A hidrogénmeghajtásról szóló beszélgetések során a figyelem általában magára a vonatra irányul. A vasúti üzemeltetők számára azonban az üzemanyagtöltő állomás, annak műszaki felépítése és napi működése éppoly fontos. Hogy jobban megértsük, mit is jelent a hidrogénüzemű közlekedés – nemcsak a járművek, hanem a támogató infrastruktúra szempontjából is –, beszélgettünk a Výzkumný ústav železniční, a.s. (VUZ) szakértőivel. A tesztelésen és tanúsításon túl a VUZ műszaki tanácsadásra és az új vasúti technológiák értékelésére specializálódott.
Műszaki szempontból a hidrogénüzemű vonat egyszerűen egy kisebb hajtómű-akkumulátorral felszerelt szokványos villamos vonat; az egyetlen különbség az energiaforrásában rejlik. Ahelyett, hogy áramot venné fel a felsővezetékből áramszedőn keresztül, hidrogént tárol nyomás alatt álló fedélzeti tartályokban, és azt egy fedélzeti üzemanyagcellán keresztül alakítja át árammá, amelynek melléktermékei kizárólag hő és vízgőz. Az üzemanyagcellától lefelé minden a hagyományos villamosmérnöki elveken alapul, amelyeket már évtizedek óta alkalmaznak. A legfontosabb változó továbbra is a hidrogén- alrendszer, amely hatással van a vonatra, az üzemanyag-feltöltő infrastruktúrára és a karbantartó létesítményekre.
Az üzemanyagtöltő állomás szerepe
A hidrogént általában csőpótkocsikban vagy tárolótartályokban szállítják a helyszínre, legfeljebb 400 bar (40 MPa) nyomáson, míg a vonat fedélzeti tárolótartályai általában 350 bar (35 MPa) névleges nyomáson működnek.
A legegyszerűbb üzemanyag-feltöltési módszer az, hogy összekötjük a két rendszert, és hagyjuk, hogy a fizika vegye át az irányítást: a gáz spontán áramlik a magasabb nyomású területről az alacsonyabb nyomású felé. Ez a módszer azonban csak kezdetben hatékony. Ahogy a szállítóedény és a fedélzeti tartály közötti nyomás kiegyenlítődik, az áramlási sebesség hirtelen csökken, és az üzemanyag-feltöltés leáll. A folyamatot csak úgy lehet felgyorsítani, ha a rendszert egy másik, telibb, magasabb nyomású edényre kapcsoljuk.
Ez a passzív módszer rendkívül hatástalan, mivel a nyomáskiegyenlítés után jelentős mennyiségű hidrogén marad a szállítóedényben – szélsőséges esetekben akár a szállított mennyiség fele is.
Pontosan ez a hatékonysági hiányosság az oka annak, hogy aktív üzemanyag-feltöltő állomásra van szükség. Ez az alapvető nyomáskiegyenlítést az üzemanyag-feltöltés során végzett aktív mechanikus sűrítéssel ötvözi. Ez biztosítja, hogy az üzemanyag-feltöltés gyors maradjon, és hogy az ellátóhajó szinte teljesen kiürüljön. Ez a kulcsfontosságú, a háttérben zajló funkció közvetlenül meghatározza azokat a mutatókat, amelyekre az üzemeltetők a legnagyobb figyelmet fordítják:
- Állásidő: Mennyi ideig kell a vonatnak az üzemanyag-feltöltés alatt mozdulatlanul állnia.
- Kihasználtság: Az egyes hidrogénszállítmányok hány százaléka kerül ténylegesen felhasználásra
Miért nem hasonlít a hidrogén-tankolás a dízel-feltöltéshez?
A hagyományos dízel-tankolással való összehasonlítások nagyrészt pontatlanok. Dízel tankolásakor a szokásos ipari óvintézkedések elegendőek, és a legfőbb környezeti veszélyt a talajszennyezést okozó helyi kiömlés jelenti.
A hidrogén ezzel szemben nem mérgező, de rendkívül illékony. A levegővel rendkívül széles koncentrációtartományban – nagyjából 4–75 térfogatszázalék között – gyúlékony keveréket képez. Ez a széles gyúlékonysági tartomány meghatározza mind az állomás szigorú műszaki tervezését, mind az üzemanyag-feltöltés során szükséges pontos üzemeltetési eljárásokat.
A hidrogén ipari felhasználása nem teljesen ismeretlen. A hidrogént már közel egy évszázada használják sűrített ipari gázként a kohászatától a vegyiparig terjedő alkalmazásokban, ami azt jelenti, hogy fizikai tulajdonságai, kezelésével járó kockázatok és jellemzői alaposan dokumentálva vannak.
Teljesen új jelenségnek számít a nagy áteresztőképességű vasúti környezetben való alkalmazása, a fogyasztás mértéke, valamint a helyszíni tárolásra vonatkozó követelmények. Ennek következtében a hidrogén-tankolásra vonatkozó biztonsági előírások és műszaki szabványok folyamatosan fejlődnek, a közlekedési szektorban betöltött egyre növekvő szerepével párhuzamosan.
A hidrogénmeghajtás tényleges szén-dioxid-megtakarítása
A hidrogénmeghajtás fő marketingérve az, hogy a vonat a felhasználás helyszínén kizárólag vizet bocsát ki. Az ezt az állítást alátámasztó adatokat azonban érdemes alaposabban kielemezni, mivel az összkép nem olyan egyértelmű, mint amilyennek első ránézésre tűnik.
Vegyünk egy alapforgatókönyvet, amelyben egy vonat fedélzeti tartályának űrtartalma 24 m³, névleges nyomása pedig 350 bar. 15 °C-os hőmérsékleten ez a tartály körülbelül 576 kg hidrogént képes tárolni. Ha a fűtőérték (LHV) kilogrammonként 33,3 kWh, akkor egy teljesen feltöltött tartály körülbelül 19,2 MWh energiát hordoz.
A döntő tényező az átalakítási hatékonyság: egy tipikus üzemanyagcella a tárolt energia csupán körülbelül felét alakítja át villamos energiává, így körülbelül 9,6 MWh marad a jármű meghajtására. A jármű szempontjából ez megegyezik azzal a 9,6 MWh-val, amelyet egy hasonló elektromos vonat közvetlenül a felsővezetékekből venné fel. A hidrogénmeghajtás legfőbb előnye az üzemeltetés során keletkező szén-dioxid (CO₂) kibocsátás teljes kiküszöbölése.
Ahhoz, hogy pontosan számszerűsíteni lehessen a hidrogénmeghajtás nettó CO2- megtakarítását azokkal a dízelmeghajtású járművekkel összehasonlítva, amelyeket helyettesíteni hivatott, azonos hasznos terhelésű járműveket kell értékelni, amelyek azonos útvonalakon közlekednek. Mivel azonos körülmények között gyűjtött gyakorlati adatok megszerzése nehézségekbe ütközhet, a következő elméleti modell szemlélteti az összefüggést.
Ha elemezzük egy olyan hidrogénüzemű vonatot, amelynek folyamatos teljesítigénye 1 000 kW, és összehasonlítjuk azt egy megfelelő dízelüzemű vonattal, akkor kiszámíthatjuk a megfelelő dízel-fogyasztást a szabványos 20%-os dízel-hajtási hatékonyság és a 12 kWh/kg-os dízel-fűtőérték alapján:
(9600 kWh / 20 % / 12 kWh) = 4000 kg.
Mivel 1 kg dízelüzemanyag égése során 2,64 kg CO2 keletkezik, a hidrogénmeghajtás által ezek mellett a paraméterek mellett elért bruttó üzemeltetési megtakarítás összesen 2,64 × 4 000 kg = 10,56 tonna CO2!
A hidrogén eredete fontos kérdés
Bár az az állítás, miszerint egy hidrogénüzemű jármű működése során kizárólag vizet bocsát ki, igaz, ez nem veszi figyelembe maga az üzemanyag életciklusát. Az, hogy az egész rendszer alacsony kibocsátásúnak minősül-e, kizárólag a hidrogén előállítási módjától függ.
Jelenleg a világszerte előállított hidrogén túlnyomó többsége nem tiszta. A hidrogén túlnyomó többsége fosszilis tüzelőanyagokból származik, például az alábbi módszerekkel:
- A földgáz gőz-metán-reformálása (SMR)
- A nehéz fűtőolajok részleges oxidációja
- Szén-gázosítás
A vízelektrolízis jelenleg a globális ellátásnak csupán egy kis részét teszi ki. Az ilyen nem megújuló, fosszilis tüzelőanyag-intenzív eljárásokkal előállított hidrogént szürke hidrogénnek nevezik.
A Cseh Közösségben folyó hazai hidrogéntermelés tükrözi ezt a globális paradigmaváltást. A termelés szorosan beépült a meglévő vegyipari folyamatokba – elsősorban az ammónia-szintézisbe és a petrolkémiai iparba –, és éves szinten meghaladja a 100 000 tonnát, amelynek gyakorlatilag teljes mennyisége szürke hidrogén.
Csak a zöld hidrogén, amelyet megújuló energiafeleslegből nyert vízelektrolízissel állítanak elő, teszi a hidrogénüzemű vonatot valóban alacsony kibocsátásúvá. Ez a megoldás természetesen a leg költséghatékonyabb lesz azokban a régiókban, ahol strukturális áramfelesleg jellemző, például azokban a part menti országokban, amelyek nappali napenergiát és éjszakai szélenergiát kombinálnak.
Közép-Európában egyre nagyobb kihívásokkal szembesül az energetikai helyzet; az olcsó, többletben termelődő megújuló áram folyamatos és megbízható ellátását itt nem lehet magától értetődőnek tekinteni.
Átfogó értékelés
A hidrogén mellett szóló alapvető érvek továbbra is érvényesek. Nem mérgező, rendkívül könnyű, és a felesleges villamos energiából fenntartható módon előállítható. A legfontosabb, hogy lehetővé teszi az elektromos hajtás bevezetését olyan vasútvonalakon, ahol nincs felsővezeték-hálózat, és ahol a teljes felsővezeték-hálózat kiépítése gazdaságilag kivitelezhetetlen.
Az ilyen típusú életciklus-elemzés és gazdasági értékelés elvégzése a Vasúti Kutatóintézet (VUZ, a.s.) egyik fő célkitűzése volt a regionális hidrogénvasúti kezdeményezésekben való részvétele során, amelynek keretében segítséget nyújtott a hidrogénüzemre alkalmas cseh vasútvonalak azonosításában.
Ez a fajta értékelés túlmutat a járművek műszaki előírásain. A VUZ szélesebb körű tanácsadási keretrendszerének szerves részét képezi, amely magában foglalja az ESG (környezeti, társadalmi és irányítási) értékeléseket, valamint az üzemeltetési fenntarthatósági auditokat. Az alacsony kibocsátású kategóriába sorolt technológiák esetében az életciklus teljes egyenlege jelenti a megvalósíthatóság végső mércéjét. Ennek az egyenlegnek a következőket kell magában foglalnia:
- A hidrogén előállítási forrása
- Szállítási logisztika és raktározási módszerek
- Az üzemanyag-feltöltő infrastruktúra hatékonysága
- Biztonsági előírások és működési kockázatkezelés
Végső soron a hidrogénmeghajtás nem a dízel univerzális helyettesítőjeként szolgál, hanem inkább célzott kiegészítésként olyan útvonalakon, ahol a hagyományos villamosítás nem kivitelezhető. Valódi környezeti és gazdasági haszna mindig a járműtől, a zöld hidrogén helyi elérhetőségétől, valamint a teljes energiaellátási lánc hatékonyságától függ.
