Általános áttekintés és a személyautó szegmens
A hidrogén tüzelőanyag-cellás (HTC) hajtáslánccal rendelkező járművek, illetve a kapcsolódó hidrogén üzemanyagtöltő infrastruktúra az utóbbi években jelent meg az EU több tagállamában, illetve a világ több fejlett országában. A tüzelőanyag-cellák a betáplált üzemanyagból[1] közvetlenül villamos energiát (egyenáramot) állítanak elő, ami meghajtja a HTC jármű villanymotorját. A tüzelőanyag-cella működését követően a HTC jármű hajtáslánca már nagyon hasonló a tisztán akkumulátoros járművek (BEV – „battery electic vehicles”) hajtásláncához. Ebből fakadóan az angol nyelvű szakirodalom, illetve a járműgyártók gyakran FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles) rövidítéssel, azaz „Üzemanyag-cellás Elektromos Járműként” jelölik a HTC járműveket.
Az FCEV járművek, hasonlóan az akkumulátoros járművekhez, szintén (lokálisan) zéró légszennyezőanyag kibocsátású közlekedési eszközök, továbbá zajkibocsátásuk is nagyon csekély. Ebből a nagyfokú technológiai rokonságból következően az EU számos országában a hidrogén tüzelőanyag-cellás (HTC) hajtásláncot is az elektro-mobilitás részének, vagy „innovációs meghosszabbításának” tartják.
A gyakorlatban a BEV és FCEV technológiák „átkeverednek”, teljesen élesen nem is választhatók el egymástól: gyakorlatilag valamennyi FCEV járműben található egy kisebb akkumulátor, amely energiatároló pufferként szolgál főként a gyorsításhoz, és egyben a visszanyert fékezési energia tárolására is alkalmas. Németországban 2019-ben – egyelőre limitált példányszámban – piacra került az első hidrogén tüzelőanyag-cellás, de külső áramforrásról is tölthető (plug-in) hibrid jármű. Olyan plug-in járműről van szó, amely belső égésű motort egyáltalán nem tartalmaz és minden üzemállapotában zéró emisszióval működik, mivel beépített villanymotor adja a meghajtást. A technológiák sokszínűségére jellemző, hogy 2019-ben piacra kerültek az első olyan haszonjárművek is, amelyek alapvetően akkumulátoros meghajtásúak, de egy kisebb tüzelőanyag-cella hatótáv növelő (range extender) funkciót biztosít a működés során. Az ilyen haszonjárművek emissziója is valamennyi üzemállapotban lokálisan zéró, illetve a beépített villanymotor adja a meghajtást.
A fentiekből tehát látható, hogy nincs egyetlen uralkodó technológiai irányzat. A járműbe épített tüzelőanyag-cella adhatja a meghajtáshoz szükséges energia meghatározó részét, de ez esetben egy kisebb „puffer” akkumulátor szükséges a hatékony működéshez. Továbbá a tüzelőanyag-cella szolgálhat járulékos energiaforrásként, amely „csak” tölti a jármű nagyobb kapacitású, az elsődleges meghajtást biztosító akkumulátorát. A jövő FCEV (elektromos) hajtásláncaiban e két „véglet” között is megjelenhetnek újabb és újabb megoldások.
A személyautók szegmenségben 2020 elején még csak néhány (4-5) gyártó van jelen a piacon FCEV modellel, de a különböző autóipari OEM-ek bejelentett vagy „lebegtetett” szándékai alapján várható, hogy a 2020-as évek első felében jelentősen megnő az FCEV modellek száma. Ennek kapcsán érdemes kiemelni, hogy a legtöbb laikus érdeklődő, de még az újságírók egy része is csak a személyautó szegmensre figyel. Ezzel szemben előfordulhat, sőt, valószínűsíthető, hogy kezdetben nem is a személyautó szegmensben, hanem a nehézjárművek (buszok, teherautók, vasút, speciális járművek) körében terjed el jelentősebb mértékben a tüzelőanyag-cellás hajtáslánc. Ezen összefoglalás második részében éppen emiatt ezeket az alkalmazásokat mutatjuk be vázlatosan.
A hidrogén üzemű járművek megjelenése természetesen elválaszthatatlan a hidrogén töltőállomások meglététől: az FCEV járműgyártók addig nem tudnak (nem kívánnak) jelentősebb mennyiséget a piacra bocsátani, amíg nincs meg a kellő sűrűségű töltőinfrastruktúra. Ez fordítva is igaz: a töltő-infrastruktúra építők, üzemeltetők addig nem létesítenek érdemi számban hidrogén-töltőállomásokat, amíg nincs kellő mennyiségű FCEV autó, hogy a kihasználtságuk megfelelő legyen. Ez a „tyúk vagy a tojás legyen előbb?” dilemmája, ami minden új infrastruktúránál komoly fejtörést okozhat, sőt, még a „hagyományos” BEV alapú e-mobilitás esetében is tapasztalható, leküzdendő probléma.
Nehézjárművek
A hidrogén tüzelőanyag-cellás (HTC) hajtáslánc jó eséllyel előbb elterjedhet egyes nehézjármű szegmensekben, mint személyautók esetében. Ennek egyik oka, hogy sok esetben jóval kisebb kezdeti töltőinfrastruktúra is elegendő az üzemeltetésükhöz. Ha például egy HTC buszflotta minden este ugyanabba a remízbe tér vissza, a viszonylag sok jármű kiszolgálására elegendő csak itt, egyetlen töltőállomást kialakítani. A másik ok, hogy a nagyobb méretű járműveken általában több hely van a hajtáslánc, illetve a hidrogéntartályok számára, így kevésbé korlátozza a műszaki kialakítást a helyszűke, mint személyautók esetében. Harmadrészt pedig, a nehézjárművek villamosítása még a mostani akkumulátor-technológiával is csak nehezen oldható meg, illetve aránytalanul nagy tömegű akkumulátor beépítésére lenne szükség a jól használható, megfelelően nagy hatótáv eléréséhez.
- Buszok, trolik:
A városi közösségi közlekedésben a (közel)jövő egyik perspektivikus alternatív megoldását jelentik a hidrogén tüzelőanyag-cellás trolik, buszok, esetleg villamosok. A HTC buszok esetében már a 2000-es évek első felében megkezdődtek az első demonstrációs projektek a világ fejlett országaiban. Nagyjából 2010 körül már tucatnál is több európai nagyvárosban zajlottak HTC busz demonstrációs projektek, ahol a járművek a normál közösségi közlekedés részeként működtek, olyan nagyvárosokban, mint London, Amszterdam, Madrid, Barcelona, Milánó, Köln, Stockholm stb. Összességében több tízmillió megtett kilométer, sok tízezer biztonságos tankolás történt eddig Európában hidrogén buszokkal. Napjainkban egy városban többnyire 8-10 hidrogén üzemű busz üzemel (pl. Aberdeen, Hamburg), de az előttünk álló két-három évben látványos növekedés várható ezen a téren is. Valós városi körülmények között most már nem a HTC busz, illetve a hajtáslánc műszaki validációján van a hangsúly, mivel ez már sikeresen megtörtént. A jelentősebb flotta szintű működés és üzleti modell fejlesztése, validálása a cél, valamint a nagyobb és koordinált megrendelések révén a költségek letörése.
Az újszerű HTC megoldások egyik jellemzője vagy következménye, hogy tulajdonképpen egyre inkább „átkeverednek” a technológiák és a jövőben egyre nehezebb lesz különbséget tenni a HTC és/vagy akkumulátoros hajtáslánc esetén a trolik és a buszok között. Erre példa az egyik európai gyártó jelenleg is kapható 18,75 m-es trolibusza, amely tüzelőanyag-cellás és kiegészítő akkumulátoros hajtáslánca révén akár 80-100 km(!) távolság megtételére is alkalmas, anélkül, hogy csatlakozna az elektromos felsővezetékre. Ebben a troliban viszonylag kis teljesítményű, 80 kW-os tüzelőanyag-cella és egy 29,2 kWh-ás akkumulátor található. A HTC (lényegben hibrid) troli esetében is megvalósítható a fékezési energia visszatöltése a jármű akkumulátoraiba, akárcsak a tisztán akkumulátoros hajtáslánc esetében. A jármű hatékonysága ezáltal – különösen a nagyvárosi közlekedés sok gyorsítási és lassítási ciklusa miatt – igen nagy. A felsővezetéktől független, jelentős hatótáv a városi közlekedésszervezés szempontjából kiemelkedően előnyös tulajdonság.
- Teherautók:
A teherautók, kamionok szintén azon járműszegmensbe tartoznak, amelyek elektrifikációja a modern akkumulátortechnológiával sem könnyű, mert a jármű hatalmas tömege miatt nem lenne kielégítő az elérhető hatótáv. Teherautók esetében ezért a hidrogén tüzelőanyag-cellás meghajtás irányába tolódott el a hangsúly a zéró (lokális) emissziójú hatásláncokon belül.
Európában ebben a szegmensben is megjelentek, sőt, 2019-2020-tól normál kereskedelmi forgalomban is kaphatók a hatótáv-növelő (range extender) funkcióval üzemelő tüzelőanyag-cellás modellek. A kisebb Renault KANGOO Z.E. Hydrogen modellt 2019 végétől, a kicsit nagyobb furgont, a Renault MASTER Z.E. Hydrogen-t 2020 első felétől lehet megvásárolni. Mindkét modellbe csak egy 10 kW-os tüzelőanyag-cella kerül beépítésre, amely – range extender funkciójából fakadóan – alapvetően az akkumulátort tölti, és nem az elsődleges meghajtást biztosítja. Ennek megfelelően a hidrogéntank is viszonylag kicsi, mintegy 1,7-2,1 kg üzemanyag tárolására alkalmas. A Renault KANGOO Z.E. Hydrogen hatótávja azonban ezáltal 370 km-re nő, míg ugyanezen modell hagyományos, akkumulátoros elektromos verziójának WLTP hatótávja csupán 230 km. Ez érdemi hatótáv növekedés, számottevően jobb praktikus használhatóság a tisztán akkumulátoros verzióhoz képest. A furgon szegmensben további neves gyártók, így például a Mercedes-Benz (Concept Sprinter F-CELL) vagy a Volkswagen (Crafter HyMotion) is végeznek fejlesztéseket, prototípusaikat bemutatták, de egyelőre nem közöltek konkrét piacra lépési dátumot. Természetesen az ázsiai gyártók – mint pl. SAIC Motor, Dongfeng Special Vehicle Co, Hyundai – is erősek a HTC furgonok, teherautók terén (is). A nagyságrendekre jellemző, hogy a Hyundai Motor 1.000 darab HTC kisteherautóra kapott megrendelést Svájcból. A járműveket 2020-2021-ben leszállítják. A Dongfeng nevű cég már 2018-ban 500 darabos HTC furgon flottát szállított le Sanghajban egy logisztikai vállalat számára. 2020-ra évi 3000 darabra kívánják növelni a HTC furgonok gyártási kapacitását.
A furgonoknál, kisteherautóknál is jelentősebb potenciál van a tüzelőanyag-cellás kamionok piacán, azonban itt 2020 elején még csak prototípusokról beszélhetünk. A sorozatgyártás – az első piacra lépők esetében is – 2021-2022 körül várható. A 40 tonnás, vagy az amerikai besorolás szerinti 8-as osztályú, azaz a legnagyobb közúti teherautó szegmensben is lesznek nagyon ígéretes műszaki megoldásokkal rendelkező járművek. Az egyik legjelentősebb fejlesztést a Nikola Motor Co végzi, amely az utóbbi években mutatta be a „Class-8” kamion, illetve nyergesvontató akkumulátoros és tüzelőanyag-cellás hibrid prototípusait, továbbá egy olyan kamion változatot, amelyet az európai piacra szán. A Nikola hibrid HTC elektromos kamion hatótávja 800-1200 km, ami már a fuvarozás során is jól használható, ráadásul jelentősen meghaladja a tisztán akkumulátoros verziókkal elérhető hatótávot. Verziótól függően a kamion 500-1000 LE teljesítményéhez, 2700 Nm forgatónyomaték társul, ami igen jó menetdinamikát tesz lehetővé, teljes feltankolása pedig mindössze 15 perc alatt elvégezhető. Emellett a cég arra készül, hogy száz MW nagyságrendű napelemes kapacitás kiépítésével az üzemanyagot is maga állítsa elő, megújuló alapon, elektrolízissel. A legforgalmasabb logisztikai útvonalak mentén pedig fokozatosan fejleszti a hidrogén-töltőállomás hálózatot. Mindezek eredményeként a Nikola innovatív lízing programja a szokásos karbantartás mellett az üzemanyagköltséget is tartalmazza majd, amely így fix, kiszámítható költséggé válik. Szintén a korai fejlesztők közé tartozik a Toyota és a Kenworth közös HTC kamionja, amelynek néhány prototípusa 2017 óta Kalifornia teherkikötőjében és annak környezetében végez valódi szállítási feladatokat. A North American Commercial Vehicle Show keretében, 2019-ben a Cummins motorgyártó is bemutatta egy „Class-8” osztályba tartozó HTC kamion prototípusát.
(j) Nikola One hidrogén üzemű kamion egyik prototípusa. Kép: Nikola.
Szerencsére a teherautókkal kapcsolatos fejlesztések között nagyszabású európai fejlemény is van. Az Iveco mint jelentős teherautógyártó, az FPT Industrial és a VDL Enabling Transport Solutions mint hajtáslánc fejlesztők és egyéb európai cégek konzorciuma vállalta három különböző típusú tüzelőanyag-cellás nehézgépjármű megtervezését, gyártását és tesztelését. A legnagyobb prototípus 44 tonnás lesz a tervek szerint. Az beépítendő tüzelőanyag-cellákat három különböző, de szintén európai gyártó szállítja: az ElringKlinger (DE), a Hydrogenics (DE) és a Powercell (SE). A projekt számottevő mértékben hozzájárulhat ahhoz, hogy a 2020-as években elterjedhessen a HTC hajtáslánc a nehézjármű szegmensben, és 2030-ra a technológia már érzékelhető mértékben hozzájárulhasson az emisszió csökkentési célok eléréséhez. Összesen 16 HTC teherautót tesztelnek valós körülmények közt Belgiumban, Franciaországban, Németországban és Svájcban. A projekt keretében innovatív, nagy kapacitású hidrogén-töltőállomás is fejlesztésre kerül, amellyel gyorsan feltankolhatók a teherautók. A H2Haul nevet viselő és 2019-től öt éven át futó projektet az Európai Bizottság is támogatja.
A HTC teherjárművek funkciói meglehetősen változatosak, sőt, réspiaci alkalmazások is vannak már. Konkrét példaként megemlíthető, hogy hidrogén tüzelőanyag-cellás kukásautó-fejlesztés és tesztelés is zajlik már Nyugat-Európában, illetve Skandináviában az ún. HECTOR projekt keretében (Hydrogen Waste Collection Vehicles in North-West Europe). 2020-tól fokozatosan áll üzembe 7 ilyen jármű, valós használati körülmények között, hét városban (Brüsszel, Duisburg, Groningen, Aberdeen, …), összesen öt európai országban. A kukásautók sok esetben sűrűn lakott belvárosi területeken, heti több alkalommal araszolnak végig az utcákon, így a HTC modell zéró légszennyezőanyag- és zajkibocsátása különösen fontos előny ezen alkalmazási területen. Ugyanakkor vidékies területen is tesztelik a járműveket, hogy minél több valós üzemeltetési tapasztalatot gyűjthessenek.
- Vasút:
Nagyon ígéretes fejlesztési területnek tűnik a HTC alapú vasúti vontatás. Ennek hátterét részben az adja, hogy Európa fejlett országaiban is sok még a nem villamosított vasúti pályák száma, amelyeket a viszonylag alacsony forgalom miatt már nem is érdemes villamosítani. A dízel alapú vontatás gazdaságosan kiváltható lenne zéró (lokális) emissziójú, hidrogén tüzelőanyag-cellás, azaz elektromos vontatással, anélkül, hogy meg kellene építeni a költséges felsővezeték rendszert. Németországban 2018 szeptemberében vasúthatósági engedélyt kapott és normál személyszállítási forgalomba állt az Alstom „Coradia iLint” nevű, hidrogén tüzelőanyag-cellás vonata. Azóta Németországból több tucat megrendelés érkezett ilyen típusú szerelvényekre, de komoly az érdeklődés és az ilyen irányú fejlesztés Nagy-Britanniában, Franciaországban is. A 2020-as évektől várhatóan egyre több HTC vonat jelenhet meg az EU egyes országainak vasútvonalain. Sőt, a legambiciózusabb brit tervek szerint 2040-től teljes egészében megszüntetnék a dízel alapú vasúti vontatást. Az Alstom mellett egyéb ismert gyártók, így pl. a Stadler vagy a Siemens is fejleszt HTC vasúti járműveket. Ezek piacra lépése 2021-2024 között várható.
- Anyagmozgató gépek, targoncák:
Nincsenek a laikus közvélemény látóterében, de a targoncák és a különböző anyagmozgató gépek voltak a hidrogén tüzelőanyag-cellás technológia első és egyik legsikeresebb korai alkalmazói („early adopter”). A US Department of Energy adatai alapján 2018 végére a HTC targoncák száma meghaladta a 20.000 darabot Észak-Amerikában. Ezen belül vannak olyan nagy logisztika vagy ipari létesítmények, ahol ugyanazon a telephelyen 200-220 darabos HTC targoncaflották üzemelnek, amelyeket 8-10 telephelyi hidrogén diszpenzer szolgál ki üzemanyaggal, sokszor beltéri kialakításban. Fő előnyük, hogy napi egyszeri, néhány perces tankolást követően általában egy teljes napig képesek üzemelni, miközben csupán vízgőzt bocsátanak ki, és emiatt beltérben is alkalmazhatók.
A fenti áttekintés még így sem teljes körű. További ígéretes mobilitási alkalmazások vannak a piacérettség közelében egyes speciális területeken, amelyekkel terjedelmi korlátok miatt most nem foglalkozunk. Csak megemlítjük, hogy a HTC drónok, egyes pilóta nélküli (UAV) HTC repülési eszközök, a belvízi és tengeri hajózás szintén kifejezetten ígéretes alkalmazásoknak tűnnek.
[1] A betáplált üzemanyag leggyakrabban hidrogén, sőt az autókban alkalmazott PEM típusú tüzelőanyag-celláknál ez kizárólag hidrogén; azonban más típusú tüzelőanyag-cellák esetében egyéb tüzelőanyag is lehet.