Tényleg annyira környezetszennyező a dízelvontatás, mint azt gondoljuk?

Napjaink nagy kihívása a fenntarthatóság kialakítása a gazdaság legkülönbözőbb területein, köztük a közlekedésben. Korunk médiájában nem kap elég hangsúlyt, hogy bár a közlekedés igen nagy szeletéért felelős az antropogén üvegházhatású gázok kibocsátásának, ám a villamosenergia-termeléssel, az élelmezéssel vagy az épületek fűtési megoldásaival összehasonlítva a közlekedés egy rendkívül energiahatékony ágazat. Ebből következik, hogy lényegesen kisebb a javulás lehetősége a szén-dioxid- és a károsanyag-kibocsátás területén egyaránt. Mégis vannak szegmensek, ahol a szén-dioxid-megtakarítás a globális klímavédelmi harc tükrében is jelentékeny lehet, ezekre és a belátható időn belül elérhető megoldásokra fókuszál ez az írás.

A klímaváltozás problémájára az üvegházhatás féken tartása a megoldás, amihez az antropogén kibocsátást kell egyensúlyban tartani ezen gázok elnyelődésével. Az Európai Unió rendkívül ambíciózus céljait nehéz lesz megvalósítani, és egyáltalán nem biztos, hogy a belsőégésű motorok teljes kiszorításával jár, sőt. Tévhit ugyanis, hogy az elektromos hajtás erőszakos terjesztésével zéró emisszió érhető el, mert nem minden felhasználásra ideális. Az energiatárolás jelenleg (és a közeljövőben is) olyannyira gyerekcipőben jár, hogy számos területen (például nagy akkumulátoros, hosszú távra tervezett elektromos autók) a zéró helyi emisszió csak úgy érhető el, hogy annak következtében összességében több szén-dioxid kerül a légkörbe, mint a belsőégésű motoros hajtás esetén.

Az utóbbi négy-öt évben a klímakatasztrófa rémképe cselekvésre sarkallja mind a társadalmat, úgy a jogalkotókat is, viszont sokszor érzelmi alapú, természettudományos és gazdasági szempontokkal teljesen szembemenő döntések születnek. Sokan a belsőégésű motorok kiszorításában, napelemek és szélerőművek által termelt áramban látják a jövőt, viszont a helyzet nem ilyen egyszerű.

A vasútvonalak villamosítását eleinte költségvetési okok, majd a közvetlen villamos hajtással járó menetdinamikai előnyök indokolták. Igazságtalan az összehasonlítás, amikor a vasúti közlekedés szén-dioxid-kibocsátásához nem számolják hozzá a villamosenergia termeléssel járó környezetterhelést, nem mintha a vasút energiahatékonysági mutatói bármiféle kozmetikázásra szorulnának. Az európai közlekedési hálózatokat alapul véve a dízelvontatású tehervonatok hatszor energiahatékonyabbak a közúti szállításnál és huszonhétszer a teherszállító repülőgépeknél. A vasútvillamosítás javíthatja az energiafelhasználást, például korszerű vezérléstechnikával vagy a regeneratív fékezéssel, de ez az előny könnyen elolvadhat, ha az áramtermelés módszerei változatlanok maradnak.

A villamos mozdonyok fő előnye a lokális emissziómentességen túl mégis az, hogy a vontatójárműveket a legtöbb országban olcsóbb elektromos árammal üzemeltetni, mint kőolajszármazékokkal. Kezdetben a gőzmozdonyokhoz használt szénnel összehasonlítva még nagyobb volt a különbség, igaz a gőzmozdonyok hatásfoka elmarad a villamos mozdonyokétól. Manapság, az elővárosi személyszállításban a lokális károsanyag-emisszió és a zajterhelés csökkentésében, valamint a jó menetdinamikában rejlik a villamos vasút előnye. A teherszállításban a nagyobb szállított tömeg miatt a vontatási energia alacsonyabb ára és a villamos mozdonyok nagyobb terhelhetősége miatt jobb a villamos vonatás.

Fontos megjegyezni, hogy a fenti szempontok csak kellően nagy és rendszeres forgalom mellett érvényesülnek, aminek elmaradása nyomós érv a villamosítás ellen. Magyarországon is van példa rengeteg olyan, jellemzően alföldi mellék- vagy fővonalra, ahol a személyszállítási volumen elenyésző, a teherszállítás pedig időszakos. Jellemzően azokat a 30–100 kilométer hosszú vasútvonalakat, ahol betakarítással összehangoltan mezőgazdasági terményeket (például gabonát), vagy csak néhány helyi üzem termékeit, alapanyagait szállítják, életciklusra vetítve nem éri meg villamosítani, mert a felsővezetékhálózat kiépítése és karbantartása, akár a villamos mozdonyok magasabb beszerzési ára felemészti a vontatási energia különbözetéből származó nyereséget.

Energetikai és klímavédelmi szempontból országonként változó a villamosvontatás hatása, de globális szinten nem jobb a dízelvontatásnál, mert 480–510 gramm szén-dioxid légkörbe juttatásával jár 1 kWh elektromos áram megtermelése. Egyes országok korábbi, megfontolt lépéseik, vagy a természeti adottságaik miatt képesek rendkívül karbonszegény elektromos áram előállítására. A tudomány mai állása és az alkalmazható műszaki megoldások szerint nukleáris, víz- és geotermikus erőművek kombinációja képes folyamatos, tehát a felhasználási igényekhez alkalmazkodó karbonsemleges elektromos áramot előállítani. A szélturbinák és a naperőművek hálózatba integrálása rendkívül nehéz, bizonyos égöveken pedig lehetetlen.

A szél és a napfény energiájának hasznosítása fejlett energiatárolási rendszert igényel, mert ezen természeti erőforrások, a folyók vízhozamával vagy a földhővel ellentétben gyorsan és kiszámíthatatlanul ingadoznak. Ebből következik, hogy a közelmúlt tendenciáival ellentétben alaperőműként semmiképp nem használhatóak, amíg az energiatárolás nincs megoldva. Azokban az országokban, ahol nagy arányban épültek szél- és naperőművek – Németország, Dánia, Írország – ezen erőművekkel megegyező teljesítményű úgynevezett hálózatstabilizáló telepekre is szükség van, amik gyorsan szabályozható és technológiájuk miatt rossz hatásfokú fosszilis erőművek. Ez azt eredményezi, hogy az ország áramfogyasztásának körülbelül a dupláját kell felépíteni erőművi kapacitás formájában, ami az áram árának növekedését eredményezi. Emellett a megnövekedett megépítési, karbantartási és üzemeltetési tényezők miatt életciklusra vetítve lerontja a villamosenergia-termelés környezeti mutatóit.

Visszatérve az alapkérdéshez, a dízelmozdony használata annak a következménye, hogy az ingadozó vontatási igények miatt a természet energiáját nem áram, hanem gázolaj formájában érdemes a vasútvonalhoz juttatni.

Gyakran merül fel az energiatárolás lehetőségeként és az elektromobilitás alternatívájaként a tüzelőanyag-cellák alkalmazása. A technológia lényege, hogy a járműben felhasználni kívánt energiát nem akkumulátorokban, folyékony tüzelőanyagban, hanem sűrített hidrogénben tároljuk. Az akkumulátorokhoz képest lényegesen nagyobb energiasűrűség miatt a hatótáv versenyképes a belsőégésű motoros járművekével, viszont mentes a lokális károsanyag- és szén-dioxid-emissziótól. Azonban a teljes hatásfok-láncolatot megvizsgálva lényegesen rosszabb a helyzet, ugyanis a legtöbb becslésben nem hangzik el, hogy a természeti erőforrásból származó energiát a sűrített hidrogén rosszabb hatásfokkal tárolja, mint az akkumulátor vagy a gázolaj.

Elektromos árammal vizet alkotóelemeire bontanak, majd az ebből származó hidrogén segítségével az üzemanyagcella vízgőz melléktermékkel ismét elektromos áramot állít elő a járműben. Ezzel, a másodszor megtermelt árammal működnek a jármű vontatómotorjai, így a mozgási energia előállítása nem jár közvetlenül üvegházhatású gázok emissziójával (vitatott, hogy az üzemanyagcella által emittált szintén üvegházhatású vízgőztöbblet emissziónak számít-e). A fő probléma, hogy a sűrített hidrogén előállítása a lakossági és általános ipari elektromos hálózatról történik, ezért a felhasznált áram szén-dioxid-tartalma jelentős. Amennyiben a hidrogénhajtás energetikáját az erőműtől, a vízbontáson át, a vontatómotorokig vizsgáljuk, a teljes géplánc hatásfoka 7–9 százalék közé tehető, ami egy takarékosabb gőzmozdonyénak felel meg.

Kijelenthető tehát, hogy a lakossági és az ipari áramhálózatot használó sűrítetthidrogén-előállító telepek nem jelentenek alternatívát, mert a fosszilis komponens nem eltűnik, hanem átkerül a motor égésteréből a villamosenergia-termelés egyes területeire, ráadásul a teljes hatásfok rosszabb lesz mint a gázolajat égető járművek esetén. A jelenleg ismert egyetlen lehetőség a szigetszerűen működő, és ezáltal kizárólag megújuló energiát használni képes telepek. Erre a BP és a Siemens cégek is tesznek kísérletet az Északi-tengerre telepítendő szélturbinákkal és tengervízbontó egységekkel.

Érdemes megvizsgálni a „Last Mile” technológiát, aminek lényege, hogy a nagyrészt villamosított törzshálózaton közlekedő mozdonyok rövid távolságokat képesek megtenni kisebb vonatokkal a villamosítatlan pályákon. A felsővezetékről táplált Bombardier Traxx3 F140AC típusú mozdony hathengeres Deutz dízelmotorral is képes közlekedni. Ez ideális lehet például iparvágányok kiszolgálásánál, vagy mellékvonalak rakodóhelyeinek megközelítésénél. A jelenleg (és a közeli jövőben elérhető) technológiákkal nem egyértelmű, hogy érdemes-e egy korszerű dízelmotort akkumulátorral kiváltani. Ennek két oka van:

1. A folyékony tüzelőanyagoknak tömegre vetítve hetvenszeres az energiasűrűsége a mai technológiával előállítható akkumulátorokhoz képest, emiatt a megfelelő hatótávhoz szükséges akkumulátor tömege akár három–öt tonna is lehet. Így a vontatójármű a megnövekedett tengelyterhelés miatt épp azokon a kisforgalmú mellékvonalakon nem közlekedhet, amelyre a last-mile technológiát szánják.
2. Az akkumulátorokhoz szükséges ritka földfémek bányászata, feldolgozása rendkívül energiaigényes és környezetszennyező. Ez részben a gyáraknak termelt villamos energia, részben az ércek (például lítiumkarbonát) feldolgozása során szabadul fel. Az utóbbi időben született tudományos elemzések szerint körülbelül 100–150 kilogramm szén-dioxid tapad 1 kWh akkumulátor kapacitáshoz.

Ha egy villamosított vonaltól harminc kilométerre elhelyezkedő rakodóhelyen nincsen töltési lehetőség, akkor egy kisebb vonat mozgatásához is 500 kWh akkumulátor kapacitásra van szükség. Magyarországon egy korszerű akkumulátorral és átlagosan hetente három oda-vissza menettel számolva harmincnyolc százalékkal kevesebb szén-dioxidot jelent, ha a dízelmotor kiváltása ezen módszerrel történik, viszont ez nagymértékben függ az energiamixtől, és attól, hogy mennyi széndioxiddal számolunk az akkumulátor gyártásakor. A német áramhálózatot és azonos akkumulátor paramétereket figyelembe véve hat százalékos a csökkenés, viszont a lengyel árammal harmincöt százalékkal nagyobb a kibocsátás, dízelmotoros hajtással összehasonlítva. Mérlegelendő, vajon érdemes-e átalakítani a vontatási rendszert évi tizenegy százalékkal kevesebb széndioxidért annak tudatában, hogy Európában az összes dízelmozdony a teljes szén-dioxid-kibocsátásnak mindössze 0,18 százalékát adja, és ennek csupán töredékét lehet kiváltani akkumulátoros technológiával a bevezetőben vázolt szempontok miatt.

A szintetikus tüzelőanyagnak számít a szénhidrogéneket tartalmazó olyan folyadék vagy gáz, ami nem az elpusztult szénalapú életformákból származó kémiai energiát tárolja, hanem a forrása a levegő szén-dioxidja. A szintetikus tüzelőanyagok kapcsán derül fény arra, hogy az üvegházhatást nem a belsőégésű motorok és hőerőművek, hanem a fosszilis energiahordozók égetése fokozza. A folyamat első szakaszában megegyezik az üzemanyagcella hajtóanyaga, a hidrogén előállításával. A víz elektrolíziséből nyert hidrogénből és szén-dioxidból kémiai eljárások során a gázolajjal vagy benzinnel megegyező tulajdonságú és nagy tisztaságú anyagokat, vagy gáznemű hajtóanyagokat például metán gyártanak. Óriási előnyük abban rejlik, hogy a mai gázolajjal, benzinnel, vagy földgázzal működő motorokban – akár erőművekben is – használhatók és amennyiben az előállításuk megújuló energiával történik, akkor a belsőégésű motorok is zéró emisszióval képesek működni.

Az egyik legtisztább tüzelőanyagok a földgáz alkotói – metán, etán, propán, bután – mivel a jó kompressziótűrés miatt magas az oktánszámuk, és szennyezőktől mentesek, amik az égéslefutást javítják. A metán oktánszáma 120 körüli értékre tehető, ami miatt alkalmazható a mai motortechnológia nagy kompresszióviszonnyal működő, tehát nagy hatásfokú Otto-motorokban, bár ez főképp az autóiparnak lényeges. Dzíelciklust használó gépek tüzelőanyaga esetén ez a mutató a cetánszám, viszont kisebb a jelentősége, mert ezek a motorok eleve kompressziógyújtással működnek, 60–70 körüli cetánszámmal bármilyen mai dízelmotor képes működni.

A szintetikus tüzelőanyagok másik típusa, a belsőégésű motorban égetett hidrogén. Használat és energiaellátás szempontjából hasonló az üzemanyagcellás járművekhez, viszont az áramfejlesztő-villanymotor egységét egy hagyományos belsőégésű motor és nyomatékváltó helyettesíti. Fontos hangsúlyozni, hogy a hidrogénhajtás és a szintetikus szénhidrogénes hajtás kizárólag akkor lehet eszköze a klímaváltozás elleni küzdelemnek, ha a villamosenergia-termelés kellően karbonszegény. Sajnos bizonyos energiatermelési módszerek (fotovoltaikus, tükrös naperőmű, szélfarmok) nem illeszthetők be a hagyományos áramhálózatba, mert az időjárási állapotok folyamatos változása miatt nem olyankor termelik az áramot amikor az ipari vagy a lakossági használat igényelné.

A vasúti dízelvontatás megfizethető és olcsó alternatíváinak az energiatárolás kiforratlansága szab gátat. A megoldás az lenne, ha a természet által időszakosan és kiszámíthatatlanul szolgáltatott, de összességében óriási energiát a fosszilis tüzelőanyagok egyszerűségével és sűrűségével lehetne tárolni. Erre a szintetikus tüzelőanyag és a sűrített hidrogén tűnik kézenfekvő megoldásnak, hátrányuk elsősorban az ár. A világon üzemelő összes dízelmozdony szén-dioxid-egyenértéken számolva az üvegházhatású gázok kibocsátásának 0,26 százalékáért felelős, ezért nagyon megfontolandó, hogy a párizsi klímacélok teljesítése kapcsán mekkora szerep és felelősség hárul a vasútra. A közlekedési és szállítási eszközök adják a világ szén-dioxid-kibocsátásának negyedét, viszont ennek oka nem a járművek elavultsága, hanem a modern fogyasztói társadalom óriási mobilitási igénye. Teljesen más hajtásláncokat találunk a hajókban, repülőgépekben, személyautókban, haszongépjárművekben és a vasúti járművekben, ami nagyon megnehezíti ezeknek az optimalizálását.

Az üvegházhatás féken tartása a fosszilis energiaforrások visszaszorításával, a környezetszennyező és energiapazarló ágazatok fejlesztésével lehetséges. A közlekedési szektorban nagyon nagy anyagi és nyersanyagbeli ráfordításokkal lehet(ne) kis eredményeket elérni. Egészen más a helyzet a villamosenergia-termeléssel, ami önmagában az antropogén üvegházhatásnegyven százalékáért felelős, illetve az épületenergetikával vagy az élelmiszerpazarlással ami 8-8 százalékkal járul hozzá a szén-dioxid-kibocsátáshoz, szemben a villamos és dízel üzemű vasutak körülbelül 1,5–2 százalékos részesedésével. Az Európai Unió 2030-ra előirányzott ötvenöt százalékos üvegházhatásúgáz-kibocsátás csökkentéséhez a közlekedés átszervezése szükséges, lehető legnagyobbra növelve a nagyvasút és más kötöttpályás hálózatok részarányát. Ezt segíti például a 300 kilométer feletti áruszállítás legalább harminc százalékának közútról vasútra terelése, és a budapesti elővárosi vasútvonalak városi vasutakkal összehangolt fejlesztése. A vasútipar szerepe a klímacélok teljesítésében nem a járművek további energetikai optimalizálása, hanem a kibővített, vagy közeljövőben bővítendő kötöttpályás hálózatok ellátása járművekkel.

Energetikai fenntarthatósággal és a klímacélokkal összefüggő, de külön kezelendő probléma a légszennyezés. Az utóbbi huzsonöt évben nagyon szigorú intézkedések léptek életbe a nagyvárosok levegőjének megóvása érdekében. A tévhitekkel ellentétben a szén-dioxid ugyan üvegházhatású gáz, viszont nem káros anyag. A járműiparban károsanyag-emissziónak minősül minden olyan anyag levegőbe kerülése, ami az emberekre, flórára és faunára közvetlen negatív egészségügyi hatásokat gyakorol, azaz

• hormonhatású anyagok – például nitrogénoxidok –,
• mérgező gázok – például szénmonoxid, kén-dioxid –,
• légúti megbetegedések okozói: szálló por, korom.

Az Euro kibocsátási normák legújabb szintjén annyira alacsonyak ezen anyagok határértékei, hogy azok betartatása esetén a károsanyagok koncentrációja nem éri el az egészségügyi határérték szintjét, sok esetben töredéke annak.

Számtalan – többek között magyar – nagyváros levegője fűtési szezonban nagyságrendekkel mérgezőbb a 2017-ben bevezetett Euro 6d-TEMP besorolás szerinti kipufogógáztól. Megjegyzendő, hogy a légszennyezés Magyarországon legalább annyira a vidéki, völgyekben fekvő települések problémája mint a nagyvárosoké. Erre a megfelelő fűtési rendszer valamint az Euro 5 és Euro 6 normák szigorú betartatása a teljeskörű megoldás, új még kisebb határérték meghatározása. A belsőégésű motor törvényi korlátozása nemhogy szükségtelen, hanem kontraproduktív is, hiszen rentábilis fejlesztésektől von el erőforrásokat – például házszigetelés, erőművek CCS technológiái.

Kovács Márton
járműmérnök hallgató
Széchenyi István Egyetem, Győr