Hidrogénnel hajtott buszok

2010. augusztus 11. - _zahnrad

A hidrogént tartják a jövő energiahordozójának, mivel elégetése során szinte csak víz keletkezik. A hidrogén színtelen, szagtalan gáz szobahőmérsékleten, a világegyetem leggyakoribb eleme. Olvadáspontja 14K(-259°C), forráspontja 20K(-253°C). A hidrogén gyúlékony anyag, az oxigénnel durranógázt alkot.
A hidrogén energiatartalmát a gáz halmazállapota, illetve többféle tárolhatósága miatt többféleképpen jellemezhetjük a konvencionális buszokban használt gázolajéhoz képest:
Egy normálköbméter (0°C, 1,013bar) térfogatú hidrogéngáz energiatartalma 0,3liter gázolajnak felel meg.
1liter folyékony hidrogén 0,24liter gázolaj energia tartalmával egyenlő, végül pedig 1kg hidrogén 2,79kg(3,33liter) gázolajnak felel meg.
A földön található nagymennyiségű vízből előállítható és korlátlan energiaforrás.
De nem csak vízből állítható elő vízbontással, hanem szénhidrogénekből (pl. földgáz) reformálással, szénből szénelgázosítással, biogázból, etanolból, metanolból, mesterséges fotoszintézissel.
A hidrogént az előállítása után tárolni kell, ez a molekulák kis tömege, a robbanásveszély miatt nehéz feladat ezért többféle megoldást használnak. A hidrogénnel üzemelő járművekben egyelőre két megoldás terjedt el. Az egyik a sűrített gázzal(CH2-compressed hydrogen) üzemelő tárolók, a másik a cseppfolyós(LH2-liquid hydrogen) halmazállapotban történő tárolás. Folynak kísérletek különböző fémekkel, amik hidrid formájában kötik meg a hidrogént.

A hidrogént a járművekben alapvetően kétféleképpen lehet hajtásra felhasználni, tüzelőanyag-cellákban vagy belsőégésű motorokban. A tüzelőanyag-cellák (FC-Fuell Cell) a hidrogén és az oxigén egyesítésével elektromos áramot állítanak elő, ezzel az elektromos energiával villanymotorokat lehet meghajtani. A belsőégésű motorokban (ICE-internal combustion engine) a hidrogént elégetik és a hagyományos üzemanyagokat felhasználó motorokhoz hasonlóan történik a jármű meghajtása.

A tüzelőanyag-cellák közül a leginkább elterjedt a PEM azaz protonáteresztő elektrolit membrános üzemanyag cella. A tüzelőanyag-cella két elektródából áll és a köztük lévő membránból áll. A hidrogén az anódhoz áramlik, ahol ionizálódik: 2H2->4H+ + 4e-
A protonok át tudnak haladni a membránon, így elérik a katódot. A katódnál a protonok segítségével az ide jutatott oxigén redukálódik. A redukcióhoz szükséges elektronok a membrántól a fogyasztókon át érkeznek a katódhoz, az itt lejátszódó reakció:
O2+4H++4e-->2H2O
Az egyes tüzelőanyag cella elemekből kötegeket hoznak létre, mert egy cella csak kb. 1,23V feszültséget tud szolgáltatni.
Az üzemanyagcellát el kell látni a működéshez szükséges gázokkal. A hidrogén a nagynyomású tartályokból egy nyomáscsökkentő szelepen keresztül jut az üzemanyag cella katódjához. Az üzemi hőmérséklete 80-85°C , és alacsony a kipufogó gázokkal kiáramló hőmennyiség ezért nagyméretű hűtőradiátorokat igényel az üzemanyag cellás rendszer.

A hidrogén üzemű belső égésű motorok közül csak a lenti projektben használt változatot mutatjuk be. Az MAN cég egy fölgázzal üzemelő motorját alakította át hidrogén üzemre. A motor szikragyújtású, a kipufogó gázait a magas égési hőmérséklet miatt kezelni kell, de nem bocsájt ki szén-dioxidot. Az NOx kibocsájtása 0.2 g/kWh (egy Euro 5-ös nehézüzemű dízelmotoré: 2.00 g/kWh), HC kibocsájtása: 0.04 g/kWh (0.46) és a részecske (PM) kibocsájtás kisebb, mint 0.005 g/kWh (0.02). A szén-monoxid emissziója nem mérhető.

A két különböző hajtási módnak vannak előnyei és hátrányai:
Tüzelőanyag-cella:
Előnyei:
- Teljesen tiszta kipufogó gáz
- Elektromos, soros hibrid hajtásrendszerhez illeszthető
- Halk
- Jó a hatásfoka
Hátrányai:
- Bonyolult a felépítése, drága
- Nehéz szabályozni
- Érzékeny a hőmérsékletváltozásokra
- Nagy tisztaságú (ötkilences-99,999%-os) hidrogént igényel
- Öregedésével csökken a teljesítménye

Belső égésű motor:
Előnyei:
-    Az tüzelőanyag-cellához képest olcsó
-    Olcsón gyártható
-    Kisebb tisztaságú hidrogénnel is üzemképes
-    Hagyományos hajtáshoz illeszthető
Hátrányai:
-    Nem teljesen tiszta a kipufogógáz, utánkezelést igényel
-    Kicsi a teljesítménye, nyomatéka
-     Zajos, kicsi a hatásfoka


Bár több városban és több járműgyártó bevonásával zajlottak illetve zajlanak hidrogénhajtású járművekkel kísérletek, a mostanában legnagyobb szabású projektet és az ezeknél használt járművekkel foglalkozunk.
2003 eleje óta Európa több nagyvárosában Hidrogénnel meghajtott városi autóbuszokat tesztelnek, egy az Európai Unió, a részt vevő városok és számos cég által támogatott projekt keretében. A projekt neve CUTE, ami a Clean Urban Transport for Europe szavak kezdőbetűiből alkotott szó.
A kézenfekvő az ilyen új technológiák kipróbálása tömegközlekedési cégeknél, ugyanis a járművek rendszeresen és ellenőrzött körülmények között vannak karban tartva, futásukat kellőképpen dokumentálják, az egyes városokban a körülmények változatosak. A tömegközlekedés nehéz üzem, ezért a rejtett technikai problémák könnyen előjönnek.
Nem utolsó sorban környezetbarát közlekedési mód.
A hidrogén előállításához illetve tankolásához szükséges infrastruktúra is jól elhelyezhető, tervezhetően kihasznált lehet.
A teszt éles körülmények között zajlott, a buszok részt vettek a forgalomban és utasokat szállítottak. Eddig több mint 8,5 millió utast szállítottak el, 2,5 millió kilométert tettek meg, és 555ezer kg hidrogént használtak fel.
A projekt során több technológiát is kipróbálnak, tapasztalatokat gyűjtenek a hidrogén előállításához és tankolásához szükséges különböző infrastruktúrákkal, a különböző hajtási technológiát felhasználó buszokat, karbantartásukat és az egész rendszer üzemelését ide értve.

A projektben a következő városok vettek vagy vesznek részt: Amszterdam, Barcelona, Peking, Hamburg, London, Luxemburg, Madrid, Perth, Reykjavík, Porto, Berlin. 33db üzemanyag cellás Mercedes Citaro O530BZ típusú busz és 14db belső égésű motoros MAN Lion’s City típusú busz vesz részt a programban.

A töltőállomásokról pár gondolat:
-10db töltőállomás épült
-89,8% volt a rendelkezésre állásuk
-Több mint 555ezer kg hidrogén került töltésre
-Ebből 4 elektrolízises
-2 gázreformeres lpg/cng gázból
-6 pedig külső szállítótól kapta a hidrogént


A tüzelőanyag cellás járművek a Mercedes Citaro O530 12m-es, 3 ajtós városi típusú autóbuszokra épülnek. A buszok tervezése során a hatékonyság rovására a megbízhatóság kapta a prioritást. Ezért a hagyományos buszok hajtásláncát meghagyták, az elektromos motor szokatlan módon egy hagyományos hatfokozatú hidromechanikus nyomatékváltón át hajtja a hátsó tengelyt. A villamos motor a busz hátsó részében, a dízelmotor helyén, baloldalra kitolva kapott helyet. Ez hajtja a segédüzemeket is. A hidrogén tárolására szolgáló 350bar-os nyomású, 40kg hidrogént tárolni képes kompozit tartályok a busz tetején, az első tengely fölött kaptak helyet. Közvetlenül a tartályok után a tetőn helyezkedik el az üzemanyagcella egysége, és az ezt kiszolgáló berendezések, majd a nagyméretű hűtők a busz középe körül. A hátsó tengely fölött a légkondicionáló kapott helyet.

A hagyományos dízel buszok utasterének elrendezését sikerült megtartani a tetőre helyezett berendezésekkel és tartályokkal, azonban a megnövekedett üres tömeg miatt kevesebb utast képes szállítani.
A buszok a CUTE program keretében 1081485 km-t tettek meg, 66000 üzemóra alatt.
A buszok összesített rendelkezésre állása 92% tehát a kitűzött megbízhatóság teljesült. A buszok a városok domborzati adottságaitól függően 20-28kg/100km hidrogént igényeltek ez 66-93liter/100km gázolajfogyasztásnak felel meg.
Ez a hagyományos és hasonló méretű dízel buszok 28-40liter/100km gázolaj fogyasztásával szemben nagyon magas érték.
A programban részt vevő összes busz átlag fogyasztása 21,9kg/100km hidrogén, ami 72,9l/100km gázolajnak felel meg. A magas fogyasztás betudható a villamos energiatárolás hiányának, és a nyomatékváltó alkalmazásának. Egyetlen busz beszerzési ára 1,25 millió euró volt, ami jóval több, mint a dízelmotoros buszok ára.

A belső égésű motorral felszerelt MAN Lion’s City buszból kétféle hidrogénnel meghatott változat készült a program számára. 4db szívó és 10db turbó motorral. Az MAN cég saját maga fejlesztette a motort a gázüzemű buszokhoz használt erőforrásból.
Az átlagos rendelkezésre állásuk 89%, a szívó motorosok fogyasztása 20,93kg/100km hidrogén, ami 69,5l/100km gázolajfogyasztásnak felel meg.

A CUTE program a legtöbb városban 1-1,5 évig tartott, azonban Hamburg városa a folytatás mellett döntött és több más várostól átvette a korábban ott üzemelő tüzelőanyag-cellás Mercedes buszokat. A program ezekkel a buszokkal véget ért, új buszok érkezésével folytatódik. Egyelőre csak Hamburg városa kap 10db új, már mozgási energia tárolására is képes üzemanyagcellás Mercedes buszt. A több városra kiterjedő újabb európai program kidolgozása még zajlik.
A Mercedes Citaro FuelCELL Hybrid névre hallgató buszt az eddigi tapasztalatok alapján fejlesztették ki. A villamos motor közvetlenül hajtja a kerekeket, olyannyira hogy a kerékagyban kapott helyet. A busz már képes fékezés során visszatáplálni, nagyméretű lítium akkumulátorokba. Ennek köszönhetően az üzemanyagcella kisebb teljesítményű lehet és a hidrogéntartályok méretét is lehetett csökkenteni.
A busz elektromos hajtásának az alapja a 2007-ben bemutatott Mercedes Citaro G BlueTEC Hybrid busz, ami egy soros hibrid rendszert használ. A hidrogénes buszban a belsőégésű motor és a generátor szerepét átveszi az üzemanyagcella. A fogyasztást a gyár ígérete szerint jelentősen sikerült csökkenteni a becsült fogyasztás 10-14kg/100km hidrogén, ami reálisnak tűnik.

Trihybus

A Cseh Nukleáris Fejlesztési Intézet koordinálásával épült meg az első és idáig egyetlen hidrogénhajtású busz a 2004-ben csatlakozott új EU tagállamokban. A busz műszakilag is hordoz újdonságot, ugyanis ez az első európai tripla hibrid busz. Ez azt jelenti, hogy a buszt hajtó villamos motorok három forrásból is kaphatják az energiát. Az üzemanyagcellából, akkumulátorokból és ultrakapacitásokból. Ez a megoldás lehetővé teszi az üzemanyagcella folyamatos és hirtelen változásoktól mentes üzemét, az ultrakapacitások pedig az akkumulátorokat kímélik meg a hirtelen nagy teljesítményugrásoktól. A busz karosszériáját az Irisbus, elektromos berendezéseit a Skoda, az üzemanyagcellát a német Proton Motor szállította. A buszhoz szükséges töltőállomás építési költsége 20 millió korona volt.
A busz a fejlett hibrid rendszernek köszönhetően igen keveset, 8,5-12kg/100km hidrogént (28,3-39,96l/100km gázolaj) fogyasztott a próbák során.

VanHool

2007-ben mutatta be a VanHool a hidrogénhajtású buszát. A jelentős súlytöbbletet az A330 busz megnyújtásával és harmadik tengely beépítésével kezelték, így a busz 104 utast tud szállítani, ami jóval több, mint a kéttengelyes hidrogénes buszok 75-80 fős kapacitása. Az üzemanyagcellát az amerikai UTC Power szállította, az elektromos hajtást a Siemens. A busz különlegessége a Zebra akkumulátor. Ez egy különleges, magas hőmérsékleten üzemelő sóolvadékos akkumulátorfajta, főleg a hidrogénbuszokhoz hasonló kísérleti járművekben elterjedt.

Phileas

4db üzemanyagcellás Phileas busz épül. Kettő Kölnben, a másik kettő Amszterdamban fog üzemelni. A busz tripla hibrid rendszerű, azaz nem csak akkumulátorok, hanem ultrakapacitások is részt vesznek a fékezés során visszatáplált energia tárolásában.
A buszok a Ballard üzemanyagcelláját használják, a villamos hajtást a Vossloh-Kiepe szállította. A négy buszt tartalmazó projekt teljes költsége 12 millió euró.

Összegzés

A képre kattintva műszaki adatokat összefoglaló táblázat nyílik

A hidrogénes buszok működnek, forgalomban, utast szállítva is megállják a helyüket. Azonban a beszerzésük és az üzemeltetésük egyelőre nagyon drága. A kiépítendő töltőállomások biztonságára is fokozott figyelmet kell fordítani a robbanásveszélyes üzemanyag miatt. A próbaprojekteket a kormányok és az Európai Unió kiemelten támogatják, azonban ez így is nagyon drága mulatság. A tüzelőanyag-cellák korszerű hibrid hajtással kiegészítve már megfelelő fogyasztást tudnak produkálni, azonban teljesítményük az idővel csökken. Jelenleg az élettartamuk az autóbusz karosszériának a felére tehető, ami nagyon kevés. A hidrogén tiszta előállítása szintén nehézkesen és csak kis mennyiségben megoldható jelenleg.
A kísérletek folytatódnak, azonban ezek változatlanul kísérletek maradnak még jó ideig, az éles körülmények között zajló futások ellenére is.

Képek forrása: www.busportal.cz
media.daimler.com
http://www.global-hydrogen-bus-platform.com/ http://www.netinform.net/H2/H2Mobility/ Ferlhasznált irodalom:Bosch sárga füzetek sorozat - Hibrid hajtások projekt előadások, cute, VÖV, VÖV Svájc

A bejegyzés trackback címe:

http://omnibusz.blog.hu/api/trackback/id/tr922185246

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben.

Nincsenek hozzászólások.