Dr. Margitfalvi JózsefJ

Átírás

1 Az elektro-mobilit mobilitás és s a hidrogén-mobilit mobilitás lehetőségei, feladatai Magyarországon gon és s az EU-ban ban Infónap, nap, Budapest 2016 június j 6 Hidrogén és s tüzelt zelıanyag-cellás s technológi giák aktuális helyzetének áttekintése, különös k tekintettel a mobilitásra Dr. Margitfalvi JózsefJ Magyar Hidrogén és s TüzelT zelıanyag-cella Egyesület

2 Hidrogén és s tüzelt zelıanyag-cellás technológi giák A hidrogén és a tüzelıanyag-cellás technológiák képezik az alapját a jövıben kiépülı Hidrogén gazdaság -nak. A hidrogéngazdaság az energetika és a közlekedés hidrogén alapú rendszerek irányába történı határozott orientációját jelenti, amelyben a gazdaság fogyasztási és szállítási szükségleteinek kielégítéséhez és a társadalom számára hasznos új alkalmazásokban a felhasznált energiát jelentıs részben a hidrogén fogja szolgáltatni. Ezáltal biztosítható lesz a légkör CO2 tartalma 2 növekedésének megállítása.

3 Hidrogéngazdas ngazdaság A hidrogéngazdas ngazdaság g az alábbi öt t technológiai területet öleli fel: Elıállítás Tisztítás Tárolás Szállítás Gépkocsi Felhasználás Közlekedés A hidrogén fı felhasználási területe a tüzelıanyagcellákban történı alkalmazás, amely során a kémiai energia elektromos-, illetve hıenergiává alakul át. Mind az öt technológiai területen új eljárások kidolgozása szükséges, ami viszont új anyagok fejlesztését igényli. 3

4 Hidrogén n a közlekedk zlekedésben A hidrogént a gépjármővek tüzelıanyag-celláiban (TC) alkalmazzák; A TC gépjármővek is elektromos jármőveknek tekintendık (FCEV); A hidrogén a TC-ban alacsony hımérsékleten oxidálódik, a reakció terméke (i) elektron, (ii) víz és (iii) hı; A gépjármővekben 350 és 700 bar nyomáson tárolják a gázhalmazállapotú hidrogént; A tárolt mennyiség elegendı km megtételére; A FCEV gépjármővek elterjedését korábban a TC-k magas önköltsége gátolta. 4

5 PEM típust pusú tüzelıanyag-cella felépítése Bipoláris lemez Bipoláris lemez Anód oldali katalizátor Katód oldali katalizátor MEA = Membrán elektród együttes membrán Hidrogén Gáz-diffúziós réteg (GDL) módosított szénszövet Levegı 5

6 PEM típust pusú tüzelıanyag-cella kötegek Ismétlıdı egységek Bipoláris lemez lemez Membrán elektród együttes (MEA) A MEA 3 vagy 5 rétegő lehet 6

7 PEM-típus pusú tüzel zelıanyag anyag-cell cellák felépítése H 2 O 2 Katalizátor réteg TEM felvétele 7 Bipoláris lemez kollektor Gázbezetés Diffuziós réteg Anód kazalizátor Membrán Katód katalizátor Diffuziós réteg Gázbezetés Bipoláris lemez

8 A katód d aktiválása nem hatékony Cellafeszültség Katód aktiválás Cella ellenállás Anód aktiválás Anyagtranszport Áramsőrőség, 8

9 A PEM típust pusú tüzelıanyag- cella Pt szüks kséglete DOE célkitőzés Új típusú TC kötegek 4th Energy Wave becslése: dizel katalizátorok Pt tartalma 9

10 Tüzelıanyag-cellák k várhatv rható élettartama és s költsk ltségcsökkenése FC élettartam, 1000 km TC költsége, Eur/kW Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles 10

11 Tüzelıanyag-cellák k várhatv rható költségcsökkenése 10 év alatt a költségcsökkenés 90 % Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles 11

12 Tüzelıanyag-cellákban alkalmazott katalizátorok torok CO-toler toleráns anóde és s MeOH anóde: PtRu(alloy), PtRh(alloy), Pt/WO 3, Pt/MoO 3, etc. Katód d (O 2 redukció): Pt, Pt 3 M (alloy), PtV(alloy), PtCr(alloy) Pt mentes szénstrukt nstruktúrák Az aktív katalizátorok Pt tartalma t % között volt!!! 12

13 Ultra-alacsony alacsony Pt tartalmú katód katal alizátorok: Pt monoréteg (Pt mrpd/c, Pt mrpdir/c) Háromszoros specifikus ORR aktivitás növekedés 940 µa/cm2 Húszszoros ORR aktivitás növekedés egységnyi tömegre (PtMLPdIr/C): 2.2 A/mgPt 13

14 Többfémes réteges r nanoszekezetek (Pt/Au/Pd/Co) Piotr Zelenay és munkatársai 14

15 Üreges Pt nanokatalizátor tor 15

16 Új j katód d katalizátor tor PEM-hez nanováz z alapon PtNi3 polihedra PtNi intermedier Pt3Ni nanováz Pt nanováz Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces Vojislav Stamenkovic (ANL) & Peidong Yang (LBNL/UCB) Science, 343 (2014)

17 Új j katód d katalizátor tor nanováz alapon Az aktivitás növekedés kb. 30-szoros Vojislav Stamenkovic (ANL) & Peidong Yang (LBNL/UCB) Science, 343 (2014)

18 Bipoláris lemezek fejlesztése se PEM cellákhoz Polimer alapú bipoláris lemezek Fém bipoláris lemez 18

19 Fémalapú bipoláris lemez According to a presentation made at Fuel Cells Durability & Performance 2009 (December 8-9, 2009 Alexandria, VA USA) The Ford Motor Company is to present on Nanometer Range Gold Coated Stainless Steel for Automotive Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Bipolar Plate. AuNanoclad márkanév Gyártó: Daido Steel Vastagság: g: 0.1 mm Aranyréteg: 20 nm 5 g Au egy 80 kw autóban 19

20 Fémalapú bipoláris lemez gyárt rtása 20

21 Tüzelıanyag-cellás személyg lygépkocsit gyárt rtók Audi Honda Hyundai Mercedes-Benz Toyota A7 H-Tron Quattro FCX Clarity Tucson Fuel Cell (Ix35) B-Class F-Cell Mirai 21

22 Világc gcégekgek a HFC technológi giákban Téves vélekedés: hidrogén és tüzelıanyag-cellás technológiákat, jármőveket csak kis, amatır, garázscégek fejlesztenek. A valóság: main stream világcégek invesztálnak HFC technológiákba Az FCH JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking) ipari tagjai például:

23 Tüzelıanyag-cellás s meghajtás két t alapesete 23

24 Tüzelıanyag-cellás s személyg lygépkocsik Honda FCX típusú hidrogénhajtású tüzelıanyag-cellás gépkocsijának a metszete 24

25 Tüzelıanyag-cellás s személyg lygépkocsi Hyundai Ix35 25

26 Tüzelıanyag-cellás s személyg lygépkocsi Toyota Mirai 26

27 Honda új j tervezésőtc gépkocsija és s tüzelt zelıanyag- cellája Forrás: 27

28 28

29 Hidrogén n töltt ltıállomások Egy személygépkocsi töltésideje 4-5 perc, A kb. 5 kg hidrogénnel a jármő km-t tud megtenni 29

30 Hidrogén n infrastruktúra Hidrogén töltıállomás Innsbruckban (kép: H2-International) Hidrogén szállítása trailerrel (Air products) 30

31 Infrastruktúra: ra: hidrogén töltıállomás Shell hidrogén töltıállomás, Washington, DC A Honda napelemes hidrogén töltı állomása 31

32 ITM Power hidrogén n töltt ltıállomása Angliában szélenergia alapon 225kW os szélturbina közvetlenül van összekötve az elektrolizálóval és a hidrogén tárolóval (220 kg). A mellette kiépített 30 kw teljesítményő 32 tüzelıanyag-cella az épületek energia ellátását biztosítja.

33 Hidrogén n töltt ltıállomások Európában 33

34 Hidrogén n töltt ltıállomások száma Ország vagy régió H2 töltőállomások re tervezett 2020-ig tervezett (épülő) Európa ( 64) 430 Japán >100 Korea USA 9 >50 (35) >100 Jelenleg a világon 214 hidrogén töltıállomás mőködik, további kb. 100 jelenleg építés alatt áll 34

35 Hidrogén n töltt ltıállomások Németországban 35

36 Tüzelıanyag-cellák k alkalmazásai: Közlekedési alkalmazások - autóbuszok Tüzelıanyag-cellás autóbusz Amsterdamban Tüzelıanyag-cellás autóbusz Berlinben 36

37 Európai TC busz programok CHIC (Clean Hydrogen in European Cities) a legnagyobb európai TC busz projekt a hozzátartozó töltı infrastruktúra kialakításával. Két programot indítottak nagy sikerrel : HyFLEET: CUTE projekt ( ) és a CUTE project ( ). Phase 0 városok: Hamburg (DE), Köln (DE), Berlin (DE), Whistler (CA). 30 db FC busz + 4 hidrogén ICE busz (Berlinben) Phase városok: Aargau (CH), Bolzano/Bozen (IT), Milanó (IT), London (UK), Osló (NO), Aberdeen (UK) 26 FC busz mőködött a napi forgalomban Buszgyártók: Daimler Buses (EvoBus), MAN, Solaris, Van 37 Hool, VDL Bus & Coach

38 Autóbuszokba tervezett tüzelıanyag-cella Teljesítmény kw között 38

39 Autóbuszokba tervezett tüzelıanyag-cellák General Motors, 93 kw teljesítményő TC-je 39

40 BEV és s FCEV gépkocsik g összehasonlításasa A gépjármő hatótávolsága és tömege közötti összefüggés Hasznos energia sőrőség (Wh/Liter) BEV és FCEV gépkocsiknál Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles 40

41 BEV és s FCEV összehasonlításasa Volkswagen E-Golf Toyota Mirai Bekerülési költség $ $ $ * Teljesítmény 115 LE 141 LE Nyomaték 199 lb-ft 247 lb-ft Utazási távolság 83 Mérföld, 134 km 312 Mérföld 502 km Töltési idő (Tankolási idő) 4 óra 5 perc * ingyenes hidrogén tankolás 5 éven keresztül Megjegyzés: hideg idıben és nyári melegben az BEV gépjármővek teljesítménye 50, illetve 25 %-kal csökkenhet 41

42 BEV és s FCEV összehasonlításasa A Tüzelıanyag-cellás jármővek felülmúlják az akkumulátorosokat az alábbi paraméterekben: Kisebb súly Kisebb helyigény a gépkocsikban Kevesebb a CO2 kibocsátás Alacsonyabb a teljes életciklus költség Gyorsabb feltöltési idı Az akkumulátoros jármővek felülmúlják tüzelıanyagcellásokat az alábbi paraméterekben: Alacsonyabb a 100 km-re vetített üzemanyag költség A kezdeti szakaszban az infrastruktúra könnyebben biztosítható Szél és fotó-voltaikus elektromos energia esetén kedvezıbb a fajlagos energiafogyasztás 42

43 A hajtásl sláncok elterjedésének becslése se Hagyományos megközelítés Zero emisszió BEV dominencia Zero emisszió FCEV dominencia ICE-D PHEV ICE-B BEV FCEV Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles 43

44 A CO2 kibocsátás és s a hatótávols volság g közötti k összefüggés különbözı meghajtásokn soknál Forrás: McKinsey & Co (2010.): A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis - The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles 44

45 A közeljk zeljövı kilátásai A tüzelıanyag-cellák legjelentısebb felhasználója a jövıben a közlekedés lesz. Az Európai Bizottság COM (2010) 186 számú közleménye (Európai stratégia a tiszta és energiatakarékos jármővekrıl) megállapítja, hogy az akkumulátoros meghajtású, illetve a hidrogén üzemő tüzelıanyag-cellás jármővek fejlesztési irányai egymást kiegészítik és a villamos meghajtású jármővek piaci részesedése 2020-ban eléri a 1-3%-ot 2030-ig a 20-30%-ot. 45

46 Elektromobilitás s a jövıbenj Kismérető személygépkocsik: BEV Rövid utazótávolság: BEV Nagyobb mérető személygépkocsik: FCEV Hosszabb utazótávolság: FCEV Autóbuszok: FCEV Kismérető szállítójármővek: BEV + FCEV Tehergépkocsik: FCEV A két rendszer kiegészíti egymást 46

47 A közeljk zeljövı kilátásai A gépkocsigyártók mögé felzárkóztak a hidrogén infrastruktúra kialakításában úttörı szerepet játszó cégek is. 47

48 Összefoglalás A bemutatott példák szemléletesen mutatják, hogy a tüzelıanyag-cellák fejlesztésének eredményeként a közlekedésben várható a TC meghajtás fokozott elterjedése; Az akkumulátoros és a tüzelıanyag-cellás elektromos meghajtások kiegészítik egymást; Mindkét hajtáslánc elterjedését az infrastruktúra hiánya gátolja; Elgondolkodtató, hogy hazánk milyen jelentıs mértékben le van maradva; Feladatunk, hogy ezt a lemaradást valamilyen módon és minél hamarabb csökkentsük. 48

49 A közlekedk zlekedés s fejlıdési szakaszai XIX század XX század XXI század 49