Hidrogén és tüzelőanyag-cella technológiák

 

Gazdaságosság (hatásfok, költségek, megtérülés)

Míg az egyes megújuló energiaforrások alkalmazásának, technológiáinak (napkollektor, szélturbina, stb.) ökonómiai paraméterei ma már többnyire ismertek, a hidrogén-technológiák terén még nem lehet ilyen mélységben nyilatkozni, mivel - különösen Magyarországon - kevés még a tényleges alkalmazás. A tüzelőanyag-cellák széles körben alkalmazhatók hő- és villamosenergia-előállításra, beleértve a helyhez kötött, a hordozható és a szállítási-közlekedési célú felhasználásokat. A különböző típusú tüzelőanyag-cellák alkalmazási feltételei azonban eltérők, ezért a piaci igények által meghatározott felhasználási területeken ennek figyelembe vételével kell elemezni az egyes tüzelőanyag-cella típusok használatának lehetőségeit, mivel az már jelenleg is látható, hogy ezek igen jelentősen eltérhetnek egymástól.

 

Egyes korai alkalmazások költséghatékonysága

Ugyanakkor elmondható, hogy vannak bizonyos korai piacai a hidrogén és tüzelőanyag-cellás (HFC) technológiáknak, amelyek már jelenleg is gazdasági versenyképességet mutatnak, vagy ahhoz nagyon közeli állapotban vannak, a hagyományos alternatívákhoz viszonyítva. Ilyen korai piacok például:

  • a hidrogén és PEM tüzelőanyag-cellás szünetmentes áramforrások alkalmazása mobilkommunikációs hálózatokban,
  • anyagmozgatás járművei (targoncák) hidrogén és tüzelőanyag-cellás meghajtással.

A HFC targoncák ugyan drágábbak, mint az akkumulátorosak, de számos olyan előnnyel rendelkeznek, amelyek a „rendszerszintű” összköltségeket kedvezővé teszik. Ilyen például a nagyobb hatótávolság, a sokkal rövidebb tankolási idő (szemben az akkumulátortöltéssel), a számottevően kisebb helyfoglalás, a nagyobb termelékenység, a hulladékkezelés előnyei (pl. nagy tömegű akkumulátor-hulladék). Egyes cégeknél már jelenleg is akár 40 darabos HFC targonca-flották működnek. Ezek tankolása az észak-amerikai anyagmozgató járművek piacán 120 ezer alkalommal történő hidrogén-tankolást jelentett a 2009-es évben, amely nem mellesleg értékes tapasztalatokkal szolgál a hidrogén-infrastruktúra „tanulásához”, a biztonsági szintek fejlődéséhez és a további fejlesztésekhez. Valamint nem mellékesen e korai alkalmazások elősegítik az árak csökkenését, amely által újabb szektorokban, technológiai területeken válhatnak gazdaságilag is versenyképessé a HFC technológiák.

Szünetmentes HFC áramforrást jelenleg a hazai mobilkommunikációs hálózat bázisállomásain is használnak a korábban alkalmazott nagytömegű (kb. 2 tonna/állomás) akkumulátor helyett. Az üzemeltető adatközlése alapján egy bázisállomás átalakítása akkumulátorról hidrogén tüzelőanyag-cellás, szünetmentes áramforrásra, Magyarországon jelenleg kb. 3-4 év alatt megtérülő beruházás, bár ez együttesen értendő más kisebb átalakításokkal is, pl. a szellőztetési rendszerben. Amennyiben egy új mobil bázisállomást eleve tüzelőanyag-cellás szünetmentes tápegységgel terveznek meg, a költségek szinte azonnal megtérülnek.

 

Közlekedési alkalmazások

Jelenleg, a korai piacoknak nem minősülő, de egyébként technikailag kellően érett tüzelőanyag-cellás technológiák kétség kívül drágák, akár 5-8-10-szeres mértékben is magasabb a fajlagos költségük (EUR/kWe), mint a hagyományos technológiáknak. Ugyanakkor meg kell említeni, hogy ez főként annak köszönhető, hogy a nagysorozatú gyártás egyelőre nem működik, másrészt viszont az e területen folytatott intenzív K+F tevékenységeknek köszönhetően az árak évről-évre érezhető mértékben csökkennek.

Az egyik legfontosabb hidrogén tüzelőanyag-cellás alkalmazási terület a közlekedés lesz, részben a nagy energiafelhasználás és környezetterhelés, másrészt az egyre nehezebben kezelhető, nagyfokú import kőolajfüggés miatt. A tömegközlekedési eszközök között a hidrogén tüzelőanyag-cellás buszok már igen nagyléptékű demonstrációs projektek keretében megjelentek és bizonyították technikai érettségüket, néhány városban pedig üzemszerűen működnek. A személyautók terén is megkezdődött a HFC járművek megjelenése, de igen kis számban és csak bizonyos városokban, hiszen működésük a hidrogén infrastruktúrához kötött, a járműveket pedig egyelőre főként csak bérelni lehet, megvásárolni nem. A 2010-es évek közepétől, illetve második felében valószínűsíthető, hogy a hidrogén tüzelőanyag-cellás járművek költsége az „elfogadható” árkategóriába esik majd, és több nagy gyártó is erre az időpontra ígérte különböző hidrogén üzemű modelljeinek kereskedelmi elérhetőségét. Ugyanakkor a kapcsolódó hidrogén infrastruktúra is nagyjából ekkorra épülhet ki (pl. hidrogén autópályák).

E területen a McKinsey&Co tanácsadó cég által szerkesztett, az iparág meghatározó (olajipari, autóipari, hidrogén-technológiákat gyártó) vállalatainak adatain, tapasztalatain alapuló és 2010 végén megjelent tanulmányában foglaltak lehetnek irányadók. E tanulmányban a teljes költséget (TCO, total cost of ownership) vizsgálták, amely a jármű teljes életciklusával összefüggő költségeket jelenti. Az akkumulátoros-elektromos (BEV) és tüzelőanyag-cellás (FCV) járművek bekerülési ára várhatóan mindig is magasabb lesz, mint a belső égésű motoros (ICE) járműveké, az akkumulátorhoz és a tüzelőanyag-cellához kapcsolódó költségek miatt. Viszont alacsonyabb lesz az üzemanyagköltségük, a magas hatékonyság és az idővel egyre dráguló kőolaj miatt. A karbantartási költségek is alacsonyabbak lesznek a kevesebb mozgó alkatrész és az egyszerűbb konstrukció miatt. A tüzelőanyag-cellás rendszerek költsége várhatóan 90%-kal, az akkumulátoros rendszerek költsége 80%-kal fog csökkenni 2020-ra a nagy sorozatban történő gyártás, a méretgazdaságosság elérése, és a javuló technológiai színvonal miatt. A plug-in hibrid (PHEV) járművek rövidtávon gazdaságosabbak lesznek, mint a BEV és FCV társaik. A költségekben mutatkozó különbségek folyamatosan csökkenni fognak, különösen, ha ezt a folyamatot esetleges adókedvezmények is elősegítik majd. Az említett alternatív járművek várhatóan 2025-re gazdaságilag is életképes alternatívái lesznek a belső égésű motoroknak.

 

El nem számolt előnyök, költségek (externáliák)

Napjainkban még mindig számos költség-haszon tanulmány csak a közvetlenül elszámolható – és könnyen meghatározható – költségeket (bekerülési költség, üzemanyagköltség, stb.) veszi számba az egyes technológiák összehasonlításakor. Ezek alapján pedig sok esetben nem csak a hidrogén-technológiák, hanem a megújuló energia technológiák is gazdaságtalannak számítanak, illetve túl hosszú megtérülési időket mutatnak. Van azonban számos olyan körülmény, tényező, amelyek bár nehezen monetarizálhatók, de kétség kívül fontos, előnyös szempontok a hidrogén-technológiák javára (különösen, ha megújuló energiaforrások kombinációjával alkalmazzák őket). Ha ezeket figyelembe vennénk, már most is árnyaltabb képet kapnánk a tüzelőanyag-cellás technológiák gazdasági mutatóiról. Ilyen, pozitív externáliákat jelentő tényezők a – legalább részben megújuló energiaforrásokkal előállított – hidrogénnel működő tüzelőanyag-cellás technológiák esetében a következők:

  • csökkenthetik Magyarország (illetve az EU) súlyos energiaimport-függőségét
  • a sokrétű hidrogén-előállítási módok lehetősége miatt forrás-diverzifikáció valósítható meg
  • számottevően kevesebb, esetleg nulla-közeli légszennyező anyag kibocsátás (szén-dioxid, nitrogén-oxidok, részecske, szén-monoxid) és a tüzelőanyag-cellás technológiák rendkívül halk működése, kis zajterhelése miatt kisebb károsodás az emberi egészségben
  • egyes hidrogén-technológiák részt vehetnek a villamosenergia-rendszer kiszabályozási feladataiban, és egyidejűleg a megújuló energiaforrások magas befogadási arányát is lehetővé tehetik a VER-ben, bizonyos feltételekkel
  • nincs vagy kisebb az import üzemanyag áringadozásokból fakadó kockázat (v.ö. hektikusan változó világpiaci olajár)
  • az országban termelt jövedelmek – legalább részben – helyben tarthatók, ha saját K+F tevékenységekkel és legalább részben hazai gyártású tüzelőanyag-cellás technológiákkal rendelkezünk

 

A kereskedelmi forgalomban kapható hidrogén-technológiák

Viszonylag elterjedt vélekedés, hogy a hidrogén-technológiák, a tüzelőanyag-cellák és kiszolgáló berendezések ma még főként csak laboratóriumokban találhatók, vagy egyedi gyártási megrendelésre készülnek, és emiatt kereskedelemben nem, vagy csak elvétve kaphatók. Noha nagyléptékű sorozatgyártásról még nem beszélhetünk – amely egyébként egyik fő oka a most még magas áraknak – igen sokféle hidrogén-technológia kapható már a „hétköznapi” kereskedelmi forgalomban. Ezek közül mutatunk be most – némileg önkényesen kiválasztott – példákat, főkét tüzelőanyag-cellákra, illetve egyes kiegészítő eszközök alkalmazására.

Az USA Tüzelőanyag-cella Tanácsa (USFCC, Fuel Cell Council) rendszeresen listát állít össze az aktuálisan kereskedelmi forgalomban kapható tüzelőanyag-cellákról és hozzájuk kapcsolódó termékekről. A 2009-es terméklista több mint 40-féle, kereskedelmi forgalomban kapható tüzelőanyag-cellát tartalmaz, kb. 14 gyártótól. Fontos megjegyezni, hogy ez a lista csak a USFCC tagok termékeit tartalmazza, más gyártókét nem, így pl. egyes fontos európai, japán vagy koreai gyártókét sem. Tehát a tényleges, jelenlegi kereskedelmi kínálat ennek a többszöröse. 2009-ben világszerte kb. 24.000 tüzelőanyag-cellás egységet értékesítettek, és ez a szám évről-évre markánsan emelkedő tendenciát mutat. Az említett USFCC kereskedelmi listában jelenleg dominánsan PEM típusú tüzelőanyag-cellák találhatók, jellemzően 100 W teljesítménytől, 15 kW-ig, de kapható 1 W körüli és 120-400 kW teljesítményű TC is . A típust tekintve a PEM mellett még főként MCFC és DMFC található. (A nagyobb, több MW teljesítményű tüzelőanyag-cellák – főként az MCFC és SOFC típusok – kereskedelmi forgalomba kerülése a 2010-es évek közepéig várható.) Az említett TC-termékkatalógus a főbb adatok között említi még a garanciát, amely gyakorlatilag minden termékre létezik. Azoknál a termékeknél, amelyeknél a gyártó kifejti a garanciát (ezek főleg back-up áramforrások), általában 2 éves – további egy évvel kiterjeszthető – vagy 1500 óra működést adnak meg garanciaként.

A közlekedési alkalmazások területén szintén kereskedelmi forgalomban kaphatók, illetve kulcsrakész kivitelezésben megrendelhetők a hidrogéntöltő állomások, diszpenzerek. A kínálat meglehetősen széles: 250/350/700 bar-os, komprimált hidrogén üzemanyagtöltő állomásokat kínálnak, amelyekhez megválasztható, hogy a hidrogént tartálykocsiban szállítják-e a helyszínre, vagy esetleg helyszíni (on-site) hidrogén-előállítást választ a vevő. A hidrogén diszpenzer kivitelezése lehet önmagában álló, pl. közhasználatú hidrogén kútnál, vagy falra szerepelhető, pl. raktári targoncák kiszolgálására. Mindezek mellett mobil töltőállomások is vásárolhatók, az említett, többféle nyomásszinttel.

A hidrogén-technológiák közül célszerű még kiemelni az elektrolizáló (vízbontó) berendezések kereskedelmi elérhetőségét. Hidrogénfejlesztők kereskedelmi forgalomban a laboratóriumi alkalmazásra szánt néhány liter hidrogén/óra kapacitástól, az ipari méretű 490 Nm3 H2/óra kapacitásig elérhetők. Utóbbi kb. 1,4 MW egységteljesítményt jelent. Az elektrolizálók be-, illetve kikapcsolhatók 1-2 perces időtartam alatt, így adott esetben csúcsidőszakon kívüli, olcsóbb árammal történő üzemeltetésük is megoldható, de működésük illeszkedhet azon periódusokhoz is, amikor például jelentősebb mennyiségű szélenergia betáplálására kerül sor a villamosenergia-rendszerben. Ezt segíti az is, hogy a névleges kapacitáson belül széles tartományban üzemeltethetők jó hatásfokkal. Nincs bennük mozgó alkatrész (vagy csak kevés), így a rendelkezésre állás igen magas, és az egyik legtisztább hidrogént szolgáltatják.

Magyarországon is működik már olyan vállalkozás, amely tüzelőanyag-cellákat fejleszt, egyes komponenseit maga gyártja. A 2010-es évek első felében remélhetőleg Magyarországon is megjelennek a – legalább részben – hazai gyártású tüzelőanyag-cellák. További információk e téren a www.hidrogenplatform.hu oldalon találhatók.

 

Egyebek

Készítette: VSoft Technologies