وقتی نفس خودروهای هیدروژنی می‌گیرد

به گزارش پایگاه خبری«عصرخودرو» به نقل از روزنامه گسترش صنعت ،کودکانی که امروز به دنیا می‌آیند، می‌توانند در بزرگسالی خودروهایی را برانند که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. جرج بوش در سال 2003م (1380) با تخصیص 1/2خ میلیارد دلار به پروژه سوخت هیدروژنی این وعده را داد.

اما به گزارش نیچر، کم‌کم با مطرح شدن سوخت‌های زیستی و خودروهای برقی، که به نظر ارزانتر و در دسترس‌تر می‌رسیدند، توجه به سوخت هیدروژنی کم‌تر شد. با اظهارات 2 سال گذشته استیون چو، وزیر انرژی امریکا و برنده جایزه نوبل فیزیک درباره موانع موجود بر سر راه ابتکار هیدروژن، رسیدن به این سوخت دست‌نیافتنی‌تر به نظر رسید. بر اساس اظهارات وی، تولیدکنندگان خودرو هنوز به یک باتری قوی، بادوام و ارزان و نیز یک روش مناسب برای ذخیره حجم زیادی از هیدروژن برای مسافت‌های طولانی نرسیده‌اند. همچنین استفاده از هیدروژن نیاز به یک زیرسازی توزیع جدید دارد. با وجود همه اینها، اگر بخواهیم واقعا به فکر گازهای گلخانه‌ای باشیم، باید به راه دیگری غیراز گاز طبیعی برای گرفتن هیدروژن فکر کنیم.

4 ماه پس از آن «چو» اعلام کرد که ابتکار هیدروژن از بودجه آینده حذف و هزینه‌های آن صرف سوخت‌های زیستی و باتری‌های الکتریکی خواهد شد. اما در بررسی‌هایی که برای اختصاص بودجه انجام شد، حتی بسیاری از تولیدکنندگانی که انرژی زیادی را صرف سوخت‌های زیستی و باتری‌های الکتریکی کرده بودند، اعتراف کردند که ابتکار هیدروژن ظرفیت‌هایی در درازمدت دارد که قابل انکار یا به‌دست آوردن با روش‌های دیگر نیست. در نهایت، کنگره امریکا تصمیم گرفت که سخنان چو را نادیده بگیرد و بودجه را قطع نکند.

در ماه سپتامبر (شهریور) سال گذشته، 9 تولیدکننده بزرگ خودرو، دایملر، فورد، جنرال موتورز، هوندا، هیوندایی، کیا، رنو، نیسان و تویوتا، بیانیه‌ای را به طور مشترک امضا کردند که بر اساس آن تا سال 2015م (1394) به خودروهای هیدروژنی دست یابند. روز بعد از این قرارداد، دایملر با دو شرکت بزرگ انرژی، شل و «وتنفال» برای ساخت زیرساخت‌های هیدروژنی در آلمان قرارداد بست.

این تصمیم مخالفت‌ها و موافقت‌های زیادی را به دنبال داشت و احتمالا زمان نتیجه را مشخص خواهد کرد. در این‌جا به بررسی 4 مانع بزرگی که چو اعلام کرده بود، خواهیم پرداخت.

پیل سوختی

در تئوری، این باتری باید اکسیژن را از هوا و هیدروژن را از مخزن گرفته، با یک واکنش کنترل‌شده آنها را به آب و انرژی تبدیل کند. آب به شکل بخار خارج شده و انرژی صرف به کار انداختن موتور الکتریکی خواهد شد اما در عمل، موضوع خیلی پیچیده‌تر است. واکنش کنترل‌شده نیاز به چیدمان خاصی از لوله‌ها، غشاها و کاتالیزورها دارد. تازه همه اینها باید در یک خودروی سبک و ارزان و مقاوم جای بگیرند و آن‌قدر انرژی تولید کنند که سرعت بالا و استفاده از نور، رادیو، ضبط، تهویه و... را تامین کنند.

ده سال پیش نگرانی‌ها بیشتر هم بود، مثلا اینکه در هوای سرد، آب خروجی یخ نزند اما حالا سیستم اگزوز خودروی جنرال موتورز قرار است تا دو دقیقه بعد از خاموش کردن خودرو کار کرده و همه بخار را خارج کند. اما تویوتا گفته از فناوری جدیدی استفاده می‌کند که باعث می‌شود خودرو در دمای منفی 37 درجه هم روشن شود.

همچنین تولیدکنندگان درحال کاهش نیاز به کاتالیزورهای گرانقیمت هستند. تخمین زده شده که بین سال‌های 2002م (1381) و 2008م (1387) قیمت این باتری‌ها تا 75 درصد کاهش یافته است. رقم شگفت‌آوری است، نه؟

مخزن هیدروژن

در ژوئن 2009 (خردادماه)، مهندسان تویوتا به همراه ناظران دولتی، با استفاده از یک مخزن هیدروژنی توانستند در ترافیک معمول، 533 کیلومتر برانند که به 693 هم می‌تواند برسد.

اما تا چند سال پیش، ذخیره هیدروژن مشکل بزرگی بود. ذخیره آن به شکل گاز نیاز به مخزن بزرگی داشت که نمی‌شد روی خودرو نصب کرد. فشرده کردن آن هم نیاز به یک مخزن خیلی قوی و احتمالا سنگین داشت. هیدروژن مایع را هم تنها در دمای منفی 253 درجه می‌توان نگه داشت!

در نهایت اما یک روش جایگزین برای فشرده‌سازی پیدا شده؛ مخازن فیبر کربنی که با وزن کم می‌تواند با فشار 680 اتمسفر، هیدروژن را ذخیره کند. همچنین اغلب شرکت‌ها به سیستم احیا در زمان توقف روی آورده‌اند که در زمان توقف، باتری‌ها را شارژ می‌کند، سیستمی که هم‌اکنون در خودروهای برقی به کار می‌رود.

در حقیقت، چون خودروهای هیدروژنی هم از موتور برقی استفاده می‌کنند، سیستم‌های این دو خودرو بسیار با هم مشترکند، تفاوت‌شان تنها در منشا انرژی است؛ یکی هیدروژن و دیگری باتری‌های یون لیتیوم.

زیرساخت‌های توزیع

همه خودروها نیاز به تجدید سوخت دارند این مسئله مانند مثال مرغ و تخم‌مرغ است؛‌ تا وقتی جایگاه‌های سوخت هیدورژنی نباشد، مردم خودروی هیدروژنی نمی‌خرند و در مقابل تا وقتی خودروهای هیدروژنی زیادی دست مردم نباشد، هیچ‌کس برای چنین جایگاهی سرمایه‌گذاری نمی‌کند.پمپ‌های هیدروژن، مثل بنزین نیست، نیاز به یک سیستم بسته و بدون درز برای انتقال به مخزن خودرو دارد و به علاوه نیاز به پمپ‌های بسیار قوی دارد که هیدروژن را تا رسیدن به فشار لازم در مخزن جای بدهد.

درحال‌حاضر در برخی جایگاه‌های بنزین امریکا، پمپ‌های هیدروژنی نصب شده‌اند و قرار است تا دهه آینده برای مثال 1000 جایگاه در آلمان ساخته شود. به هر حال، نصب جایگاه‌های هیدروژن، پروژه ارزانقیمتی نیست!

تولید هیدروژن

از منظر محیط‌زیست، مهم‌ترین سوال این است که هیدروژن مصرفی از کجا تامین خواهد شد؟ درحال‌حاضر ارزانترین راه به‌دست آوردن هیدروژن، واکنش شیمیایی بخار و گاز طبیعی است، که دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند و در واقع فلسفه ابداع خودروی هیدروژنی را زیر سوال می‌برد!

شرکت انرژی «وتنفال» درحال‌حاضر با نصب تجهیزات در هامبورگ، می‌خواهد از انرژی باد برای جدا کردن مولکول‌های آب استفاده کند. با این حال باد خیلی هم قابل اعتماد نیست! به همین دلیل برای استفاده از این روش باید توربین‌های بادی فراوانی را در نقاط مختلف نصب کرد اما در این صورت هم، اگر باد شدیدی در نقاط متعددی بوزد، نیروی تولید شده بیشتر از حدی خواهد بود که تجهیزات از عهده‌اش بربیاید و باید بعضی توربین‌ها را بست. به علاوه مسئله هزینه‌ها مطرح است.

سازگاری

به هر حال، حتی اگر تا 2015م (1394) هم این خودروها به بازار بیایند، شاید تا دو دهه طول بکشد که سیر تحولی خود را طی کنند و واقعا انقلابی در صنعت خودرو به وقوع بپیوندد. با این وجود، شرکت‌هایی مثل تویوتا این روند را مدتی است که انتخاب کرده‌اند، درحالی که فورد و بی‌ام‌و عجله‌ای در این زمینه نشان نداده‌اند. باید دید در آینده خودروهای برقی موفق‌تر خواهند بود یا خودروهای هیدروژنی.

یخ‌های قطبی در حال آب شدن هستند و زمین هر روز گرم‌تر می‌شود، آلودگی محیط‌زیست به شدت در حال افزایش و منابع انرژی فسیلی دنیا در حال تمام شدن است، از طرفی قیمت نفت هر روز بیش از گذشته افزایش می‌یابد، ولی جالب‌تر آنکه تقاضای خودرو نیز سالانه در جهان رو به افزایش است به گونه‌ای که تولید خودرو به عدد سالانه 70 میلیون دستگاه در حال نزدیک شدن است. با این وجود، خودرو، این موجود آهنین، از متهمان اصلی گرم شدن زمین است و این سوال مطرح می‌شود که چگونه می‌توان به معادله چند مجهولی سوخت آینده که بتواند تمام این مشکلات را حل کند، پاسخ مناسبی داد و کلید حل تمام این مشکلات چیست؟

هیدروژن پاسخی برای آینده

هیدروژن، یکی از فراوان‌ترین عناصر در طبیعت است. هیدروژن در هنگام سوختن با تولید انرژی زیاد، تنها خروجی آب را در پی دارد؛ پس آیا هیدروژن می‌تواند تمام مشکلات گذشته را حل کند؟ البته فناوری چنین موتوری بسیار پیچیده‌تر است و درحال‌حاضر، تاسیسات سوخت‌رسانی چنین خودرویی نیز بسیار گرانقیمت، ولی هم‌اکنون دو راه برای استفاده از هیدروژن در خودروها پیشنهاد شده که یکی استفاده از پیل سوختی و دیگری استفاده از موتورهای درون‌سوز هیدروژنی است.

پیل سوختی، روش خودروسازان امریکایی

استفاده از پیل سوختی در بسیاری از خودروسازان به شکل آزمایشی آغاز شده است اما استفاده از آن در امریکا، گستردگی بیشتری دارد چرا که کاخ سفید به خودروسازانش (فورد، جنرال موتورز وکرایسلر که معروف به سه‌تفنگدار هستند) دستور داده است با تمام توان روی سوخت جایگزین و استفاده از هیدروژن کار کنند. بر همین اساس، شرکت جنرال موتورز تا سال ‌2015م، نخستین مدل‌های تجاری این خودرو را وارد بازار خواهد کرد. در خودروهای پیل سوختی؛ واحد پیل سوختی از واکنش هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می‌کند و از برق تولیدی نیز برای به حرکت در آوردن چهار الکترو موتور استفاده می‌شود. خروجی این سیستم، تنها آب است چراکه واکنش اکسیژن و هیدروژن سبب به وجود آمدن آب می‌شود. در بعضی موارد، نیروی محرکه خودرو از یک باتری یون‌لیتیوم تامین می‌شود که شارژ آن توسط مولد پیل سوختی انجام می‌شود. سوخت مولد پیل سوختی هم یا از تبدیل گاز طبیعی به هیدروژن تامین می‌شود یا با تجزیه آب در ایستگاه‌های سوخت‌رسانی تهیه و به خودرو تزریق می‌شود.

موتورهای درون‌سوز هیدروژنی بی‌ام‌و راهی دیگر

مهندسان بی‌ام‌و که در جهان اتومبیل به مهندسان فناوری معروف هستند، رویای سوخت هیدروژنی را به واقعیت نزدیک کرده‌اند اما این خودروساز بر خلاف روش خودروسازان امریکایی، روش دیگری را انتخاب کرده و هیدروژن را مانند بنزین در موتورهای پیستونی که شباهت بسیاری به موتورهای بنزینی کنونی دارد، تزریق می‌کند. متخصصان این شرکت هم‌اکنون مدل سری هفت خود را به موتور احتراق داخلی با سوخت هیدروژنی مجهز و در گام بعدی، خودرویی را با شکل مسابقه‌ای به موتور هیدروژنی تبدیل کرده‌اند.مهندسان بی‌ام‌و، خودرو هیدروژنی را با موتور R2Hساخته‌اند که با آرایش خورجینی و با 12 سیلندر و به‌کارگیری سوخت هیدروژن، 285 اسب بخار قدرت تولید می‌کند. خودرو جدید بی‌ام‌و در آخرین رکوردگیری توانسته رکورد 302 کیلومتر در ساعت را به‌دست آورد. حال بی‌ام‌و قصد دارد بر اساس تجربه‌های به‌دست آمده در مدل R2H، خودرویی بسازد که توانایی کارکرد با هیدروژن و بنزین را داشته باشد.

سوخت خطرناک

سوخت هیدروژن، همان اندازه که پاک است، خطرناک نیز هست و به همان اندازه ذخیره آن پیچیده است. به همین دلیل، مهندسان بی‌ام‌و برای ساخت یک خودرو هیدروژنی با مانع بزرگی روبه‌رو بوده‌اند. در خودرو R2H بیش از 11 کیلوگرم هیدروژن مایع در یک مخزن عایق‌بندی شده، ذخیره می‌شود. در مجموع برای حفظ ایمنی ساخت در تمام شرایط، 3 عدد سوپاپ مخصوص روی مخزن سوخت قرار گرفته است اما به هر حال، حفظ ایمنی این مخزن پیچیده است و هنوز بزرگترین سوال برای افکار عمومی در استفاده از این خودروها به غیراز فناوری پیچیده موتور و چگونگی ذخیره‌سازی مناسب، ایمنی این خودروهاست زیرا در صورت انفجار مخزن این خودروها، به راحتی محله‌ای به هوا خواهد رفت.

آینده هیدروژن

استفاده از سوخت‌های فسیلی، احتمالا در 50 سال آینده، اندک‌اندک کنار گذاشته خواهد شد. براساس پیش‌بینی‌های انجام شده توسط مراکز تحقیقات موتور آلمان تا سال 2020م به آرامی خودروهای هیبریدی که ترکیبی از خودروهای برقی و بنزینی است جایگزین خودروهای کنونی می‌شود و از سال 2020م استفاده از موتورهایی هیدروژنی، جایگزین موتورهای قدیمی خواهد شد. البته هنوز راه درازی تا آن سال‌ها باقی‌مانده است ولی در صورت موفقیت مهندسان، مشکل انرژی و آلودگی حل خواهد شد؛ چراکه تنها نتیجه سوختن هیدروژن با اکسیژن، آب است. شاید بعید به نظر برسد، عنصر هیدروژن که به گفته بسیاری از دانشمندان، دومین عنصر طبیعت از نظر فراوانی است، به سختی تهیه و سخت‌تر از آن ذخیره می‌شود؛ حال باید دید دانشمندان چگونه از هیدروژن استفاده می‌کنند و چگونه کلید استفاده از معدن هیدروژن در خودروها پیدا خواهد شد.