Bezárás

Hidrogén alkalmazása erőgépek hajtására

Írta: Gépmax-2022/VI. lapszám cikke - 2022 december 11.

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.

Hidrogén-üzemanyagcella elvi felépítése
2. ábra. Hidrogén-üzemanyagcella elvi felépítése (forrás: www.ballard.com)

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.

New Holland NH2 hidrogénüzemű traktor
1. kép. A New Holland NH2 hidrogénüzemű traktor (forrás: www.newholland.com)

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.

1. ábra. NH2 hidrogénüzemű traktor kialakításának vázlata – 1. Levegőszűrő és -hűtőrendszer; 2. Hidrogéntank; 3. Üzemanyagcella; 4. Külső villamosenergia-szolgáltatás; 5. Villanymotor; 6. Haladási sebesség szabályozása; 7. TLT-hajtás szabályozása (forrás: www.newholland.com)

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.

New Holland T5.140 H2 Dual Power
2. kép. A New Holland T5.140 H2 Dual Power elnevezésű traktor

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).

DEUTZ TCG 7.8 H2 hidrogénmotor
3. kép. DEUTZ TCG 7.8 H2 hidrogénmotor (forrás: https://www.deutz.com)

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).

4. kép. Liebherr H964 típus jelzésű hidrogénmotor (forrás: www.liebherr.com)

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).

5. kép. Liebherr H964 motor hidrogénbefecskendező (LPDI) rendszere (forrás: www.liebherr.com)

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).

6. kép. Cummins 6.7 Hydrogen motor (forrás: https://www.cummins.com/engines/hydrogen-engines

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).

7. kép. Első hazai mobil hidrogén-töltőállomás (forrás: https://mernokvagyok.hu/blog/2021/04/29/atadtak)

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.

8. kép. Solaris Urbino 12 electric H2 hidrogénüzemű autóbusz (forrás: https://racingline.hu/e-mobility/hidrogen…)

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