Közvetlen ammónia üzemanyagcella

Új, alternatív szén-mentes szintetikus üzemanyagokra van szükség ahhoz, hogy a közlekedés szén-dioxid kibocsátását érdemleges csökkenteni lehessen, és amivel az akkumulátorok és a bioüzemanyagok által jelenleg érintetlenül hagyott szállítási szektoroknak is megoldást lehet majd nyújtani. Egy új, 80 °C-on működő nemesfém-mentes ammónia alapú üzemanyagcelláról ír a Joule szakújság. Az üzemanyagcella lelke egy új ammónia toleráns katalizátor, amely az oxigén redukcióért felel. A cikkben közölt számítások szerint az ammóniát közvetlenül felhasználó üzemanyagcellán alapuló rendszerek rendelkeznek jelen pillanatban a legalacsonyabb fajlagos költséggel, ha azt a megújuló elektromosságtól az üzemanyag tankig számoljuk, a folyékony vagy nagynyomású hidrogénhez vagy a metanolhoz képest.

A hidrogén alapú üzemanyagcellák örvendtek az elmúlt két évtizedben a legnagyobb érdeklődésnek a kutatás és fejlesztés területén, nagyrészt a proton áteresztő membránok által elért hatékonyságnak és teljesítménynek köszönhetően. De hidrogén szállítása, elosztása, tankolása és tárolása még mindig nagyon költséges, akár nagynyomású akár folyékony hidrogénről van szó. Szobahőmérsékleten (vagy ahhoz közel) folyékony üzemanyagokon alapuló üzemanyagcellák rengeteg előnnyel szolgálhatnának, ha megfelelő nagy energiasűrűségű cella állna rendelkezésre.

Az szénmentes energiaforrásokat, mint pl. nap-, szél- vagy vízenergia kinyerésével előállított elektromosságot figyelembe véve, a cikk szerzői szerint az folyékony ammóniát gyártó technológiák esetében a legalacsonyabbak a fajlagos költségek az energiaforrástól az üzemanyagtartályig számítva azt. Az új kutatásnak köszönhetően az ilyen közvetlen ammóniát felhasználó új üzemanyag cella (direct ammonia fuel cell, DAFC) 135 mW/m² teljesítményre képes egy ammónia toleráns, nemesfém-mentes katódnak és egy magas hőmérsékleten is stabil hidroxil-ion cserélő membránnak köszönhetően, optimális körülmények között.

A cikkben a hidrogén, nitrogén és szén alapú szintetikus üzemanyagok előállítási költségeit vizsgálták meg közelebbről. Szintetikus előállításon azt értik a szerzők, hogy amikor a megújuló energiaforrásokon alapuló elektromosság mellett csak levegő és víz áll rendelkezésre az üzemanyagok gyártásához. Vagyis pl. a hidrogén esetében ez víz közvetlen elektrolízisét jelenti, ammónia esetében az elektrolízisen alapuló hidrogén mellett a levegőből kivont nitrogén egyesítését (vagy közvetlen elektrokémiás redukciót), a szén alapú üzemanyagok, mint pl. a metanol esetében ezek a levegőből kivont szén-dioxid redukciójából származnak, ismét a víz elektrolíziséből származó hidrogén vagy közvetlen elektrokémiás redukció által.

A szénhidrogén alapú bioüzemanyagok rendszerint kompatibilisek a fosszilis üzemanyagot használó motorokkal, és ezek jól kiegészítik a teljesen elektromos akkumulátoros rendszereket. A bioüzemanyagok előállítása azonban általában korlátozott, főleg a termőterület és a vízfelhasználás miatt. 2015-ben az Amerikai Egyesült Államokban a termőterületek 6,7%-t használták bioetanol gyártásra, amivel az üzemanyag szükséglet 4,4%-t sikerült kiváltani. A második generációs bioüzemanyagok, amelyek mezőgazdasági hulladékot vagy úgynevezett energy crops terményeket használnak alapanyagként, és a fejlődő gyártástechnológia hatására ez az arány előnyösen változhat, de valószínűleg nem fogja a problémát végérvényesen megoldani, főleg környezeti szempontokból.

A szénmentes szintetikus üzemanyagok mind az elektromos hajtáshoz szükséges akkumulátorok hatótávolságával és töltésével, mind a bioüzemanyagok gyárthatóságával kapcsolatos problémákat kiküszöbölhetik. A nap- és szélenergián alapuló áramtermelés tovább növelhető szinte mindenhol, a jelenlegi és jövőbeli fogyasztáshoz képest is. Az ilyen elektromosságon alapuló szintetikus üzemanyagok gyártása tehát inkább technológiai és gazdasági kérdés, amely nincs alapvető fizikai, kémiai vagy földrajzi határok közé szorítva a jelenlegi tudásunk alapján.

A cikk szerint az ammónia gyártása, szállítása, elosztása, tankolása kerül fajlagosan a legkevesebbe az összes többi alternatívához képest. A költségeket rendszerint dollár/GGE alapon számítják az USA területén (GGE: gasoline gallon equivalent). Az ammónia költsége tankoláskor 4.50 dollár/GGE, ami 31%-kal alacsonyabb, mint a hidrogén ára (6.55 dollár/GGE) és 18%-kal kevesebb, mint a metanol ára (5.46 dollár/GGE).

Az ammónia toxicitásából fakadó kockázatok hathatós kezelése, főleg a felhasználók szemszögéből nézve, még komoly megoldandó feladat. Ipari szinten pl. a vízmentes ammónia szállítása, tárolása és felhasználása már régóta megoldott és napi rendszerességgel végrehajtott feladat.

A kilométer alapú költsége az ammónia alapú közlekedésnek azonban még mindig drágább az alternatívákhoz képest. Összehasonlításképpen, egy hidrogén alapú hajtáslánc 90 km/GGE hatékonysággal (a GREET model alapján) kb. 0,072 dollár/km költséggel rendelkezik. Egy metanol alapú belsőégési motor üzemanyagköltsége, 60 km/GGE hatékonysággal számítva (ami kb. egy benzines hibridével egyenlő) 0,091 dollár/km körül mozog.

A GREET model szerint a hidrogén alapú üzemanyagcella kb. 60%-os hatékonysággal működik, vagyis egy ammónia alapú rendszernek ehhez képest (mivel az ammónia fajlagos költsége alacsonyabb a hidrogénnél az üzemanyag tankig), "csak" 42%-os hatékonyságot kell elérnie az üzemanyag cellában. Ezt azonban még nem tudja. Ha már elérné a benzines hibrid hatékonyságát, az ammónia hajtás költsége kb. 0,075 dollár/km lenne, ami csak kicsivel több, mint a jelenlegi hidrogénes hajtásé.