A tüzelőanyagcella
A jövő útjai
2002/4. lapszám | Veresegyházi Béla | 3310 |
Figylem! Ez a cikk 23 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az energia megszerzése, termelésének mikéntje mindig az emberiség központi kérdése volt. Manapság, hogy egyre több kell belőle, még fontosabb lett. Van, aki a fosszilis energiahordozók mellett tör lándzsát, akad, aki az atomenergiát tolja előtérbe. A hagyományosnak nevezhető módszerek mellett napjainkban – igen helyesen – az alternatív energianyerés került érdeklődésünk homlokterébe, a napenergia, a geotermikus folyamatok felhasználása. De hallottak-e már a tüzelőanyagcelláról? Nem? Pedig érdemes odafigyelni rá, mert lehet, hogy az összes többit lekörözve ez lesz a megoldás gondjainkra. Maga a működési elve is nagyon érdekes, de még inkább a szerkezet alkalmazási területének szélessége és távlatai.
A tüzelőanyagcella nem más, mit egy hálózati gázzal működő, cirkóhoz, kazánhoz, vagy más háztartási géphez kapcsolható, energiatermelő szerkezet. Lássuk, hogyan működik.
A földgáz nagy része, mint tudjuk metán. Ezt a metánt keresztülvezetik egy reformeren, olyan berendezésen, ahol gép leválasztja belőle a hidrogént. A hidrogént kezeli, kénmentesíti, és a tiszta hidrogént átvezeti egy ún. elektrolit-membránon. A membránban az anód és a katód között csak a pozitív részecskéket, a protonokat engedi át, az elektronokat pedig egy kerülővezetéken vándoroltatja. Ennek következtében az elektrolitmembrán középső része és a kerülővezeték között potenciálkülönbség jön létre, ami elektromos áram formájában levehető a rendszerből. A folyamat végén a katódon a neutronok és a protonok találkozásával és oxigén hozzákeverésével tiszta víz jön létre. A rendszer előnye, hogy az egyenáramon kívül a szabályozott termikus folyamat révén hőenergiát is nyerhetünk.
Az alacsony hőmérsékletű tüzelőanyag cellák igen jól hasznosíthatók mobil alkalmazásokra, így lakó és kommunális épületek elektromos- és hőellátása területén is. A legesélyesebb rendszer ezen a területen az ún. PEM (proton exchange membran, azaz protonáteresztő membrán) tüzelőanyag cella. A PEM cella előnye, hogy elektrolitja egy protonáteresztő műanyag membránból áll, amely 90°C hőmérsékleten üzemeltethető. Ezzel a legközelebb áll a háztartásokban használatos hőfokszintekhez. Hátránya a gázelőkészítés oldalán keresendő. A PEM cellák tiszta, CO-mentes hidrogéngázt igényelnek, amelyet a folyamatban előkapcsolt reformeren keresztül kell biztosítani. A földgáz egy katalizátor jelenlétében az oxigénnel egy exotherm reakcióban oxidálódik, vagy endotherm reakcióban a vízgőzzel egy reform reakción megy keresztül. A folyamat eredményeként széndioxid és hidrogén keletkezik.
A PEM cellában lejátszódó elektrokémiai reakció kizárólag a hozzávezetett hidrogén mennyiségétől függ. Éppen ezért a vízgőz redukciós folyamata a részleges oxidációval szemben a felhasznált hőenergia ellenére is előnyösebb, mivel nem csak a metánból, hanem a víz hidrogéntartalmából is tiszta hidrogénmolekulák állnak a rendelkezésre. Természetesen a tüzelőanyag cella hőteljesítménye a reformerfűtésre fordítandó hőenergiával csökken. Annak érdekében, hogy a reformer hűtésére (részleges oxidáció), illetve fűtésére (redukció) alkalmazott technikai megoldások elkerülhetők legyenek, kisebb berendezéseknél a két reakció kombinációja kerül alkalmazásra. A metán széntartalmának oxidációja, széndioxiddá alakulása egy sor részfolyamatból tevődik össze. Az adott esetben a folyamat eredményeként szénmonoxid maradhat a reformerben. Egy szelektív oxidációs folyamatban a szénmonoxidot széndioxiddá „égetjük” el.
A reformer szabályozásának legfőbb problémája az oxigénmennyiség szabályozása. Túl magas oxigéntartalom a rendelkezésre álló hidrogén oxidálódása révén magas vízgőztartalmat és ennek következtében csökkenő cellafeszültséget eredményez. Megvan az energia, méghozzá jóval kisebb károsanyag-kibocsátással, mint a hagyományos módszernél. Tegyük fel, hogy ezzel az energiával működtetni tudjuk a cellára kapcsolt gépet, mondjuk egy cirkót. Nyáron, amikor nem megy a fűtés, a cirkó pluszenergiát (fűtés/áram) termel, amit más háztartási eszközök használhatnak fel, vagy ha a tárolása megoldható, „el lehet tenni” télre. De gondolkozzunk nagyobb távlatokban. Mi történne, ha a háztartás minden energiahasználó gépezete össze van kötve egy tüzelőanyagcellával. Ha kevesebb áramot termelnek, mint amennyi szükséges, akkor a hálózatról kapnak pótlólag, ha többet, akkor ők adnak a hálózatba, azaz visszafelé forog a villanyóra. A lakástulajdonos így áramot adhat el a szolgáltatónak.
Persze ehhez Magyarországon még nem adottak a feltételek, de érdemes eljátszani a gondolattal. A tüzelőanyagcella-kísérletek a 90-es években kezdődtek tőlünk nyugatabbra, – ahol a sajtó egyik slágertémája ez – ma pedig már ott tartunk, hogy az új termék CE-tanúsítványt kapott. A tüzelőanyag cellás fűtőberendezések fejlesztésével az elsőként jelentkező Vaillant cég után ma már több vezető gyártó is foglalkozik. Az első prototípust az 1998-as ISH-n láthattuk. A 2001-es ISH-n már több cég standján is bemutatkozott, működés közbeni készüléket a pedig a Vaillant standján láthattunk. A készülékekre alkalmazott hagyományos energiamérlegünk alapján azt mondhatnánk, hogy a gyakorlati használat sokkal rosszabb eredményt produkálna, mint egy hagyományos kondenzációs készülék. Ellenben a teljes folyamat energiamérlegét tekintve, nem beszélve a környezet terhelési mutatókról, szélesebb elterjedés reményét sejtető kép látszik.
Az alkalmazási terület egy képzeletbeli, részegységekből álló erőmű irányába látszik elmozdulni. Számos tüzelőanyag cellás berendezés egy kommunikációs központba kötve kiválthatja a csúcsterhelési erőművi kapacitásokat. Egy 1000 egységből álló városrész esetén már több, mint 6 HW elektromos energia állhat csúcsidőszakban a rendelkezésre. Áram és hőenergia, károsanyagkibocsátás nélkül, lokális szinten, az egy nagy elosztó helyett a sok kicsi sokra megy elvét előtérbe helyezve. Nem mellékes, hogy egy meghibásodás nem lenne komoly hatással a rendszerre, nem úgy, mint jelenleg. Reméljük, a még létező problémákat hamar sikerül megoldani és akkor magasabb osztályba léphet az energiaellátás.
