2016. október 17. 13:15 - Gazz

Mi hajtja meg a jövő autóit?

A technológiai szingularitás korát érjük, és ennek egyik leglátványosabb jele, hogy az emberiség elkezdte az olajkorszak lezárását. A megújuló energiaforrások kiaknázása nemcsak hogy szintet lépett, de egyre emelkedő trendet mutat. S ami a legszebb az egészben, hogy a technológia már otthon is elérhető.

Abszolút kiszámítható volt, hogy ez a jelenség az élet más területeire is hatást gyakorol, a mai posztban a személyautókkal kapcsolatos opciókat nézzük át.

A személyszállítás mindig is közvetlenül kötődött az emberiség által használt fő energiafajtához. Amikor a szárazföldön az élőerő volt a meghatározó, az emberek lovon, kocsin, szekéren közlekedtek. A szénkorszak hozta a vasút felvirágzását, a szénnel fűtött gőzgépek nyújtotta teljesítmény extrém módon kitágította a közlekedés lehetőségeit.

Az olajkorszak beköszöntével a belsőégésű motorok végre elérhetővé tették a repülést, és ezzel egy időben az autózás elterjedését. Immár a hézköznapi emberek számára is megfizethetővé vált a személyre szabott mobilitás, és ez hihetetlen következményekel járt a társadalmi folyamatokra nézve. Az amerikai középoszály kialakulásának ez ugyanúgy alappillére, mint a munkaadó/munkavállaló viszony átalakulása.

Ez a lendület először  a 70-es években, az olajválság idején tört meg, amikor is az olajtermelő országok az OPEC-be tömörülve gyakorlatilag ultimátumot intéztek a fejlett világnak. Amire az fura módon nem egy háborúval válaszolt, hiszen nem egyetlen országról volt szó, hanem alkalmazkodott. Drasztikusan csökkentették a járművek fogyasztását, és ez a tendencia egészen mostanáig kitartott.

Most viszont úgy néz ki, hogy elérkeztünk a lehetőségek határaihoz. Ez alatt azt kell érteni, hogy most már nem lehet a belsőégésű motorok fogyasztását úgy tovább csökkenteni, hogy annak érdekében ne kelljen feláldozni valami olyat, aminek az ára eltünteti a fogyasztáscsökkenés előnyeit. Legkézenfekvőbb példa erre a megbízhatóság. A mostani motorok már annyival bonyolultabbak az eredeti négyüteműekhez képest, hogy bizonyos hibák bekövetkezése automatikusan kódolva van a működésükbe. Ilyen a közvetlen befecskendezésű motorok kokszosodása, ilyen a turbós motorok rövid élettartama. Hol vannak már a 40 évig üzemelő dízelmotorok? A maiak jó ha 15 évig bírják, és akkor még a turbó csapágyairól nem is tettem említést.

Technológiaváltás kell, és a hibridek megjelenésével ez a folyamat a kétezres évek elején meg is indult. Egy dolog teljesen biztos, a jövő autóit villanymotor fogja hajtani. Ami még nem világos, hogy ezt a villanymotort hogyan fogjuk ellátni a működéséhez szükséges árammal. Ennek a lehetőségeit boncolgatja ez a cikk.

Ami a legkézenfekvőbb megoldásnak tűnik, az egyben a legkorábbi is, ez az akkumulátor. Nem annyira köztudott, de akkumulátoros autók már a múlt század elején is futottak az utakon, a technológia egy rövid ideig versenyben volt a belsőégésű motorokkal. Akkoriban a legnagyobb kapacitást ólomakkumulátorokkal tudták elérni, s ezek technológiája nem sokat változott azóta sem. Az ólomakkumulátorokkal már akkor is ugyanaz volt a baj, mint ma: nehezek. Az egységnyi súlyra vetített töltéstároló képességük nagyon kicsi. Térfogatra vetítve egyáltalán nem rossz, tehát ha nem mozgatjuk őket, akkor egész jó megoldás, de autó esetén ez ugye fel sem merül. Az akkumulátorok fejlesztését a belsőégésű motorok elterjedése visszavetette, igazából az elektronikai ipar megerősödése lehelt új életet a kutatásokba, amelyek gyorsan eredmény is hoztak. Az első olyan változat, ami felmerült az ólomakkumulátorok kiváltására  nikkel és kadmium elektródákat alkalmazott (NiCd). Ez a technológia a nyolcvanas években terjedt el. Hátránya, hogy az extrém módon mérgező és rákkeltő kadmiumot nem igazán tanácsos az emberek közé vinni, ezért autókban nem is terjedtek az ilyen akksik. Ceruzaelemek formájában nagyon népszerűek voltak, de szerencsére mára kikoptak. Azért nagyon nem jó belegondolni, hogy mennyi végezte ezek közül kukában, hogy aztán a talajt mérgezze.

A következő jelölt a nikkel/nikkel hidrid, rövidítve NiMH akku volt, amelyeket elsősorban a Toyota Prius tulajdonosok ismerhetnek, amely hibridben ilyenek biztosítják az áram tárolását. Rendkívül megbízható, és a töltéssűrűsége is háromszor nagyobb, mint a NiCd változaté. Nincs benne veszélyes anyag. Hibája, hogy a mélykisülést nem viseli el, és a töltése is bonyolultabb, de ezeket a problémákat megfelelő elektronikával a Toyota megoldotta.

A további fejlesztési irány egyértelműen a töltéssűrűség növelése irányába mutatott, így jött képbe a lítium, ami egy nagyon könnyű fém, az atomsúlya mindössze 7. Így aztán a hidrogént leszámítva ez az a kémiai elem, ami egységnyi tömegre nézve a legtöbb töltést tudja tárolni. ( Ez nem teljesen igaz, a kadmiumhoz hasonlóan mérgező berillium másfélszer, a bór háromszor annyi töltést tudna tárolni egységnyi tömegre vetítve, de ezeknek az alkalmazásához még nagyon komoly akadályokat kellene leküzdeni. Mindazonáltal a bór hosszútávon még lehet befutó, ahogy az alumínium és a magnézium is.)

A lítium nem különösebben ritka elem, több van belőle a földkéregben, mint akár az ólomból, nikkelből, kadmiumból. A probléma az, hogy ez a viszonylag nagy mennyiség viszont nagyjából egyenletesen van eloszolva, így nagyon kevés olyan hely van a földön, ahol bányászásra érdemes mértékben dúsult fel. Jelenleg az egyetlen lítium bánya egy kiszáradt bolíviai sóstó medrében van, őszintén szólva kissé aggasztó a jövőre nézve az, hogy egy országnak monopóliuma van ezen a területen.

Ami a lítium akkumulátorban való felhasználását illeti, a legcélszerűbb az volna, ha az oxidációs folyamat levegővel történne, amit eleve nem kell a járműnek magával vinnie, másrészt a kinyerhető energia is így a legnagyobb. Erre nézve vannak ígéretes kutatási eredmények, de arra ne számítsunk, hogy a közeljövőben ilyen akkumulátorokkal működő autót kaphatunk.

Nézzük akkor az akkumulátoros autók használatát pro és kontra.

pro:

- egyszerű felépítés és működés.

- otthon is tölthető

- kitűnő gyorsulás

- halk működés

- az akkumulátor újrafelhasználható

- jó hatásfok

- bár a lítium éppenséggel okozhat kellemetlen meglepetéseket égés terén, az egész rendszer jóval kevésbé tűzveszélyes, mint a benzin használata.

kontra:

- drága

- nehéz

- alacsony hatótávot biztosít

- Életveszélyes lehet, ha nagyobb víz éri

- lassú tölthetőség (a gyorstöltés is rettentő lassú a megszokott tankoláshoz mérve)

- az akkumulátorok kapacitása az idő előrehaladtával romlik

- a töltőhálózat kiépítéséhez drasztikusan meg kell nővelni a villamoshálózat szállítási kapacitását.

A kontra érvekkel kapcsolatban a technológia fejlődésével több területen is javulás prognosztizálható.

Nézzük akkor a fő riválist, a Toyota féle hidrogénhajtást.

 Szándékosan nem írtam üzemanyagcellát, mivel a harmadik versenyző is azzal működik, de a táplálás módja más. A hidrogénnel, mint üzemanyaggal már a belsőégésű motoroknál is kísérleteztek, azonban ott a mai üzemanyagcellás változat problémái fokozottabban jelentkeztek, hamar belátható volt, hogy belsőégésű motorokban a hidrogénnek semmi keresnivalója.

Az, hogy a hidrogént üzemanyagcellában elégetve áramot termeljenek, egyáltalán nem új ötlet. Az Apollo misszió űrhajóiban is így termeltek energiát. Az elhíresült Apolló tizenhárom balesetét épp egy hidrogénrobbanás okozta. Az üzemanyagcellák kifejlesztése az ötvenes évekre esik, alapvetően kétfajta cella létezik.

1. magas hőmérsékletű üzemanyagcella. Itt jellemzően 800 celsius fok vagy annál magasabb hőmérsékleten megy végbe az üzemanyag és az oxidálószer reakciója. A típus előnye, hogy nem igényel különleges katalizátort, a magas hőmérsékleten gyakorlatilag plazmareakció történik, így kötések felbontására nincs szükség. A másik nagyon fontos tulajdonsága ennek a cellának, hogy nemcsak hidrogénnel, de rengeteg más éghető gázzal is működtethető. A hatásfoka sajnos nem a legjobb, sok energia fordítódik arra, hogy az üzemanyag, és az oxidálóanyag felmelegedjen a reakcióhőmérsékletre.

2. alacsony hőmérsékletű üzemanyagcella. Itt a reakció akár szobahőmérsékleten is végbemehet, ehhez azonban speciális katalizátorokra van szükség. Ha hidrogén - vagy hidrogéntartalmú anyaggal tápláljuk, akkor ez a katalizátor a platina, ami nagyon drága. Sajnos különböző szennyeződések (pld kén vegyületek) képesek tönkretenni a katalizátort, ezért ez a fajta eszköz különösen érzékeny az üzemanyag tisztaságára.

A Toyota a hidrogént választotta üzemanyagnak és alacsony hőmérsékletű cellában reagáltatja levegővel. Ezen feltételek mellett a cella felépítése meglehetősen egyszerű. A probléma az, hogy ami előnyként jelentkezik a cellát illetően, az nagyon komoly problémákat vet fel a rendszer másik végén. Itt egészen konkrétan a hidrogénnel van baj. Nézzük ezt meg hát részletesebben.

A hidrogén az egyik legnagyobb energiatartalmú gáz, az égéshője az egyik legmagasabb az összes anyag közül. Ugyanakkor szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú, és csak rendkívül alacsony hőmérsékleten cseppfolyósodik. Ez viszont elég nagy problémát jelent, mert így csak nagynyomású gázként tudjuk magunkkal vinni, ami az alacsony sűrűsége miatt nagy helyet foglal. A Toyota üzemanyagcellás modeljei sok év fejlesztés után is csak pár kilogramm hidrogént tudnak eltárolni a nagynyomású tartályaikban, és így a hatótáv ezeknél az autóknál nem nagyobb, mint az akkumulátorosoknál, ugyanakkor a nagy helyigény csak az utas és rakodótér rovására volt biztosítható. 

A hidrogén másik problematikus tulajdonsága szintén kapcsolódik gáz mivoltához. Ebben a halmazállapotában is különleges, ugyanis a legkisebb molekulatömegű anyagról van szó. De nem csak a molekulatömege különleges, hanem a molekulamérete, és a fémekhez való viszonya. A hidrogén ugyanis igen hajlamos fémes kötést létesíteni az egyetlen elektronját beadva a közösbe. Ennek az a következménye, hogy a hidrogén beleoldódik a fémekbe, ahol a rendkívül kisméretű atommagja a jóval nagyobb fématommagok között olyan, mint mák és billiárdgolyók összekeverve. Ennek az a következménye, hogy a hidrogén átdiffundál a fémeken, tehát fémtartályokban nem tárolható. De nemcsak átdiffundál, a fémbe beleoldódva rideggé is teszi azt, ami nem jön jól egy autóban, ahol az állandó rázkódás illetve az esetleges ütközések során egy ilyen - szinte az üveg törékenységű- tartály könnyen felrobbanhat.

A Toyota komoly haladást ért el ezen a téren. Az ő tartályaik fém és üvegszálakkal megerősített többrétegű szerves gyantából készülnek, és ez az anyag remekül ellenáll a szivárgásnak éppúgy, mint a mechanikai behatásoknak. Így sikerült annyi hidogént begyömöszölni a tartályba, ami elég akkora hatótávhoz, amire a konkurens lítiumakkumulátoros autók képesek. 

Maga az üzemanyag azonban még csak az egyik része a rendszernek, az autó lelke az üzemanyagcella, ami a levegő oxigénjét úgy egyesíti a hidrogénnel, hogy közben az oxigén és hidrogénelektróda között áram folyik. Ahhoz hogy ez alacsony hőmérsékleten megtörténhessen platina katalizátorra van szükség, ami rögtön két problémát is felvet. Egyrészt a platina iszonyú drága, másrészt a katalizátor hajlamos "megmérgeződni". Ha a cellába vezetett hidrogén kénszennyezést tartalmaz, az olyan reakcióba lép a katalizátorral, hogy az már nem képes betölteni a továbbiakban a feladatát, és a méregdrága üzemanyagcellát dobhatjuk is ki. 

Az üzemanyagcella úgy égeti el a hidrogént, hogy közvetlenül elektromos energiát állít elő belőle, ezért hatásfokát nem korlátozza a belsőégésű motoroknál megismert Carnot ciklus. A hatásfokra így 65% körüli érték adódik. Ez majd kétszerese a modern benzinmotorokénak, azonban a fentebb tárgyalt tárolási nehézségek miatt az autó mégsem tud elfogadható méretben magával vinni annyi hidrogént, hogy megközelítse vele a benzines autók  hatótávolságát.

Nézzük akkor itt is a pro és kontra érveket.

pro:

- abszolút környezetkímélő

- gyakorlatilag a mai benzines autókkal megegyező idejű tankolhatóság

- a hidrogén olcsón előállítható, ha az erőművek által megtermelt, de az ipar és a lakosság által fel nem vett árammal vizet elektrolizálunk. 

- tömegre vetítve lényegesen könnyebb, mint az akkumulátorok.

kontra:

- Nagy mennyiséget a tárolási nehézségek miatt az autó elfogadható térfogatban nem tud magával vinni - > nem megoldás a rövid hatótávra

- Eggyel bonyolultabb rendszer, mint az akkumulátoros autók, ebbe kell egy üzemanyagcella is, bár ez nem foglal sok helyet.

- A szükséges üzemanyagcella platinát igényel, ami drága, és nem is okvetlenül tartós.

- Ha a technológia akár csak egyetlen részen is meghibásodik, súlyos robbanás következhet be.

- A hidrogénszivárgásnak semmilyen látható jele sincs, színtelen és szagtalan.

Néhány pontot nehéz volt besorolni. A hidrogéncellás autóknak nincs szükségük a korlátozottan elérhető lítiumra, ellenben platina kell az üzemanyagcella működéséhez. Ebből ugyan a legújabb fejlesztéseknek köszönhetően nem kell sok, de még így sem lenne elegendő a Föld teljes platinakészlete, ha az összes jelenlegi autóját kiváltanánk üzemanyagcellás járművel.

Most pedig következzen egy nemrégiben felmerült alternatíva, a Nissan alkoholos üzemanyagcellája. 

Ahogy az az alcímből látszik, az üzemanyag itt alkohol, úgyhogy azt rögtön sejthetjük, hogy tankolási és hatótáv gondok itt nem lesznek. De mivel a címben az üzemanyagcella szó is szerepel, egy kicsit azért mégis összevonhatjuk a szemöldökünket.

Szerencsére a szemöldökráncolásnak ezúttal nincs alapja. A Nissan üzemanyagcellája egy új típus, a katalizátor benne olcsó fémoxid a drága platina helyett. (SOFC). Ezzel a rendszer legkritikusabb részének a problémáját meg is oldották.

Ami aggály merülhet még fel, az az, hogy az alkoholt sokan nem tartják karbonsemlegesnek. Ami azt jelenti, hogy a használata széndioxidot szabadít fel. Minden olvasómnak azt tanácsolom, hogy az ilyen jellegű megállapításokat igen erős kritikával fogadja.

Ezek a tanulmányok ugyanis úgy készülnek, hogy megvizsgálják az alkohol előállításához szükséges energiát, ami tartalmazza a mezőgazdasági gépek üzemanyagfogyasztását, a növényeknek szükséges műtrágya előállításához szükséges energiát, a feldolgozás energiaigényét, és kéjes kárörömmel jelentik ki, hogy az alkohol széndioxidmérlege rosszabb, mint a benziné.

Közben persze számos faktort szándékosan figyelmen kívül hagynak, csak hogy megrendelőik elvárásainak megfelelhessenek. Erre egy példa, hogy a mezőgazdasági gépek üzemanyagigényét automatikusan benzinben számolják el, mikor az maga az alkohol is lehetne. A farmerek könnyedén megtermelhetnék a saját üzemanyagukat, amit a haszonnövények a levegőből kivont széndioxid átalakításával  állítanak elő, és így máris egy elég komoly részt kihúzhatunk az egyenletből. Nyugodtan ki merem jelenteni, hogy ha a világ átáll az alkohol alapú közlekedésre, ez az üzemanyag széndioxidsemleges alternatívát fog tudni nyújtani.

Másik gyakran hangoztatott érv az alkohol ellen, hogy nincs elég termőföld, hogy a világ közlekedésének számított alkoholigényét kielégítse. Ez sem igaz ebben a formában, egyrészt fejlett eljárások vannak már a haszonnövények nem használt részeinek alkohollá átalakításában, másrészt ma már elektromos áram segítségével közvetlenül széndioxidból is előállítható etanol. Áramot pedig a szél és naperőművek is elő tudnak állítani.

Az alkohol energiasűrűsége ugyan alacsonyabb, mint a benziné, ezt viszont ellensúlyozza az, hogy az üzemanyagcellák hatásfoka nagyobb, mint a belsőégésű motoroké. Így az alkoholos üzemanyagcella segítségével egy nagyon egyszerű felépítésű, üzemanyagtakarékos, nagy hatótávú, olcsó meghajtást tudunk az autóknak biztosítani, amihez nem kell átalakítani a mai meglevő benzinkúthálózatot sem.

Ezúttal a pro és kontra felsorolást ki is hagyom, mert nem igazán tudok felhozni érveket az alkohollal szemben.

Én egyértelműen emellé a technológia mellé tenném le a garast, kérdés, hogy a Nissan meg tudja-e győzni arról a világot, hogy ez a jövő útja.

 

 

1 komment

A bejegyzés trackback címe:

https://gazz.blog.hu/api/trackback/id/tr8611815583

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.