Változások a traktorok energiaellátásában (6.) – Hidrogénüzemű traktorok (1.)

A hidrogén (H) a periódusos rendszerben az első kémiai elem, amely a világegyetem tömegének 75 százalékát teszi ki. Ez a legkönnyebb és legegyszerűbb elem, egyetlen protonból és egyetlen elektronból áll, de a bolygónk összes molekulájának 2/3 részét képezi.

A hidrogén szobahőmérsékleten színtelen, szagtalan, nem mérgező, gyúlékony gáz, de -252,8 C^o-on folyadékká alakul és -259,2 C^o-on folyékonyból szilárd anyaggá fagy. Tömegegységenként akár háromszor annyi energiát tartalmaz, mint a gázolaj, és elégetve nem bocsát ki CO₂-t, SOx-ot vagy részecskéket és az égésterméke csak víz.

A hidrogén tiszta formájában szinte soha nem található meg a természetben. Ezért magunknak kell előállítanunk, valamilyen más energiahordozót használva. A hidrogén előállításának többféle lehetősége ismert; közülük – témánk szempontjából – az elektrolízis érdemel figyelmet. Az elektrolízis egy kémiai folyamat, amelynek során elektromos áramot használnak fel a víz hidrogénre és oxigénre történő felbontására.

A hidrogén akkor „zöld”, ha az előállításához felhasznált áramot és hőt fenntartható módon állítják elő, például szélturbinákból, napelemekből vagy biomasszából. Az olyan biomassza, mint a fa és a pellet, szintén közvetlenül és hatékonyabban alakítható hidrogénné gázosítással.

Hirdetés

Hidrogén a traktormotorokban

Az eddigi tapasztalatok alapján a hidrogént a traktorok energiaforrásaként két alapvető módon lehet használni.

• Az egyik lehetőség, hogy üzemanyagcellás hidrogénegység segítségével villamos energiát állítanak elő, amely elektromos motorokat működtet. Ennek a megoldásnak a legfőbb előnye a környezetszennyezés minimális szintje.
• A másik alkalmazás során belsőégésű dugattyús motorok egyik energiaforrása a hidrogén. A hidrogén égetése gázolaj helyett drasztikusan csökkenti a CO₂-kibocsátást, amely a felhasznált hidrogén mennyiségével arányosan csökken. A NOx-kibocsátás elhanyagolható szintre csökken. Ezeknek a hidrogén traktoroknak a CO₂-kibocsátása az V. fázisú dízelmotorokhoz képest mintegy 50 százalékkal kisebb.

A továbbiakban a második változattal foglalkozunk.

Hidrogén a belsőégésű motorokban

A hidrogén önállóan és adalékként is alkalmas lehet belsőégésű dugattyús motorok energiaigényének kielégítésére. A szikragyújtású motorok hidrogén-levegő keverékkel működnek. Az ilyen keverék fűtőértéke mintegy 20 százalékkal alacsonyabb ugyan, mint a benzin-levegő keveréké, azonban a károsanyag-kibocsátása kedvezőbb.

A kompresszió gyújtású dízelmotorokban a hidrogén önmagában nem használható, mivel öngyulladási hőmérséklete magas. Viszont, ha kis mennyiségű gázolajat befecskendezünk, akkor már használható. Ezt a megoldást „kettős hajtóanyag”-nak is nevezik.

A kettős hajtóanyag-koncepció lényege, hogy a hidrogént a gázolajjal elegyítik és ez a „keverék” ég el a hengerek égésterében. Az ilyen elven működő belsőégésű motorok mintegy 10 éve vannak használatban, elsősorban a közlekedési járművekben (autóbuszokban, mozdonyokban és újabban rövid hatótávú repülőgépekben is).

A kettős üzemanyagú belsőégésű motorok alacsony beszerzési és üzemeltetési költséggel jellemezhetők és ugyanolyan hosszú az élettartamuk, mint a hagyományos belsőégésű motoroké. Minimális átalakítással a normál belsőégésű motorok alkalmassá tehetők az új működési módra. A kettős üzemanyagú motorok 100 százalékban dízel üzemanyaggal működhetnek, ha nem áll rendelkezésre hidrogén. Más esetben hidrogén-dízel keverékkel működhetnek egy egyszerű üzemanyag-feltöltési eljárást követően.  A feltöltés ugyanúgy történik, mint a normál benzin vagy gázolaj esetében. Vannak (külföldi) példák arra, hogy ugyanannál a töltőállomásnál kapható a hagyományos üzemanyag és a hidrogén is.

A kettős üzemanyag használata során hidrogént fecskendeznek be a hengertérbe a szívó ütem során. A kompressziós fázis vége előtt (közvetlenül a felső holtpont előtt) ólmozott gázolajat fecskendeznek a hengerbe, amely az égéstéren uralkodó hőmérséklet és nyomás miatt meggyullad ugyanúgy, mint a normál dízelmotorban. A gázolaj a hidrogén-levegő keverékkel együtt ég el, hasonlóan, mint a benzines motorokban a benzin-levegő keverék. A kipufogó ütem során a hengerből távozó kipufogógázok ugyanazok, mint a normál esetben. De: a CO₂-kibocsátás sokkal alacsonyabb, mivel jóval kevesebb gázolajat fecskendeznek be a szükséges teljesítmény eléréséhez. Lényegesen alacsonyabb NOx-kibocsátás is, köszönhetően az alacsonyabb hengerhőmérsékletnek és -nyomásnak, valamint a simább égési folyamatnak.

Fenntarthatósági okból szólni kell még az ún. HVO-gázolajról is. Ez egy megújuló üzemanyag, nevét a Hydrotreated Vegetable Oil (hidrogénezett növényi olaj) megnevezés rövidítéséből kapta. Hulladék növényi olajból és egyéb zsiradékokból készül. Teljesen fosszilis-mentes és fenntarthatósági szempontból számos előnnyel rendelkezik. Például: 89 százalékkal csökkenti a CO₂-kibocsátást, alacsonyabb károsanyag- (nitrogén, kén) kibocsátást tesz lehetővé. A HVO-dízel gyakorlatilag szagtalan és biológiailag könnyen lebomlik. Egyes forgalmazók a HVO-t „kék dízel” néven árulják.

Hirdetés

A New Holland megoldásai

A New Holland nyíltan törekszik vezető szerepre a környezetkímélő energiahordozók alkalmazásában. Clean Energy Leader (kb. tiszta energia vezető) programjuk a stratégia rangjára emelkedett. A 2009-ben bemutatott New Holland NH₂ tüzelőanyagcellás traktor volt az első hidrogén üzemű megoldásuk, amelyet a T6000-es traktorra építve mutatták be (1. kép). (A berendezésről részletesebb információkat a sorozatunk következő részében adunk.)

1. kép: a New Holland első hidrogénüzemű traktora: az NH2

(Forrás: „New Holland NH2 Hydrogen-Powered Tractor”/TractorData.com)

A H2 Dual Power

A fejlesztőmunka eredményeként született meg a H2 Dual Power, a világ első olyan hidrogénüzemű traktora, amely hidrogén és gázolaj kombinációjával működik, így sokkal alacsonyabb CO₂- és NOx-kibocsátással jár nyomaték- vagy teljesítményveszteség nélkül.

A New Holland 2020 óta alkalmazza a H2 Dual Power technológiát a sikeres New Holland T5.140 Auto Command™ traktoron (2. kép). Ez a traktortípus egy olyan modell, amelyet a mezőgazdasági alkalmazások széles skálájára fejlesztettek ki: a szántóföldi, rakodó- és majorsági munkáktól kezdve a nagy sebességű szállításig. A CVT- (fokozatnélküli) sebességváltóval a traktor városi területeken és nyilvános zöldterületeken is univerzálisan használható.

2. kép: a New Holland T5.140 Auto Command alapmodellje

(Forrás: „New Holland, T 5.140 AC, 2022”/agropool.ch)

A New Holland T5.140 Auto Command alapmodelljeit Olaszországban gyártják, majd Hollandiában kiegészíti a holland Blue Fuel Solutions cég (3. kép). A terület szakértőjeként a vállalat ezután kettős üzemanyagúvá alakítja át a traktort, ami magában foglalja a hidrogén keverését a már most is rendkívül hatékony V. fázisú dízelmotorba.

3. kép: a hidrogéntartályokkal kiegészített T5 140-es traktor

(Forrás: „New Holland: première nei Paesi Bassi di H2 Dual Power, trattore a idrogeno di ultima generazione”/Meccagri Cloud)

A hidrogént 5 hengerben tárolják, keresztirányban egymás mögött elrendezve a traktor fülkéje felett, a fokozott biztonság érdekében, a funkcionalitás veszélyeztetése nélkül. Minden henger 11,5 kg hidrogént tartalmaz, 350 bar nyomással. A hengereket borító fémlemezt úgy tervezték, hogy megfeleljen a motorháztető méreteinek (4. kép).

4. kép: a hidrogéntartályokat borító lemeztető

(Forrás: „H2 Dual Power su New Holland T5.140 Auto Command”/TrattoriWeb)

A H2 Dual Power a T5 Auto Command™ rendkívül gazdaságos Stage V négyhengeres, 4,5 literes dízelmotorjával rendelkezik, amelynek maximális teljesítménye 140 LE. A dízelmotorban a hidrogén közvetlenül keveredik a gázolajhoz. A hidrogén elégetése drámaian csökkenti a károsanyag-kibocsátást. A CO₂-kibocsátás a felhasznált hidrogén mennyiségével arányosan csökken, míg az NOx-kibocsátás elhanyagolható szintre esik.

A H2 Dual Power koncepció legújabb alkalmazásaként ez a megoldás megjelent a New Holland T7 sorozat középső, hosszú tengelytávú modelljén is (5. és 6.kép).

5. kép: a New Holland T7 245 alapmodellje

(Forrás: „New Holland T7.245 AC 4WD Tractor Specs (2019 − 2022)”/LECTURA-Specs)

A H2 Dual Power koncepció a T7-en szinte ugyanaz, mint a T5-ön. Ez azt jelenti, hogy a tetőn öt kazán található, összesen 470 liter kapacitással, amelyekben a hidrogént 350 bar nyomáson sűrítik. Ez 11,5 kg hidrogéngázkészletet eredményez. Az energiakapacitás szempontjából ez összehasonlítható 40 liter gázolajjal.

6. kép: a T7 245 fülkéjén a hidrogéntartályokkal

(Forrás: „Nu ook New Holland T7.245 leverbaar met waterstofinspuiting”/Boerderij)

A hidrogént 8 bar nyomáson porlasztják az egyébként szabványos FPT-hathengeres légbeömlőjébe (7. kép). Legfeljebb 65 százalék hidrogént fecskendeznek be. A befecskendezendő mennyiség különböző paraméterektől, például a szükséges teljesítménytől függ. Maximálni azért kell, hogy elkerüljék a motor és a teljesítmény egyéb jellemzőinek befolyásolását. A tetőn lévő tartályberendezésnek viszont elegendő energiát kell biztosítania a nyolcórás munkavégzéshez. Üzemanyagként normál gázolajat, illetve HVO-t használnak ennél a megoldásnál is.

7. kép: a hidrogént a traktor levegőszívó rendszerébe porlasztják

(Forrás: „New Holland: première nei Paesi Bassi di H2 Dual Power, trattore a idrogeno di ultima generazione”/Meccagri Cloud)

A T7 245 H2 Dual Power opciójának további költsége bruttó 85 000 euró. A fejlesztési költségek miatt ez magasabb, mint a T5.140 esetében, ahol a többletköltség 75 000 euró.

Jelenleg a hidrogén mezőgazdasági erőgépekben való alkalmazása a kezdeti fázisban van. Információk szerint mintegy húsz H2 Dual Power T5.140-est adtak el eddig. Vélhető azonban, hogy – hasonlóan a hidrogén járműipari karrierjéhez –, inkább előbb, mint utóbb, a traktorgyártók figyelme is felerősödik a jövő egyik potenciális üzemanyagának tekinthető hidrogén iránt. Ehhez azonban még sok mindennek kell történnie…

Szerző: AgrárUnió