Kezdjük azzal, hogy az a leginkább káros és a legkevésbé fenntartható gondolkodás, ha a régit kidobjuk, mert már nem jó, és veszünk helyette egy szépet, újat. Bár nagyon globálisak vagyunk, ebben a cikkben ezt a témát most mindenképp az autók oldaláról fogjuk megkörnyékezni. Szeretjük az öreg régi vasakat és szeretjük azokat az újakat is, amikben belső égésű motor dübörög. Nehéz elképzelni úgy a világot, hogy ezek nincsenek, de talán lehet rá megoldás, ami élhető lehetne.
Az élmény kézzel fogható, nem virtuális, nem kódsorok, hanem mechanikus elemek generálják, amiket mérnökök sok ezer munkaórával és olyan precizitással állítottak össze, amilyet csak ők tudnak. Egy V8-at sosem fog tudni utánozni mű motorhanggal és mű remegéssel semmi, még akkor sem, ha a Dodge csinálja – erre készülnek az új elektromos Chargernél.
A BMW már a 90-es évek végén működő hidrogén hajtású belső égésű motoros prototípusokat tesztelt
Belső égésű motorokat szeretnénk a jövőben is. Meglenne a helyük, meglenne a felhasználásuk, meglenne a közönség, és még a technológia is, ami az egészet lehetővé tenné. Sőt, már több mint tíz évvel ezelőtt is megvolt, ráadásul olyan vállalatok dolgoznak rajta, mint a BMW, a Mazda vagy a Toyota, akik a lehető legtovább igyekeznek megtartani a vezetés valódi élményét valódi autókban.
Hogyan? Hidrogént használva üzemanyagként. Most nem a hidrogén-üzemanyagcelláról lesz szó, hanem arról, hogy benzin- vagy dízelüzemanyag helyett tiszta hidrogént etetünk meg egy belső égésű motoros autóval. Ez már rég nem elmélet, működőképes technológia, amit a legnagyobb gyártók fejlesztenek és tesztelnek.
Hidrogén-üzemanyagcella- gyorstalpaló
Régebb óta foglalkozik az autóipar az üzemanyagcellával, mint a hidrogén belső égésű motorban való elégetésével, és ma egyre forróbb téma. Több gyártó folytat előrehaladott fejlesztéseket ebben a témában, hamarosan a BMW sorozatgyártású hajtáslánca is megjelenik a Toyota, a Hyundai és a Hondáé mellett.
Hidrogénből állít elő elektromos áramot a hidrogén-üzemanyagcella
Ezért érdemes tudni, hogyan is működik. A tüzelőanyag-cella vagy üzemanyagcella a vízbontás elvét fordítja meg: katalitikus felületén hidrogén és oxigén egyesül, miközben elektromos áram jön létre a két pólus között, ami villanymotor hajtására használható. Vagyis egy alapvetően elektromos hajtású autóba kerül, amiben az akkumulátor épp csak akkora, hogy az indulásokhoz, amikor nagyobb teljesítményre van szükség, tudjon elég energiát tárolni. Minden további esetben egyenesen az üzemanyagcella állítja elő az áramot a villanymotor(ok) számára.
Az autóipari történelem része
Hidrogénnel hajtott járművek kísérletezésével legalább annyira régóta foglalkozik az autóipar, mint az elektromos járművekével, miután bizonyos tekintetben együtt is járhatnak (lásd: hidrogén-üzemanyacella). A belső égésű motorban való felhasználással azonban csak az utóbbi 50 évben kezdtek el foglalkozni. A Mazda működő Wankel-motort, az MAN pedig kísérleti jelleggel fekvő soros hathengeres dízelmotorban tesztelte a hidrogént.
V12-es motort használt a BMW Hydrogen 7, de csak 260 lóerőt teljesített, benzinnel és hidrogénnel is működött
Az 1990-es években már a BMW is kidolgozta saját prototípusát, amit először az E38-as 7-esbe építettek be. Ebből csak egy egészen kis flottányi prototípus készült el, utódjából, a Chris Bangle-féle E65-ösből viszont több száz kísérleti példányt gyártottak le BMW Hydrogen 7 néven. Ebben a modellben a 6,0 literes V12-es szívómotort használták, amit úgy alakítottak át, hogy megmaradt a benzinbefecskendezés és a hozzá tartozó üzemanyagrendszer, de került mellé hidrogén-üzemanyagrendszer is.
Mindkét üzemanyaggal külön tudott működni a V12-es motor, a korai technológia miatt azonban volt egy apró gond a rendszerben. Azért kellett a V12-es motor, hogy hidrogénüzemben is tudjon teljesíteni 260 lóerőt, ami utólag nézve nevetségesen rossz teljesítményarány, a technológia viszont igazolta, hogy működőképes, lehet tovább dolgozni rajta. 2006-ot írtunk, amikor a Hydrogen 7-es flotta elkészült, és azóta a BMW nem foglalkozott többet publikusan a hidrogén elégetésével benzinnel is működő motorokban, ellenben a hidrogén-üzemanyagcellával igen.
2017-re ugrunk tovább, amikor a Toyota bejelentette, hogy nemcsak az elektromos járművek és hidrogén-üzemanyagcellás hajtásláncokkal fog foglalkozni, hanem a hidrogénüzemű belső égésű motorokkal is. Pár éven belül működő prototípussal álltak elő, de a BMW-től eltérően épp fordítva, a hidrogén hatékony üzemét használták ki a Yaris GR 1,6-os háromhengeres, teljesítményre optimalizált sportmotorjában. Ezt aztán megkapta egy Corolla versenyautó, és megkezdték a nyúzást. A történet körbeért, a hidrogénnel üzemelő háromhengeres visszakerült a sorozatgyártású modellbe 2023-ban, és nem ez az egyetlen hír a Toyotától.
Műalkotásnak is beillene a Yamaha-fejlesztésű, V8-as motor, ami hidrogénnel üzemel és 455 lóerős
Készül egy V8-as szívómotor, méghozzá a Yamahával együtt, aminél a Lexus LC és RC 5,0 literes blokkját használják, a cél pedig 455 lóerő. Ez már azért jól hangzik, nem? A klasszikus V8-asra rávilágít a jövő fénye, ahol a károsanyag-kibocsátás határértéke már nulla, a nyolc henger mégis vígan rotyogtat.
Hogyan működhet egy belső égésű motor hidrogénnel?
Az elv ugyanaz, mint egy benzines modellnél, befecskendezőrendszer juttatja a szívósorba, vagy egyenesen az égéstérbe a hidrogént, ahol levegővel keveredik és gyújtógyertya lobbantja lángra. A hagyományos üzemanyaggal szemben azonban a hidrogén elégetése olyan hatékonyan működhet egy belső égésű motorban, mintha 120-as oktánszámú lenne a benzin 95 helyett. Vagyis rengeteg benne az energia. Cserébe viszont nem 230-280 Celsius-fokon ég, hanem kb. 500-on.
Wankel motort is üzemeltetett a Mazda hidrogénnel
Ezzel ki is lőttük azt a lehetőséget, hogy a meglévő belsőégésű motorokba átalakítás nélkül egyszer hidrogént tankolhassunk. A blokk, de leginkább a hengerfej egyszerűen nem bírná ki ezt a hőt tartósan. Komoly átalakításokra van szükség, speciális üzemanyag rendszerre, nagynyomású hidrogén tartályra, befecskendezőkre és katalizátorokra a kipufogórendszerben, arra mindjárt kitérek, hogy miért.
Rendkívül jó jellemzőkkel bír a hidrogén,az égéstérben sokkal gyorsabban terül, min a porlasztott benzin, szinte a befecskendezés pillanatában betölti az egészet, így a robbanás is egységesebb. A jelenlegi motorok égésterei és főként a dugattyúk tetői a benzin és gázolaj keverékek örvényléseihez vannak kialakítva, de működhet hidrogénnel is, viszont a leghatékonyabb mindenképp úgy lehet, ha speciálisan ehhez alakított alkatrészeket használnak.
Jóval magasabb sűrítési aránnyal dolgozik, amíg benzinből nagyjából egy cseppnyi kerül az égéstérbe, a többi rész levegő, addig a hidrogénből az égéstér legalább 30%-át hidrogénnel kell megtölteni a hatékony üzemhez. Ezért lehet, hogy a BorgWarner prototípus teherautójában, amit Földes Attila ki is tudott próbálni, 3 kilogramm hidrogén fogy el 100 kilométer alatt. Összehasonlításként ugyanez hidrogén üzemagyagcellával 1 kg/100 kilométer.
Vagyis a tárolására komoly méretű tartályra lenne szükség, pontosabban lehetetlen akkorát beépíteni egy személyautóba, ami egy benzinnel hajtott autó hatótávolságával tudna versenyezni. A BMW 7-esében korábban a hátsó üléssort is előrébb építették be miatta és a csomagtér jelentős részét is elvesztette. Egyelőre villanyautós hatótávolságokra képes prototípusok készültek, vagyis 200-300 kilométer a megtehető. Nagy előnye, hogy a tankolás 3-5 perc, az üzemanyag pedig tulajdonképpen végtelen, számos gyártási folyamat mellékterméke, de vízből is előállítható.
Érdemes a termikus hatásfok oldaláról is vizsgálni a hidrogén használatát. Ez az érték mutatja meg, hogy a beletett energiából (üzemanyag) mekkora százalékban sikerül hatékonyan kivenni az energiát erő formájában. Egy hagyományos Otto ciklusú benzinmotor 20-40 % között teljesít, de átlagban inkább 25, míg a leghatékonyabb változata, az Atkinson ciklusban működő motorok, például a Toyota hibridjeiben elérik a 41%-ot is. A hidrogénnel használt Otto motor az eddigi vizsgálatok és prototípusok szerint hasonló értéket érnek el, mint az Atkinson ciklusú motorok.
Óriási hátrány a nagynyomású tartály mérete, egy személyautóban túl kevés hidrogént tud tárolni a tisztességes hatótávhoz
Károsanyag-kibocsátása viszont nem nulla
Hidrogén elégetésével H2O, vagyis tiszta víz keletkezik, ami az égéstérből gőz formájában fog távozni. De nem ez az egyetlen anyag, ami távozik, miután a belsőégésű motorhoz továbbra is szükséges kenőanyag ugyanúgy szerepel az égéstér hengerfalán, ami szintén elég. Ezzel pedig nitrogén részecskék kerülnek a kipufogógázba (vagy gőzbe), ami 2030-35 után tiltott lesz.
Vagyis a kipufogógáz után kezelő rendszerekre ebben az esetben is szükség van, hogy megszűrje a részecskéktől a mellékterméket. Ezáltal a belsőégésű motor összetettsége nem változik, de cserébe kerül egy magasnyomású tartály a rendszerbe és egy kényes üzemanyag ellátó rendszer, aminél egy pillanatig nem tolerálható a szivárgás, mert azonnal elszökik a hidrogén, ami még gyúlékony is.
Hidrogén elégetésével víz keletkezik, de a motor kenőanyaga miatt nitrogén részecskék is kerülnek a kipufogógázba
Főként a tárolás adja a legtöbb nehézséget, a hidrogén minél melegebb, annál több energiát veszít, így egy hónap alatt nagyjából felére csökken az energiasűrűsége. Tudom, ez nem hozza meg a kedvet ahhoz, hogy ilyennel járkáljunk, de a technológia és a megoldások messze nincsenek még abban a helyzetben, hogy ezt kézzel fogható lehetőségként foghassuk fel, de ad némi reményt.
Nem a tárolás az egyetlen gond
Ez csak az egyik probléma, a nagyobb a hidrogén kutak infrastruktúrája, pontosabban annak hiánya. Azt a néhány jelenleg futó Toyota Mirait, Hyundai Nexót és buszt, teherautót, amit eddig legyártottak képes kiszolgálni a főként nyugaton elérhető töltőhálózat, de nehéz elképzelni azt, hogy ha pár éven belül befuthatnának a belsőégésű motoros hidrogénautók, miként lehetne őket tankolni.
Földes Attila kollégánk gond nélkül megjárta Nyugat-Európát egy üzemanyagcellás Toyota Miraival, így nem elképzelhetetlen a hidrogénautózás. Ugyanakkor Magyarországon egyelőre csak egy darab ilyen kút működik, igaz, aki hidrogént tankolna, annak most fizetnie sem kell érte. Ez persze nem megnyugtató, egyelőre még annyira sem belátható ez a megoldás, mint az elektromos autózás a 2000-es évek elején.
A Toyota versenyautóban tesztelte a háromhengeres motort a Yaris GR-ből
Könnyebb elképzelni, mint a repülő autózást
2015-ben Marty és Doki egy olyan jövőbe érkeztek meg, ahol a régebbi autókat is gond nélkül átalakítják repülésre bármelyik műhelyben. Ha mostantól 30 évre nézek előre sem látom ezt a helyzetet, míg a hidrogén-üzemre való átalakításra azért látok esélyt. A múltban megvan a példa arra, hogy működhet egy benzines motor hidrogénnel, csak a teljesítmény feléről le kell mondani.
A BorgWarner motorjából látható, hogy a meglévő belsőégésű motor átalakítása lehetséges, de a fogyasztás még így is magas. A 9 kilogramm hidrogént tároló tartály, ami 300 kilométerre elég, egyszerűen nem férne el egy hagyományos személyautóban. Meg kell oldaniuk a fogyasztás csökkentését, méghozzá drasztikusan ahhoz, hogy élhető legyen a jövőben, legalább annyira, mint most egy gázossá alakítás.
Utcai formában is elkészült a hidrogén hajtású Toyota Yaris GR
A Toyota bizonyítja be éppen azt, hogy a magas teljesítmény is elérhető hidrogénnel, de ehhez már nem elég egy hagyományos motor átalakítása. A Yamahával közös V8-ashoz teljesen egyedi hengerfej, erősebb szelepek, dugattyúk és hajtókarok készülnek, vagyis nagyjából olyan technikára van szükség, mint egy versenyautóban, az elért teljesítmény viszont csak közelíteni tudja a benzines változat értékeit.
Arra azonban már van bizonyítékuk, hogy a Yaris GR háromhengeres motorja hosszú távon is bírja a nagy terhelést, miután éveken keresztül tesztelték a japán Super Taikyu versenysorozatban élesben. Erre a felhasználásra kimondottan jó, hogy a hidrogén gyorsabban és hatékonyabban ég, vagyis a teljesítménye megvan ahhoz, hogy sportautóban használják, és még előny is származik belőle a közvetlenebb és gyorsabb gázreakcióval. Bár a prototípus működik, egyelőre még nem tudni, pontosan mit tervez a Toyota ezzel a motorral.
Régebbi motorok átalakítása sem lehetetlen, így a jövőben ez akár lehet egy megoldás is a régi autók számára
Megvan benne a potenciál, rengeteg a megoldandó feladat
A hidrogénnel hajtott belsőégésű motor egy lehetőség. Tekintsünk rá úgy, mint a kiút azok számára a jövőben, akik nem akarnak egy hobbiautóban, sportautóban elektromos nyünnyögést hallgatni. Ezzel megtarthatná az autóipar azt az esszenciát, ami évtizedeken keresztül meghatározta a legjobb autókat: a klasszikus mérnöki munka. Az elektromos hajtásrendszer és az akkumulátorok tudománya előtt is meg lehet hajolni, de egy hidrogén hajtású V8-ra már most jobban tudok izgulni, mint az elektromos Dodge Chargerre.
