1. Bevezetés

A hagyományos műszaki szemlélet a hidrogénnel kapcsolatban rendszerint csak a káros hatásokról emlékezik meg. Ha egy mérnök megtudja, hogy egy acélban, az elfogadható értéknél nagyobb mennyiségű oldott hidrogén van, akkor rendszerint arra gondol, hogy az nem használható szerkezeti anyagként (hidrogén pelyhesség, elridegedés, törékenység). A probléma eredete az, hogy a hidrogén nem képez a vassal vegyületet és a hőmérséklet csökkenésével egyre kevésbé oldódik a vasban. Ezért nagy feszültségeket okozó gázbuborékok alakjában halmozódik fel, vagy interstíciós szilárd oldatot képez.

A hidrogén fémekben való oldódásának van azonban műszakilag kedvező oldala is. A fémekben oldott hidrogén felhasználható energiatárolásra. Ebben a dolgozatban néhány, e témakörhöz kapcsolódó eredmény kerül ismertetésre.

Napjainkban a felhasznált energia döntő hányadát még nem újratermelődő energiaforrásokból nyerjük. A népesség növekedésének és a világ gazdasági és technológiai fejlődésének hatására az energia felhasználás folyamatosan növekszik. Várható, hogy 2025-ig az üzemanyag felhasználás 30%-kal, az elektromos energia igény pedig 265%-kal magasabb lesz.^[1] Ezt az igényt ki kell elégítenünk, de nem szabad elfelednünk, hogy tartalékaink végesek. Az 1970-es években lezajlott energiaválság óta felgyorsultak azok a kutatások, melyek alternatív energiaforrások hasznosítására, alkalmazásuk költségkímélő, környezetbarát módjaira irányulnak. Előrejelzések szerint a jelenlegi bányászati és kiművelési módokkal felszínre hozható kőolaj, földgáz, széntartalékok még mintegy 180 évre elegendőek, ha az ipari energia-felhasználásnak csak kis mértékű növekedését tételezzük fel a jelenlegi állapothoz képest.

Az atom- és a fúziós energia mellett létezik néhány eddig kevéssé kihasznált, környezetbarát energiaforrás is: napenergia, vízenergia, szélenergia, és néhány új típusú kémiai energiaforrás. A legtöbb esetben az elektromos energia előállítása az adott forrásból és szállítása akár nagyobb távolságra is - megfelelő hatásfokkal - megoldott feladat. Azonban az igény és az adott pillanatban előállítható elektromos áram mennyisége rendszerint nem azonos. Ezért a megtermelt energiát valamilyen köztes tárolóban - pufferben - raktároznunk kell. Ehhez az energiát valamilyen jól kezelhető formába kell átalakítanunk.

Az energiafelhasználás fontos szereplője a közlekedés, azon belül a gépjárművek, melyek többségét napjainkban belsőégésű motorok hajtják. A belsőégésű motorokkal történő meghajtás ma már kiforrott technológia. Rengeteg mérnöki és kutatómunka tapasztalatai állnak rendelkezésünkre. A belsőégésű motorok gyártásához rendelkezünk a megfelelő technológiai háttérrel. Amikor új energiahordozókra térünk át, célszerű lesz olyat választani, amely nem igényel nagyon nagy változtatást a jelenleg használt szerkezeteinken, azaz gyors égés során szabadítja fel az energiát, tartályban tárolható, vezetéken szállítható, stb. (átállási költségek nem túl magasak). Erre a kémiai energiák új családja lenne a legmegfelelőbb. Az ilyen módon felhasználandó anyagnak magas égéshőjűnek és kis káros anyag kibocsátásúnak kell lennie. Égésekor nem keletkezhet sem toxikus, sem a motor működését gátló vegyület. A fenti kritériumok alapján számos szerves és szervetlen vegyület alkalmazhatóságát vizsgálták és vizsgálják. A természetben számosan közülük már közvetlenül felhasználható állapotban és elegendő mennyiségben lelhetők fel, mások fizikai-kémiai eljárások (biomasszák előállítása) során nyerhetők. Ha hosszútávon próbáljuk megoldani az energiatermelés és tárolás problémáját, akkor csak olyan kémiai elem vagy vegyület jöhet szóba, amelynek előfordulása a földi környezetben gyakori. Mivel a Föld felszínének 2/3-át több ezer méteres átlagos mélységben víz borítja, a belőle napenergia segítségével (biológiai átalakítók, biomasszák, stb.), vagy elektrolízis útján sokkal több hidrogént állíthatunk elő, mint bármilyen más hajtóanyagot.

A hidrogén - főképp kötött formában - a hidro-, a lito-, és az atmoszférában kb. 17 %-ban (a szén csak 0,14 %-ban) fordul elő. Tömegegységre vonatkoztatott fűtőértéke a benzinének majdnem háromszorosa, amint ezt az 1. táblázatban látható.

Másik nagy előnye, hogy égése során csak vízgőz keletkezik, ami nem szennyezi a környezetet, sőt visszakerülve a föld természetes vízkörforgásába újra felhasználható hidrogén előállítására. Elmondható tehát, hogy olyan újrafelhasználható energiahordozó áll a rendelkezésünkre, melyet nem kell a felhasználás után visszaszállítanunk és úgy regenerálnunk, hiszen a visszaszállításról a természet gondoskodik. A megfelelő hatásfokú vízbontási és a további energiaátalakítási technológiák kialakítására, továbbfejlesztésére jelenleg is folynak kutatások.

A gazdasági és hatékonysági kérdéseken túl, egy hidrogén üzemanyagú motor teljesítené a köztudottan legszigorúbb kaliforniai emissziós normákat is. Kalifornia Állam Levegő-tisztaság Védelmi Tanácsa (CARB) 1997-től kötelezővé teszi a zérus emissziójú közúti járművek (ZEV) forgalmazását az állam területén. 1998-ban az eladott járművek 2 százalékának, 2003-ra pedig már 10 százalékának kell zéró káros-anyag kibocsátásúnak lennie.

Az elektromos energiát a felhasználókig távvezetéken szállítva, a fölösleget a helyi vízkészletek felhasználásával hidrogén formájában tárolhatják, és később visszaalakíthatják elektromos energiává, de a hidrogént közvetlenül használhatják gépjárművek hajtására is. (1000 km-es távolság fölött kevesebbe kerül a hidrogént szállítani, mint az elektromosságot^[1]). A gázüzemű belsőégésű motorok konstrukciós problémái ma már megoldottak, különösebb fejlesztést a gáz odavezetése, illetve az égéstermék elvezetése sem igényelne. Problémát jelenthet viszont a gázhalmazállapotú anyag tárolása, valamint a kimerült tárolóegységek újratöltése. Mindkettő főként biztonsági kérdéseket vet fel, de nem elhanyagolható a nagynyomású rendszer járulékos tömegeinek hatása sem.

A Daimler-Benz AG által az 1980-as években kifejlesztett kombinált hidrogén-gázolaj hajtási rendszer már bebizonyította, hogy a jelenlegi motorok kismérvű átalakításával és egy hidrogén ellátórendszer beépítésével gépjárműveink alkalmassá tehetők hidrogénnel való üzemelésre^[3]: 5 db. kisteherautót és 5 db. személygépkocsit alakítottak át vegyes üzemre. A járműveket 3 évig tesztelték több mint 250 ezer kilométeren keresztül, és tapasztalataik szerint a sorozatgyártás, illetve az új rendszer elterjedésének a korlátja legfőképpen az, hogy az üzemanyag tárolási eljárás, illetve a töltés időtartama nem felel meg az elvárásoknak. (A hidrogéntartályok feltöltése a diesel-tankoláshoz szükséges időnek körülbelül hatszorosa) Azóta több konkrét, megvalósult terv született, amelyek vagy tiszta hidrogén, vagy hibrid hajtással rendelkeznek^[4-6].

Dolgozatomban a hidrogén tárolására alkalmas anyagcsaládok közül az egyik legújabb, az un. nem-egyensúlyi rendszereken vizsgálom a hidrogénfelvétel és leadás folyamatait. Központi kérdés a hidrogéntároló ötvözeteknél a ciklizálhatóság, a ciklikus töltés-kiürítéssel járó irreverzibilis folyamatok megismerése. A hidrogén abszorbens anyagok fizikai tulajdonságai a hidrogénfelvétel és leadás során megváltoznak (pl. hő- és elektromos vezetőképesség, termofeszültség, térfogat, stb.). Ez lehetőséget nyújt a ciklikus töltés-kiürítési folyamatok nyomon követésére. Munkám során az elektromos ellenállás változását használtam fel erre a célra. Az értekezés ennek a munkának az összefoglalása.