A hidrogénhajtás tarthatja életben a belső égésű motorokat az autózás szerelmesei számára?

A hidrogénhajtású belső égésű motortechnológia közel zéró károsanyag-kibocsátást biztosít, miközben megtartja a hagyományos erőforrások által nyújtott hangélményt és egyéb pozitív jellemzőket. Kritikusai szerint ugyanakkor a hidrogénhajtású belső égésű motorok nem elég hatékonyak, az elektromos autóknál költségesebb a karbantartásuk és szemben a hidrogén üzemanyagcellás elektromos és akkumulátoros elektromos meghajtásokkal nem teljesen zéró emissziósak. Ugyanakkor kétségkívül hangosabbak és szórakoztatóbbak akkumulátoros elektromos és hidrogén üzemanyagcellás elektromos társaiknál, ezért még az olyan autógyártók is kezdenek elgondolkodni a hidrogéhajtású belső égésű motorokban rejlő potenciálon, mint a zéró emisszós hidrogén üzemanyagcellás elektromos meghajtás élharcosaként ismert Toyota, amely nem csupán 5700, az utóbbi technológiával kapcsolatos szabadalmat osztott meg ingyenesen versenytársaival, de amelynek üzemanyagcellái már a személyautóktól kezdve a targoncákon, buszokon, közepes- és nagyteherautókon, mozdonyokon át a hajókig és az épületenergetikáig elképesztően széles körben bizonyítottak. A hidrogénhajtású belső égésű motor ugyanis zöld megoldást jelenthet az igazi élményautózás keményvonalat rajongói számára, ahogyan azt a Toyota versenypályákon is bizonyító hidrogén hajtású Corolla versenyautója, vagy épp a hidrogénhajtású GR Yaris koncepciója is bizonyította.

A hidrogén Világegyetem leggyakoribb eleme, megközelítőleg 100-szor gyakoribb, mint az összes többi elem együttvéve (ha a héliumot nem vesszük figyelembe), és kedvező tulajdonsága, hogy megfelelő hőmérsékleten (550-600 Celsius fokos szikra vagy gyújtóláng hatására) az oxigénnel reakcióra lépve elég, mellékterméke pedig nem más, mint a tiszta víz, amelynek képlete gyermekkorunk kémiai tanulmányaiból is ismert: H₂O. Ennek okán a hidrogénnek ’bérelt helye van’ új zöld gazdaságban, nem véletlenül épült be már több mint egy évtizede a ’hidrogén alapú társadalom’ fogalma a fenntartható fejlődés következő lépcsőjét kutató gondolkodásba. A hidrogén adott tömeg és térfogat mellett is több energiát képes biztosítani, mint a lítium akkumulátorok, ezért egyre egyértelműbb konszenzus vannak annak kapcsán hogy a zöld hidrogént (azaz a megújuló energiaforrások által előállított hidrogént) érdemes lenne széles körben alkalmazni olyan járműveknél, amelyeket az akkumulátorok nem tudnak kiszolgálni: a légi közlekedés, a tengeri közlekedés, a hosszú távú teherszállítás, a vonatok és a nehézgépek mind potenciális jelöltek ezen a téren.

Töltési idő, hatótáv? Egy-null a hidrogén javára.

A személyautózás kapcsán már megosztottabb a szakma. Van aki az szerint az akkumulátoros elektromos autók a legtöbb felhasználó számára remekül képesek ellátni a feladatukat, és megvannak a maguk előnyei is, például az otthoni vagy irodai töltés lehetősége, amely kényelmesebb, mint a jelenleg még igen kis számban megtalálható hidrogénkutak elérése, ráadásul sokkal hatékonyabban használják fel az áramot, hiszen szinte az összes beléjük táplált energiát képesek visszaadni a kerekeken nyomaték formájában. Valójában az egyetlen jelentős energiaveszteség, amellyel az akkumulátoros elektromos járművek üzemeltetése során találkozunk az erőátvitelnél jelentkezik. Ez az érv ugyanakkor nem számol azzal, hogy az számos szakértő szerint a hidrogén töltőállomás hálózat kialakítása a jelenlegi töltőállomás infrastruktúra részleges átalakításával/bővítésével sokkal kisebb technológiai kihívást jelentene, mint az elektromos autók számának növekedésével párhuzamosan szükségessé váló, az eddigieknél sokkal nagyobb teljesítményű elektromos fővezetékeket igénylő elektromos töltőhálózat bővítés.

Ott van természetesen emellett a hatótáv és töltés/tankolás idejének kérdése amelyre részben választ adhat szilárdtest akkumulátoros szélesebb körű elterjedése (amely technológia vezető fejlesztője ugyancsak a világszerte közel 20 millió hibrid értékesítése során az akkumulátoros fejlesztése területén elképesztő mennyiségű, két és fél évtizedes gyakorlati tapasztalatra szert tevő Toyota). Jelenleg ugyanakkor ezen a téren egyértelműen a hidrogén üzemanyagcellás elektromos autók javára billen a mérleg: az elektromos töltőknél való hosszas várakozás után is csak korlátozott hatótáv helyett a hidrogén üzemanyagcellás Toyota Mirait például mindössze 3-5 perc alatt megtankolhatjuk, és élvezhetjük az akkumulátoros elektromos autók esetében még meglehetősen ritkaságszáma menő 650 kilométeres hatótávot. Utóbbi egyébiránt a névleges, gyári adat, de nemrégiben az USA-ban épp egy Toyota Mirai-val született elképesztő, 1360 kilométeres Guiness-rekord egyetlen tank hidrogénnel. A hidrogénhajtás fő hátránya jelenleg még a fejletlen infrastruktúra, Japán és Korea, vagy épp Kalifornia komoly erőfeszítéseket tesz, hogy a hidrogént széles körben elérhetővé tegyék, és nagyjából ugyanazt a kényelmet kínálják a felhasználók számára, mint a benzinnel vagy dízellel hajtott járművek esetén. Számos nyugati-európai ország is komoly ambíciókkal rendelkezik-e téren, sőt Magyarországon is megnyílt már az első, egyelőre nem közforgalmú hidrogén töltőállomás a Linde jóvoltából, amelyet, miután a technológiában a magyar Innovációs és Technológiai Minisztérium is komoly fantáziát lát, remélhetőleg hamarosan további, közforgalmú kutak megnyitása követ: épp most zajlik az első magyarországi hidrogén hajtású busz három hetes tesztüzeme, amelyet a Volánbusz állított ideiglenesen forgalomba Kőbánya-Kispest és Vecsés között.

Energiahatékonyság? Egy-egy.

Tisztán enerigahatékonyság szempontjából a hidrogén felhasználásának hatékonysága elmarad a tisztán elektromos energiától. A víz elektrolízises (oxigénre és hidrogénre történő) bontása, a hidrogén kompressziója és szállítása közben is vész el energia szemben azzal, hogy ha ugyanezt a például egy szélerőmű által megtermelt elektromos áramot közvetlenül felhasználnánk. Más kérdés, hogy kapacitáscsúcsok esetén, amikor az elektromos hálózat nem képes felvenni több elektromos áramot, elveszítjük a megújuló energiaforrás által ez idő alatt potenciálisan megtermelt energiát, amit ilyenkor arra is használhatnánk, hogy sokkal egyszerűbben és olcsóbban raktározható és transzferálható hidrogént állítsunk elő, 100%-ban kihasználva a megújuló energiaforrásokban rejlő potenciált. Korábban számolni kellett azzal is, hogy ha a járművet sokáig állni hagyják hidrogén lassan kiszivárog a tartályból (a legújabb generációs Mirai esetében például ez már nem áll fenn), és bizonyos energiaveszteség lép fel az üzemanyagcellán keresztül történő visszavezetésben, is, miközben a hidrogént elektromos árammá alakítja a rendszer. Egyes számítások szerint az akkumulátoros felhasználás hatásfoka 75-85 százalék körül van, az üzemanyagcellás esetében 30-35 százalékkal számolhatunk, ezt a különbséget ugyanakkor árnyalják a korábban említett infrastrukturális, használhatósági (töltési idő és hatótáv) és a megújuló enerigaforrások kihasználtságának kérdését érintő szempontok.

Akkor melyik a jobb?

Ahogyan az a fentiekből kiderült, van olyan helyzet, felhasználási terület, amikor a hidrogén üzemanyagcellás elektromos, és van olyan amikor az akkumulátoros elektromos meghajtás bizonyulhat praktikusabb, hatékonyabb megoldásnak. Nem véletlen, hogy az öntöltő hibrid elektromos, plug-in hibrid elektromos, akkumulátoros elektromos és hidrogén üzemanyagcellás elektromos meghajtások vezető fejlesztőjének számító Toyota a ezek egymást kiegészítő együttélését vízionálja, és miközben 2030-ig 30 akkumulátoros elektromos Toyota és Lexus modell bemutatását ígéri (úgy, hogy a vállalat prémium márkája, a ma Európában 99%-ban öntöltő hibrid elektromos autókat értékesítő Lexus 2030-ra Észak-Amerikában, Európában és Kínában 100%-ban akkumulátoros elektromos autókat értékesít majd), folyamatosan fejleszti a hidrogén üzemanyagcellás elektromos hajtást is, és nem rejti véka alá, hogy a Toyota Mirai személyautó, a Toyota Sora busz, valamint a hidrogén üzemanyagcellás Toyota targoncák, buszok, mozdony és hajók) mellett további üzemanyacellás Toyota személyautók is várhatóak majd a következő években.

Na de akkor hogy jönnek a képbe a hidrogénhajtású belsőégésű autók?

Az elmúlt hónapokban egyre többet hallani ugyanakkor a hidrogénnel hajtott belső égésű motorokról: a Toyota nemcsak a versenypályán bizonyított Japánban egy ilyen meghajtással működő Corollával, de az elképesztően népszerű GR Yaris utcai sportautóból is készített egy ilyen tanulmányt, sőt, a Yamaha is fejleszt számára egy 5 literes, 450 lóerős V8-as belső égésű hidrogénhajtású motort (a Toyota egyébiránt 3,6%-os részesedéssel bír a Yamahában), és persze más autógyártók háza tájáról is érkeznek hasonló hírek. Lássuk, melyek ennek a meglehetősen újszerűnek ható, tulajdonképpen azonban az évszázados tapasztalatokra építő technológiának ez előnyei és a hátrányai.

A hidrogén elégethető belső égésű motorokban, ennek melléktermékeként pedig a hidrogén üzemanyagcellás elektromos autókhoz hasonlóan tiszta víz keletkezik, ám a teljes energiahatékonyság 5 százalékponttal rosszabb, mint üzemanyagcellás rendszerek esetében. Ezen felül, míg a hidrogén égésterméke tiszta víz, a levegőben történő elégetése némi dinitrogén-oxid kibocsátásával is jár, és mivel a motor kenése olajjal történik, ez részecskekibocsátást eredményez. Annak érdekében, hogy ezeknek az anyagoknak a kibocsátását megakadályozzák, a gyártók katalitikus szűrőket szerelnek fel, ám 100%-ban ez sem képes kiválasztani minden részecskét, így a hidrogénégetés kevésbé hatékony és kevésbé tiszta, mint a hidrogén üzemanyagcellás elektromos járművek működése. Érdekes szempont emellett a karbantartás kérdése is. Míg ugyanis az elektromos hajtásláncok (akár az akkumulátoros elektromos, akár a hidrogén üzemanyagcellás elektromos) nagyon kevés odafigyelést igényelnek, a belső égésű hajtásláncok rendszeres karbantartásra szorulnak. Hatalmas előnyt jelent ugyanakkor az, hogy a belsőégésű hajtásláncok fejlesztésében az autóipar évszázados tapasztalatokkal rendelkezik, így a legtöbb autógyártó viszonylag könnyen be tudna lépni erre a területre, az pedig nem csupán drasztikus csökkenést jelentene a mostani belsőégésű motorokkal szerelt járművek kibocsátásához képest, de nagy motivációt jelentene a hidrogén töltőállámás hálózat kialakításának felgyorsítására is, ezzel hozzájárulva a teljesen zéró emissziós hidrogén üzemanyagcellás elektromos autók széleskörű elterjedésének felgyorsításához.

Ez lehet a zöld megoldás a vezetés szerelmesei számára?

Minden jel arra mutat, hogy az autógyártók azon dolgoznak, hogy a karbonsemlegesség világában a vezetés szerelmesei számára is tudjanak választást kínálni, erre pedig tökéletes lehet a hidrogénnel hajtott belső égésű erőforrás. Az akkumulátoros elektromos és hidrogén üzemanyagcellás elektromos autók halkan működnek (ha csak nem társul hozzájuk mesterségese előállított hang), ami unalmassá teheti őket az olyan rétegek számára, akik úgy nőttek fel, hogy jobb lábukkal szeretik megszólaltatni a benzines és dízelmotorok zenekarát. A hidrogénhajtású motorok pedig képesek visszaidézni ezeket a mechanikus és kipufogó-zajokat, méghozzá elképesztően alacsony, még ha nem is teljesen zéró károsanyag-kibocsátású erőforrás képében. Erre utal Yoshihiro Hidaka, a Yamaha Motor elnöke is a Toyota számára fejlesztett hidrogénhajtású belső égésű motor kapcsán: „Azon dolgozunk, hogy 2050-re elérjük a karbonsemlegességet, ugyanakkor a „Motor” kifejezés cégünk nevében is szerepel, ennek megfelelően pedig szenvedélyes viszonyunk van a belső égésű motorokkal, és elkötelezettek vagyunk irányukba.” –

Bár az elektromos modellek kétségkívül hatékonyabbak, és a zöld lámpánál elindulva gyorsabbak is (elég ha csak a Toyota által nemrégiben bejelentett, a közeljövőben érkező szilárdtest akkumulátoros Lexus sportautóra gondolunk, amely 2 másodperc közeli 0-ról 100 km/órás sebességre gyorsulást és 700 kilométeres hatótávot ígér) mint benzinégető társaik, mindez koránt sem elég a szenvedélyes autórajongók számára, akiknek elengedhetetlenek az olyan részletek, mint a kuplung, a fújtató motor, az érdekes nyomatékgörbék vagy éppen a sebességváltó. A hidrogénhajtású motorok pedig mindezt átmenthetik egy új, zöld(ebb) világba. A szenvedélyes autórajongók újra és újra bebizonyították, hogy szívesen költenek többet üzemanyagra, ha cserébe több élményt kapnak. A hidrogénhajtású belsőégésű motorok pedig ideális választást jelenthetnek számukra, ha a teljesítmény zajos élménye mellett a környezettudatosságot is fontosnak tartják…vagy ha végül kénytelenek lesznek váltani.

„Én személy szerint nem csak a teljesítményre szeretnék törekedni, hanem a belső égésű motorok új varázsára is, amelyet a világ még nem tapasztalt meg.” – fogalmaz Yamada.

A hidrogén belsőégésű motorok pedig a motorsportok világát is zöldebbé tehetik, ahol már most is tetten érhetőek ezek a tendenciák: a Hosszútávú Világbajnokságban például évek óta, a Rally Világbajnokságban pedig idéntől már hibrid elektromos autók mérik össze tudásukat és bizonyítanak a legkeményebb körülmények között, értékes tapasztalatokkal szolgálva az utcai autók fejlesztéséhez is. A két említett versenysorozatban évek óta sikert sikerre halmozó (tavaly például mind a Rally Világbajnokságban mind a Hosszútávú Világbajnokságban az egyéni és konstruktőri világbajnoki címet egyaránt elhódító) Toyota a jelek szerint éppen ezen dolgozik, ami nagyban hozzájárulhat ahhoz hogy a Toyota a hidrogénhajtású motorok jelentsék a motorsport jövőjét. Ami azt illeti, amikor az akkumulátoros-elektromos versenyzést a motorsport rajongók tömegei vélik az izgalmas zajok hiányában kissé sterilnek, ez valóban jó ellenszer lehet.

És hogy működik egy ilyen autó a gyakorlatban?

A Toyota tavaly decemberben mutatta be kísérleti hidrogénhajtású, belsőégésű motortechnológiáját a többszörösen díjnyertes GR Yaris lemezei alatt. A kísérleti járműben felhasznált hidrogén, az üzemanyagtartály és az utántöltés mikéntje is megegyezik a Toyota sorozatgyártású üzemanyagcellás elektromos zászlóshajójában, a Miraiban használt megoldásokkal. Ugyanakkor míg a Mirai az üzemanyagcellákban kémiai reakciót alkalmaz az energia előállítására, a kísérleti GR Yaris belső égésű motorral van szerelve, amely hidrogént használ üzemanyagként. Míg a hidrogénhajtású belsőégésű motortechnológia – amellyel 2017-ben kezdtek el foglalkozni – még a koncepcionális fejlesztés és tesztelés korai szakaszában van, és így sorozatgyártásra nem alkalmas, addig a Toyota hidrogénnel hajtott kísérleti versenyautójában, a Corolla Sportban már most tanúbizonyságot tett kiváló teljesítményéről a japán versenyeken, miközben közel zéró károsanyagot bocsát ki a kipufogóin keresztül. A hidrogénhajtású kísérleti GR Yaris és Corolla Sport ugyanazt a G16E-GTS jelű 1,6 literes, soros háromhengeres turbómotort használja, amely a díjnyertes GR Yarisban is megtalálható, de természetesen módosított üzemanyag-ellátási és befecskendező rendszerrel, amelyeket a hidrogénhez igazítottak. A hidrogén gyorsabban ég, mint a benzin, ami jó reakciókészséget és kiváló környezeti teljesítményt biztosít. Amellett, hogy rendkívül tiszta, a hidrogén elégetésének megvan az a plusz előnye is, hogy szórakoztató vezetési élményt biztosítson a belső égésű motorokra jellemző hanghatások és egyéb pozitív jellemzők megtartásával. Mindez pedig az elkövetkező években érdekes autóipari fordulatot hozhat.