TECHNIKA, GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA, AUTOMATIZÁLÁS, ELEKTRONIKA A műanyagipar hozzájárulása a tüzelőanyag-elemes autók kifejlesztéséhez Tárgyszavak: járműgyártás; üzemanyag; tüzelőanyag-elem; üzemanyagelem; metán; hidrogén; műszaki műanyag; gépkocsigyártók; műanyaggyártók.
A jövő autói A társadalmi mobilitást szolgáló járművek jelenleg a belső égésű motorokra épülnek, de mindenki előtt világos, hogy ennek a nem túl távoli jövőben módosulnia kell. Egyik oka, hogy a kitűzött emissziócsökkentési terveknek másképp nem lehet eleget tenni, de talán még ennél is fontosabb, hogy az üzemanyagként elégethető fosszilis tüzelőanyag-készlet lassacskán kifogy. A nagy autógyártók között egyre inkább kialakul az egyetértés, hogy a jövő meghajtási rendszere a tüzelőanyag-elemekre fog épülni. A tüzelőanyagelemek égésterméke ugyanis nem környezetszennyező szén-dioxid vagy szén-monoxid, hanem víz. Maga a tüzelőanyag (üzemanyag) hidrogén, amelynek „égése” során a tüzelőanyag-elem villamosságot termel. A hidrogént megújuló energiaforrások segítségével kívánják előállítani. Tehát elérhető a „zéró kibocsátás” állapota, amikor nem szennyezik további szén-dioxiddal a légkört.
Búcsú a fosszilis tüzelőanyagoktól A fosszilis tüzelőanyagokról véges mennyiségük miatt előbb-utóbb mindenképpen le kell mondani, legkésőbb a következő nemzedék élete folyamán. Jelenleg az iparilag fejlett államokra, amelyek lakossága a Föld lakosságának mindössze 17%-át teszi ki, a teljes energiafogyasztás 60%-a jut. Ennek 90%-át fosszilis tüzelőanyagok, elsősorban kőolaj és földgáz égetésével nyerik. Ilyen felhasználási ütem mellett 50 év alatt kifogyhatnak a kőolaj- és földgázkészletek. Ha a fejlődő országok nagyobb mértékben kívánnak részesedni az energiafelhasználásból, még hamarabb kimerülnek a források. Ha föld la-
kosságának maradék 83%-a a fejlett ipari országok energiafelhasználásával összemérhető mennyiséget fogyasztana, a készletek 10 év alatt kimerülnének. Ezért a tüzelőanyag-elem alkalmazása nem csupán futurisztikus vízió, amelyet a környezetvédők erőltetnek, hanem olyan lehetőség, amely megoldást kínálhat a jövő energiaproblémáira, méghozzá nem csak az autózás, de a villamosenergia-termelés területén is. Szinte minden nagyobb gépkocsigyártó erőteljesen dolgozik a tüzelőanyag-elemek fejlesztésén és piaci bevezetésén, és különböző megoldások versenyeznek egymással (1–2. ábra). A BMW például a benzinnel táplált magas hőmérsékletű tüzelőanyagelemek mellett tette le a voksát, míg a Daimler-Chrysler vagy a General Motors a hidrogén vagy a metanol üzemanyagú tüzelőanyag-elemek fejlesztését választotta. Ezek a polimerelektrolit membránnal dolgozó tüzelőanyag-elemek ugyanis alacsonyabb hőmérsékleten, 80–100 °C-on működnek. Kívülről nézve nem lesz nagy különbség a mostani és a tüzelőanyagelemes autók között, a motorháztető alatt annál inkább. A központi hajtásként szolgáló vagy a kerekekhez egyénileg elhelyezett elektromotor mellett a tüzelőanyag-elemek kötegeit, valamint az ezeket kiszolgáló periferiális egységeket lehet majd látni, amelyek a tüzelőanyag-elemeket üzemanyaggal, ill. a hűtőközeggel látják el.
flották
versenyképes személygépkocsik
vezető szerep a piacon
2000
2004
2008
tárolt hidrogén
szénhidrogén/benzin reformálása
metanol
hidrogénnel hajtott buszok
hatás, ill. piaci részesedés
a tárolt hidrogén lehetséges hatása
2012
2016
2020
2024
1. ábra Különféle tüzelőanyag-elem technológiák, és tervezett bevezetésük az autóiparba
100% 11 90% 10
80% 70%
19
63
járműgyártás
60%
gépipar vas és más fémek
17
50%
kémia 40%
elektrotechnika 5
3
30%
6 43
20% 10%
23
0% belső égésű motor
tüzelőanyag-cella
2. ábra Az értékteremtés (beszállítók) megoszlása belső égésű motorok és az üzemanyagelemes hajtás esetében. (Mint látható, a beszállított érték jelentősen el fog tolódni a vegyipar és az elektrotechnika irányában.)
A tüzelőanyag-elem működése A tüzelőanyag-elemekben a vegyi energiát közvetlenül villamos energiává alakítják. Ez meglehetősen egyszerű, és Grove 1939-es felfedezésére vezethető vissza. Egy ún. bipoláris lemezen keresztül egyik oldalon hidrogéngázt vezetnek be, ahol az az anódon oxidálódik, és elektronokat ad le. A másik (katódos) oldalon ugyancsak bipoláris lemezen keresztül oxigént táplálnak be, amely elektronokat vesz fel, és redukálódik. A kettő közötti térben található egy protonvezető, amely a protonokat átjuttatja az anódtérből a katódtérbe. Az elektronáramlás (vagyis a villamos áram) mellett víz és hő keletkezik. Egyetlen ilyen elem csak 0,7 V feszültséget ad, ezért ahhoz, hogy használható feszültség keletkezzék, sok (kb. 200) elemet kell sorba kapcsolni. A elemek felépítése egyszerű: bipoláris lemez – diffúziós réteg – membrán – diffúziós réteg – bipoláris lemez (3. ábra). A elemeket a zárólemezek segítségével csavarozzák össze. Ezek a zárólemezek és csatlakozásaik választják el egymástól a tüzelőanyag-elem rétegeit és a gáz-, valamint a hűtőanyagáramokat. A könnyű tárolhatóság miatt szinte biztos, hogy eleinte a metanolt fogják alkalmazni üzemanyagként. Ennek elégetéséhez természetesen még további eljárási lépések szükségesek. A metanolt vízgőzzel együtt először egy ún. reformáló egységben hidrogénben gazdag gázeleggyé alakítják, majd ebből eltávolítják
a keletkező szén-dioxidot és szén-monoxidot, és a keletkezett nedves hidrogéngázt bevezetik a tüzelőanyag-elembe. Az oxigént (a levegőt) ugyancsak előnedvesítik, és a másik elektródtérbe juttatják. A metanol helyett gondolkoznak propán vagy esetleg hagyományos üzemanyag hidrogénné reformálásán is, amíg ki nem alakul a megfelelő hidrogénellátó infrastruktúra.
hidrogén
oxigén
hő bipoláris lemez (anód)
gázdiffúziós elektród katalizátorréteggel
membrán
gázdiffúziós elektród katalizátorréteggel
bipoláris lemez (katód)
3. ábra A tüzelőanyag-elem működési elve
Új szerkezeti anyagok A tüzelőanyag-elemes rendszerek számos új szerkezeti anyagot követelnek a reformálás, a sűrítés, az elgőzölögtető és a nedvesítő egységek elkészítéséhez. Át kell tervezni olyan alkatrészeket is, amelyek a hagyományos gépkocsikban előfordultak (pl. levegőszűrő, léghűtő vagy üzemanyagszivattyú). Az üzemanyagelemes autók olyan új követelményeket támasztanak a szerkezeti anyagokkal szemben, amelyeket műszaki műanyagokkal jól ki
lehet elégíteni. A szakértők arra számítanak, hogy a tüzelőanyag-elemes autók elterjedése növelni fogja a keresletet az ilyen műanyagok iránt. A leendő gépkocsik gazdaságos előállításához szükség van olcsó és hatékony gyártástechnológiákra, mint amilyen pl. a fröccsöntés. A hőre lágyuló, de hőálló műszaki műanyagok könnyen fröccsönthetők, és alkalmazásuk mellett további érv a várható tömegcsökkenés is. Az együttesen jelen levő nedvesség, villamosság és magas hőmérséklet erősen korrozív környezetet képez, amit a műszaki műanyagok többsége el tud viselni. Mivel a kémiai energia villamos energiává való átalakítása katalitikus kémiai reakcióban történik, vegyileg tiszta anyagokat kell alkalmazni, hogy a katalizátor ne szennyeződjön. A Ticona cég műszaki műanyagai, közte a POM [(poli(oxi-metilén), márkaneve: Hostaform], a PPS [(poli(fenilén-szulfid), márkaneve: Fortron] és az LCP (folyadékkristályos polimer, márkaneve pl. Vectra) megfelelnek a korrózióállósági és tisztasági követelményeknek. Kúszásuk elhanyagolható, szilárdságuk nagy, és sokáig ellenállnak a gázállapotú vagy folyékony üzemanyagoknak. A PPS és az LCP ezenkívül 200 °C-ig hőálló is. A rendszerintegráció és az energiagazdálkodás területén számításba jönnek még olyan anyagok is, mint a PBT [poli(butilén-tereftalát), pl. Celanex] vagy a hosszú üvegszállal erősített hőre lágyuló műanyagok (pl. Celstran). A tüzelőanyag-elemes autókat el kell látni metanol-, hidrogén- és oxigénvezetékekkel, és más lesz a hűtőrendszerük is, mint a mai kocsiké. A rendszer lelkét adó polimerelektrolit membrán igen speciális polimerekből készülhet csak, mert egyszerre kell ellenállnia az erősen savas közegnek, a magas hőmérsékletnek és az elektrokémiai hatásoknak. Ezek a követelmények jelenleg a perfluorozott polimerekre korlátozzák a választékot. A Victrex cég a Ballard Power Systems céggel és egy német alvállalkozóval együtt két új ionomer fejlesztésébe kezdett, amelyeket a Ballard tüzelőanyag-elemekben kíván alkalmazni protonvezetőként. A várakozás szerint a fejlesztési folyamat négy évet is igénybe vehet, amelyben már benne van a sorozatgyártás és a minősítés kifejlesztése, illetve a félüzemi gyártás is. A várakozások szerint a kifejlesztendő új ionomerek olcsóbbak lesznek az eddig alkalmazottaknál, ami tömeggyártásnál alapvető kérdés. A Ballard cégnek van egy kutatórészlege a németországi Jülich-ben, ahol a berlini BEWAG céggel közösen fejlesztik a tüzelőanyag-elemeket, és a MAN céggel közösen dolgoznak tüzelőanyag-elemes autóbuszok fejlesztésén Berlin, Koppenhága és Liszszabon utcáira. A Ticona mellett más műszaki műanyaggyártók, pl. a Victrex és a DuPont cég is nagy fantáziát lát az üzemanyagelemes autók esetleges elterjedésében, hiszen a nemesfémek árban semmiképpen nem vetekszenek a műszaki műanyagokkal, még ha korrózióállóságban esetleg jobbak is. A jelenlegi tüzelőanyag-elemek prototípusai elviselhetetlenül drágák a tömegtermeléshez. A sorozatgyártáshoz a bipoláris lemezeket és a zárólemezeket stabil műszaki műanyagokból (pl. LCP, PPS) célszerű készíteni. A DuPont cég speciális po-
limerek területén szerzett ismereteinek birtokában saját tüzelőanyag-elem fejlesztésébe fogott. A Nafion márkanevű perfluorozott ionomer membránok révén, amelyeket már 35 éve használnak ilyen célra az űrhajózásban, ez a cég eddig is igen fontos szerepet játszott a polimerelektrolit membránok területén, és ezt ki óhajtják terjeszteni más alkatrészekre is. Fejleszteni akarják a kisméretű hordozható, telepített és gépkocsikba szánt tüzelőanyag-elemeket. A DuPont jelenleg egy tüzelőanyag-elem alapanyag-szükségletének felét saját polimerjeiből tudja kiválasztani.
A jövő már jelen van A hidrogénnel működő autóbuszok már próbajáratokon közlekednek az utcákon. Ami a személygépkocsikat illeti, a Daimler Chrysler cég A-osztályú gépkocsijai tüzelőanyag-elemmel már több százezer kilométert futottak, és a Ford, a Toyota vagy a GM is arra számít, hogy 2004-ben már nagy sorozatban tudnak kihozni tüzelőanyag-elemes gépkocsikat. Feltehető, hogy először csak nagyobb cégek fognak ilyen jellegű „flottákat” üzembe állítani, az új hajtó rendszer nagyobb mértékű egyéni felhasználását csak 2008 körül várják. A Ford cég ugyan már számos európai országban bemutatta tüzelőanyagelemes Focus FCV változatát, de 2010 előtt nem számít a sorozatgyártásra. Japánban azt tervezik, hogy 2010-ben már legalább 50 E ilyen kocsi fusson az országban. Hogy a tüzelőanyag-elem mikor tudja kiváltani a belső égésű motort, attól is függ, hogy mikorra sikerül megoldani a hidrogén biztonságos tárolását, és mikorra épül ki az ehhez szükséges infrastruktúra. Minél hamarabb sikerül a tüzelőanyag-elemes autókkal használható hatótávolságot elérni, annál könnyebb lesz a piaci bevezetésük. Az azonban már ma dől el, hogy ha sorozatgyártásra kerül sor, milyen anyagokat fognak alkalmazni, ezért számos műanyagos cég kezdett saját tüzelőanyag-elem fejlesztésbe, vagy próbál együttműködni olyan cégekkel, amelyek már tapasztalatokkal rendelkeznek ezen a területen, ill. alkalmazni kívánják a tüzelőanyag-elemeket. A Fraunhofer Intézetek láncolatához tartozó egyik kutatóintézet Pfinztalban kifejlesztett egy 8 V-os, 10 W teljesítményű tüzelőanyag-elemet egy videokamera számára, amelyben a hidrogén tárolását fém-hidridekkel oldják meg, és amelynek mérete és teljesítménye összevethető a legnagyobb újratölthető elemekével. Ugyanennél a cégnél kialakítottak egy elektronikus notesz (notebook) méretű számítógép meghajtására alkalmas tüzelőanyag-elemet is, amelynek fajlagos teljesítménye 1 W/cm3, és amelyet metánnal vagy hidrogénnel is lehet működtetni. A kutatók keresik a bipoláris lemezek és egyéb alkatrészek ideális tervezésének és gyártástechnológiájának megfelelő módszereit. A fosszilis tüzelőanyagokról az egyéb energiaforrásokra való átállás jelentős gondolkodásmódbeli változást követel meg a tervezőktől és felhasználóktól egyaránt. Az egyik kutató véleménye szerint a jövőben a kőolajból inkább műanyagot kellene gyártani ahelyett, hogy elégetnénk – ami
kább műanyagot kellene gyártani ahelyett, hogy elégetnénk – ami ma még szinte elképzelhetetlen. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes) Reil, F.: Brennstoffzelle für alternativen Antrieb. = Kunststoffe, 91. k. 8. sz. 2001. p. 74–77. Protonenaustausch verbessern. = Plasverarbeiter, 52. k. 4. sz. 2001. p. 60. Hard cell. = European Plastics News, 28. k. 8. sz. 2001. p. 105–106.
