Energiasűrűség
A jövő technológiai környezetét három szóval jellemezhetjük: energia, hatékonyság, mobilitás. Az első két témáról már volt szó, foglalkozzunk egy kicsit a harmadikkal! Vágjunk a sűrűjébe és tekintsük át a rendelkezésre álló technológiákat az alábbi grafikon segítségével!
A hagyományos aksikat már jól ismerjük. Az autók indításáért ólomakkuk, a nagy energiaigényű, hordozható elektronikai eszközöket lítiumion-, a ceruzaelemes eszközöket pedig nikkel-metál-hidrid elemek látják el energiával. A jövőben a kéntartalmú akkumulátoroktól várnak nagyobb kapacitást és a memóriaeffektus enyhülését. Az energiasűrűség csúcsán ott találjuk az üzemanyagcellákat, melyek között a közeljövőben kétségtelenül a hidrogéncellák lesznek a meghatározóak. Egy kg hidrogén elégetésével 3-szor több energiát nyerünk, mint ugyanennyi benzint felhasználva. Nem véletlen, hogy számos autógyártó elkötelezte magát a technológia továbbfejlesztése mellett.
Két probléma van csak: az 1 kg hidrogén csak jóval nagyobb térfogaton tárolható, mint ugyanennyi benzin, ráadásul a hidrogén tárolása a kis molekulaméret miatt vastag falú és nehéz tartályokat igényel. A másik az ábrán is szembeötlő. Ezeknek az eszközöknek nagyon alacsony a teljesítménysűrűségük. Ez azt jelenti, hogyha egy jól gyorsuló autót szeretnénk építeni, akkor sok aksit kell belepakolni, amitől épp, hogy lomhább lesz. A motorsportok szerelmeseinek tehát más megoldás után kell nézniük.
A hidrogén nyújtotta nagy energiasűrűséget belső égésű motorokban való elégetéssel nagy teljesítmény mellett is kiaknázhatjuk. Erre a célra némely hagyományos benzin vagy dízelmotoros járművet is alkalmassá lehetne tenni, a BMW pedig már kettős üzemű belső égésű motorral hajtott autót is árul, melyet akár gázolajjal, akár hidrogénnel megtankolhatunk.
Aki olvasta eddigi írásaimat, már gyanakodhat. Na igen, és mi a rossz hír? A rossz hír, hogy a belső égésű motorral a hidrogént is legfeljebb 35%-os hatásfokkal használhatjuk fel, ez pedig jelentősen alulmúlja a hatékony jövőről alkotott elképzeléseinket.
Teljesen azért mégse mondjunk le a víz kínálta energiatárolási lehetőségekről! Használjuk ott, ahol a nagy hely és komoly tömeg nem akadály! Tömegközlekedési eszközökben és helyhez kötött állomásokon átmeneti energiatárolásra ideális megoldást nyújthat. Kiválóan alkalmas lenne pl. ingadozó teljesítményű generátorok (nap, szél) mellé. Ezzel következő, a decentralizált elektromos hálózatokról szóló írásomban részletesebben is fogok foglalkozni.
Teljesítménysűrűség, konklúzió
Ne feledkezzünk meg a lóerők és a száguldás megszállottjairól sem! Ők teljesítményt akarnak, méghozzá miinél kisebb tömeg mellett. Vessük szemünket az ábrán látható ultrakondenzátorokra! Az 1 mp azt jelenti, hogy egy ilyen készüléket 1 mp alatt megszabadíthatjuk teljes energiájától. Mielőtt azonban rakétát építenénk szembesüljünk a technológia két gyengéjével!
A kondenzátoroknál még mindig alacsony az energiasűrűség, így hosszú útra nem számíthatunk. A kapacitás növelése érdekében alkalmazott miniatürizálás már nanotechnológiás megoldásokat követel. Sajnos ebből adódik a második probléma. A nagy méreteknél jelentéktelen hőmozgás illetve kvantummechanikai jelenségek ezeknél a méreteknél a szigetelés rutin feladatát rémálommá változtatják. Röviden: az ultrakondenzátorok szivárognak. Folyamatosan és sajnos jelentős ütemben veszítenek töltésükből. Nem csak a parkolócédula miatt kell tehát aggódnunk, hanem amiatt is, hogy ha sokáig időzünk autónk egyszerűen lemerül és nem jutunk haza. Jelen helyzetben ezek a fogyatékosságok leküzdhetetlenek, az alapelvből következőnek látszanak, de reménykedni mindig lehet.
Annak ellenére, hogy mindig kiemelem a fogyatékosságokat, nem kell kétségbe esni. A hidrogéncella és az ultrakondenzátor egy-egy idealisztikus tulajdonságot testesít meg. Megfelelő korlátok között a saját területén mindkettő jól használható és érdemes is időt és pénzt fordítani fejlesztésükre. Biztos vagyok benne, hogy a kémiai elven működő elemek előtt is még hosszú út áll, és az egyre újabb fejlesztésekkel egyszerre kerülhetnek közelebb a két követelmény elvárt szintjéhez. Egy kis kedvcsinálónak megemlítek még egy technológiát, mellyel korlátolt keretek között ideális megoldásnak bizonyulhat. Szupravezető tekercsekben is lehetséges energiát tárolni, méghozzá veszteség és szivárgás nélkül, az ultrakondenzátorokon is túltevő teljesítménysűrűséggel. Itt sem minden habos torta, de erről bővebben majd szupravezetős cikkemben írok.
------------------------------------------------------------
Kiegészítés 2010.04.30-án
Nem szeretnék elvarratlan szálakat hagyni írásomban, még ha a hozzászólásokból származnak is. Szerettem volna, ha Rive kolléga kisegít, de ő a dorgáláson kívül sokkal többel nem kívánt szolgálni, amit nem rovok fel neki, hiszen az én feladatom tisztázni a saját blogomban felvetődő kérdéseket. Mivel pedig jogos volt kritikája, köszönet is illeti.
Az alapvetés tehát az, hogy futurisztikus mivoltuk ellenére a hidrogéncellák sajnos komoly hátrányban vannak a hagyományos akkumulátorokkal szemben, első sorban a hatékonyság terén. Kedvenc akkunkról a Wikipédia sajnos már elérhetetlen forrás alapján 50%-90%-os töltési-kisütési hatásfokot ad meg.
Amit a hidrogéncellákról korábbi kutakodásaim nyomán tudtam, az az elektrolízis hatásfoka. Ipari szinten ezzel a módszerrel állítják elő a hidrogén kb. 50%-át és ezt feleltethetjük meg a hagyományos akkuk töltésének. Erre a műveletre konkrét források megnevezése nélkül a Wikipédia 50%-80%-os hatásfokot ad meg. Az adat hihető, az elektrolízis jóságának nincsenek komoly korlátai, mint pl. a hőerőgépek esetében (Carnot-hatásfok). Nagyjából másfél éve jómagam egy amerikai cég (a nevére sajnos nem emlékszem) prospektusaiban 90%-os hatásfokot találtam, de feltehetően ez még kísérleti módszerek eredménye, így ezzel most nem számolok.
A hidrogéncellák kisütése, energiájuk kinyerése az ólomakkumulátorokénál nagyobb belső ellenállásuk miatt lehet problémás. Ez azt jelenti, hogy azonos feszültségű rendszer esetén azonos teljesítmény felvételénél a hidrogéncellában több energia fog veszendőbe menni, hővé alakulni, mint az aksi esetében. Erre a folyamatra a Műegyetem egyik mérési útmutatója tartalmaz egy optimisztikus 80%-os hatásfokot, míg a Wikipédián egy egycellás, kisfeszültségű egység esetén 50%-os hatásfokot ad meg. Az arany közép szabályát betartva óvatosan azt mondom, hogy ezek alapján az adatok alapján egy fejlett ipari technológiával megalkotott hidrogéncellás berendezés rendelkezhet 65%-os hatásfokkal.
Következzen az ítélet! Az ólomakkumulátor hatékonyságát az előbbi megfontolással vegyük 75%-osnak. A hidrogéncella hatékonyságát a töltés és a kisütés hatékonyságának szorzata adja, mely 80% és 65%-os értékeket használva 50%-nak adódik. A becslést tekintve tehát látható, hogy a hagyományos akkumulátorok hatékonysága felülmúlja az üzemanyagcellákét. Azt azért továbbra is tartom, hogy noha a két érték nem egyenlő, de összemérhető, nincs köztük technológiailag áthidalhatatlan, nagyságrendi különbség.
Ennek tükrében az új technológiára már azért is érdemes figyelni, mert a hozzájuk felhasznált anyagok kevésbé szennyezik a környezetet és a hidrogén olyan megoldásokkal is előállítható, melyek stabil áramellátásra képtelenek.
------------------------------------------------------------
Kapcsolódó írásaim
10.03.07 Nagy hatékonyságú napelem a Caltechtől
10.03.08 Fúziót most!
