamosenergia-termelő berendezések, továbbá a hidrogénalapú energiatárolási rendszerek megtervezéséhez és üzemeltetéséhez. A jövőben várható más oktatási intézményeknél is a hidrogén ipari felhasználásával foglalkozó szakterületek ismeretanyagának oktatása.
HAZAI HIDROGÉN-TECHNOLÓGIAI FEHÉR KÖNYV
2021. június 4-én mutatták be az érdeklődőknek a hazai hidrogénstratégiát tartalmazó két dokumentumot. A hidrogén-technológiai Fehér Könyv több mint 300 oldalas, stratégiai megalapozó tanulmánynak tekinthető a hazai hidrogén- és hidrogéntechnológiai szektor fejlesztéséhez. A Fehér Könyv tervezetére építve készült, és május végén a kormány el is fogadta a „Nemzeti Hidrogénstratégiát” tartalmazó dokumentumot. A hazai helyzet azt mutatja, hogy a hidrogéntechnikát elsősorban a felhasználói igények, elképzelések motiválják és nem a kínálati lehetőségek. Az uniós és hazai erőfeszítések a hidrogénstratégiai célok megvalósításával ezen kívánnak 2050-ig sikeres eredményeket elérni.
Dr. Varga Vilmos ny. okl. gépész- és villamosmérnök
