هیدروژن ، سوخت برگزیده برای خودروهای آینده

تامین منبع انرژی برای خودروها در آینده یكی از مهمترین مواردی است كه امروزه جهان با آن مواجه است. در این زمینه دو موضوع مهم وجود دارد. اول افزایش روزانه تعداد خودروها به ویژه خودروهای موجود، كه تعداد آنها در حال حاضر حدود۷۵۰ میلیون دستگاه است و با توجه به رشدِ استفاده از آنها، پیش بینی می شود كه تا سال۲۰۵۰ این رقم به سه برابر میزان موجود افزایش یابد. دوم آنكه۹۷ درصد خودروهای موجود از سوخت های فسیلی و مشتقات نفت خام، استفاده می كنند كه این سوخت ها نیز رو به پایان است. حتی اگر سازندگان خودرو بتوانند با كاربرد فن آوری های جدید، مصرف سوخت خودروها را به یك سوم تقلیل دهند، باز هم با توجه به افزایش تعداد آنها، تأثیر چندانی در مقدار مصرف سوخت امروزی به وجود نخواهد آمد.
برای آینده چه راهكاری وجود دارد؟ برای پاسخ به این سؤال اولین انتخاب كاربرد نیروی برق برای به حركت در آوردن خودروهاست كه این روش دارای مشكلات بسیاری است. مهمترین این مشكلات عبارتند از:
۱) محدود بودن مسافتی كه یك خودرو با شارژ كامل می تواند حركت كند،
۲) مدت شارژ مجدد و وزن باطری های مصرفی،
۳) با توجه به این موارد شركت های عمده سازنده خودرو تمایلی به كاربرد و سرمایه گذاری در این بخش ندارند.
روش دیگر استفاده از هیدروژن است و كاربرد آن بصورت سوخت مستقیم دارای مشكلات و كارایی كمتری است ولی بكارگیری هیدروژن در سلول های سوخت، Full- Cells، راندمان قابل توجهی دارد. امروزه سازندگان خودرو تمایل بسیاری برای كاربرد این روش نشان داده و سرمایه گذاری های بسیاری در این زمینه شده است. دراین روش از هیدروژن و تركیب آن با هوای محیط، برق مورد نیاز برای به حركت در آوردن خودرو تامین می شود. این نوع خودروها در مقایسه با انواع فعلی دارای بازدهی بهتری بوده و تنها بخار آب از لوله اگزوز آنها خارج می شود.
حال باید به این سؤال پاسخ داد كه هیدروژن مورد نیاز را چگونه
می توان تولید كرد؟ روش های مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد كه شناخته شده ترین آن، روش الكترولیز است. در این روش با استفاده از نیروی برق، آب به دو عنصر هیدروژن و اكسیژن تبدیل می شود. برای تولید الكتریسیته مورد نیاز می توان از سوخت های فسیلی، انرژی خورشیدی، بادی، هیدروالكتریك و ژئوترمال استفاده كرد. اگر بخواهیم هیدروژن را با بكارگیری از سوخت های فسیلی تولید كنیم، دی اكسیدكربن از آن بدست می آید. با بكارگیری سوخت های فسیلی می توان هیدروژن را از گازهای طبیعی با بازدهی بسیار بالا بدست آورد. این روش بسیار اقتصادی است اما می بایست در مورد رفع آلودگی آب و زمین روش های نوینی را ابداع كرد.
●انرژی های دیگر
استفاده از انرژی های دیگر مانند انرژی خورشیدی، بادی و نظایرآن نیز باعث كاهش قابل ملاحظه تولید گازهای زیان آور می شود. این گازهای زیان آور تولید كننده اثر گلخانه ای هستند و وجود آنها اصلی ترین دلیل گرم شدن تدریجی هوای كره زمین است.
متداول ترین روش كنونی برای تولید هیدروژن آنست كه گازهای طبیعی و مشتقات نفتی را در یك فرآیند مخصوص در حرارت بسیار بالا قرارداده و از آن هیدروژن بدست می آورند. امروزه۲ درصد از كل انرژی جهان به تولید هیدروژن اختصاص یافته و این میزان به سرعت رو به افزایش است. اگر از تمام این مقدار انرژی برای تولید سلول های سوخت استفاده شود،۱۵۰ میلیون خودرو و به عبارتی۲۰ درصد از ناوگان جهان به حركت در خواهد آمد. روش دیگر برای تولید هیدروژن روشی موسوم به روش BMG است كه در آن، مواد اورگانیكی مانند چوب و یا ضایعات محصولات كشاورزی را حرارت داده و از آنها هیدروژن بدست می آید. در این روش نیز دی اكسید كربن تولید می شود اما هیچگونه اثر گلخانه ای را بوجود نمی آورد زیرا كربن تولید شده به وسیله گیاهی درحال رشد جذب می شود.
هر چند روش های یاد شده موجب تولید آلودگی محیط زیست و اثر گلخانه ای نمی شوند اما هزینه انجام آنها در حدود۶ تا۹ دلار برای هر كیلوگرم هیدروژن است. مصرف یك كیلوگرم هیدروژن معادل مصرف یك گالن بنزین برای خودرو بوده ولی مسافت طی شده توسط سلول های سوختی بسیار بیشتر است. در صورت تولید انبوه این محصول قیمت تحویلی به خودروها در ایستگاه های سوخت گیری در حدود۲ الی۴ دلار خواهد بود كه به مراتب ارزان تر از سوخت های فعلی است.
رآكتورهای هسته ای نیز می توانند هیدروژن را بدون كاربرد روش الكترولیز تولید كنند. حرارت بسیار بالای این دستگاهها می تواند آب را با توجه به عكس العمل ترموكمیكال به اكسیژن و هیدروژن تبدیل كند و شاید بتوان با این روش، هیدروژن ارزانتری بدست آورد. ولی كاربرد آن نیازمند بررسی های بیشتری است.
● سرمایه گذاری های سنگین
قبل از آنكه هیدروژن بتواند به عنوان سوخت جایگزین بنزین برای خودروها بكار گرفته شود، راهی طولانی پیش روی صنایع خودروسازی است. تولید كنندگان خودرو می بایست مدل های جدید این نوع اتومبیل ها را عرضه و مصرف كنندگان نیز مایل به خرید آن باشند. در سالهای اخیر بسیاری از شركت های بزرگ مانند تویوتا، جنرال موتورز، هوندا و نظایر آن برای ساخت این نوع خودروها میلیاردها دلار سرمایه گذاری كرده اند. انتظار می رود كه تولید انبوه و تجاری این خودروها در فاصله زمانی سالهای۲۰۱۰ تا۲۰۲۰ انجام شود. نكته مهم آن است كه برای ساخت این خودروهای می بایست از فن آوری های بسیار نوینی استفاده شود. مهمترین فن آوری مورد نیاز به تولید سلول های سوخت، ساخت غشای مبادله كننده پروتون(PEM) از اكسیژن بوده كه وظیفه آن جداسازی سوخت هیدروژن از اكسیژن است. در یك سوی این غشا یك كاتالیزور، اجزای اتم هیدروژن را به پروتون و الكترون تفكیك می كند و سپس پروتونها از این لایه عبور كرده و با اتم های اكسیژن سمت دیگر تركیب می شوند.
شركت های سازنده خودرو حجم و وزن PEM را آنقدر كم كرده اند تا توانسته اند آن را در خودروها قرار دهند. در حال حاضر سلول های سوختPEM می توانند خودروها را تا دو هزار ساعت به حركت در آورند(حداقل۵ هزار ساعت مورد نیاز است). انتظار می رود تا۵ سال آینده بازدهی آن به۴ هزار ساعت افزایش یابد. موضوع قابل ملاحظه در ساخت این خودروها قیمت تمام شده بسیار گران آنهاست. هم اكنون ارزش یك دستگاه خودروی مصرف كننده هیدروژن در حدود یك میلیون دلار است. دلیل عمده این گرانی ساخت بسیار كم این خودروها درحد آزمایشی است و در صورت تولید انبوه قیمت آن به۶ تا۱۰ هزار دلار می تواند كاهش یابد. هزینه سوخت این خودروها برابر۱۲۵ دلار برای هر كیلو وات برق است.
شركت های سازنده این نوع خودرو می بایستی مخازن ذخیره هیدروژن كافی برای سلول های سوخت را تعبیه كنند تا بتوانند حداقل۴۵۰ كیلومتر را با شارژ كامل طی كنند. ذخیره هیدروژن به صورت گاز نیازمند ساخت مخازن تحت فشار است. هر چند هیدروژن مایع نیازمند به جای كمتری است ولی در دمای۲۵۳- درجه سانتیگراد مایع می شود و دیگر قابل استفاده در خودروها نیست. در نتیجه شركت های سازنده مجبورند از هیدروژن به صورت گاز تحت فشار استفاده كنند. در سال۲۰۰۵ شركت های جنرال موتورز، هوندا و تویوتا سلول های سوخت بسیار فشرده ای را به نمایش گذاشتند كه می توان با آن۴۵۰ كیلومتر مسافت را طی كرد. فشار درون این مخازن۷۰ مگا پاسكال است (فشار آتمسفر در سطح دریا۰/۱ پاسكال است.) با داشتن چنین مخازن تحت فشاری، رعایت موارد ایمنی بسیار با اهمیت است. اگر چه هیدروژن قابل اشتعال است ولی نقطه احتراق آن بالاتر از بنزین بوده و به سرعت نیز در هوا پخش می شود كه این دو مورد، از نكات مثبت ایمنی این ماده است. باید توجه داشت كه شعله های سوخت هیدروژن به سختی قابل رؤیت است. در حال حاضر سازمان انرژی آمریكا در حال تدوین كدهای استاندارد ایمنی برای سوخت های هیدروژن است.
تحویل سوخت هیدروژن به مصرف كنندگان از جمله مشكلات بعدی مصرف این محصولات است. امروزه سوخت به وسیله ایستگاه های تحویل سوخت، پمپ های بنزین، به صورت مایع و گاز به مصرف كنندگان تحویل داده می شود. این موضوع در مورد هیدروژن نیز می بایست اعمال شود. تولید كننده ها پس از تولید می بایست آنها را در مخازن جدید تحت فشار ذخیره كنند. همچنین باید خطوط انتقال برای حمل آن به ایستگاه های تحویل از نو احداث شود. هزینه ساخت هر ایستگاه سوخت برای تحویل هیدروژن در حدود یك میلیون دلار است. شاید در ابتدا سوخت به وسیله كامیون ها و یا كپسول های هیدروژن تحویل مصرف كننده داده شود. منابع تولید كننده هیدروژن می توانند محلی و یا حتی خانگی باشند و در نتیجه هزینه حمل آن كم خواهد بود. احداث سیستم های جدید تولید، ذخیره، انتقال و تحویل سوخت هیدروژن نیازمند به سرمایه گذاری كلانی است. در واقع این سیستم باید جایگزین روش های تحویل سوخت های فعلی شود. اجرای كامل این روش در حدود چند دهه به طول خواهد انجامید و نیازمند به سرمایه گذاری و كاربرد تكنولوژی جدید است.
لازم به یاد آوری است كه استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت آینده نه تنها یك انتخاب بلكه یك ضرورت است. با توجه به پایان یافتن سوخت های فسیلی تاكنون هیچ راه حل دیگری بجز كاربرد هیدروژن شناخته نشده است.
یكی از مزایای بسیار مهم استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودروها عدم آلودگی هواست و این روش در كاهش اثر گلخانه ای كه در حال حاضر روبه افزایش است و حیات بشر را به مخاطره انداخته بسیار مؤثر خواهد بود.
زمین از۶۵۰ هزار سال قبل تاكنون، گرمترین دوران خود را تجربه
می كند. هر چند هیدروژن نمی تواند تمامی مشكلات آینده در رابطه با سوخت خودروها را برطرف كند ولی یكی از مؤثرترین راهكارهای پیش رو به حساب می رود.
بدیهی است كاربرد هیدروژن به عنوان سوخت خودروها تا چند دهه دیگر اجرا نخواهد شد اما با استفاده از آن می توان چشم انداز بسیارخوبی برای محیط زیست آینده متصور شد.

مترجم: مهندس سعید صالحی

منبع : ماهنامه نفت پارس