„Az elektro-mobilitás és a hidrogén-mobilitás lehetőségei, feladatai Magyarországon és az EU-ban” Infónap, Budapest 2016 június 6
Hidrogén és tüzelıanyag-cellás technológiák aktuális helyzetének áttekintése, különös tekintettel a mobilitásra
Dr. Margitfalvi József Magyar Hidrogén és Tüzelıanyag-cella Egyesület
Hidrogén és tüzelıanyag-cellás technológiák A hidrogén és a tüzelıanyag-cellás technológiák képezik az alapját a jövıben kiépülı „Hidrogén gazdaság”-nak. A „hidrogéngazdaság” az energetika és a közlekedés hidrogén alapú rendszerek irányába történı határozott orientációját jelenti, amelyben a gazdaság fogyasztási és szállítási szükségleteinek kielégítéséhez és a társadalom számára hasznos új alkalmazásokban a felhasznált energiát jelentıs részben a hidrogén fogja szolgáltatni. Ezáltal biztosítható lesz a légkör CO2 tartalma 2 növekedésének megállítása.
Hidrogéngazdaság A hidrogéngazdaság az alábbi öt technológiai területet öleli fel:
Tisztítás
Elıállítás Tárolás
Szállítás
Gépkocsi Felhasználás Közlekedés
A hidrogén fı felhasználási területe a tüzelıanyagcellákban történı alkalmazás, amely során a kémiai energia elektromos-, illetve hıenergiává alakul át. Mind az öt technológiai területen új eljárások kidolgozása szükséges, ami viszont új anyagok fejlesztését igényli. 3
Hidrogén a közlekedésben • A hidrogént a gépjármővek tüzelıanyag-celláiban (TC) alkalmazzák; • A TC gépjármővek is elektromos jármőveknek tekintendık (FCEV); • A hidrogén a TC-ban alacsony hımérsékleten oxidálódik, a reakció terméke (i) elektron, (ii) víz és (iii) hı; • A gépjármővekben 350 és 700 bar nyomáson tárolják a gázhalmazállapotú hidrogént; • A tárolt mennyiség elegendı 500-600 km megtételére; • A FCEV gépjármővek elterjedését korábban a TC-k magas önköltsége gátolta. 4
PEM típusú tüzelıanyag-cella felépítése Bipoláris lemez
Bipoláris lemez
Katód oldali katalizátor
Anód oldali katalizátor membrán
MEA = Membrán elektród együttes
Hidrogén
Gáz-diffúziós réteg (GDL) módosított szénszövet
Levegı 5
PEM típusú tüzelıanyag-cella kötegek Ismétlıdı egységek
Bipoláris lemez
lemez
Membrán elektród együttes (MEA)
A MEA 3 vagy 5 rétegő lehet
6
Bipoláris lemez kollektor Gázbezetés Diffuziós réteg Anód kazalizátor Membrán Katód katalizátor Diffuziós réteg Gázbezetés Bipoláris lemez
PEM-típusú tüzelıanyag-cellák felépítése H2 O2
Katalizátor réteg TEM felvétele 7
Cellafeszültség
A katód aktiválása nem hatékony
Katód aktiválás Cella ellenállás Anód aktiválás Anyagtranszport
Áramsőrőség, 8
A PEM típusú tüzelıanyagcella Pt szükséglete DOE célkitőzés
Új típusú TC kötegek
4th Energy Wave becslése: dizel katalizátorok Pt tartalma
9
Tüzelıanyag-cellák várható élettartama és költségcsökkenése
FC élettartam, 1000 km TC költsége, Eur/kW
2010 115
2015 180
2020 247
500
110
43
2050 290
Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles
10
Tüzelıanyag-cellák várható költségcsökkenése 10 év alatt a költségcsökkenés 90 %
Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles
11
Tüzelıanyag-cellákban alkalmazott katalizátorok • CO-toleráns anóde és MeOH anóde: PtRu(alloy), PtRh(alloy), Pt/WO3, Pt/MoO3, etc. • Katód (O2 redukció): Pt, Pt3M (alloy), PtV(alloy), PtCr(alloy) Pt mentes szénstruktúrák Az aktív katalizátorok Pt tartalma 20-40 t % között volt!!! 12
Ultra-alacsony Pt tartalmú katód katalizátorok: Pt monoréteg (PtmrPd/C, PtmrPdIr/C) Háromszoros specifikus ORR aktivitás növekedés 940 µA/cm2
Húszszoros ORR aktivitás növekedés egységnyi tömegre (PtMLPdIr/C): 2.2 A/mgPt 13
Többfémes réteges nanoszekezetek (Pt/Au/Pd/Co)
Piotr Zelenay és munkatársai
14
Üreges Pt nanokatalizátor
15
Új katód katalizátor PEM-hez nanováz alapon
PtNi3 polihedra
PtNi intermedier
Pt3Ni nanováz
Pt nanováz
“Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces”
Vojislav Stamenkovic (ANL) & Peidong Yang (LBNL/UCB) Science, 343 (2014) 1339 16
Új katód katalizátor – nanováz alapon Az aktivitás növekedés kb. 30-szoros
Vojislav Stamenkovic (ANL) & Peidong Yang (LBNL/UCB) Science, 343 (2014)
1339
17
Bipoláris lemezek fejlesztése PEM cellákhoz
Fém bipoláris lemez Polimer alapú bipoláris lemezek
18
Fémalapú bipoláris lemez „According to a presentation made at Fuel Cells Durability & Performance 2009 (December 8-9, 2009 · Alexandria, VA USA) The Ford Motor Company is to present on ”Nanometer Range Gold Coated Stainless Steel for Automotive Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Bipolar Plate”.
„AuNanoclad” márkanév Gyártó: Daido Steel
Vastagság: 0.1 mm Aranyréteg: 20 nm 5 g Au egy 80 kW autóban
19
Fémalapú bipoláris lemez gyártása
20
Tüzelıanyag-cellás személygépkocsit gyártók • • • • •
Audi Honda Hyundai Mercedes-Benz Toyota
A7 H-Tron Quattro FCX Clarity Tucson Fuel Cell (Ix35) B-Class F-Cell Mirai
21
Világcégek a HFC technológiákban Téves vélekedés: hidrogén és tüzelıanyag-cellás technológiákat, jármőveket csak kis, „amatır”, „garázscégek” fejlesztenek. A valóság: „main stream” világcégek invesztálnak HFC technológiákba Az FCH JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking) ipari tagjai például:
Tüzelıanyag-cellás meghajtás két alapesete
23
Tüzelıanyag-cellás személygépkocsik
Honda FCX típusú hidrogénhajtású tüzelıanyag-cellás gépkocsijának a metszete 24
Tüzelıanyag-cellás személygépkocsi
Hyundai Ix35
25
Tüzelıanyag-cellás személygépkocsi Toyota Mirai
26
Honda új tervezéső TC gépkocsija és tüzelıanyagcellája
Forrás: http://electriccarreport.com
27
28
Hidrogén töltıállomások
Egy személygépkocsi töltésideje 4-5 perc, A kb. 5 kg hidrogénnel a jármő 500-600 km-t tud megtenni 29
Hidrogén infrastruktúra
Hidrogén töltıállomás Innsbruckban (kép: H2-International)
Hidrogén szállítása trailerrel (Air 30 products)
Infrastruktúra: hidrogén töltıállomás
Shell hidrogén töltıállomás, Washington, DC
A Honda napelemes hidrogén töltı 31 állomása
ITM Power hidrogén töltıállomása Angliában szélenergia alapon
225kW–os szélturbina közvetlenül van összekötve az elektrolizálóval és a hidrogén tárolóval (220 kg). A mellette kiépített 30 kW teljesítményő 32 tüzelıanyag-cella az épületek energia ellátását biztosítja.
Hidrogén töltıállomások Európában
33
Hidrogén töltıállomások száma
Ország vagy régió Európa Japán Korea USA
2013-2014 36 21 13 9
H2 töltőállomások 2015 -re tervezett (épülő) 95 ( 64) 100 43 >50 (35)
2020-ig tervezett 430 >100 200 >100
Jelenleg a világon 214 hidrogén töltıállomás mőködik, további kb. 100 jelenleg építés alatt áll 34
Hidrogén töltıállomások Németországban
35
Tüzelıanyag-cellák alkalmazásai: Közlekedési alkalmazások - autóbuszok
Tüzelıanyag-cellás autóbusz Amsterdamban
Tüzelıanyag-cellás autóbusz Berlinben
36
Európai TC busz programok CHIC (Clean Hydrogen in European Cities) a legnagyobb európai TC busz projekt a hozzátartozó töltı infrastruktúra kialakításával. Két programot indítottak nagy sikerrel : HyFLEET: CUTE projekt (2006-2009) és a CUTE project (2001-2006). Phase 0 városok: Hamburg (DE), Köln (DE), Berlin (DE), Whistler (CA). 30 db FC busz + 4 hidrogén ICE busz (Berlinben) Phase városok: Aargau (CH), Bolzano/Bozen (IT), Milanó (IT), London (UK), Osló (NO), Aberdeen (UK) 26 FC busz mőködött a napi forgalomban Buszgyártók: Daimler Buses (EvoBus), MAN, Solaris, Van 37 Hool, VDL Bus & Coach
Autóbuszokba tervezett tüzelıanyag-cella
Teljesítmény 35-95 kW között
38
Autóbuszokba tervezett tüzelıanyag-cellák
General Motors, 93 kW teljesítményő TC-je 39
BEV és FCEV gépkocsik összehasonlítása
A gépjármő hatótávolsága és tömege közötti összefüggés
Hasznos energia sőrőség (Wh/Liter) BEV és FCEV gépkocsiknál
Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles
40
BEV és FCEV összehasonlítása
Volkswagen E-Golf 29.800 $ 115 LE 199 lb-ft 83 Mérföld, 134 km 4 óra
Toyota Mirai 58.500 $ -10000 $ * 141 LE 247 lb-ft 312 Mérföld 502 km 5 perc
Bekerülési költség Teljesítmény Nyomaték Utazási távolság Töltési idő (Tankolási idő) * ingyenes hidrogén tankolás 5 éven keresztül
Megjegyzés: hideg idıben és nyári melegben az BEV gépjármővek teljesítménye 50, illetve 25 %-kal csökkenhet 41
BEV és FCEV összehasonlítása A Tüzelıanyag-cellás jármővek felülmúlják az akkumulátorosokat az alábbi paraméterekben: • Kisebb súly • Kisebb helyigény a gépkocsikban • Kevesebb a CO2 kibocsátás • Alacsonyabb a teljes életciklus költség • Gyorsabb feltöltési idı
Az akkumulátoros jármővek felülmúlják tüzelıanyagcellásokat az alábbi paraméterekben: • Alacsonyabb a 100 km-re vetített üzemanyag költség • A kezdeti szakaszban az infrastruktúra könnyebben biztosítható • Szél és fotó-voltaikus elektromos energia esetén kedvezıbb a fajlagos energiafogyasztás
42
A hajtásláncok elterjedésének becslése Hagyományos megközelítés
Zero emisszió BEV dominencia
ICE-B
Zero emisszió FCEV dominencia
FCEV BEV
ICE-D PHEV
Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles
43
A CO2 kibocsátás és a hatótávolság közötti összefüggés különbözı meghajtásoknál
Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles
44
A közeljövı kilátásai A tüzelıanyag-cellák legjelentısebb felhasználója a jövıben a közlekedés lesz. Az Európai Bizottság COM (2010) 186 számú közleménye (Európai stratégia a tiszta és energiatakarékos jármővekrıl) megállapítja, hogy az akkumulátoros meghajtású, illetve a hidrogén üzemő tüzelıanyag-cellás jármővek fejlesztési irányai egymást kiegészítik és a villamos meghajtású jármővek piaci részesedése 2020-ban eléri a 1-3%-ot 2030-ig a 20-30%-ot. 45
Elektromobilitás a jövıben Kismérető személygépkocsik: BEV Rövid utazótávolság: BEV Nagyobb mérető személygépkocsik: FCEV Hosszabb utazótávolság: FCEV Autóbuszok: FCEV Kismérető szállítójármővek: BEV + FCEV Tehergépkocsik: FCEV A két rendszer kiegészíti egymást 46
A közeljövı kilátásai
A gépkocsigyártók mögé felzárkóztak a hidrogén infrastruktúra kialakításában úttörı szerepet játszó cégek is.
47
Összefoglalás • A bemutatott példák szemléletesen mutatják, hogy a tüzelıanyag-cellák fejlesztésének eredményeként a közlekedésben várható a TC meghajtás fokozott elterjedése; • Az akkumulátoros és a tüzelıanyag-cellás elektromos meghajtások kiegészítik egymást; • Mindkét hajtáslánc elterjedését az infrastruktúra hiánya gátolja; • Elgondolkodtató, hogy hazánk milyen jelentıs mértékben le van maradva; • Feladatunk, hogy ezt a lemaradást valamilyen 48 módon és minél hamarabb csökkentsük.
A közlekedés fejlıdési szakaszai
XIX század
XX század
XXI század
49
