Alkalmazások

A hidrogén a jövő egyik fontos szekunder energiahordozójává válhat. Arra a kérdésre, hogy mikor, hogyan, milyen gazdasági és környezetvédelmi feltételek mellett várhatjuk a hidrogén nagyobb mértékű energetikai célú felhasználását, és mindezt milyen jellegű alkalmazásokkal (amelyek spektruma egyébként igen széles), a feleletet csak stratégiai elemzések adhatják meg.

A tüzelőanyag-cellákat alapvetően két nagy típusra: telepített (helyhez kötött) és mobil alkalmazásokra célszerű felosztani. A mobil alkalmazásokon belül külön csoportot képeznek a közlekedési célú alkalmazási lehetőségek.

Telepített alkalmazások

A magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellák (600-800 ^oC) és a magas hőmérsékleten működő polimer elektrolit membránt tartalmazó PEM TC-k (~120 ^oC) alkalmazásának bíztató távlatai vannak a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésben.

Kis teljesítményű rendszerek a háztartásokban (1-50 kW). Ezekben az alkalmazásokban a PEMFC technológiának van jelentős szerepe. Különösen a magas hőmérsékleten működőképes, szennyezéstűrő polimer membránok kifejlesztése kap hangsúlyos szerepet.

Földgázzal (és reformer egységgel) működő háztartási (~1,5 kWe) kogenerációs tüzelőanyag-cellák Japánban
forrás: Tokyo Gas

Középületek, és ipari létesítmények energiaellátása (50 -500 kW). Nagy hatásfok és alternatív tüzelőanyagok felhasználása – mint pl. ipari hulladékgázok, biogáz, fermentációs gázok – válhat fontossá ezekben az esetekben. Minden bizonnyal a magas hőmérsékletű cellák (MCFC, SOFC) lesznek a versenyképesek nagy hatásfokuk következtében, különösen az ipar területén. Ebben a teljesítménytartományban kezd ígéretessé válni a tüzelőanyag-cellák kombinálása hőhasznosító gázturbinákkal.
Az állattartó telepeken, szennyvíztelepeken, hulladéklerakó telepeken, stb. képződő biogázok általában magas metán-tartalmúak. Európában, az USA-ban, és Japánban már több gyártó foglalkozik a biogázok reformer nélküli tüzelőanyag-cellás hasznosításával, megfelelő előtisztítást követően.

Erőművek (500 kW felett). Az 500 kW-ot meghaladó üzemek megvalósítása még többé-kevésbé távoli célnak tekinthető. Rendkívül fontos, illetve elengedhetetlen lehet kombinálásuk gázturbinákkal vagy más berendezésekkel, hogy a mai, kombinált ciklusú erőművek hatásfokát meghaladják.

1 MWe –os (PEM) tüzelőanyag-cella a villamos csúcsigények kielégítésére
(kamionra szerelt kivitelezésben)
forrás: Ballard

Közlekedési célú (mobil) alkalmazások

A hidrogén felhasználásának legnagyobb jelentősége környezetünk védelme, és a nyomasztó mértékű import kőolajfüggés feloldása szempontjából a közlekedésben van. A közlekedés az egyik legnagyobb és legdinamikusabban fejlődő energia-felhasználó és ez által egyben az egyik legnagyobb károsanyag-kibocsátó ágazat.

Hidrogén tüzelőanyag-cellás személyautók,
hidrogén töltőállomással a háttérben
forrás: Total

Bár a gépjárművek üzemeltetésére jelenleg alkalmazott technológiák és üzemanyag árak még jelentősen kisebb fajlagos költséget eredményeznek, mint egy hidrogénnel üzemeltetett tüzelőanyag-cellás gépjárműhajtás, várható, hogy a folyékony és gáz halmazállapotú fosszilis üzemanyagforrások kimerülésével, jelentős árnövekedésével, a megújuló technológiák fajlagos költségcsökkenésével a versenyhátrány lényegesen csökken. Jelenleg az elektromos, tüzelőanyag-cellás és bio-üzemanyaggal hajtott modellek, valamint ezek hibrid változatai állnak e verseny élén. A technológiák közötti verseny várható kimenetelét ma még nehéz megjósolni, de bizonyos, hogy a tüzelőanyag-cellás alkalmazásoknak fontos helye lehet a jövő közlekedési rendszereiben. Mind az alacsony, mind a magas hőmérsékletű PEM tüzelőanyag-cellák tűnnek a legmegfelelőbbnek erre az alkalmazásra.


Hidrogén tüzelőanyag-cellás busz London belvárosában forrás: CUTE	Hidrogén tüzelőanyag-cellás autó tankolása Norvégiában forrás: HyNor

A legtöbb járműmeghajtás esetén a nagy teljesítménysűrűség, a gyors dinamikus reagálás és a rövid indítási idő a leglényegesebb szempont. A városi közösségi közlekedési alkalmazások úttörő szerepet játszhatnak a technológia elterjesztésében (mind a levegőszennyezés csökkentése, mind a hidrogénlogisztika kevésbé nehézkes kiépítési lehetőségei miatt). Ma már a világ több tucat városában futnak hidrogén tüzelőanyag-cellás buszok, összesen több millió km-es és több százezer órás üzemtapasztalattal. Ezek közül az egyik legjelentősebb a CUTE program (2001-2006), ill. folytatása, a HyFleet:CUTE (2006-2009), amelynek keretében 12 városban 47 hidrogénbuszt tesztelnek, a hozzájuk kapcsolódó hidrogén töltőállomással együtt. De az említett projekteken kívül is számos nagyvárosban ma már számottevő mennyiségű hidrogén tüzelőanyag-cellás buszflotta működik – a hétköznapi közösségi közlekedési rendszerek keretében.

Hordozható (mobil) alkalmazások

A tüzelőanyag-cellák első alkalmazására a réspiacokon (niche markets) – mint pl. a katonai-védelmi és vészhelyzeti szolgáltatások, valamint egyes fogyasztói elektronikai készülékek – kerülhet sor. Ilyenek lehetnek pl. mobiltelefonok, laptopok, hordozható akkumulátortöltők, navigációs készülékek.


Tüzelőanyag-cellával működő telefon	Hidrogén tárolása fém-hidridként, mobiltelefon esetében

A hordozható tüzelőanyag-celláknak több fontos felvevő piaca lehet, így valamennyi olyan iparág, amely jelenleg nagy számban használ mobil energiatároló rendszereket (akkumulátorokat). E tekintetben a hidrogén, és metanol vagy etanol bázisú tüzelőanyag-cellák elterjedése és a tömegessé váló használat kellő hátteret adhat ahhoz, hogy megszűnjön, de legalábbis jelentősen csökkenjen a tüzelőanyag-cellák alkalmazhatóságával kapcsolatos műszaki és gazdasági típusú kétkedés. Bár általánosságban elmondható, hogy a következő néhány évben a tüzelőanyag-cellák nem törik meg a lítiumion-elemek dominanciáját e piacon, de a hordozható alkalmazások tekinthetők a hidrogéngazdaság „kiskapujának”. A széleskörű elfogadottság, az „áttörés” is ezektől a felhasználásoktól várható, vagyis a mobil telefonok és laptopok akkumulátorait kiváltó tüzelőanyag-celláktól. Az új generációs (3G, 4G) alkalmazásoknál jelentkező növekvő terhelési igények miatt az akkumulátor-gyártókra nagy nyomás nehezedik az energiasűrűség növelése kérdésében. A tüzelőanyag-cellák alkalmazásával a jelenlegi lítiumion-elemek energiasűrűségének 3-10-szeresére van lehetőség ebben a kategóriában.


Tüzelőanyag-cellás MP3 lejátszó	Katonai célú DMFC tüzelőanyag-cella forrás: defense-update.com

Szünetmentes tápegységek. Ezek a berendezések a néhányszáz W és a pár kW közötti teljesítménytartományban működnek. Fontos a nagy energia- és teljesítménysűrűség és a gyors indulási idő. Hibrid konfigurációk is megfelelők lehetnek, amennyiben a cella önmagában nem képes követni a terhelést. A fő feladatok egyike a gyors rendszerindítást és dinamikus működést lehetővé tevő üzemegyensúlyi komponensek (Balance of Plant – BOP) vizsgálata (pl. akkumulátorok és szuperkapacitások alkalmazása).


PEM tüzelőanyag-cellás szünetmentes tápegység (egy magyarországi bázisállomáson) forrás: Magyar Telekom	PEM tüzelőanyag-cellás szünetmentes tápegység hidrogén palackjai (egy magyarországi bázisállomáson) forrás: Magyar Telekom

A fejezethez felhasznált szakirodalmak:
A Hidrogén és Tüzelőanyag-cella Technológiai Platform
Stratégiai Kutatási Terve (2010)

Hidrogén és tüzelőanyag-cella technológiák

Alkalmazások

Egyebek