Villanyszerelők Lapja

Megújulók

A tüzelőanyagcella, mint lehetséges segédeszköz egyes megújuló energiák hatékony kihasználásához? I.

2011. május 30. | Németh Gábor |  5672 | |

Az alábbi tartalom archív, 8 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Nem győzzük olvasni és hallani, hogy az európai uniós célokhoz igazodva Magyarország bruttó energiafogyasztásában rövidesen (2020-ig, azaz kb. 9 év múlva) több mint 14%-ot kell elérjen a megújuló forrásból nyert rész. Első látásra sok a hátralévő idő...

Nem győzzük olvasni és hallani, hogy az európai uniós célokhoz igazodva Magyarország bruttó energiafogyasztásában rövidesen (2020-ig, azaz kb. 9 év múlva) több mint 14%-ot kell elérjen a megújuló forrásból nyert rész. Első látásra sok a hátralévő idő, aki azonban az energetikai beruházások területen járatos, az tudja, hogy azonnali tennivalók vannak soron.

A tüzelőanyagcella, felépítésében az akkumulátorhoz hasonlít

Általánosságban elmondható, hogy az ipari és közületi területen a napenergiás (napelemes és napkollektoros) fejlesztések hatékonysága sokkal jobb, már csak azon egyszerű oknál fogva is, hogy akkor használjuk fel a keletkező energiát, amikor azt éppen termeljük. Így nincs szükség költséges és eléggé veszteséges tárolásra (vagy csak jóval kisebb mértékben). A háztartásoknál már más a helyzet.

Az átlagos család délután/este, illetve reggel fogyasztja a legtöbb energiát, vagyis nem éppen akkor, amikor a napenergia „befogására” a legnagyobb esély van. Bár a statisztikákat tekintve valamelyest érvényesül az, hogy a nap- és a szélenergia felváltva vételezhető, de hazánk szél- viszonyait és lakókörnyezeteinek képét és kialakítását tekintve a „háztartási szélgenerátor” komolyabb elterjedése nem igazán várható, energetikai súlya pedig mindenképp jóval kisebb lesz, mint a napenergiás eszközöké. Mindebből az következik, hogy egyre növekvő igény van a napközben termelt energia tárolására is.

Az elektromos energia tárolása, különösen hosszabb időre, nem egyszerű dolog. Bár egyre több az elérhető módszer és eszköz, azt azért tudni kell, hogy egy villamosenergia-felhasználó szempontjából (háztartási méretű kiserőmű kategóriában) jelenleg a legegyszerűbb, legolcsóbb „tároló” maga a közcélú villamos hálózat, a villamosenergia-elosztó rendszer.

Amennyiben teljesítjük a csatlakozás műszaki és egyéb feltételeit, akkor a visszatápláló fotovoltaikus rendszerünk nappal, napsütéskor az utcai villamos hálózatba „pumpálja bele” az energiát, „amit” aztán a család az otthonlét idején felhasznál. A szaldót – s ez az éves elszámolás alapja – az ún. ad-vesz energiamérő mutatja, amelyet a ház csatlakozási pontjánál kialakított mérőhelyen részünkre az áramszolgáltató telepített. Ennek a rendszernek van viszont egy hátránya: ún. szigetüzemben nem működik.

Azaz, ha az áramszolgáltatás valamilyen okból megszűnik (pl. karbantartás miatti lekapcsolás, hibaesemény, vagy pl. természeti csapás következtében), akkor a családi ház villamosenergia-ellátása az ilyen rendszerről nem biztosítható. Sajnos még akkor sem, ha éppen „hétágra” süt a nap, mert a visszatápláló inverternek – biztonsági okokból – azonnal le kell kapcsolnia, ha nem érzékeli, hogy megvan a csatlakozási ponton a külső hálózat tápfeszültsége.

Tüzelőanyag cella áramköre

A PEMFC cella hidrogénnel és oxigénnel működik, s az elektromosság mellett vizet is gyárt

Ha tehát szigetüzemű (önálló) működésre van igény, s nem akarunk valamilyen kicsi (de annál hangosabb és „szagosabb”) robbanómotoros generátorral vesződni, akkor (ma még) bonyolultabb, költségesebb és megfelelően méretezett akkumulátoros rendszerben kell gondolkodni. Az akkumulátort azonban több okból sem szeretjük: drága, súlyos, környezetszennyező, esetenként robbanásveszélyes.

Ráadásul általában meglehetősen korlátozott élettartamú, ami azt jelenti, hogy néhány évenként akkor is ki kell dobni (természetesen nem a szemétbe, hanem a veszélyeshulladék-gyűjtő telepre) az egész készletet, ha használtuk, de akkor is, ha nem! Látható tehát, hogy mindkét, jelenleg leginkább elterjedt tárolási forma rendelkezik komoly hátrányokkal.

Ezért kutatják a lehetséges alternatív megoldásokat, melyek egyike az ún. tüzelőanyagcella (angolul: fuel cell). A fejlesztések ott tartanak, hogy kifejezetten „lakossági fogyasztásra” – bizonyos termékekben felhasználva, vagy kisebb teljesítményű egységekben – kaphatók már tüzelőanyagcellák, különösen a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane avagy Proton Exchange Membrane Fuel Cell = Polimer elektrolit membrános vagy Protoncserélő membrános tüzelőanyagcella) és DMFC (Direct Methanol FC = Közvetlen metanolos tüzelőanyagcella) típusok, valamint a cink-bromidos és vanádiumos regeneratív tüzelőanyagcella „köznapi” alkalmazását is megkezdik.

Mi is az a tüzelőanyagcella (amit helyenként üzemanyag- cellának is neveznek)?
Az első tüzelőanyagcellát Sir William Robert Grove (1811-1896) alkotta meg 1839-ben. Kicsivel később egy Christian Friedrich Schönbein (1799-1868) nevű tudós pedig felfedezte, hogy az adott folyamat megfordítható. Az ezután következő mintegy 100 évre azonban a dolog szinte feledésbe merült. Mígnem az 1960-as években az űrkutatásban felmerült egy hasonló tulajdonságú áramforrás igénye. Tulajdonképpen ekkor indultak el azok a fejlesztések, melyek eredményei ma már hétköznapi készülékekben testesülnek meg. A tüzelőanyagcella egy olyan szerkezet, mely vegyi reakció során közvetlenül villamos energiát állít elő. Felépítése az akkumulátor cellájához hasonlít: két elektróda (anód és katód), valamint a köztük lévő anyag, az elektrolit alkotja.

A nagy különbség az akkumulátorokhoz képest az, hogy azok a bennük a töltés során keletkezett vegyianyag felhasználásáig (visszaalakításáig) működőképesek, ezáltal ciklikus működésűek, a tüzelőanyagcellánál viszont a vegyi reakcióhoz szükséges anyago(ka)t – kívülről – folyamatosan tudjuk biztosítani. A villamosenergia- tárolás pedig úgy valósulhat meg, ha a kívülről bevezetett anyag(ok)hoz közvetlenül villamos energia felhasználásával jutunk.

A PEMFC cellákkal történő energiatárolás és -felhasználás során tulajdonképpen a kémiaórákról jól ismert két folyamat zajlik le, (általában) két különböző helyen, kétféle „cellában”. Az első: „vízbontás elektromossággal” (víz elektrolízise) az alábbi képlet szerint: energia + 2H2O = 2H2 + O2. A második pedig a PEMFC tüzelőanyagcellában lezajló folyamat: a keletkezett hidrogén oxidációja (lassú elégetése) szabályozott körülmények között: 2H2 + O2 = 2H2O + energia.

E második folyamat úgy valósul meg, hogy a hidrogénmolekulát alkotó két atomból a két proton a speciális membrán rendkívül apró nyílásain áthatol, míg az elektron „kénytelen” a tüzelőanyagcella elektródáira kapcsolt áramkörön körbemenni, s a körben lévő fogyasztóban „munkát végezni”.

A membrán egy különleges, elektrolitot képező polimerréteg, melynek két oldala az anód és a katód, s amely a rendkívül kis mennyiségű platina katalizátoranyagot tartalmazza. Van olyan PEM cella, mely – különleges kiképzése folytán – „megfordítható”, vagyis az elektrolízis és a villamosenergia-termelés is ugyanazon cellával végezhető. Látható volt, hogy az első folyamatban oxigéngáz is keletkezik. Azt azonban nem szükséges tárolnunk, hiszen a légkör kb. 20%-os arányban tartalmazza.

Egyszerűsíteni tudjuk a rendszert, ha csak egy gázzal kell foglalkoznunk. Míg a vízbontás viszonylag könnyen kivitelezhető, az utóbbi folyamathoz feltétlenül nemesfém katalizátor is szükséges, mégpedig platinából. Sajnos meg kell jegyezni, hogy a platinaigény korlátozhatja ennek a típusú cellának az elterjedését, mert jelenlegi ismereteink szerint viszonylag korlátozott a kitermelhető meny-nyiség. A tudósok ezért most azon dolgoznak, hogy legalább a membránok gyártásához szükséges platina mennyiségét csökkentsék a lehető legkevesebbre, ezáltal a felhasználási kör bővülhessen, az ár pedig csökkenhessen.


A családi házas felhasználáshoz
visszatérve, a napi ciklus a következőképp zajlik: napközben a napenergia (továbbá esetleg víz- vagy szélenergia) segítségével elektromos energiát (egyenáram) fejlesztünk, s annak segítségével, viszonylag egyszerű felépítésű elektrolizáló cellában, vízbontással hozzájuthatunk a hidrogénhez, melyet tartályban tárolni tudunk. Délután/este pedig a környezetből felvett oxigén és a cellában lévő katalizátoros membrán segítségével a hidrogént oxidáljuk, és a kémiai energiából ismét villamos energiát tudunk nyerni. A „melléktermék” pedig ismét víz (vízpára)!

További energia és némi technológia beépítésével az üzemanyag, azaz a hidrogén sűrítése és palackban történő tárolása is megoldható, s ezzel megjelenik a „tankolás” lehetősége, amit a már jelenleg is futó, tesztelés alatt álló villanymotoros busz és személyautó prototípusok ki is használnak. (A levegő minőségért aggódó publikum nem kis örömére ezen járművek „kipufogójának” a végén csak egy kis párapamacs látható – még a legroszszabb motorbeállítás (sic!) mellett is. Kicsit távolabbi jövőbe nézve pedig: a családi háznál télire (amikor ugye jóval kevesebb a napsütés) talán nem csak fát fognak tartalékolni, hanem pár palack hidrogéngázt is „a szűkösebb napokra”. A PEMFC cella tehát hidrogénnel és oxigénnel működik, s az elektromosság mellett vizet „gyárt”.

Tehát működése, illetve működtetése, azaz tüzelőanyag-ellátása is kifejezetten környezetbarát jellegű, s megújuló energia felhasználásával egyszerűen megoldható. A következő részben az Oláh György magyar feltaláló által megalkotott metanolos DMFC típusú tüzelőanyagcellával, és a reményteljesnek tűnő cink-bromidos, illetve vanádiumos technológiájú, folyamatos működésű RE-DOX akkumulátorokkal (regenerative fuel cell) foglalkozunk.


Kérjük, szánjon pár pillanatot a cikk értékelésére. Visszajelzése segít a lap és a honlap javításában.

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem