A tüzelőanyag-elem: fantom vagy valóság?

Az energiagazdálkodás alapjai

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 1. sz. 2005. p. 24–32. Az energiagazdálkodás alapjai

A tüzelőanyag-elem: fantom vagy valóság? A négy legfontosabb tüzelőanyagelem-technológia működésének és tulajdonságainak ismertetése mellett a beruházási és működtetési költségeket is tárgyalja az összeállítás. A műszaki tulajdonságok egyben meghatározzák a tipikus felhasználói kört is, amely az ipari, kereskedelmi létesítményektől az informatikai központokon át a lakásokig terjed. Az energetikai és nyersanyagpiaci tényezők mellett a környezetszennyezés is befolyásolja az elterjedést. A piaci potenciál és a jövőbeni technikai fejlődés alapján meg lehet jósolni a tüzelőanyag-elemek hatásfokának és gazdaságosságának alakulását kb. 2020-ig. Szabályozási és infrastrukturális átalakítások is szükségesek ahhoz, hogy ez a technológia széles körben elterjedjen.

Tárgyszavak: tüzelőanyag-elem; katalizátor; membrán; hidrogén; fejlesztési program.

A nagyméretű és nagyteljesítményű, egész

(lakóövezetek, ipari üzemek stb.) közelében

országrészeket ellátó erőművek, a távvezeté-

létesített, kisebb energiatermelő üzemeknek,

kek és alállomások építése nagyon költséges,

az úgynevezett elosztott energiaellátási rend-

ugyanakkor az erőművek és távvezetékek kör-

szereknek (Distributed Generation, DG). A

zetében élő lakosság csúnyának és veszélyes-

legfontosabb előny éppen a fogyasztókhoz

nek tartja azokat. Tiltakozásuk miatt az enge-

közeli elhelyezésből adódik: az általában 5 és

délyezési eljárás sokszor évekig elhúzódik. Az

20% közötti értékű energiaátviteli veszteség

Egyesült Államok Energetikai Minisztériuma

megtakarítható. A helyi generátorok lehetnek a

(Department of Energy, DOE) tervei között

nagy erőműveknél kevésbé zajosak és kevésbé

egyre nagyobb szerepet szán a felhasználók

szennyezik a levegőt. Az egységek teljesítmé-

24


nye néhány W-tól (hordozható elektronikus

bomlik fel. Mindkét bomlástermék a katódhoz

készülékekhez) több 10 MW-ig (ipari üzemek

igyekszik, a proton az elektroliten keresztül, az

ellátása, járulékos gőztermeléssel) terjed. Az

elektron viszont a külső áramkörön, a fogyasz-

elosztott rendszerek földgázzal, dízelolajjal

tón keresztülhaladva jut a katódra, ahol a ko-

működnek vagy megújuló energiát használ-

rábban „elhagyott” protonnal és a bevezetett

nak fel, gyakran képesek többféle tüzelő-

oxigénnel egyesülve vízmolekula képződik1. A

anyaghoz is alkalmazkodni. Működhetnek

fűtőanyag többféle lehet, a kereskedelemben

teljesen önállóan, vagy csatlakoztathatóak a

már kapható típusokban ez általában tiszta

nagy hálózatokhoz is. Fontosságuk egyre nő,

hidrogén. Lehetséges a bevezetendő hidrogént

mivel többféle energiaigény kielégítésére al-

a cellán kívül szénhidrogénből (földgáz,

kalmasak:

cseppfolyósított földgáz, metán, szervesanyag-

• alapterhelésű villamos energia,

lerakókban keletkezett gázok stb.) előállítani,

• csúcsterhelésű villamos energia,

de ehhez tüzelőanyag-átalakító (fuel cell re-

• tartalék villamosenergia-forrás,

former) szükséges.

• villamosenergia-ellátás távoli helyeken, • melegítés-hűtés (a járulékos hőtermelés

A tüzelőanyag-elemek előnye a galvánele-

kihasználásával).

mekkel szemben a folyamatos üzem, a gyors utántölthetőség, az egységnyi tömegre számított nagy fajlagos termelt energia. A belső égé-

Hogyan működik?

sű motoroknál jóval kisebb a károsanyagkibocsátásuk, zajtalan a működésük, nagyobb

A tüzelőanyag-elem a közönséges galván-

a hatásfokuk (a hőtermelés hasznosításával).

elemhez hasonlóan kémiai folyamattal termeli

Hátrányuk viszont, hogy nagyszámú elemet

a villamos energiát, benne a tüzelőanyag köz-

kell teleppé összekapcsolni, hogy az adott fel-

vetlenül lép reakcióba valamilyen oxidálószer-

használásnak megfelelő nagyságú feszültség

rel. A cellában két elektród között elektrolit

jöjjön létre. Másik hátrányuk, hogy hosszú a

helyezkedik el. Az esetek többségében a tüze-

felfutási idejük, a leállításuk is körülménye-

lőanyag hidrogén, ezt az anódon keresztül jut-

sebb, mint más energiaforrásoké.

tatják az elembe, a katódon keresztül pedig oxidálószerként oxigént vagy levegőt vezetnek be. Az anódon keresztül belépő hidrogén kata-

1

A tüzelőanyag-elemek működéséről további részleteket találhat az érdeklődő olvasó Römpp: Vegyészeti lexikon, 4. k. p. 788.

lizátor hatására egy elektronra és egy protonra 25


A tüzelőanyag-elemek főbb típusai

legítésre, de gőzfejlesztésre nem használható. A tüzelőanyag-elemeket fejlesztő cégek (elsősorban a piacvezető GE Fuel Cell Systems, vala-

Az elosztott energiatermelés szempontjából a

mint a H Power és a Ballard) néhány lakókör-

helyhez kötött rendszerek játszanak fontos

zetben már bemutató, illetve helyszíni kísérleti

szerepet, a mozgó, hordozható energiaforrások

egységeket szereltek fel. Földgázzal működnek,

fő terepe a közlekedés és a hordozható elekt-

ezért csak a földgázkitermelő helyek közelében

ronikus készülékek területe. A továbbiakban

vagy ott gazdaságosak, ahol a háztartásokban,

azon négy stacionáriusan működő tüzelő-

illetve kisebb üzemekben egyébként is földgázt

anyagelem-technológia USA-beli fejlesztési és

használnak.

bevezetési tapasztalatainak ismertetése következik, amelyek az elosztott energiatermelésre

2. Foszforsavas tüzelőanyag-elem, 200 kW

leginkább alkalmasak, és gazdasági, valamint

(phosphoric acid fuel cell, PAFC)

technikai szempontból a legjobbaknak ígérkeznek a lakóhelyi, ipari és kereskedelmi

Csak az UTC Fuel Cells által gyártott 200 kW-

energiaigények kielégítésében:

os változata van kereskedelmi forgalomban.

1. polimer elektrolit membrános tüzelőanyag-

Több mint 200 üzemel ebből a világon, többek

elem (PEM),

között a New-York-i Times Square és Central

2. foszforsavas tüzelőanyag-elem (PAFC),

Park rendőrségi központjában. Alkalmas kap-

3. szilárd oxidos tüzelőanyag-elem (SOFC), 4. olvadt

karbonátos

csolt hő és villamos energia szolgáltatására,

tüzelőanyag-elem

működése

(MCFC).

különlegesen

környezetkímélő.

Megbízható áramforrás kisebb kereskedelmi jellegű intézmények és ipari üzemek számára,

1. Polimer elektrolit membrános

ilyen működik például viszonylag régóta a

tüzelőanyag-elem, 5–10 kW

Bank of Omaha nemzetközi hitelkártya-

(polymer electrolyte membrane, PEM)

ellenőrző központjában, ahol a nagy megbíz-

Ez a technológia lakások és kisebb kereskedel-

hatóság megérte a viszonylag magas árat. Hát-

mi egységek ellátására a legalkalmasabb. Az

ránya, hogy tüzelőanyag-átalakító berendezés

üzemi hőmérséklet alacsony, ezért akár hő-

szükséges hozzá, mert a hidrogént szénhidro-

visszanyerés nélkül is használható. A maximum

génekből állítja elő, szemben a később tárgya-

93 °C (200 °F) üzemi hőmérséklet hővissza-

landó, szintén magas hőmérsékletű SOFC és

nyerés esetén megfelel lakások fűtésére, vízme-

MCFC típusokkal, amelyek nem igényelnek 26


átalakítót. További hátrány, hogy a hatásfok

4. Olvadt karbonátos tüzelőanyag-elem,

kisebb, mint ez utóbbi típusoké.

250–2000 kW (molten carbonate fuel cell, MCFC)

3. Szilárd oxidos tüzelőanyag-elem, Első kifejlesztője a Fuel Cell Energy Corp.

(solid oxide fuel cell, SOFC) 200–250 kW

volt, egyelőre az üzemi próbák szakaszában A Siemens Power Generation és a Fuel Cell

van. Lényeges tulajdonsága, hogy nem kell

Technologies fejlesztette ki, és rövidesen ver-

hozzá tüzelőanyag-átalakító, így sokféle hid-

senyezni fog a PAFC típussal. Jól alkalmazha-

rogénben gazdag vegyület használható fel

tó nagy hőterheléssel járó környezetben, mint

üzemanyagként. Viszonylag magas hőfokon

internet adatközpontokban vagy ipari termelő

működik, ezért jól megfelel ipari nagyüzemek

üzemekben. Szélesebb körű elterjedését jelen-

és nagy kereskedelmi központok ellátására, de

leg az akadályozza, hogy membránját főleg a

előnyösen lehet alkalmazni a biotechnikában

kéntartalmú, de egyéb szennyezések is meg-

és a gyógyszeriparban is.

támadják. A műszaki problémák kiküszöbölése után magas üzemi hőmérséklete (kb. 950 °C)

A négy típus jellemzőit az 1. táblázat foglalja

és nagy hatásfoka miatt várhatóan ez lesz a

össze.

vezető típus a kapcsolt hő- és villamosenergiaellátó berendezések piacán. 1. táblázat A legfontosabb tüzelőanyagelem-technológiák főbb jellemzői Típus → Üzemi hőmérséklet (°C)

PEM

PAFC

SOFC

MCFC

MCFC

5–10 kW

200kW

200–250 kW

250 kW

2000 kW

66

204

955

650

650

A berendezés költsége (USD/kW)

4700

3500

2850

4350

2400

Költség üzembe helyezéssel együtt (USD/kW)

5500

4500

3500

5000

2800

O&M1 költség (USD/kW) Villamos hatásfok (%) 2

CHP hatásfok (%)

0,03

0,03

0,1

0,04

0,03

30

36

45

43

46

68

75

70

65

70

1

Operation & Maintenance: működési és fenntartási költség

2

Combined Heat and Power : kombinált hő és áramtermelés

27


A kereskedelmi forgalom és a műszaki potenciál viszonya

lett melegvíz és gőz előállítására is képesek, a kereskedelmi és ipari alkalmazások terén is versenyképesek más megoldásokkal (pl. föld-

A tüzelőanyagelem-gyártás kapacitása ma még

gáz-alapú gépek és turbinák), egyre jelentő-

elmarad a műszaki potenciálnak megfelelő

sebb szeletet fognak kihasítani a piaci tortából.

piaci igényektől. Ennek gazdasági és technikai

Amint a 2. táblázat szemlélteti, a kezdeti évek

okai vannak: a membrános elemek esetében a

lassabb fejlődése után agresszív növekedés

membránok előállítása változatlanul költséges,

prognosztizálható, több esetben egyik évről a

ugyanakkor azok nagyon könnyen meghibá-

másikra megkétszereződnek, vagy meghárom-

sodnak. A közeljövőben az 1 MW-nál kisebb

szorozódnak az eladások.

teljesítményű típusokból a gyártók egészen biztosan értékesíteni tudják teljes termelésü-

A tüzelőanyag-elemek jelentősen kisebb NOx-

ket, sőt körülbelül tíz éven keresztül túlkeres-

és SOx-kibocsátása mellett a többi jellemző

let is fog mutatkozni. A gyártókapacitások a

terén is versenyképesnek kell lenniük az elosz-

jelenleg még fennálló műszaki nehézségek

tott energiaellátásban szerepet játszó többi

leküzdése után kb. 10–20 év múlva fogják

technológiával, ilyenek a berendezések élettar-

utolérni a piaci igényeket.

tama és költségei, a beszerzési és szervizelési infrastruktúra.

Mivel a magasabb üzemi hőmérsékletű tüzelőanyag-elemek a villamosenergia-termelés mel2. táblázat A tüzelőanyag-elemek várható forgalma a következő években, 1000 USD-ben

Év

PEM

PAFC

2003

6 891

80 120

20 000

51 875

2007

11 518

166 138

117 644

192 801

2012

87 464

1 261 608

892 951

1 464 108

2022

847 693

4 896 875

5 594 602

15 028 614

28

SOFC

MCFC


A piacra lépés műszaki és gazdasági akadályai

• Nagyon sok nehézséget okoz a rendszerek létesítése esetén az engedélyezési eljárás hosszadalmassága. • Marketing.

A gyártóknak még számos akadályt kell le-

Nem

hatékony

a

tüzelő-

győzniük a piac meghódítása érdekében. Ezek

anyagelem-rendszerek előnyeit ismertető

közül a legfontosabbak:

felvilágosító munka. A lakosság nagy része

• Élettartam. Minden típus esetében problé-

nem ismeri környezetkímélő hatását, és azt

ma az aránylag rövid élettartam. Különösen

az előnyt, hogy a rendszereket a felhaszná-

igaz ez a PEM technológiára, amelynek

lók – lakások, üzemek, irodák – közvetlen

maximális élettartama 10 000 üzemóra, ami

közelében lehet létesíteni.

lakossági felhasználás esetén kevesebb, mint 5 év. Ha valóban sikereket akarnak el-

Platina és hidrogén

érni ezen a piacon, akkor legalább 50 000 óra élettartamot kell a jövőben garantálni. • Tüzelőanyag-átalakító.

A

hidrogénnek

Az Egyesült Államok Geológia Felügyelősége

szénhidrogénekből kiinduló előállításához

számításai szerint a világ készlete a platina-

drága berendezések szükségesek, ez növeli

csoport elemeiből körülbelül 100 millió kg.

a költségeket, és rontja a cellák hatásfokát.

Ezeket a fémeket sokféle berendezésben al-

A költségek szintje piacra lépési korlátot je-

kalmazzák, például a fosszilis anyagokkal mű-

lent; az átalakító és az elemek együttes ha-

ködő erőművekben a káros emisszió csökken-

tásfoka kb. 40%, ami gyengébb számos

tésére használt katalizátorokban. Katalizátoro-

konkurens technológia hatásfokánál, külö-

kat szerelnek be a gépkocsikba is a kibocsátott

nösen a kapcsolt hőtermelés esetén.

káros gázok mennyiségének csökkentésére.

• Teljesítményelektronika és rendszerinteg-

Felvetődik a kérdés, hogy egy idő múlva nem

ráció. Az elemeket, az átalakítókat, a ve-

merülnek-e ki a platinacsoport fémeinek a

zérlő és ellenőrző elektronikát egységes

készletei?

rendszerré kell alakítani. Ezen a téren is további jelentősebb fejlesztések szüksége-

A tüzelőanyag-elemekből álló telepek katalizá-

sek, mivel a jelenleg alkalmazott inverterek

torai is ezekből a fémekből állnak, de a tech-

és más elektronikus berendezések viszony-

nológiai eljárások tökéletesedése következté-

lag magas ára további piacra lépési korlátot

ben a felhasznált mennyiség egyre csökken.

jelent.

Néhány 29

évvel

ezelőtt

egy

50

kW-os


tüzelőanyagelem-berendezés platinaszükségle-

mi Minisztérium, Kereskedelmi Minisztérium),

te 200 g volt, ma már csak 100 g. Az USA

valamint a Környezetvédelmi Ügynökség ré-

Energetikai Minisztériumának (DOE) tervei

széről is tüzelőanyagelem-rendszerek felhasz-

szerint ennek a mennyiségnek a jövőben 10 g-

nálása érdekében. Az Egyesült Államok kong-

ra kell csökkennie. Úgy számítják, hogy ha az

resszusa olyan törvény tervezetét készíti elő,

igények nem nőnek ugrásszerűen, akkor még

amely lehetővé teszi ezek működésének és fel-

2030-ban sem mutatkozik hiány a platinacso-

használásának kedvezményes adóztatását.

port fémeiből. Ha azonban a tüzelőanyagelemek elterjedése gyorsabb lesz a vártnál,

2002 szeptemberében a tüzelőanyag-elemek

és/vagy a fajlagos platinafelhasználás nem

gyártói és az infrastruktúra előállítói közös

csökken az elvárt mértékben, akkor hiány ke-

beadványban javasolták a tüzelőanyag-elemek

letkezhet a fém katalizátorok piacán, ami elfo-

gyártásának és forgalmazásának állami támo-

gadhatatlanul magas árakhoz vezethet.

gatását. Kormányzati támogatást kértek az alábbi területeken:

A tüzelőanyag-elemek piaci elterjedésének

• K+F tevékenység,

másik fontos tényezője a hidrogén-infra-

• bemutató és pilot projektek,

struktúra létrehozása. A hidrogén szállításá-

• kormányzati vásárlások,

nak, tárolásának és felhasználásának módsze-

• pénzügyi és nem pénzügyi piaci ösztönzés,

rei intenzív kutatások tárgyát képezik manap-

• szabványok és előírások kedvező kialakítása,

ság, és ez a témakör még hosszú ideig kenye-

• oktatás és felvilágosítás.

ret fog sok kutatónak adni.

A káros kibocsátásra vonatkozó előírások újrafogalmazása a termelt energia alapján

Kormányzati támogatás Az Egyesült Államok kormánya nagy mértékben igyekszik támogatni a tüzelőanyagelem-

Az USA-ban jelenleg érvényes állami szabá-

programokat. Az első intézmény, amely keres-

lyozási rendszerek csak a káros kibocsátás

kedelmi tüzelőanyagelem-telepeket rendszeresí-

mennyiségét értékelik, tömeg- vagy térfogat-

tett, állami szerv, az amerikai űrhivatal, a NA-

egységekben. A szakemberek szerint helye-

SA volt. Kezdeményezések történtek egyéb

sebb volna ehelyett a termelt energiára vonat-

állami szervek, minisztériumok (Nemzetvédel-

koztatott szabályozást bevezetni, kg/MWh 30


egységekben (output-based regulation), még-

• Olyan nagyértékű eszközök, berendezések

hozzá a kapcsoltan termelt hőenergia beszámí-

villamosenergia-ellátására, amelyekben be-

tásával. Ekkor kitűnne, hogy a tüzelőanyag-

épített biztonsági áramforrások vannak

elem-rendszerek sokkal kedvezőbbek más

(„premium power”), például a távközlési és

energiatermelő rendszereknél, a fűtőanyagot is

a nagy biztonságú adattárolási rendszerek-

nagyobb hatásfokkal hasznosítják, alkalma-

ben. Ezekben jelenleg szinte kizárólag jól

sabbak a hővisszanyerésre, (a „hulladékhő”

bevált akkumulátorokat és fejlett szünet-

hasznosítására), mint más berendezések. Az

mentes tápegységeket használnak, ezért

USA néhány állama élen jár ebben a fejlődési

még sok kutató-fejlesztő munkára lesz

folyamatban: Massachusetts és az észak-keleti

szükség, hogy a tüzelőanyag-elemek ezek-

államok megfelelő szervei már kidolgoztak

kel versenyképesekké váljanak.

ilyen tartalmú törvénytervezeteket. A kapcsolt

• Lakóházak. A már említett, helyszínen fel-

hőtermelés értékelése ugyanakkor megosztja a

szerelt demonstrációs egységekkel – első-

szakértőket, bár abban mindenki egyetért,

sorban az 5–10 kW teljesítményű PEM tí-

hogy az ipari üzemekben szükséges gőz és

pusú berendezésekkel – nagyon jók a ta-

melegvíz előállítása céljából hagyományosan

pasztalatok. A fejlesztőmunka ezen a terü-

elégetett fosszilis tüzelőanyagok termikus

leten a telepek élettartamának jelentős nö-

veszteségei és károsanyag-kibocsátása nem

velésére irányul, a jelenleg elérhető élettar-

kedvező. A kapcsolt villamos- és hőenergia-

tamok nem elegendőek. A viszonylag ma-

termelő rendszerekre sok ipari üzemeltető úgy

gas árak egyelőre csak a kis számú, drága

tekint, hogy azok elsődleges célja a gőz előál-

luxuslakásra korlátozzák a felvevőpiacot.

lítása, és járulékos előnyként értékelik a termelt villamos energiát. A tüzelőanyag-elemes

A technológia életképessége szempontjából

rendszerek jó hatásfokkal használják fel a tü-

sokat számít a fejlesztő cégek tőkeereje, azaz,

zelőanyagot, és ez csökkenti a teljes rendszer

hogy a vállalatok mennyi tőkét képesek a fej-

költségeit.

lesztésbe és gyártásba befektetni. Általános az a nézet Amerikában, hogy csak az 5 milliárd USD fölötti piaci értékű vállalatok tudnak tar-

Piacok és szereplők

tósan versenyben maradni, nyereségesen gazdálkodni. A technológiai szektor általános

A tüzelőanyag-elemek alkalmazását a gyártók

visszaesése a 2001–2002 években lassította a

két fontos területen szeretnék elterjeszteni:

tüzelőanyag-elemek fejlesztését is. Ez meg31


nyilvánul a kereskedelmi forgalomra érett

műszaki és gazdasági akadályai vannak. Ezek

konstrukciók piacra dobásának késlekedésében

között meg kell említeni a cellák fontos alkat-

is. A fejlesztők rendre túl optimista jóslatokat

részét jelentő membránok előállításának ne-

tesznek közzé ez ügyben: a PEM-technológia

hézségeit, a helyhez kötött állomások tetemes

terén például 1999-ben legalább öt cég ígérte

beruházási költségeit, valamint a más elosztott

2000 végére vagy 2001 elejére lakóházi rend-

energiaellátási technológiákhoz viszonyított

szerek árusításának kezdetét, 2002 végéig

rövid élettartamot.

azonban e jóslatok egyike sem vált valósággá. Ebben az időpontban egyedül az International

2007-ben életbe lép az Egyesült Államokban

Fuel Cell vállalatnak volt terméke kereske-

az a szövetségi törvény, amely szigorítja a

delmi forgalomban, a többi projekt még csak a

levegőszennyező anyagok kibocsátásának kor-

fejlesztési stádiumot érte el.

látait. Várható, hogy ez nagyobb lendületet ad a tüzelőanyagelem-telepek gyorsabb ütemű

Korábban nagy reményeket tápláltak a mozgó

fejlesztésének és nagyobb arányú felhasználá-

tüzelőanyagelem-alkalmazások

értékesítési

sának, mivel az Egyesült Államok kormánya is

lehetőségeivel kapcsolatban is. Az autógyártó

támogatja az erre irányuló kutatást és fejlesz-

Daimler-Chrysler például azt tervezte, hogy

tést. Ez a technológia sem csodaszer azonban,

2004-re 100 000 egységet visz az utakra. En-

ez sem hoz olcsó megoldást minden energeti-

nek csak kis töredékét sikerült megvalósítani:

kai problémára, ezért fejlesztését az elosztott

a fő akadály itt a hidrogén tüzelőanyag zökke-

energiaellátási rendszerek többi módszerének

nőmentes utánpótlása.

fejlődésével összhangban kell megvalósítani.

Következtetések

Irodalom

A tüzelőanyag-elem a jövő tiszta, megbízható

[1] Shipley, A. M.; Elliot, R. N.: Phantom Power: the status of fuel cell technology markets. = Energy

energiaforrása, amelyre nagy szerep vár az

Engineering, 101. k. 1. sz. 2004. p. 26–45.

elosztott energiarendszerek terén. A jövőbeni jelentősebb elterjedésének ugyanakkor jelentős

[2] Rose, R.: Fuel cells and hydrogen: the path forward. = http://www.fuelcellpath.org

Összeállította: dr. Menczel György

32

A tüzelőanyag-elem: fantom vagy valóság?

Recommend Documents