Hidrogén - Álom és valóság

A napokban (2006.07.17.) egy cikkben azt olvastam "Közeleg a benzin búcsúja".
Az utóbbi időben annyi félrevezető információ jelent meg a hidrogénről, mint a jövő csodálatos és mindent megoldó energiahordozójáról, hogy úgy döntöttem megpróbálom kicsit "helyretenni" az egészet.

Hidrogénnel működő kísérleti gépkocsi tankolása

Az álom

Álmainkban valahogy úgy képzeljük el, hogy felejtsük el az összes eddigi büdös, levegőszennyező, ócska, vacak benzin- és gázolajzabáló járgányt, mert hamarosan eljön a csoda.

Ezt a "csodát" úgy hívják, hogy hidrogén.
Nagyon magas az energiatartalma.
Nem okoz légszennyezést, hiszen csak vízzé ég el.
Ugyanezen okokból nem okoz üvegházhatást sem (legalább is az égése során).
Gyakorlatilag korlátlanul rendelkezésre áll, hiszen van víz bőven, annak meg több, mint a fele hidrogén (térfogatát tekintve).
Már évek óta működő kísérleti járművek igazolják, hogy ez a jövő üzemanyaga.

A valóság

A valóság, attól tartok, sokkal lehangolóbb.

Azt azért célszerű tisztázni, hogy bár "Az álom" részben említett tulajdonságok nagyrészt igazak, nem szabad megfeledkezni "néhány apróságról".

Először is ne feledkezzünk meg arról, hogy bár a Világegyetemben található atomok 90%-a, illetve a tömegének kétramada hidrogén és a felső földkéregben is a 9. leggyakoribb elem, de szinte kizárólag "kötötten", vagyis vegyületeiben található.
Ez bizony nagyon lényeges dolog, hiszen elő kell állítani, ehhez pedig rengeteg energiára van szükség!

Tehát a hidrogén egyáltalán nem olyan "készen" rendelkezésre álló energiahordozó, mint mondjuk a kőolaj, a földgáz, vagy a kőszén, amit csak fel kell hozni, esetleg kicsit fel kell dolgozni és máris meggyújtható.

Hidrogént nyilván valamilyen hidrogén tartalmú vegyületből állíthatunk elő.
A legpraktikusabb talán vízbontással.
Erre két féle módszer terjedt el.

A "legtisztább" az elektromos árammal történő vízbontás. Ehhez "csak" víz kell és áram, vagyis energia, méghozzá jó sok.

2H₂O -> 2H₂ + O₂, D G = +118 kcal.

A másik megoldás az izzó szénrétegen történő vízbontás. Ez már nem annyira tiszta, a hidrogén mellé még és szén-monoxid keletkezik.

C + H₂O = H₂ + CO

Mindkét reakcióhoz jelentős energia szükséges. Legalább annyi, mint amit a hidrogén elégetésével nyerünk majd. A valóságban persze sokkal több, hiszen nincsenek 100 %-os hatásfokkal működő eszközök.

Nézzük tehát a hidrogén alkalmazásánal energetikai mérlegét.

Maradjunk az elektromos árammal történő vízbontásnál.
Ha - az egyébként jónak számító - 40%-os erőművi hatásfokkal számolunk, akkor "csak" két és félszer annyi energia szükséges az "üzemanyagunk" előállításához, mint amennyi energiát abból "kinyerhetünk". Ez olyan, mintha az autónk fogyasztása két és félszeresére nőne.

Vagyis, ha hidrogénnel hajtunk autókat, de a hidrogén előállításához szükséges energiát "hagyományos" erőművekben állítjuk elő, akkor a városban ugyan csak vízgőz keletkezik majd, de két és félszer annyi kőolajat használunk el, mintha benzinnel menne az autónk.
Másképpen megfogalmazva:
Ha autónkat hidrogénnel működtetjük, amit "hagyományos" erőművekben termelt árammal állítunk elő, akkor ezzel 2,5-szer annyi üvegházhatást keltő szén-dioxidot termelünk, mint ha ugyanazt az autót benzinnel működtetnénk!

Persze áramot lehet másképpen is előállítani.
Jelenleg is vannak atomerőművek, vízerőművek, és egyre nagyobb mértékű az alternatív energia (pl. szélerőmű) felhasználása is.
Ahhoz azonban, hogy teljesen átálljunk a kőolaj alapú üzemenyagokról a hidrogénre, erőművek ezreit kellene megépíteni!

Tekintsük át a hidrogén alkalmazásának "technikai problémáit" is.

A hidrogén a legkönnyebb elem, molekulái rendkívül kicsik és mozgékonyak (pl. egy hidrogénnel töltött léggömb másnapra leereszt).
Oxigénnel (levegővel) közönséges hőmérsékleten minden reakció nélkül keveredik. Ez az elegy azonban izzó tárggyal, szikrával érintkezve nagy csattanással felrobban, ezért durranógáznak nevezik. A hidrogén-oxigén elegy meggyújtva 5...95% hidrogén tartalomnál felrobban. Ez azt jelenti, hogy a legkisebb szivárgás is súlyos problémákat okozhat. Márpedig egy gépkocsin könnyen keletkezhet szivárgás és szikra is, főleg egy balesetnél.

A benzin égéshője kb. 44 MJ/kg a hidrogénéné 140 MJ/kg, tehát hidrogénből tényleg kevesebb, mint harmada szükséges az autó hajtásához!
Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy molnyi (vagyis 2g) hidrogén szobahőmérsékleten 24 liter, vagyis 1 kg hidrogén 12.000 liter (12 m3)!
A hidrogén csak nagyon hidegen és/vagy nagyon nagy nyomáson cseppfolyósítható. Vagyis a hidrogént csak vastagfalú, különleges acélpalackban, igen nagy nyomáson lehet gépkocsik üzemanyagaként alkalmazni.
Egy gépkocsi átlagos (40 liternyi) üzemenyagtartálya pár kilónyi vékony vaslemez.
Ha hidrogénből ehhez hasonló égéshőértéknyi mennyiséget, csak kb. 10 kilónyit akarunk a gépkocsin magunkkal vinni, ahhoz nagyon nagy és nagyon nehéz (100 kg nagyságrendű) tartály szükséges. (Csak gondoljunk arra milyen nehéz egy oxigénpalack, amit pl. a hegesztésnél használnak. Ebben teletöltve 150 atm nyomás van és a fala kb. 1 cm vastag!)

Vannak ugyan olyan fémek, amelyek igen nagy mennyiségű hidrogént képesek fém-hidridek formájában megkötni, viszonylag könnyen felszabadítható formában. De ezek is meglehetősen nehezek.

Az egységnyi üzemanyagmennyiségre jutó tartály tömeg mindkét esetben sokszorosa a "hagyományos" üzemanyaggtartályénak
Márpedig nem praktikus a gépkocsi önsúlyát növelni, mert minden felesleges tömeg gyorsítása növeli az üzemanyagfogyasztást.

Összegzés

Igen, valóban jó lenne minél hamarabb megoldást találni a jelenleg egyeduralkodó kőolaj alapú üzemanyagok kiváltására. Ennek egyik lehetősége bizonyára a hidrogén alkalmazása lenne.
Ehhez nyilván már most kutatásokat kell végezni!
Nem szabad azonban ész nélküli (esetleg politikai) döntéseket hozni, amíg a megfelelő alternatívákat ki nem dolgozzuk és ezek lehetséges következményeit fel nem tárjuk.
Nem szabad, hogy az új alternatíva nagyobb környezetszennyezést okozzon, mint amit kiváltottunk vele, még akkor sem, ha máshol szennyez, mint ahol az autót használjuk!

Mindent összevetve, szerintem bárki nyugodtan lecserélheti még öreg verdáját egy fiatalabbra. Nem érdemes kivárni vele a "megváltó" hidrogént. Nagytömegű elterjedése nincs még annyira közel, sőt talán sohasem következik be.

Felhasznált irodalom