Erőgép-technológia a fenntarthatóság és a fizika határán
A mezőgazdasági gépészet történelmi fordulóponthoz érkezett. A klímaváltozás elleni küzdelem és az egyre szigorodó emissziós normák soha nem látott nyomás alá helyezik a gyártókat és a gazdálkodókat egyaránt. Bár a közutakon már mindennaposak az elektromos autók, a szántóföldek nehéz erőgépei esetében a technológiai átállás korántsem ilyen egyértelmű. Dr. Kiss Péter egyetemi tanárral, a Magyar Agrár- és Élettudományi Egyetem (MATE) Járműtechnika Tanszékének vezetőjével beszélgettünk, aki negyven éve kutatja a belső égésű motorok és a járműenergetika rejtelmeit.
Az igavonó állatoktól a dízelhegemóniáig
– A mezőgazdaság gépesítéséről a 19. század elejétől beszélhetünk, de az energiaforrások terén az igazi forradalmat az elmúlt 120 év hozta el. Hogyan jutottunk el az igavonó állatoktól a mai, csúcstechnológiás dízelmotorokig, és miért érezzük most úgy, hogy ez a korszak a végéhez közeledik?
– Érdemes egy rövid történelmi áttekintéssel kezdeni, hogy megértsük a jelenlegi helyzetünk súlyát. Nagyon sokáig, egészen pontosan több ezer éven keresztül a mezőgazdaság energiaforrása kizárólag az emberi és állati izomerő volt. Bár a kereket már 5500 éve ismerjük és használjuk, annak mozgatása évezredekig biológiai alapokon nyugodott – és egyes speciális esetekben a világ bizonyos tájain ez a mai napig így van. Az első igazi paradigmaváltást az 1800-as évek hozták el a gőzgépek megjelenésével. Ekkor a fa és a szén lett az elsődleges energiaforrás. A 20. század elején, az autótechnika fejlődésével párhuzamosan jelentek meg az első belső égésű motoros traktorok. Ezek kezdetben még jellemzően benzinmotorosak voltak, de az iparág hamar áttért a dízelmotorok alkalmazására.
A gázolaj hegemóniája nem véletlen. Nagy az energiasűrűsége, kiválóan kiépített a logisztikája, nincsenek tankolási és beszerzési problémák, emellett a dízelmotorok szervizháttere az egész világon, így hazánkban is rendelkezésre áll. Azonban ma már komoly dilemmákkal nézünk szembe. Amikor én a nyolcvanas években egyetemre jártam, azt tanították nekünk, hogy az ezredfordulóra elfogy a kőolaj. Ma már látjuk, hogy nem ez a fő probléma; a vita inkább azon zajlik, hogy amerikai, norvég, orosz, venezuelai vagy szaúd-arábiai olajat használjunk-e, hiszen újabb és újabb lelőhelyeket tárunk fel. De ahogy a mondás is tartja: a kőkorszaknak sem akkor lett vége, amikor elfogytak a kövek a Földön. A technológiai váltást nem a gázolaj hiánya, hanem a környezetvédelmi kényszer és a károsanyag-kibocsátás drasztikus csökkentésének igénye fogja kikényszeríteni.
– Ha már a károsanyag-kibocsátást említi: a laikusok számára talán meglepő lehet, hogy egy modern traktor kipufogórendszere lassan drágább és bonyolultabb, mint maga a motorblokk. Pontosan mit is jelent a ma érvényes Stage V, illetve Tier 4 emissziós norma a gépészet nyelvére lefordítva?
– Ha megnézzük egy ma korszerűnek számító, a legújabb normákat teljesítő dízelmotor emissziótechnikáját, mérnöki szemmel is elképedünk. Egy rendkívül bonyolult, utókezelő rendszerekből álló sorozatot kell a motor mögé építeni.
Hogy konkrét példát is mondjak: a kipufogógáz először egy oxidációs katalizátorba (DOC) kerül, amelynek feladata a szén-monoxid és az el nem égett szénhidrogének csökkentése. Ezt követi egy részecskeszűrő (DPF), amely a kormot hivatott fizikailag kiszűrni a rendszerből. Harmadik lépésben a nitrogén-oxidok (NOx) semlegesítése történik meg az úgynevezett SCR (Selective Catalytic Reduction) rendszerben, ahová karbamidot (AdBlue) adagolunk be. És ha ez még nem lenne elég, be kell építeni egy negyedik, úgynevezett kompenzációs katalizátort is (ASC), amelynek feladata, hogy a harmadik fázisban túladagolt ammónia semlegesítése. Tehát a negyedik elem azért van ott, hogy az előző kipufogórendszer-komponens mellékhatásait kezelje!
Ez egy rendkívül szofisztikált és drága technológia. Ráadásul az előírások – Európában a Stage, az Egyesült Államokban a Tier normarendszer – egyre szigorodnak. A jogalkotói cél egészen biztosan a zéró emisszió elérése, amire a belső égésű motor a jelenlegi tudásunk szerint fizikailag képtelen. Ha holnap bevezetnék a zéró emissziós kötelezettséget a mezőgazdaságban, a teljes élelmiszer-termelésünk azonnal leállna. Ezért is van az, hogy a közúti gépjárművekre és a mezőgazdasági erőgépekre jelenleg még külön, eltérő ütemű szabályozás vonatkozik.
Miért nem olyan egyszerű a villanytraktor?
– Sokan – különösen az agráriumon kívülről – értetlenül állnak azelőtt, hogy ha a személyautóknál ilyen rohamos az elektrifikáció, a traktoroknál miért késlekedik. Energetikailag mi a fundamentális különbség egy utcai autó és egy szántóföldön dolgozó erőgép között?
– Ez egy rendkívül fontos kérdés, ugyanis energetikailag lényegesen egyszerűbb egy személyautó felépítése és üzemeltetése. Ha felírnánk egy szántóföldön dolgozó traktor teljesítményegyenletét, az rengeteg olyan komponenst tartalmazna, ami egy személyautónál fel sem merül, vagy elhanyagolható.
A személyautóknál a sebesség és a gyorsulási képesség a fő szempont. Ott egy folyamatosan változó, dinamikus terhelést látunk. Amikor az autóval fékezünk vagy lassítunk, a rekuperációs fékezés révén a mozgási energia egy jelentős része visszanyerhető és az akkumulátorba táplálható. A traktortechnikában ez a kedvező hatás gyakorlatilag nem létezik. A szántóföldön ugyanis jellemzően nem „rodeózunk”, nem gyorsítunk és lassítunk folyamatosan. Egy nehéz talajmunkát végző traktor órákon keresztül, folyamatosan, közel maximális terhelésen dolgozik. Az az óriási energiaigény, amit egy ilyen folyamatos, magas terhelésű munka megkíván, a jelenlegi akkumulátortechnológiával egyszerűen nem fedezhető rentábilisan. Ezt a fizikai tényt sokan hajlamosak figyelmen kívül hagyni.
– Ennek ellenére ön egy agrárkonferencián tartott előadásában bemutatott tisztán elektromos traktorokat is. Melyek azok a szegmensek, ahol már ma is van létjogosultsága az akkumulátoros hajtásnak a mezőgépészetben?
– Valóban, a villamos hajtás megjelent, és fontos szerepe lesz, de tudni kell a helyén kezelni. Jelenleg a 100 LE alatti kategóriában, a kommunális, kertészeti és zárt épületes (például állattartó telepi) feladatoknál látunk komoly áttörést. Gondoljunk bele egy parkfenntartó cég mindennapjaiba: a munkások kimennek a géppel a területre, majd egész nap ott dolgoznak a gép körül. Egy hagyományos dízeltraktor ilyenkor órákig alapjáraton jár, amíg ők kapálnak vagy füvet nyírnak, majd a nap végén visszamennek vele a telephelyre.
Ez az üzemállapot a dízelmotornak a legrosszabb, amit el lehet képzelni: gazdaságtalan, kormol, szennyezi a közvetlen munkakörnyezetet és zajos. Egy villanytraktor esetében, ha a gép megáll, a motor sem fogyaszt energiát. Nincs alapjárati ketyegés, nincs helyi emisszió. Ezeknél a gépeknél a napi teljesítmény-kihasználás viszonylag alacsony, így az akkumulátorok kapacitása elegendő egy műszakra. Ma már több nagy gyártó is kínál ilyen gépeket.
A zöldáram-paradoxon
– Ugyanakkor felhívta a figyelmet a „zöldáram-paradoxonára”, a zöld energia mítoszára. Hogyan értékelhető egy elektromos traktor ökológiai lábnyoma, ha a globális áramtermelés jelentős része még mindig fosszilis forrásokból származik?
– Azt mondjuk, a villanytraktor nem szennyez. Ez egy nagyon nagy tévedés! A lokális emissziója – a fék- és gumikopást leszámítva – valóban nulla, de a globális emissziója korántsem az. Jelenleg a Föld teljes villamosenergiatermelésének mintegy 60 százaléka fosszilis forrásból (szén, gáz, olaj) származik. Bár a megújulók aránya globálisan 30 százalék körül van, és a nukleáris energia további 10 százalékot tesz ki, a hálózatból vételezett áram jelentős része ma még komoly szén-dioxid-kibocsátással jár ott, ahol az erőmű működik.
A hibridek lehetnek az átmenet nyertesei
– A hibrid rendszerek áthidaló megoldást jelenthetnek. Hol tud a leghatékonyabban együttműködni a belső égésű és a villanymotor?
– A belső égésű motornak van egy szűk, optimális működési tartománya. A villamos hajtás ott tud leginkább segíteni, ahol a dízelmotor hatásfoka leromlik: például nagy terhelésű, alacsony fordulatszámú tartományokban vagy hirtelen gázadáskor, amikor a motornak gyorsan fel kell pörögnie. Egy intelligens menedzsmentrendszerrel a hibrid hajtás képes átsegíteni a motort ezeken a kedvezőtlen üzemállapotokon, ami üzemanyag-megtakarítást és alacsonyabb emissziót eredményez. Bár a közúti közlekedés dinamikusabb változói miatt ott látványosabb a hibrid előnye, a mezőgépeknél is van létjogosultsága ennek a szimbiózisnak.
– Térjünk át az üzemanyagokra. A kilencvenes években sokan a növényi olajokban (biodízel) látták a jövőt, ma pedig mindenki a szintetikus üzemanyagokról (E-fuel) beszél. Mi a valóság ezekkel a technológiákkal kapcsolatban?
– A biodízellel, pontosabban a növényiolaj-észterekkel kapcsolatban valóban volt egy hatalmas fellángolás. Konferenciáról konferenciára jártunk a kilencvenes években a repcemetil-észter témájában, és az volt az álom, hogy a mezőgazdaság majd saját magát látja el üzemanyaggal. Aztán jött a kijózanodás: rájöttünk, hogy ha tömegesen állunk át erre, az energiatermelés olyan mértékű termőterületet vonna el, ami már az élelmezésbiztonságot veszélyeztetné, ráadásul globális szinten esőerdők kivágásához vezetne az olajpálma-ültetvények miatt. Nem véletlen, hogy ma megálltunk a B7-es szabványnál, ami mindössze 7 százalékos biokomponens-bekeverést jelent a kutakon kapható gázolajban (a benzinnél ez az etanol esetében E5 vagy E10). Emellett a biodízel elégetésekor is keletkeznek nitrogén-oxidok, hiszen az égéshez ugyanazt a légköri levegőt használjuk, és a folyamat is csak részben karbonsemleges, ha figyelembe vesszük a növénytermesztéshez (traktorok, kombájnok) elhasznált fosszilis energiát.
A szintetikus üzemanyagok, az e-benzinek és e-gázolajok (e-fuels) egy teljesen más technológiai szintet képviselnek, és koncepcionálisan fantasztikusak. A legnagyobb akadály jelenleg az ár és az energiamérleg. A folyamat minden egyes lépése – a CO2 kivonása, a vízbontás, majd maga a kémiai szintézis – irdatlan mennyiségű villamos energiát emészt fel. Hogy ennek legyen ökológiai értelme, ezt a hatalmas áramigényt kizárólag zöld energiából (nap, szél) szabadna fedezni, ami jelenleg rendkívül drágává és szűk keresztmetszetté teszi a technológiát. De mérnöki szempontból ez egy abszolút életképes alternatíva a meglévő belső égésű motorflotta megmentésére.
Hidrogéntraktor: technológiai ígéret, gyakorlati korlátokkal
– Végezetül beszéljünk a hidrogénről, amelyet sokan a végső, tiszta megoldásnak tartanak. Mennyire reális ma egy hidrogénhajtású traktor beszerzése, és mik a technológia korlátai?
– A hidrogént alapvetően kétféleképpen használhatjuk a járművekben. Az egyik a „H2 dízel” koncepció, ahol egy erre felkészített belső égésű motorban a beszívott levegő egy részét hidrogéngázzal helyettesítjük. Ezzel egy plusz, tiszta energiahordozót viszünk be a hengerbe, ami jelentősen csökkenti a gázolajfogyasztást és a károsanyag-kibocsátást, de a motor alapvetően továbbra is dízel elven működik.
A másik, tisztább út a tüzelőanyagcellás (fuel cell) meghajtás. Itt a 600 bar nyomáson tárolt hidrogén egy speciális cellában reakcióba lép a levegő oxigénjével, a folyamat során pedig elektromos áram és tiszta víz keletkezik. Ez az áram hajtja meg a traktor villanymotorjait. Ilyen járművek már léteznek, a személyautó-piacon például a Toyota Mirai vagy a Hyundai is kínál tisztán hidrogénhajtású modellt, és traktorokból is mutattak már be prototípusokat.
A realitás azonban jelenleg rendkívül kijózanító, különösen a magyar gazdálkodók számára. Még ha lenne is rá tőkéje egy gazdaságnak, nem javaslom, hogy bárki ilyen gépet vegyen ma Magyarországon. Ennek egyetlen, de annál nyomósabb oka van: a töltőinfrastruktúra teljes hiánya. Tudtommal jelenleg Budapesten, az Illatos úton, a Linde telephelyén található az ország egyetlen publikus hidrogéntöltő állomása. Egy Zala vagy Békés vármegyei gazdaság számára ez az opció ma értelmezhetetlen. Továbbá itt is érvényes az alapkérdés: honnan származik a hidrogén? Ha fosszilis energiával, földgázból állítják elő (szürke hidrogén), azzal nem sokat segítettünk a bolygón. A hidrogénkorszak valódi eljövetele a zöld energiából előállított hidrogénen és egy országos, mezőgazdasági igényeket is kiszolgáló töltőhálózat kiépítésén múlik – ez pedig még egészen biztosan hosszú éveket, sőt évtizedeket vesz igénybe. Addig is a mezőgépészet egy sokszínű, átmeneti korszakban kell helytállnia, ahol az okos hibridizáció, a célzott villamosítás és a hagyományos dízeltechnológia folyamatos tökéletesítése egyszerre lesz jelen a szántóföldeken.
SZERZŐ: MARKOS MÁRIA
MezőHír Tudástár: dízelmotor – belső égésű erőforrás, amely nagy energiasűrűségű gázolajjal, magas nyomatékkal és kiépült üzemanyag-ellátási, valamint szervizháttérrel működteti a mezőgazdasági erőgépeket; kiváltását az emissziós előírások, az akkumulátoros hajtás korlátai, a hibrid rendszerek, a hidrogén és az e-üzemanyagok fejlődése határozza meg.
