خودروهای هیدروژنی

خودروی هیدروژنی، نسل آینده خودروها

خودروی هیدروژنی نیروی محرکه خود را از سوزاندن هیدروژن و تبدیل آن به آب تامین می‌کند. درست است که مشکل ذخیره هیدروژن مهم‌ترین دردسر تولید این خودرو است، اما بازهم می‌تواند بهتر از خودروهای الکتریکی باشد
کودکانی که امروز به دنیا می‌آیند،‌ می‌توانند در بزرگسالی خودروهایی را برانند که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. جرج بوش در سال 2003/ 1380 با تخصیص 2/1 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 سال گذشته استیون چو، وزیر انرژی آمریکا و برنده جایزه نوبل فیزیک در مورد 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. علیرغم همه این‌ها، اگر بخواهیم واقعا به فکر گازهای گلخانه‌ای باشیم، باید به راه دیگری غیر از گاز طبیعی برای گرفتن هیدروژن فکر کنیم.
چهار ماه بعد، در ماه می/ اردیبهشت گذشته آقای چو اعلام کرد که ابتکار هیدروژن از بودجه آینده حذف خواهد شد و هزینه‌ها صرف سوخت‌های زیستی و باتری‌های الکتریکی خواهد شد.
اما در بررسی‌هایی که برای اختصاص بودجه صورت گرفت، حتی بسیاری از تولیدکنندگانی که انرژی زیادی را صرف سوخت‌های زیستی و باتری‌های الکتریکی کرده بودند، اعتراف کردند که ابتکار هیدروژن پتانسیل‌هایی در درازمدت دارد که قابل انکار یا به دست آوردن با روش‌های دیگر نیست. در نهایت، کنگره آمریکا تصمیم گرفت که سخنان چو را نادیده بگیرد و بودجه را قطع نکند.
در ماه سپتامبر/ شهریور گذشته، 9 تولیدکننده بزرگ خودرو، دایملر، فورد، جنرال موتورز، هوندا، هیوندای، کیا، رنو، نیسان و تویوتا، ‌بیانیه‌ای را به طور مشترک امضا کردند که بر اساس آن تا سال 2015/ 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 چهار مانع بزرگی که چو اعلام کرده بود،‌ خواهیم پرداخت. برای تماشای عکس بزرگ، اینجا را کلیک کنید.

پیل سوختی
در تئوری،‌ این باتری باید اکسیژن را از هوا و هیدروژن را از مخزن گرفته،‌ با یک واکنش کنترل‌شده آن‌ها به آب و انرژی تبدیل کند. آب به صورت 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 این که 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 کند و همه بخار را خارج سازد. اما تویوتا گفته از فناوری جدیدی استفاده می‌کند که باعث می‌شود خودرو در دمای 37- درجه هم روشن شود.
همچنین تولیدکنندگان در حال کاهش نیاز به کاتالیزورهای گران‌قیمت هستند. تخمین زده شده که بین سال‌های 2002/ 1381 و 2008/ 1387 قیمت این باتری‌ها تا 75 درصد کاهش یافته است. رقم شگفت‌آوری است نه؟
مخزن هیدروژن
در ژوئن 2009/ خردادماه گذشته، مهندسین تویوتا به همراه ناظرین دولتی،‌ با استفاده از یک مخزن هیدروژنی توانستند در ترافیک معمول، 533 کیلومتر برانند که این رقم به 693 هم می‌تواند برسد.
اما تا چند سال پیش،‌ ذخیره هیدروژن مشکل بزرگی بود. ذخیره آن به شکل گاز نیاز به مخازن بزرگ و احمقانه‌ای 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 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. در حقیقت تفاوتشان تنها در منشا انرژی است؛ ‌هیدروژن و باتری‌های یون لیتیوم.
زیرساخت‌های توزیع
همه خودروها نیاز به تجدید سوخت دارند. اما این مسئله مانند مثال مرغ و تخم‌مرغ است؛‌ مردم تا وقتی جایگاه‌های سوخت هیدورژنی نباشند، خودروی هیدروژنی نمی‌خرند. اما هیچ‌کس هم تا وقتی خودروهای هیدروژنی زیادی دست مردم نباشد،‌ 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.
در حال حاضر در برخی جایگاه‌های بنزین آمریکا، پمپ‌های هیدرونی 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 محیط زیست،‌ مهم ترین سوال این است که هیدروژن مصرفی از کجا تامین خواهد شد. در حال حاضر ارزان‌ترین راه به دست 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 در حال حاضر 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 2015/ 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،‌ در حالی که فورد و بی.ام.و 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 محیط زیست به شدت در حال افزایش است، منابع انرژی فسیلی دنیا در حال تمام شدن است، از طرفی قیمت نفت هر روز بیش از گذشته افزایش می‌یابد، ولی جالب‌تر آنکه تقاضا 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. سوختن 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 تکنولوژی چنین موتوری بسیار پیچیده‌تر است و در حال حاضر، تاسیسات سوخت‌رسانی چنین خودرویی نیز بسیار‌گران قیمت هستند ولی هم اکنون دو راه برای استفاده از هیدروژن در خودروها پیشنهاد شده است که یکی استفاده از پیل سوختی و دیگری استفاده از موتورهای درون‌سوز هیدروژنی است.

پیل سوختی، روش خودروسازان آمریکایی
استفاده از پیل سوختی در بسیاری از خودروسازان به صورت آزمایشی آغاز شده است اما استفاده از آن در آمریکا، 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 ‌٢٠15، اولین مدل‌های تجاری این خودرو را وارد بازار خواهد کرد. خودروهای پیل سوختی در واحد پیل سوختی از واکنش هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می‌کنند و از برق تولیدی نیز برای به حرکت در آوردن چهار الکترو موتور استفاده می‌شود. خروجی این سیستم، تنها آب است چرا که 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 ب.‌ام.‌و راهی دیگر
مهندسان ب.‌ام.‌و که در جهان اتومبیل به مهندسان تکنولوژی معروف هستند، رویای سوخت هیدروژنی را به واقعیت نزدیک کرده‌اند اما این خودروساز بر خلاف روش خودروسازان آمریکایی، 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 ب.‌ام.‌و، خودرو هیدروژنی را با موتور H2R ساخته‌اند که با آرایش خورجینی و با 12 سیلندر و به‌کارگیری سوخت هیدروژن، 285 اسب بخار قدرت تولید می‌کند. خودرو جدید ب.‌ام.‌و در آخرین رکوردگیری توانسته رکورد 302 کیلومتر در ساعت را به دست آورد.
حال ب.‌ام.‌و قصد دارد بر اساس تجربه‌های به دست آمده در مدل H2R، 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 ب.‌ام.‌و برای ساخت یک خودرو هیدروژنی با سد بزرگی روبه‌رو بوده‌اند.
در خودرو H2R بیش از 11 کیلوگرم هیدروژن مایع در یک مخزن عایق‌بندی شده، ذخیره می‌شود. در مجموع برای حفظ ایمنی ساخت در تمام شرایط، سه 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 غیر از تکنولوژی پیچیده موتور و چگونگی ذخیره‌سازی مناسب، ایمنی این خودروهاست زیرا در صورت انفجار مخزن این خودروها، به راحتی محله‌ای به هوا خواهد رفت.

آینده منتظر 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 2020 به آرامی خودروهای هیبریدی که ترکیبی از خودروهای برقی و بنزینی است جایگزین خودروهای کنونی می‌شود و از سال 2020 استفاده از موتورهایی هیدروژنی، جایگزین موتورهای قدیمی خواهد شد. البته هنوز راه درازی تا آن سال‌ها باقی مانده است ولی در صورت موفقیت مهندسان، مشکل انرژی و آلودگی حل خواهد شد؛ چرا که 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.