سوخت هیدروژنی، ایده‌آل اما نیازمند توسعه بیشتر

گاز طبیعی سوختی ایده‌آل برای خودروها محسوب می‌شود اما هنوز هم بعضی از كشورها با یورش همه جانبه به اقتصاد هیدروژنی، از این منبع انرژی غافل می‌شوند. البته مشكل اینجاست كه شالوده و زیربنای تكنولوژی هیدروژنی و تولید موتورهای هیدروژنی بخوبی توسعه نیافته است و سلولهای سوختی، كه هیدروژن و اكسیژن را به نیروی الكتریسیته تبدیل می‌كنند، از بازار و تولید انبوه سالها فاصله دارند.
كانادا، آمریكا و ژاپن و برخی كشورهای دیگر در حال توسعه استراتژی‌ها و برنامه‌هایی برای سرعت بخشیدن به معرفی سلولهای سوختی هیدروژنی می‌باشند. میلیاردها دلار به تحقیق، توسعه و گسترش سلولهای سوختی و هیدروژنی اختصاص داده شده است. در این مقاله بطور خلاصه، از جنبه‌‌های مختلف به موضوع سوخت هیدروژنی می‌پردازیم:
●هیدروژن چیست؟
گاز هیدروژن (H۲) برای استفاده در موتورهای احتراقی و وسایل نقلیه الكتریكی باطری دار مورد تحقیق و بررسی قرار می‌گیرد. هیدروژن در دما و فشار طبیعی، یك گاز است و بدین علت، انتقال و ذخیره آن از سوخت های مایع‌تر دشوارتر است. سیستم‌هایی كه برای ذخیره هیدروژن توسعه یافته‌اند، عبارتند از هیدروژن فشرده، هیدروژن مایع و پیوند شیمیایی بین هیدروژن و یك ماده ذخیره (برای مثال، هیدرید فلزات).
هیدروژن سومین انرژی فراوان بر روی سطح زمین است. همانطور كه بصورت ابتدایی در آب و تركیبات آلی یافت می‌شود، هیدروژن عموماً از هیدروكربنها یا آب بدست می‌آید و هنگامی كه بعنوان سوخت مصرف می شود یا جهت تولید الكتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد ، با تركیب مجدد با اكسیژن تولید آب می كند.
با این كه تاكنون هیچ سیستم حمل و نقل و توزیع مناسبی برای هیدروژن وجود ندارد، اما توانایی تولید این سوخت از مجموعه متنوعی از منابع و خصوصیت پاك سوز بودن آن، هیدروژن را به سوخت جایگزین مناسبی تبدیل كرده است.
▪ویژگی‌های شیمیایی: ساده‌ترین و سبك‌ترین سوخت گاز، هیدروژن (H۲) است. هیدروژن در فشار اتمسفری و دمای جوی حالت گاز دارد. سوخت هیدروژن همان گاز خالص هیدروژن نیست بلكه مقدار كمی اكسیژن و دیگر مواد را نیز با خود داراست.
●هیدروژن چگونه ساخته می‌شود؟
تولید هیدروژن معمولاً با استفاده از دو روش امكان پذیر است؛ ۱- الكترولیز ۲- تولید گاز مصنوعی از بازسازی بخار یا اكسیداسیون ناقص.
در روش الكترولیز با استفاده از انرژی الكتریكی مولكول‌های آب به هیدروژن و اكسیژن تجزیه می‌شوند. انرژی الكتریكی را می‌توان از هر منبع تولید الكتریسیته كه شامل سوختهای قابل تجدید نیز می‌شوند به دست آورد. وزارت نیروی آمریكا به این نتیجه رسیده است كه استفاده از روش الكترولیز برای تولید مقادیر زیاد هیدروژن در آینده مناسب نخواهد بود.
بهترین روش برای تولید گاز مصنوعی، بازسازی بخار گاز طبیعی است. در این روش، می‌توان از هیدروكربن‌های دیگر نیز بعنوان ذخایر تامین مواد استفاده كرد. برای مثال، می‌توان زغال سنگ و دیگر مواد آلی (بیوماس) را به حالت گازی درآورد و آن را طی فرآیند بازسازی بخار برای تولید هیدروژن بكار برد.
برای هیدروژن به عنوان یك سوخت، سیستم توزیعی وجود ندارد. با این كه معمولاً انتقال از طریق خط لوله با صرفه‌ترین راه انتقال سوخت‌های گازی است اما در حال حاضر سیستم خط لوله مناسبی موجود نیست.
انتقال هیدروژن به طور خاص از طریق مخزن و تانكرهای گاز صورت می‌گیرد. باید اذعان داشت كه استفاده از هیدروژن بعنوان سوخت نیاز به یك زیر ساختار برای حمل ونقل و نگهداری با توجه به مسائل ایمنی و اقتصادی دارد .دامنه كاربرد هیدروژن بعنوان سوخت و انرژی در برگیرنده راه اندازی موتورها ، توربین ها و یا سلولهای سوختی است.
▪پیل سوختی با الکترولیت پلیمری(PEFC)
پیل‌های سوختی وسایل الكتروشیمیایی هستند كه انرژی شیمیایی را مستقیماً به الكتریسیته و گرما تبدیل می‌كنند. در پیل سوختی پلیمری، از یك غشای پلیمری نازك به عنوان الكترولیت استفاده می‌شود. غشای پلیمری دارای رسانایی یونی است. الكترولیت جامد نسبت به الكترولیت‌های مایع دارای دانسیته انرژی بالاتری است، همچنین میزان خوردگی در این نوع الكترولیت كمتر است. این نوع پیل سوختی در محدوده دمایی كه آب بصورت مایع است كار می‌كند (زیر ۱۰۰درجه سانتیگراد).
مهمترین مشكل پیل‌های سوختی قیمت بالای آنها می‌باشد. پیل‌های سوختی مزایایی دارند كه كم و بیش برای همه انواع آن صادق است. این مزایا عبارتند از:
• بازدهی بالا: پیل‌های سوختی نسبت به موتورهای احتراق دارای بازدهی بالاتری می‌باشند.
• سادگی سیستم: ساختار پیل سوختی بسیار ساده است.
• آلایندگی کم: تنها ماده حاصل از واكنش پیل، آب است.
• آلودگی صوتی كم: پیل‌های سوختی بسیار آرام كار می‌كنند كه برای سیستم‌های قابل حمل از اهمیت زیادی برخوردار است.
• طول عمر بسیار بالا.
• عدم وجود قطعات و قسمتهای متحرک در سیستم.
استفاده از پیل‌های سوختی در سیستم‌های تركیب‌كننده نیرو و گرما (در اندازه‌های كوچك و بزرگ) میسر است. همچنین از آنها می‌توان در وسایط نقلیه، كامپیوترهای قابل حمل، گوشی‌های تلفن همراه و … استفاده كرد.
در حال حاضر بزرگترین صنعت فعال در زمینه پیل سوختی پلیمری، صنعت خودروسازی می‌باشد. با توجه به كاهش میزان آلودگی در استفاده از سوخت هیدروژن به جای سوخت‌های فسیلی، استفاده از این پیل در وسایط نقلیه، بخصوص وسایط نقلیهٔ عمومی نظیر اتوبوس‌ها،‌ ترن‌ها و … ارجحیت یافته است. با استفاده از این تكنولوژی، آلاینده‌هایی نظیر اكسید نیتروژن و یا گوگرد وجود نخواهد داشت. در واقع تنها عامل آلوده‌كننده در این تكنولوژی، دی‌اكسیدكربن است كه بصورت محصول جانبی در فرآیند تولید هیدروژن از سوخت‌های هیدروكربنی حاصل می‌شود. می‌توان از پیل سوختی پلیمری برای تامین الكتریسیته و گرما در آپارتمان‌ها وخانه‌های شخصی نیز استفاده كرد. گوشی‌های تلفن همراه می‌تواند از سایر زمینه‌های کاربرد این پیل باشد.
در پیل سوختی پلیمری از هیدروژن یا گاز غنی از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌شود. اكسیژن خالص یا هوا، وابسته به نوع كاربرد پیل، به عنوان اكسید كننده مورد استفاده قرار می‌گیرد. مولكول‌های هیدروژن در آند (قطب مثبت) به پروتون و الكترون تبدیل شده و پروتون‌ها از طریق الكترولیت به كاتد (قطب منفی) منتقل می‌شوند. این در حالی است كه الكترون‌ها از طریق یك جریان خارجی به كاتد منتقل می‌شوند. در كاتد اكسیژن، پروتون و الكترون‌ها با هم تركیب شده، آب و حرارت تولید می‌شود. آند و كاتد هر دو دارای كاتالیست‌هایی (از جنس پلاتینیم) هستند كه فرآیندهای الكتروشیمیایی را تسریع می‌كنند. انرژی الكتریكی و حرارتی از طریق واكنش‌ كاتد حاصل می‌شود. انرژی گیبس واكنش بصورت انرژی الكتریكی ظاهر می‌شود و آنتالپی واكنش بصورت حرارت آزاد می‌گردد. در عمل، مقداری از انرژی گیبس نیز به حرارت تبدیل می‌شود.
یك پیل سوختی واحد، ولتاژ محدودی تولید می‌كند (كمتر از یك ولت). بنابراین برای دستیابی به ولتاژ مورد نیاز برای كاربردهای عملی، چند پیل واحد را بصورت سری به هم متصل می‌كنند تا یك مجموعه پیل سوختی بدست آید.
یكی از اجزای مهم هر پیل سوختی، الكترولیت آن می‌باشد كه در مجاورت الكترودها و دیگر اجزای پیل، مورد استفاده قرار می‌گیرد. الكترولیت مورد استفاده در PEFC، از جنس پلیمر می‌باشد كه این پلیمر همراه با رطوبتی كه در خلل و فرج پلیمر وجود دارد، وظیفه انتقال پروتون از آند به كاتد را بر عهده دارد، ولی باید از عبور مولكول‌های هیدروژن و اكسیژن ممانعت نماید. غشای الكترولیت همچنین به عنوان یك عایق بین صفحات دو قطبی عمل می‌كند. غشای الكترولیت (غشای رسانای پروتون)، پلیمری است كه زنجیر اصلی آن تفلون بوده و شامل گروه‌های اسیدسولفونیك می‌باشد. گروههای اسیدی بر روی زنجیر پلیمر ثابت هستند، ولی پروتون‌ها می‌توانند آزادانه در غشا حركت كنند. معمولترین غشاء مورد استفاده نیفیون است. این غشا‌ برای اینكه رسانای پروتون باشد، بایستی مرطوب بماند. این مسئله دمای عملیاتی پیل پلیمری را در زیر نقطه جوش آب محدود می‌كند. به این ‌ترتیب آب به عنوان یك مسئلهٔ حیاتی در سیستم پیل پلیمری مطرح می‌شود. در حال حاضر تحقیقات زیادی برای ساخت غشاهایی كه بتوانند در دمای بالای ۱۰۰ درجه سانتیگراد رسانایی داشته باشند، انجام می‌گیرد. همچنین رسانایی یونی غشا نسبت به ناخالصی‌های موجود در آن حساس است. مثلاً اگر غشا در معرض تركیبات فلزی قرار گیرد، یون‌های فلز داخل غشا نفوذ كرده و جایگزین پروتون‌ها می‌شوند. به این‌ترتیب رسانایی غشا كاهش می‌یابد.●هموارکردن مسیر برای آینده سوخت هیدروژنی
روزی خودرو‌های با سوخت هیدروژنی خواهند توانست با سرعت زیاد طول بزرگراه‌ها را طی کنند و ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن به فراوانی ایستگاه‌های امروزی گاز و ماشین‌های کنونی خواهند بود.
قبل از این‌که خودرو‌های با سوخت هیدروژنی، بتوانند به‌طور گسترده مورد استفاده قرار بگیرند، دانشمندان باید بر موانع بسیاری فائق آیند که از آن‌جمله پیدا کردن روش مناسبی برای ذخیره هیدروژن می‌باشد. این مسئله یکی از مهم‌ترین و ضروری‌ترین مسائل در ارتباط با به‌کارگیری سوخت هیدروژنی می‌باشد.آیا می‌توان مقادیر بسیار زیادی هیدروژن را بدون ایجاد دی‌اکسید‌کربن تولید نمود؟ و آیا می‌توان به‌قدر کافی هیدروژن را در یک خودرو ذخیره کرد به‌طوری‌که خودرو قادر باشد مسافت هزارها مایل را بدون سوخت‌گیری مجدد طی نماید؟
در حال حاضر پاسخ كاملاً مناسبی برای دو سؤال فوق وجود ندارد؛ اما یک تیم متشکل از دانشمندان آزمایشگاه برکلی در حال حاضر مشغول کار برروی این موضوع می‌باشند.بنابر گفته جف لانگ، دانشمند مواد آزمایشگاه برکلی، سیلندرهای هیدروژن با فشار تنظیم شدنی فضای زیادی را در خودرو‌ها اشغال می‌کنند در حالی‌که فضای کافی هم برای ذخیره سوخت ندارند، به‌طوری‌که با آنها نمی‌توان حتی مسافت ۳۰۰ مایل را بدون سوخت‌گیری مجدد پیمود. البته امید به تغییر شرایط وجود دارد اما مشکل کنونی چگونگی ذخیره مقادیر زیاد هیدروژن در یک حجم کم بدون نیاز به سرد کردن و یا تحت ‌فشار قراردادن آن می‌باشد.
در ماه می سال ۲۰۰۵ مبلغ ۶۴ میلیون دلاری از طرف وزارت انرژی آمریکا به تحقیق در مورد سوخت هیدروژنی اختصاص داده شد که موضوعات آن عبارتند از: سوخت هیدروژنی وسایل نقلیه و ایستگاه‌های سوخت‌گیری در دسترس، عملی و قابل استفاده برای مصرف کننده‌های آمریكا تا سال ۲۰۲۰. این مبلغ میان ۷۰ پروژه و بیش از ۵۰ مؤسسه تقسیم شد که در این میان مبلغ ۵/۴ میلیون دلار به تیم آزمایشگاه برکلی به سرپرستی لانگ رسید.
پروژه دیگر آزمایشگاه برکلی که به‌وسیله Dejonghe Lutgard، ازبخش دانشمندان مواد، سرپرستی می‌شود نیز موفق به دریافت مبلغی برای کار و اکتشاف در مورد رساناهای پروتونی نانوکامپوزیت شد که این رساناها در پیل‌های سوخت هیدروژنی کاربرد دارند.هنگامی‌که این گروه آغاز به‌کار نمود طیف وسیعی از آزمایش‌ها را پیش رو داشت که عبارت بودند از:
• آزمایش در مورد اینکه چگونه قابلیت‌های ذخیره هیدروژن با تغییر اندازه ماده از مقیاس ماكرو به مقیاس نانو، تغییر می‌کند.
• آزمایش در زمینه تشخیص اینکه چه موادی با چه پیوندهایی توانایی برقراری اتصال با هیدروژن را دارند.
• آزمایش در مورد ایجاد نوعی پلیمر نانوحفره‌ای که قادر است هیدروژن را درون حفره‌هایش محبوس کند.
یکی از اعضای این گروه به نام کی آلکس زتل، متخصص برجسته‌ای در زمینه نانولوله‌ها می‌باشد در حال بررسی این موضوع است که چطور نانولوله‌های نیترید‌بور را می‌توان برای ذخیره هیدروژن به‌کار برد. دو تئوری‌دان دیگر نیز برای تولید نانولوله‌های نیترید بور جدیدی تلاش می‌کنند که بتوانند در به‌دام انداختن مولکول‌های هیدروژن مؤثر باشند.
به عقیده لانگ تمام کسانی‌که در زمینه علوم مواد مهارت و تخصص بالایی دارند باید درباره موضوع ذخیره هیدروژن تحقیق را آغاز کنند. برای این منظور، لانگ شخصاً بر روی یک ماده ذخیره‌کننده که سطح مخصوص بسیار بزرگی دارد و در یک فضای کوچک گنجانده شده، کار می‌کند. این ماده جامد همپای نانوحفره‌ای۱ نامیده می‌شود. بسیاری مواد از این دست حدوداَ ۵۰۰ متر مربع مساحت بر گرم دارند، این بدان معنی‌است که این گونه مواد، پتانسیل بسیار بالایی برای جذب مقادیر زیادی هیدروژن دارند.
این مواد مجموعه و ترکیبی از مکعب‌های خالی هستندکه به‌طور جالبی ساختار آنها در سه بعد كشیده می‌شود. به همراه هر مکعب، فضای خالی برای ذخیره چندین مولکول هیدروژن وجود دارد.
این مواد در طول یک واکنش محلولی ساده تولید می‌شوند و هر کدام از مکعب‌های توخالی هم با حلال پر می‌شوند. پس از اتمام این مرحله، ماده حرارت دیده، حلال پر کننده فضای خالی، خارج می‌شود. در نهایت چیزی که باقی می‌ماند مجموعه‌ای از مکعب‌های خالی است که به شکل کندوی عسل کنار هم قرار گرفته‌اند و این‌چنین یک ماده ذخیره کننده برای مولکول‌های هیدروژن آماده می‌شود.این گاز، ترفندی برای مجبور کردن مولکول‌های هیدروژن برای اتصال به بدنه مکعب‌ها بدون نیاز به سرد کردن و یا تحت فشار قرار دادن هیدروژن می‌باشد.
این تحقیقات باید به پر کردن مخزن سوخت با یک ماده ذخیره‌کننده هیدروژن منجر شود که بتواند مقدار کافی هیدروژن برای تأمین نیروی مورد نیاز برای یک خودرو جهت طی مسافت هزاران مایل را تأمین نماید.
هیدروژن فراوان ترین عنصر طبیعت محسوب می‌شود بنابراین دانشمندان در تلاش‌اند تا راهی بیابند كه بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كرد.
آزمایشات دیگری در ایستگاه فضایی بین المللی نیز در حال انجام است كه می‌تواند حركت به سوی اقتصاد مبتنی بر هیدروژن را تسریع كند. تصور كنید برای سوختگیری خودروتان به سمت جایگاه سوخت رسانی حركت می‌كنید، دهانه لوله سوخت رسانی را وارد مخزن سوخت خودرو می‌كنید، اما سوختی كه مصرف می‌كنید، از نوع سوخت های متداول نیست بلكه هیدروژن است. هیدروژن گازی بی رنگ و بی بو است كه از سوختن آن فقط بخار آب حاصل می شود كه سریع و بدون هیچ خطری توسط محیط اطراف جذب می شود. یك كیلوگرم از هیدروژن تقریباً سه برابر همین میزان بنزین انرژی آزاد می‌كند و این در حالی است كه هیدروژن فراوان ترین عنصر طبیعت محسوب می شود! پس جای تعجب نیست كه چرا دانشمندان در تلاش‌اند تا راهی بیابند كه بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كنند. ال ساكو مدیر مركز تولید مواد پیشرفته تحت جاذبه ضعیف (CAMMP) در دانشگاه نورسسترون بوستون كه زیر نظر ناسا مشغول فعالیت است در این زمینه می‌گوید: «ده‌ها شركت از جمله بزرگ‌ترین شركتهای سازنده خودرو، موتورهایی را طراحی كرده‌اند كه از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌كند. این موتورها بسیار شبیه به موتورهای احتراق داخلی هستند كه ما امروزه به طور گسترده ای از آنها استفاده می كنیم. سلول های سوختی - یكی دیگر از منابع ممكن برای تولید نیرو در خودروها - نیز از هیدروژن استفاده می كنند. برای آنكه استفاده از این فناوری ها در زندگی روزمره ممكن شود، لازم است دانشمندان راهی برای ذخیره سازی و انتقال ایمن هیدروژن بیابند كه از لحاظ هزینه به صرفه بوده و با هزینه های استفاده از بنزین قابل مقایسه باشد.»
اما انجام این كار چندان هم آسان نیست. گاز هیدروژن سبك و فرار است. مولكول‌های كوچك H۲ از طریق روزنه‌ها و شكافها و همچنین از طریق بستها و شیرها بسیار سریع نشت می‌كنند و هنگامی كه از این طریق خارج شدند خیلی زود تبخیر می‌شوند. هیدروژن چهار برابر سریع تر از متان و ده برابر سریع تر از بخارهای بنزین نفوذ می‌كند. این مسئله در مورد حفظ ایمنی دستگاه از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است چرا كه قطرات هیدروژن بسیار سریع تبخیر شده و در محیط پراكنده می‌شوند و می‌توانند ایمنی سیستم را به خطر اندازند. این مسئله می‌تواند برای هر كسی كه می خواهد گاز هیدروژن را ذخیره كند، دردسرساز شود. هر چند كه هیدروژن مایع بسیار متراكم است و ذخیره سازی آن آسان به نظر می‌رسد، اما در عین حال ذخیره كردن آن می تواند مشكلاتی را نیز به همراه داشته باشد. هیدروژن حدوداً در دمای ۲۰ درجه كلوین (۲۵۳ درجه سانتی گراد) مایع می‌شود. نگهداری از یك مخزن پر از هیدروژن مایع نیازمند استفاده از یك سیستم خنك كننده جانبی سنگین است، فعلاً استفاده از این سیستمها در خودروهای مسافربری معمولی مقدور نیست. هیدروژن مایع چنان سرد است كه حتی می تواند باعث منجمد شدن هوا نیز شود. این امر می تواند به مسدود شدن شیرها و اتصالات منجر شود كه افزایش ناخواسته فشار را به همراه دارد. البته ممكن است گفته شود برای مقابله با انجماد هوا از سیستم‌های عایق كاری استفاده شود، اما این كار نیز مشكلاتی را در پی دارد كه از جمله آنها می توان به افزایش وزن سیستم ذخیره‌سازی سوخت اشاره كرد. با این تفاسیر چگونه می‌توان بر مشكلات پیش رو غلبه كرد؟ ساده است: چند قطعه سنگ را در داخل مخزن سوخت قرار دهید. البته در این مورد نمی‌توان از سنگ های معمولی استفاده كرد بلكه باید از سنگ های ویژه ای كه زئولیت (Zeolite) نام دارند استفاده كرد. ساكو در تشریح خواص این سنگ‌ها می گوید: «زئولیت ها موادی از جنس سنگ هستندكه بسیار متخلخلند و به همین دلیل می توانند به عنوان اسفنج‌های مولكولی عمل كنند. زئولیت ها در شكل كریستالی خود به صورت شبكه گسترده‌ای از حفره‌ها و شكاف‌های به هم پیوسته در نظر گرفته می‌شوند كه بسیار شبیه كندوی زنبور عسل است. یك مخزن سوخت كه در ساختار آن از این مواد كریستالی استفاده شده است، می‌تواند گاز هیدروژن را «در حالت شبه مایع و بدون نیاز به سیستم های خنك كننده سنگین» به دام انداخته و در خود ذخیره كند.نام زئولیت از كلمات یونانی «Zeo » به معنای جوشیدن و «lithos » به معنای سنگ مشتق شده است و معنای تحت اللفظی آن «سنگی كه می‌جوشد» است. این نام را به این دلیل به این سنگ‌ها اطلاق می‌كنند كه هنگامی كه تحت تاثیر حرارت قرار می‌گیرند، محتویات خود را خارج می‌كنند. با استفاده از زئولیت های موجود می‌توان مقدار كمی از هیدروژن را ذخیره كرد، اما این مقدار كافی نیست.» پس چه مقدار هیدروژن كافی است؟
تصور كنید دیواره مخزن سوخت خودروی شما توسط سنگ‌های متخلخل و كریستالی پوشیده شده است و این سنگ ها حدود ۴۰ كیلوگرم وزن دارد. به جایگاه سوختگیری مراجعه می‌كنید و متصدی جایگاه حدود ۵/۳ كیلوگرم هیدروژن را به مخزن پوشیده از زئولیت خودروی شما تزریق می‌كند. از لحاظ نظری این مقدار هیدروژن، هم از لحاظ وزنی و هم از لحاظ مقدار انرژی ذخیره شده در آن برابر مخزنی پر از بنزین است. ساكو می‌افزاید: «اگر بتوان كریستالهایی از زئولیت تولید كرد كه بتواند حدود ۶ تا ۶ درصد از وزن خود را، هیدروژن ذخیره كند، آن وقت یك مخزن زئولیتی پر از هیدروژن می‌تواند با یك مخزن معمولی پر از بنزین رقابت كند.» با این همه بهترین زئولیتهای موجود می‌توانند فقط ۲ تا ۳ درصد از وزن خود را هیدروژن ذخیره كنند.در تمام طول دوره انجام این تحقیقات ساكو در فكر تغییر مصرف سوخت و تحول جهانی از سوخت های فسیلی به سمت سوخت هیدروژنی بود. این ایده رویایی بزرگ است اما می‌توان به آن دست یافت. زئولیت‌ها می توانند به عنوان نكته كلیدی برای استفاده از سوخت هیدروژن و رد شدن از سد مشكلات فناوری محسوب شوند. به زودی این ایده فراگیر خواهد شد، آن وقت احتمالاً كسی از شما خواهد پرسید... «آیا در این نزدیكی جایگاه سوخت هیدروژن وجود دارد؟»
در اینجا به منظور مقایسه بهتر پیش‌بینی پیشرفت فناوری فوق در سالهای بعد، گزارش آژانس بین المللی انرژی از وضعیت ۳۰ سال آینده بطور خلاصه مرور می‌شود:
فرض پایه‌ای كه در سناریوی مرجع مطرح شده، اینست كه تكنولوژی‌های مورد استفاده در بخش انرژی پیشرفت خواهند كرد، ولی پیشرفت آنها تدریجی خواهد بود نه جهشی و انقلابی. بخشی از تكنولوژی‌های موجود كه در حال حاضر مقرون به صرفه نیستند، در آینده جنبه تجاری پیدا خواهند كرد. چه در مصرف و چه در تولید انرژی، در آینده جهان به سوی تكنولوژی‌هایی كه آلودگی كمتر ایجاد می‌كنند و به ویژه كاربرد انرژی‌های تجدیدپذیر در تولید نیروی برق پیش خواهد رفت. ممكن است در برخی حوزه‌ها پیشرفت‌های جهشی عمده‌ای صورت بگیرد، ولی پیش بینی زمان‌بندی وقوع آنها و ابعادشان غیرممكن است. پشتیبانی و حمایت دولتها از تحقیقات در بخش انرژی همچنان یكی از مهمترین فاكتورهای مؤثر بر پیشرفت این تكنولوژیها خواهد بود.تكنولوژی‌های انرژی در بخش مصرف : فرض اساسی سناریوی مرجع این است كه كارآیی مصرف انرژی (میزان انرژی مصرفی برای تولید مقدار معینی از خدمات مرتبط با انرژی) در سه دهه آینده نیز با همان آهنگی بهبود خواهد یافت كه در سه دهه گذشته جریان داشته است. از آنجا كه بخش اعظم تجهیزات مصرف كننده انرژی عمری طولانی دارند، حتی پیشرفت‌های فاحش تكنولوژیك نیز تنها با گذشت زمان نسبتاً طولانی می توانند میانگین كارآیی تجهیزات و لوازم مصرف كننده انرژی را تحت تأثیر قرار بدهند.
در بخش حمل و نقل كارآیی خودروها تقریباً در تمام مناطق بهبود یافته و مصرف سوخت آنها كاهش خواهد یافت. پیش بینی می‌شود توافق‌های داوطلبانه با خودروسازان و تعیین استانداردهای فنی و زیست محیطی در سه دهه آینده (بین ۲۰۰۰ و ۲۰۳۰) موجب افزایش كارآیی خودروهای جدید به میزان ۳۰ درصد در اتحادیه اروپا و حدود ۲۰ درصد در ژاپن، استرالیا و زلاندنو شود. اما این صرفه جویی نخواهد توانست عیناً به كاهش مصرف سوخت در بخش حمل و نقل منجر شود، زیرا طی همین مدت میانگین مسافت طی شده توسط خودروها در كشورهای یاد شده نیز افزایش خواهد یافت. در آمریكای شمالی (ایالت متحده و كانادا) هیچ پیشرفتی در این زمینه‌ها حاصل نخواهد شد زیرا اثر بهبود كارآیی سوخت موتور خودروها با افزایش ابعاد، وزن و تعداد لوازم رفاهی گنجانده شده در خودروها جبران خواهد شد. در سناریوی مرجع هیچ تغییری در استانداردهای كارآیی خودروها در ایالات متحده موسوم بهCAFE پیش بینی نشده است.
تقریباً در تمام مناطق، خودروهای مركب (Hybrid Vehicles) كه مشتركاً از سوختهای معمولی و باطری های برقی استفاده می كنند، جای پای خود را در ناوگان خودروهای در حال تردد باز خواهند كرد ولی به نظر نمی رسد خودروهای مجهز به پیل سوختی، قبل از سال ۲۰۳۰ به طور جدی وارد بازار شوند.
در مصارف ثابت انرژی در بخش‌های صنعتی، تجاری و خانگی، پیشرفت‌های مستمری در كارآیی انرژی حاصل خواهد شد كه نتیجه پیشرفت تكنولوژی خواهد بود.
بهبود كارآیی و كاهش هزینه در بخش عرضه انرژی با تكیه بر تكنولوژی های پیشرفته و روش های نوین مدیریت، در آینده به طور مستمر ادامه خواهد داشت. تلاش دست اندركاران صنعت انرژی در جهت كاهش هزینه تولید نفت و گاز با استفاده از تكنولوژی های پیشرفته نظیر تكنولوژیهای لرزه نگاری سه بعدی كه به شناخت بهتر ویژگی‌های مخازن زیرزمینی كمك می‌كند و ضریب موفقیت عملیات اكتشافی و حفاری را بالا می‌برد، روشهای پیشرفته حفاری و مهندسی تولید در میادین خشكی و دریایی و نظایر آن همچنان ادامه خواهد داشت.
پیشرفت های مهمی نیز در زمینه لوله های انتقال گاز تحت فشار بالا، فرآوری LNG و تكنولوژی GTL در آینده روی خواهد داد. هزینه های سرمایه‌ای لازم برای استفاده از تكنولوژیهای جدید مبتنی بر سوختهای فسیلی یا انرژیهای تجدیدپذیر در بخش تولید نیرو در آینده به میزان چشمگیری كاهش خواهد یافت.
پیل های سوختی، زودتر از سال ۲۰۲۰ نخواهند توانست سهم قابل ذكری در تأمین انرژی جهانی ایفا كنند. تا سال ۲۰۳۰ نیز از پیل های سوختی عمدتاً در مصارف ثابت و ایستگاهی استفاده خواهد شد. هیدروژن سوخت اصلی به كار رفته در پیل‌های سوختی است كه می توان آن را در فرآیندی به نام «رفرمینگ» از هیدروكربن ها و همچنین به روش «الكترولیز» از آب استخراج كرد. در نخستین پیل‌های سوختی تجاری، احتمالاً از رفرمینگ (Reforming) گازطبیعی استفاده خواهد شد و بعید به نظر می‌رسد تولید هیدروژن از زغال سنگ و بیوماس با استفاده از الكترولیز تا قبل از ۲۰۳۰ مقرون به صرفه باشد. تقریباً تمامی پیلهای سوختی مورد استفاده در سال ۲۰۳۰، برای تولید نیرو بصورت غیرمتمركز (Distributed Generation) خواهد بود. كاربرد پیل های سوختی در خودروها زودتر از سال ۲۰۳۰ توجیه اقتصادی نخواهد داشت و بعید به نظر می رسد كه تا آن زمان تعداد خودروهای مجهز به پیل سوختی افزایش چشمگیری داشته باشد.
نوآوریهای اخیر:
به نقل از سرویس بین الملل قلم سبز ایران، دانشمندان سوئیسی توانستند خودرویی را طراحی كنند كه مسافت ۲۵ كیلومتر را فقط با یك گرم هیدروژن طی كند. بر همین اساس این خودروی هیدروژنی می‌تواند مسافت ۵۳۸۵ كیلومتر را با یك لیتر بنزین بپیماید كه در نوع خود ركورد جدیدی در مصرف سوخت محسوب می‌شود.
گفتنی است خودرو هیدروژنی با سوخت تركیبی بنزین و هیدروژن كار می‌كند.مهندسان شركت BMW با استفاده از هیدروژن به جای بنزین و پاشش آن در محفظه احتراق، یك گام به سوی استفاده از خودرو هیدروژنی نزدیك شده‌اند.
به گفته ایسنا، گروه خودروسازی BMW در راستای متعهد بودن به استفاده از سوخت هیدروژن، راه را برای استراتژی پیشرو هموار كرده و به همین منظور خودروهای "سوخت پاك" به دنبال تضمین قدرت تحرك صنعت خودرو در بلندمدت خواهند بود و در همین زمان كاهش آلاینده‌ها و به خصوص آلاینده‌های دی‌اكسیدكربن را در دستور كار خود دارند.
تمامی كارشناسان و متخصصان صنعت خودرو در رابطه با این كه هیدروژن بهترین سوخت ممكن برای رسیدن به این هدف است، توافق دارند. در حقیقت هیدروژن در سراسر جهان به عنوان مناسب‌ترین منبع انرژی برای استفاده در خودروهای آینده مورد توجه قرار گرفته است؛ بنابراین شركت BMW با پیگیری این استراتژی قصد دارد پا را فراتر از اقدامات معمول گذاشته و با افزایش مساله بهینه‌سازی موتورهای حال حاضر بنزینی و دیزلی به معرفی نسل جدیدی از خودروهای هیبریدی بپردازد؛ چراكه تفاوت عمده منابع انرژی فسیلی با هیدروژن این است كه تولید و استفاده از هیدروژن ممكن است مستقیماً در چرخه تولید مجدد طبیعت قرار گیرد، تا جایی كه هیدروژن كه از انرژی‌های آفتابی، بادی و زیست توده (biomass) تولید می‌شود، بدون هیچ‌گونه محدودیت و آلایندگی در دسترس است. طی چندین دهه فعالیت‌های تحقیق و توسعه، گروه بی.ام.و به عنوان پیشرو استفاده عملی از هیدروژن مطرح شده است. بنابراین یك مدل از سری BMW۷ مشخصاً به استفاده از هیدروژن در موتورهای احتراقی (درونسوز) كه بالاترین میزان استفاده با توجه به عملكرد دوگانه‌اش و عملكرد دینامیك‌ را داراست، آماده برای وارد شدن به فرآیند توسعه است.
پروفسور بوركارد گوشل - عضو هیات مدیره گروه توسعه بی.ام.و - معتقد است: گروه بی.ام.و طی سه سال آینده یك خودرو هیدروژنی در اختیار مشتریان قرار می‌دهد كه از قابلیت حركت با هیدروژن و بنزین به صورت همزمان برخوردار است. در این فرآیند هدف ما به اثبات رسیدن كیفیت‌های این فناوری نوین رانندگی است، تا جنبه‌های آن به استانداردهای بالاتری ارتقا پیدا كند.
با استفاده از فناوری‌های فعلی، تنها موتورهای احتراقی از منفعت و سود توانایی لازم برای حركت با هر دو سوخت هیدروژن و بنزین برخوردار هستند. این امر تضمین می‌كند كه هرگونه مشكل در تامین هیدروژن كه به طور معمول در آغاز كار متداول است، به راحتی توسط استفاده از بنزین در مواقع نیاز برطرف می‌شود. بنابراین راننده‌ای كه موتورهای هیدروژن‌سوز را انتخاب می‌كند به هیچ وجه در آزادی انتخاب و هنگام حركت محدود نخواهد شد. در حقیقت اولین اتاق احتراق برای سوختن هیدروژن آماده شده است كه قادر خواهد بود مسافتی در حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ كیلومتر را با هیدروژن و در حدود ۵۰۰ كیلومتر را نیز با بنزین با حداكثر سرعت ۲۱۵ كیلومتر بر ساعت طی كند.
خودرو هیدروژنی گروه بی.ام.و در بلندمدت شامل استفاده از یك پیل سوختی ـ APU (بخش نیروی كمكی) نیز خواهد بود. هدف از این اقدام ایجاد یك سیستم تولید برق برای شبكه خودرو با درجه بالاتر بهینه‌سازی مصرف انرژی در زمان خاموشی موتور است. در عمل این جنبه به این معنی است كه بخش‌های جنبی خودرو مانند سیستم تهویه هوا و گرمایش خودرو می‌تواند بدون مشكلی حتی در زمانی كه موتور خودرو خاموش است به كار خود ادامه دهد.
با توجه به پیشرفت‌های حاصل شده در تحقیقات پیل سوختی PEM تصور این نكته كه بخش تولید نیروی كمكی در نسل آینده خودروهای هیدروژنی آماده استفاده باشد، كاملا معقول به نظر می‌رسد.
حركت به سوی آینده با بالاترین سرعت: خودرو تحقیقاتی H۲R بی.ام.و ركورد ۳۰۰ كیلومتر بر ساعت را شكست. این اتفاق در ماه سپتامبر سال ۲۰۰۴ افتاد. مدتی بعد گروه بی.ام.و مراحل به دست آمده در فناوری رانندگی با خودروهای هیدروژنی را به نمایش گذاشت و در طول این مدت حداقل ۹ ركورد بین‌المللی سرعت برای خودروهای هیدروژنی با موتور احتراقی را پشت سر گذاشته است. این نمونه بی نظیر با یك موتور ۱۲ سیلندر كه از حداكثر تولید نیروی ۲۱۰ كیلووات – ۲۸۵ اسب بخار برخوردار است تجهیز شده است. این نیرو مدل خودروی تحقیقاتی HR۲ بی.ام.و را در حدود شش ثانیه به سرعت ۱۰۰ كیلومتر در ساعت می‌رساند.
هیدروژن از كیفیت و ویژگی‌های عالی برای ارائه استاندارد بالای بازدهی و عملكرد به موتورهای احتراق برخوردار است. علاوه بر سرعت بالای احتراق كه اجازه بهترین مدیریت احتراق را در اختیار موتور می‌گذارد، موتورهای هیدروژن سوز با استفاده از محدوده بالای اشتعال و احتراق خود از توانایی استفاده از مخلوط هوا و سوخت غنی و خشك برخوردار هستند. در نتیجه این توانایی این نوع از موتورها عملكرد بسیار سطح بالایی كه از سطح عملكرد موتورهای دیزلی و بنزینی فراتر است ارائه می‌كنند.
در شرایط احتراق سوخت كامل، بخش تولید نیروی ۱۲ سیلندر با تركیب سوخت و هوای (لامبدا) عمل می‌كند. در این حالت حداكثر میزان سوخت كاملا در هوای سیلندرها مورد احتراق قرار می‌گیرد كه بالاترین سطح نیرو و عملكرد را فراهم می‌كند. از سوی دیگر هنگامی كه تحت احتراق ناقص عمل می‌كند ـ كه این مورد هم از مزایای استفاده از هیدروژن است ـ بخش تولید نیرو در حالت سوخت به صرفه قرار می‌گیرد و مازاد هوا را وارد چرخه احتراق می‌كند.
احتراق هیدروژن تحت شرایط خاصی كه با تركیب مشخصی از هوا و سوخت به دست می‌آید به تولید اكسیدهای نیتروژن می‌انجامد كه این تولید اكسیدهای نیتروژن تحت سیستم‌های مدیریت احتراق قابل كنترل است.شركت پژو فرانسه خودروی جدیدی را ساخته كه از سوخت هیدروژن استفاده می‌كند و از اگزوز آن به جای گازهای سمی، آب خارج می‌شود. شركت پژو، خودرویی به نام «كوارك» (Peugeot Quark) مجهز به سلول سوختی را ساخته كه در آن سوخت هیدروژن طی عملیاتی با اكسیژن، برق تولید كرده و برق تولید شده در چهار الكتروموتور که روی هر چرخ نصب شده مصرف می‌شود.
سیستم این خودرو توسط هوا خنك می‌شود و در مخزن ذخیره‌سازی ۹ لیتر هیدروژن با فشار ۷۰ بار نگهداری می‌شود.
بیشترین سرعت این خودرو ۱۱۰ كیلومتر بر ساعت و شتاب صفر تا ۵۰ كیلومتر این خودرو نیز ۶/۵ ثانیه است و موتور آن بدون صدا كار می‌كند. باطری این خودرو از جنس فلز نیكل بوده و در حدود ۴۰ واحد سلولی در پیل سوختی این خودرو استفاده شده است كه هر كدام توانایی تولید۷/۲ ولت را دارد كه در مجموع ۲۸۸ ولت توسط این سامانه تولید می‌شود.پیش از این نیز پژو خودروی هیدروژنی پیل سوختی "پژو H۲O" را ساخته بود.
منابع:
“Building the Bridge to Hydrogen from CNG” , David R. Martin, ۹th IANGV International Conference World NGV ۲۰۰۴ Buenos Aires
http://www.ifco.ir
http://www.psweeks.org
http://www.ieeo.org http://www.ayandehnegar.org
http://www.nano.ir http://forum.persiantools.com
http://www.iranian.be

شیوا اسلامی

منبع : مجله گسترش صنعت