Megújulók

A tüzelőanyag-cella lehetséges segédeszköz egyes megújuló energiák hatékony kihasználásához? II.

2011/6. lapszám | Németh Gábor |  10 447 |

Figylem! Ez a cikk 14 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Cikksorozatunk első részében ismertettük a tüzelőanyag-cellák egyik népszerű és könnyen alkalmazható típusát, a PEM protoncserélő membrános tüzelőanyag-cellát. Szó esett a PEM cella szerepéről a megújuló energiák, elsősorban a szél- és napenergia h...

Cikksorozatunk első részében ismertettük a tüzelőanyag-cellák egyik népszerű és könnyen alkalmazható típusát, a PEM protoncserélő membrános tüzelőanyag-cellát. Szó esett a PEM cella szerepéről a megújuló energiák, elsősorban a szél- és napenergia hasznosításában, s azon belül is az energia tárolásában. Jelen alkalommal két másik cellával ismerkedünk meg.

Ugyancsak a protoncsere elve alapján működik az ún. közvetlen metanolos tüzelőanyag-cella (angolul: Direct Methanol Fuel Cell, rövidítve: DMFC), melyet Oláh György Nobel-díjas magyar tudós fedezett fel 1990-ben. Az elmúlt 21 évben – elsősorban katonai célzattal – jelentős fejlesztéseket hajtottak rajta végre. Civil felhasználásra ma már 25 W és 5000 W közötti, egyetlen feltöltéssel akár 100 órás folyamatos energiaszolgáltatást biztosító DMFC tüzelőanyagcellák is kaphatók. Akár lakóautóba is tehetünk ma már ilyet. Az ár még meglehetősen borsos, s a nagyobb kivehető teljesítmény (hajszárító, kenyérpirító, vasaló stb. rövid ideig tartó működtetése) érdekében érdemes úgy használni őket, hogy a kimenettel egy nagyobb kapacitású (minimum 180-200 amperórás) akkumulátor is párhuzamosan van kötve.

A cella az akkut természetesen fel is tölti, amikor nincs, vagy nem nagy a rendszerre kapcsolt fogyasztók teljesítményfelvétele. Az akku töltésére még napelemmel is rá lehet segíteni, s akkor egészen takarékos, csöndes és környezetbarát rendszert építettünk, amelybe időnként tankolni kell pár liter metanol-víz keveréket. A DMFC cella működési elve a mellékelt 1. ábra alapján megérthető. A működést leíró kémiai egyenletek a következők.

1. Anódon: CH3OH + H2O >> 6H+ + 6e + CO2. (oxidáció).

2. Katódon: 3/2 O2 + 6H+ + 6e >> 3H2O (redukció).

3. A teljes reakció: CH3OH + 3/2 O2 >> 2 H2O + CO2 (redox folyamat).
A cella tehát metanolt, pontosabban metanol-víz keveréket használ fel a működéshez. A metanol avagy metil-alkohol a legegyszerűbb molekulájú alkohol, magyarul faszesznek is nevezik. Elméleti energiatartalma egy nagyságrenddel nagyobb, mint a nagynyomású hidrogéné, és kb. 15-szöröse a lithium-ion akkumulátorénak. Atmoszférikus nyomáson a tiszta metanol -97 °C-ig folyékony marad, és +64,7 °C-ig tartja is ezt a halmazállapotot. A metanol sajnos gyúlékony és mérgező (Magyarországon minden évben előfordul néhány súlyos következményekkel járó eset, amikor tévedésből vagy tudatlanságból a „szokásos” etil-alkohol helyett fogyasztják), ezért biztonságos kezelésére oda kell figyelni.

Viszont látható, hogy a DMFC cella működése során keletkező anyagok, sem a víz, sem a szén-dioxid, nem mérgezők. Bár a DMFC cellatípus hatásfoka nem mondható igazán jónak, jelentős előnyei vannak: viszonylag olcsón és nagy tömegben előállítható tüzelőanyag (metanol és tiszta víz meghatározott arányú keveréke), egyszerű, alacsony hőmérsékletű működtetés jellemzi, megbízható energiatermelés valósítható meg alacsony környezeti hőmérsékleteken is. Nagy teljesítményt nem várhatunk egy DMFC cellától, de térfogategységre számolva mégis jelentősnek mondható az energiatartalma. Vagyis: kisebb pillanatnyi teljesítményt nyújt ugyan, de arra igen hosszú ideig képes (lásd a grafikont).

 

Ezért érdemes foglalkozni vele, hiszen kisebb teljesítményű járművekben (pl. villás targonca), vagy egyes fogyasztói elektronikai készülékekben (mobiltelefon, noteszgép, digitális kamera, stb.) éppen ilyesféle energiaforrásra vágyunk. Bizonyos országokban a DMFC már ott tart a mindennapi használatban, hogy az USA – közismerten szigorú – légügyi hatóságai engedélyezték akár 200 ml utántöltő folyadéknak repülőgép fedélzetén történő szállítását is – az általános max. 100 ml-es menynyiségi korláttal szemben. Végül ismerkedjünk meg az ígéretesnek tűnő vanádium tüzelőanyag-cellával, amit ma már inkább „Vanadium Redox (Flow) Battery”-nek, azaz vanádium redox (folyadékáramos) akkumulátornak hívnak, és az angol nyelvű irodalomban VRB-nek rövidítenek.

Ezt az energiaforrást 1984 óta fejlesztik. A vanádiumnak azt a tulajdonságát használják ki, hogy többféle oxidja van, vagyis a vanádiumatomok az oxigén atomokkal többféle-képpen tudnak kapcsolódni, s így ehhez a különleges tüzelőanyag-cellához tulajdonképpen csak egyféle anyagot kell kívülről biztosítani. A – tulajdonképpen a tüzelőanyag-cellából kifejlődött – redox akkumulátorok nagy előnye a korábbi akkumulátor-konstrukciókkal szemben az, hogy gyakorlatilag nem rendelkeznek időbeli korlátokkal: a vanádium redox akkuk bármikor leállíthatók, újraindíthatók, egészen minimális önkisülés mellett hosszan tárolhatók, s élettartamuk folyamatos használat mellett is igen hosszú.

További kivételes előnyük, hogy bizonyítottan minimum 14 000-szer tölthetők, s a hagyományos villamos töltés mellett „mechanikailag” is, mégpedig a tartályok cseréjével. A vanádium redox akkumulátor ugyanis két tartályból és a cellatömbből áll.

A két tartályban van a kétféle kénsavas elektrolit, melyek egyike a vanádium 2 és 3, a másika pedig 4 és 5 oxigénatommal alkotott oxidját tartalmazza. A működéskor keringtető szivattyúk pumpálják át az elektrolitokat a cellatömbön, ahol a kémiai energiából villamos energia keletkezik. Ez utóbbi folyamat megfordul a töltéskor, vagy – s ez a szuper-gyors töltés – szükség esetén a tartályokat is fel lehet cserélni.

A folyamatok leírása a következő:
1. negatív elektródán: V3++e => V2+ E° = -0,26 V,
2. pozitív elektródán pedig: VO2++2H+ + e => VO2+ + H2O E° = 1,00 V.

1 mol/l elektrolit koncentráció mellett és 25 °C belső hőmérsékletnél 1,26 V potenciálkülönbség keletkezik egy cellán. Adott konstrukción a gyakorlatban 50% töltöttség mellett 1,4 V feszültséget figyeltek meg, teljes töltöttség mellett pedig 1,6 V körülit üresjárásban. A vanádium oxidja nem veszélyes anyag, a kénsav pedig nem „fárad el”, nem kell cserélni, így a képletekből látható és állítható, hogy környezetbarát celláról van szó. A vanádium redox akkumulátor energiasűrűsége kb. 50-80 Wh/kg (összehasonlításul: a lithium-ion 200 Wh/kg).

Elfogadható érték telepített alkalmazásokra, de kisebb teljesítményű és sebességű járművekbe (targonca, golfkocsi stb.) is érdemes lehet beépíteni.

S most ismét visszatérhetünk a megújuló energiás alkalmazásokhoz: úgy tűnik, hogy a vanádiumos redox akkumulátor folyamatos fejlesztésével egyre kevesebb az akadálya annak, hogy megfelelően nagy kapacitású VRB-k tárolják a szolár és szélparkok által termelt energia egy jelentős részét, majd megfelelő időben azt a fogyasztók rendelkezésére bocsássák. 2007-es adatok szerint Írországban a szélpark + VRB rendszer által biztosított villamos energia alapára 77 EUR/MWh volt, míg a gáztüzelésű erőműveknél 86 EUR, pontosabban a szén-dioxid-emisszió miatti felárral 106 EUR.

Az európai atomerőműveknél pedig kb. 100 EUR/MWh ez az ár.

Tehát a rendszer versenyképesnek tűnik. A hatásfok 70-75% körül alakul, tehát a bevitt villamos energiából ennyit tudunk visszanyerni. (Ugyanez az érték a hidrogénes megoldásnál csak 30% körül van.)

Hazánkban is régóta beszélnek a villamosenergia-tárolás megoldásának problémájáról. Bár – jelenleg még – viszonylagosan a legolcsóbb lehetőség egy hatalmas víztározó épí-tése valamely alkalmas, hegyes terepen, de a költség mégis hatalmas, az elkészülési idő hosszú (kb. 6-8 év), és a létesítés környezetvédelmileg kifogásolható.

Így már 2009-ben felmerült, hogy a villamosenergia-rendszerbe, területenként elosztva, szép fokozatosan, VRB energiatárolókat (angol rövidítés: VRB–ESS = VRB Energy Storage System) lenne érdemes beépíteni.

Ezeknek a reagálási ideje milliszekundum nagyságrendű, segítenék a megújuló energiás források rendszertelen működése, a változó fogyasztási igények, valamint nagy fogyasztók ki- és bekapcsolása által okozott hálózati egyensúlytalanságok kiküszöbölését, s hatékonyan oldanák meg a villamos energia-tárolását. Ezzel pedig nagyban elősegítenék további megújuló energiaforrások beépítését. Ugyanis előfordult már, hogy ideiglenesen a paksi atomerőmű teljesítményét kellett csökkenteni miattuk, ami nagy pazarlás, mert jelenleg az a legolcsóbban előállított áram. A VRB-k viszont „fel tudnák szívni” a megújulós termelési csúcsok idején jelentkező többletenergiát, és minimális hálózati veszteséggel, jól szabályozhatóan, szükség szerint adnák azt vissza a villamos elosztóhálózatra. A tüzelőanyag-cella tehát már itt van „a kapuk előtt”. Reméljük hát, hogy előnyeit mielőbb és okosan tudjuk kihasználni!

---