2017 november 19

RSS Facebook

2011. november 11. péntek, 13:58

Üzemanyagcellák

Értékelés:
(0 értékelés)


Az elektromos energia elérhetősége az egyik legfontosabb kérdés manapság. Hacsak megnézünk egy modern háztartást, akkor azt látjuk, hogy észrevétlenül szaporodnak elektromos energiát követelő eszközeink: laptop, televízió, iPad, iPod, mobiltelefonok, és még sorolhatnánk. De a háztartáson kívül is millió eszköz kíván elektromos energiát.



A repülésben és az űrhajózásban (valamint az autózásban és a hajózásban) a fedélzeti energiaellátás élet-halál kérdése lehet.

Elektromos energiát nagyon sokféle módon tudunk előállítani: hőerőműben, atomerőműben vagy szélgenerátorral és napelemmel, hogy csak a legtöbbször a szemünk elé kerülő forrásokról beszéljünk. Azon járművek fedélzetén, ahol belső égésű motorral oldjuk meg a jármű alapvető hajtását, mintegy melléktermékként tudunk elektromos energiát előállítani. Ebben az esetben a viszonylag nagy rendelkezésre álló teljesítményt csapoljuk meg, és alakítjuk át az üzemanyagban (általában benzinben, gázolajban, kerozinban) tárolt energiát villamos árammá.

A repülőgépek fedélzetén a generátor által termelt elektromos áramot akkumulátorokban tároljuk. A tárolás egyrészt megoldja az esetleges teljesítményhullámzást, másrészt biztosítja, hogy generátorkimaradás esetén is legyen a fedélzeten tápellátás az elektromos eszközök számára. De jól tudjuk, hogy az akkumulátorok elektromos kapacitása véges, valamint a ma alkalmazott eszközök nehezek, és a bennük tárolható elektromos energia a súlyukhoz képest kicsi. Jól érzékelhető a tárolási hiányosság a hibrid autók menetteljesítményében: csak akkumulátoros üzemben a legtöbb autó csupán néhányszor tíz kilométert képes megtenni.

Ha pedig olyan helyekre gondolunk, mint például az űrállomás vagy az űrsikló, akkor az akkumulátorok és a valamilyen égéssel hajtott motorokra szerelt generátorok szóba sem jöhetnek. Az energiaínség viszont megkívánja, hogy a közeljövőben teljesen elektromos energián alapuló autókat, hajókat és repülőgépeket is építsünk – de ehhez új áramforrásokra van szükségünk. És hacsak a közvetlen környezetünkben lévő laptopokra gondolunk: milyen jó lenne, ha egy feltöltéssel hetekig lehetne őket használni…

A jövő egyik megoldása lehet az úgynevezett üzemanyagcella, amely valamilyen kémiai reakció útján közvetlenül állít elő elektromos energiát. Az üzemanyagcella sem „perpetuum mobile”, azaz itt is szükség van az üzemanyag (legtöbbször hidrogén és oxigén) folyamatos betáplálására ahhoz, hogy átalakításuk után villamos energiát tudjunk kivenni. Legalább hét-nyolcféle üzemanyagcella létezik, és ezek közül jelenleg az úgynevezett PEMFC, azaz „Polymer exchange membrane fuel cell” látszik a legjobban alkalmazhatónak a mindennapi életben. Néhány faktor, amely meghatározza hétköznapi alkalmazhatóságukat: üzemi hőmérséklet (vannak olyanok, amelyek több száz fokon működnek, ezek nyilván sokkal nehezebben kezelhetők), fagyveszély (mivel vizet termelnek, ezért kérdéses a viselkedésük fagyban), érzékenységük a hidrogén és az oxigén tisztaságára (a jövőben nyilvános kutakból vehetjük a hidrogént, ezért a minőség terén meglehetősen nagy toleranciára lehet szükség) – hogy csak a legfontosabbakat említsük.

Az üzemanyagcella tömeges alkalmazásához az is kell, hogy ennek az erőforrásnak az előállítási ára versenyképes legyen a jelenlegi árakkal, még akkor is, ha tudjuk, hogy a fosszilis üzemanyagok hamarosan kifogynak. A megcélzott ár 35 dollár kilowattonként, míg a jelenlegi legjobb üzemanyagcellák is csak kilowattonként 80 dollár körüli árért készíthetők el. Ez leginkább a jelenleg alkalmazott belső anyagok árától függ, amelyek ahhoz kellenek, hogy a bevezetett hidrogén és oxigén egyesülni tudjon. Maga a hidrogén és az oxigén viszonylag olcsón előállítható, bár ahhoz, hogy később világméretű kiszolgálóhelyek létesüljenek, még óriási beruházásokra van szükség: kutakra, tartályokra, szállításra, tárolásra.


Az üzemanyagcella működési elve a következő: az úgynevezett katódra bevezetett hidrogént a katód szétválasztja, és a felszabaduló elektront vezetjük el, hogy elvégezze a „hasznos munkát”. Az anódra visszaáramlik a „munkából visszatérő” elektron, a cellában maradt hidrogénion az anódon bevezetett oxigénnel egyesül, és víz lesz belőlük. Az ezen az elven működő üzemanyagcellák üzemelnek jelenleg a nemzetközi űrállomáson és az űrsiklókon is. Ezek egyrészt kiegészítik a napelemek energiaellátását a „sötét időkben”, másrészt biztosítják az űrsikló teljes fedélzeti áramellátását (ahol napelemet nem lehet alkalmazni).

Ha energiaátalakításról beszélünk, feltétlenül számolnunk kell az egyes átalakítások hatásfokával. Meglepőnek tűnik, de sajnos igaz: egy belső égésű repülőmotor hatásfoka alig több mint 20 százalékos, a többi energia hő formájában távozik a levegőbe. Ha megnézzük az elektromos motorok hatásfokát, akkor számolnunk kell az elektromos áram előállítási, tárolási és mechanikai munkává való átalakításának hatásfokával is. Néhány szám: egy átlagos, valamilyen égéssel energiát előállító erőmű 40 százalékos, az akkumulátor feltöltése/kisütése 90 százalékos és a motor 70 százalékos hatásfoka után a véghatásfok ezek szorzata, azaz mintegy 26 százalékos. Viszont ha az induló elektromos áramot vízi erőművel állítottuk elő (azaz nem égettünk semmit), így egy elektromosan hajtott jármű (repülő vagy autó) hatásfoka akár 65 százalékos is lehet. Ez mindenképpen jobb, mint a belső égésű motorok hatásfoka, nem is beszélve arról, hogy mi lesz, ha elfogy az olaj…

Az üzemanyagcellával hajtott jármű hatásfoka, annak köszönhetően, hogy a cellák közel 80 százalékos hatékonysággal égetik el a tiszta hidrogént, meglehetősen nagy. Ha egy ilyen cellát egy jó elektromotorral kombinálunk (amely szintén 80 százalék felett teljesít), kijön a 60 százalék feletti elméleti hatásfok.

A repülésben régóta kísérleteznek elektromos hajtású repülőgépek vagy helikopterek gyártásával. A nagy akadály elsősorban az igényelt teljesítmény és a korlátozott súly. Míg a földön akármekkora üzemanyagcellát lehet(ne) építeni, azt megreptetni már külön teljesítmény, hiszen a saját súlya felemeléséhez is meg kell termelni az energiát, és csak utána jön a hasznos teher. Ezért a repülésben a hatásfok még fontosabb, mint a földön. Az első kísérletek napelemes repülőgépekkel zajlottak, ahol adta magát a hatalmas szárnyfelület és a felhők felett mindig sütő nap. Persze csak nappal. Az első ilyen repülőgép nem is olyan régen repült, több mint 24 órán át, egy pilótával a fedélzeten, kizárólag elektromos energiával.

Üzemanyagcellás meghajtással is kísérleteznek, ilyen például a Boeing által végzett FCD (fuel cell demonstrator) projekt, ahol egy Super Dimona sárkányába szereltek elektromos motort és üzemanyagcellát. A kísérletek rendkívül fontosak, hiszen az alapvető működés mellett egy sor, a repülésben jelentkező tényezőt is vizsgálni kell, mint például a külső hőmérséklet (ami nagy magasságban akár mínusz 50 fok is lehet), a vészhelyzetek (tűz) vagy az üzemanyag tárolása. Az üzemanyagcellák mellett vizsgálják az akkumulátoros hajtást is. Ez esetben nagy energiasűrűségű akkumulátorokkal hajtanak meg egy hatékony elektromos motort. Ezek repülési ideje ma még nem haladja meg az egy órát, de a kísérletek izgalmasak.

Az üzemanyagcellás hajtással kapcsolatban még számos kérdés áll nyitva, s ezek alapvetően befolyásolják a későbbi alkalmazhatóságot. Vizsgálni kell a felmerülő költségeket, az extrém környezetben való alkalmazhatóságot, a megbízhatóságot, a folyamatos ellátáshoz szükséges infrastruktrúra megteremthetőségét és az üzemanyag szállítását. Ezek nem egyszerű kérdések, de ha figyelembe vesszük, hogy a belső égésű motorok elterjedését is megelőzte mindezen kérdések megválaszolása, megoldása, az út egyáltalán nem látszik reménytelennek.


Maradi István

Fotó: Aeromagazin ARCHÍV, NASA