◄ پیل های سوختی هیدروژنی در حمل و نقل سنگین جاده ای

بخش سوم از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش چهارم آن در ادامه می آید.

الف- کامیون و تریلر

اگرچه خودروهای برقی (باتری دار) پاک و با بازدهی بالا، در مناطق شهری کاربری خوبی دارند، ولی فناوری پیل سوختی رویکرد بهینه‌ ای در زمینه‌ لجستیک بارهای سنگین و سفرهای طولانی است. زیرا اولاً  به هنگام ترافیک سنگین یا شرایط توقف و حرکت مکرر، باتری ها به سرعت قدرت خود را دست می‌دهند. ثانیاً خودروهای دارای پیش‌ران یگانه‌ برقی (باتری دار)، به سبب طولانی بودن مدت شارژ و محدودیت طول سفر، برای عملیات طولانی و بارگیری سنگین چندان مناسب نیستند.

از طرف دیگر کامیون ها، عامل 25 درصد از تولید گازکربنیک بخش حمل و نقل در اروپا هستند و از این بابت غول های جاده ها یعنی تریلرهای 40 تنی به بالا، بیشترین توجه را به خود جلب می کنند. پارسال شرکت فرودنبرگ (Freudenberg) با همکاری شرکت هایی چون (Flix Bus) و (Meyer Werft) توانست پروژه‌ های موفقیت‌ آمیزی را در زمینه‌ی ساخت پیل های سوختی برای اتوبوس ها و کشتی ها طراح کرده و بسازد. اخیراً با کمک های مالی ایالت باواریای آلمان برای انجام تحقیق در زمینه‌ توسعه‌ انرژی های نو، شرکت فرودنبرگ با همکاری شرکت (Quantron) در حال آزمایش و عرضه‌  یک پیل سوختی بزرگ، سخت‌کار و مقاوم برای کامیون های بسیار سنگین است. هدف از این همکاری، آزمایش و راه اندازی پیل سوختی بزرگ برای ارتقاء کارکرد، دوام و بُرد آن تحت شرایط حمل مستمر تجاری است. نام این تریلر (Enegon) است (تصویر زیر).

از طرف دیگر خودروهای سواری به طور میانگین فقط روزی یک تا 2 ساعت در روز کار می‌ کنند و لذا  عموماً بر مبنای کارکرد 5000 تا 8000 ساعت طراحی و ساخته می‌ شوند. ولی کامیون های سنگین بر مبنای طراحی پیشرفته باید خدماتی به میزان 35000 ساعت را ارائه دهند، زیرا درآمدزایی فقط از کارکرد عملیاتی قابل اعتماد و مستمر آنها میسر می‌شود. اغلب پیل های سوختی فعلی در اصل برای وسایل نقلیه‌ مسافری طراحی و ساخته شده اند و حالا باید برای بارهای سنگین و عمر طولانی بازطراحی شوند. این موضوع از طریق به کار بردن مواد اولیه باکیفیت بالا، طراحی عالی و استاندارد سازی  برای به حداقل رساندن هزینه‌ های تعمیر و نگهداری پیل ها و امکان جایگزینی آنها با حداقل کوشش میسر می‌ شود.

شرکت آسکو (Asko) نروژی که یکی از بزرگترین شرکت های تولید انرژی تجدیدپذیر جهان است، با همکاری مرکز تحقیقات مستقل اروپا، طی یک فرایند 10 ساله اقدام به طراحی کامیون های هیدروژنی نموده است. این کامیون ها که با همکاری اسکانیا ساخته می‌شوند، دارای تجهیزاتی شامل یک موتور 290 کیلوواتی (210 کیلووات مستمر)، سیستم انتقال 2 سرعته، حداکثر گشتاور 2200 N.m ، باتری لیتیوم-یونی 56 کیلوواتی، پیل سوختی غشای تبدیل پروتون (PEM) 90 کیلوواتی، شارژر روی خودرو 22 کیلوواتی AC ، مخزن هیدروژن 33 کیلوگرمی (تحت فشار 350 بار) است. این کامیون می‌تواند با یک مخزن پر 400 تا 500 کیلومتر را به پیماید (تصویر زیر). بر اساس محاسبات بازاریابی، کشور نروژ تا سال 2030 دارای 10 هزار کامیون سنگین هیدروژنی در جاده هایش خواهد بود. سیستم کاملاً برقی (باتری دار) برای کامیون های کوچک مناطق شهری کاربری دارد.

اخیراً شرکت جنرال موتورز بر خلاف مسیر دیگران، در شراکت با ناوی‌استار (Navistar) وابسته به شرکت جی. بی. هانت (J.B.Hunt)، خط تولید کامیون های هیدروژنی را برای بارهای سنگین و در مسافت های طولانی راه‌اندازی کرده است. ناوی‌استار که یک شرکت خصوصی و پیشگام در زمینه‌ تولید، ذخیره سازی و توزیع سوخت هیدروژن است، در رابطه با طراحی سیستم های ایمنی سوخت رسانی به کامیون های پیل سوختی، فعالیت می‌کند. این شرکت مسئول تهیه‌ مخازن هیدروژن، تأمین سوخت هیدروژن و ساخت جایگاه های سوختگیری در مسیرهای معین است. شرکت جنرال موتورز پیل های سوختی هیدروژنی تریلرها (با مجموعه‌ ای از 300 پیل سوختی کوچک همراه با سیستم کنترل گرما و توان) را تولید و عرضه می‌کند که با یک مخزن پر، تریلر را بیش از 500 کیلومتر به پیش می‌ راند (تصویر زیر). این سیستم در سال 2022 آزمایش می‌شود و در سال 2024 به طور تجاری به بازار عرضه می‌گردد.

شرکت کامینز (Cummins) همراه با 43 شرکت اروپایی از ساخت کامیون های سنگین هیدروژنی برای مسافات طولانی حمایت کرده است. کامینز تلاش دارد که انواع پیل سوختی را برای کاربری کامیون های گوناگون به بازار اروپا عرضه کند. تاکنون نیز 20 نوع مدول پیل سوختی به تعدادی از سازندگان کامیون در اروپا ارائه کرده است. اخیراً برای شرکت فان (Faun) سازنده‌ کامیون های جمع آوری زباله و جاروب کننده خیابانها، پیل سوختی مطابق با تقاضای درخواستی تأمین کرده است. این کامیون ها که می‌بایست پرتوان و بادوام باشند، با یک بار سوختگیری هیدروژن و محموله‌ 10 تنی، مسافت 560 کیلومتر را می‌ پیمایند. در هر کامیون بر حسب نوع و طول مسیر، 3 پیل سوختی 30کیلواتی و 6 مخزن هیدروژن (هر یک با گنجایش 4 کیلوگرم) تعبیه می‌شود (تصاویر زیر). این نوع خودروهای سنگین به زودی در خیابانهای آلمان فعال خواهند شد و نبود آلایندگی صوتی و هوا از مزایای آنها در مناطق شلوغ شهری می‌ باشد.

شرکت جی. بی. هانت، یکی از بزرگترین شرکت های کامیوندار آمریکا نیز در حال خرید سیستم های سوخت‌ رسانی هیدروژنی از ناوی‌استار و همچنین کامیون های پیل سوختی تا پایان سال 2024 است. کامیون های پیل سوختی درخواستی (تصویر زیر) با یک باک پر می‌توانند مسافاتی به طول 900 کیلومتر را بپیمایند و مزیت بزرگ آنها نسبت به کامیون های برقی، شارژ سریع (یک ربع ساعت) است.

طرفداران کامیون ها برقی بر این نظرند که فناوری شارژ باتری به سرعت رو به بهبود است و مرتباً زمان کمتری صرف شارژ کردن آنها می‌شود . ضمن اینکه هیچ راننده‌ ای مجاز نیست که ساعات طولانی را یکسره پشت فرمان بنشیند و نیاز به استراحت دارد. بنابراین مدت شارژ باتری حین استراحت، ابداً مسئله‌ مهمی نخواهد بود. 

شرکت بالارد پاور (Ballard Power) کانادایی از شرکت آرکیولا انرژی (Arcula Energy) سفارش ساخت نسل بعدی پیل سوختی پرقدرت و با کاربری سنگین را دریافت کرده است. این پیل های سوختی ساده، ارزان، بادوام، و جمع و جور، توانایی تطابق با انواع شاسی خودروها را خواهند داشت. شرکت بالارد پاور یک پیل سوختی جدید را برای انواع اتوبوس و کامیون های متوسط و سنگین به بازار عرضه می‌کند. این پیل سوختی 100 کیلو واتی به لحاظ اندازه و وزن به ترتیب 40 و 30 درصد از پیل های سوختی مشابه قبلی کوچکتر و سبکتر است. برد پیل های سوختی با یک مخزن پر، 640 کیلومتر (همتای کامیون های امروزین موتورهای احتراق داخلی) است. از هم اکنون چند شرکت درخواست های خرید آنها را به شرکت سازنده داده‌ اند تا بتوانند هرچه سریعتر از مشوق های زیاد ارائه شده از طرف ایالت کالیفرنیا بهره‌‌ مند شوند. پیل های سوختی این شرکت دارای سابقه‌ 100 میلیون کیلومتر خدمات به وسیله‌ 3500 اتوبوس و کامیون است. لذا شرکت مزبور ضمن داشتن اطمینان کافی از عملکرد محصولاتش، اطلاعات کافی از هزینه‌ های طول عمر آنها را هم دارد.   

از طرف دیگر شرکت هیوندایی بر روی انواع اتوبوس و کامیون هیدروژنی کار می‌کند. تریلر تولیدی با یک مخزن پر و 18 تن بار، مسافت 400 کیلومتر را می‌ پیماید. این شرکت 10 کامیون سنگین (Xcient) دارای پیل سوختی دوگانه هر یک با توان90 کیلو واتی، مخازن هیدروژن 32 کیلوگرمی، یک مجموعه باتری با ظرفیت 650 ولت و 72 کیلووات ساعت، حداکثر توان خروجی مجموع پیل سوختی و باتری 350 وات و حداکثر سرعت 85 کیلومتر در ساعت را به سوئیس فروخته است. قرار است 50 دستگاه نیز تا پایان سال جاری و 16000 دستگاه تا سال 2025 ساخته شوند. ضمن اینکه 30 دستگاه کامیونهای کلاس 8 (Xcient) هم برای حمل در سطح ایالتی به کالیفرنیا عرضه شده است (تصویر زیر).

شرکت هایزون (Hyzon) با سرمایه گذاری های سنگین، شروع به ساخت انواع تریلرها در آمریکا نموده است. برای احتراز از نصب و راه اندازی جایگاه های شارژ گرانبها در حد ملی، فعلاً فعالیت تریلرها در حوزه‌ ایالتی محدود مانده است. هنوز مشتریان زیادی برای رسیدن به نقطه‌ سربه سر نیافته است. البته سفارش های مختلفی را دریافت کرده که نوید‌بخش بوده است. ساخت2 دستگاه تانکر تخلیه و حمل فاضلاب 350 کیلوواتی برای شهرداری روتردام هلند توسط هایزون انجام شده که تصویر آن در سمت راست دیده می‌شود. در سمت چپ نیز یک تانکر بزرگ ساخت این سازنده ملاحظه می‌ شود.

این شرکت در تفاهم نامه‌ای که با شرکت لجستیکی (HongYun Automotive co.) شانگهای امضاء کرده، تعهد کرده که 500 کشنده‌ی 49 تنی پیل سوختی بسازد. اولین سری 100 تایی تا سال 2021 نحویل می‌شود. طبق قراردادی دیگر می‌بایست 5 دستگاه کشنده 154 تنی برای (ArkEnergy) که تابعه شرکت (Korea Zinc) بزرگترین تولید کننده‌ روی، سرب و نقره جهان است، ساخته شود. 3 تریلر به هر کشنده متصل می شود تا مواد اولیه از معدن به کارخانه به مسافت 30 کیلومتر حمل شوند. هیدروژن سبز مصرفی این کشنده‌ ها را کشور استرالیا تهیه و تحویل می دهد. یک تفاهم نامه دیگر با شرکت خرده فروشی زنجیره ای (MPreis) استرالیایی برای ساخت و تحویل 70 دستگاه کامیون هیدروژنی به امضاء رسانده است.

علاوه بر آنها هایزون شروع به تحویل دادن اولین کامیون های هیدروژنی به مشتریان اروپایی خود کرده است و تا پایان امسال 85 دستگاه را عرضه می‌کند. برای اینکار یک کارخانه‌ مونتاژ کامیون در شهر گرونینگن هلند تأسیس کرده است. یک تفاهم نامه‌ دیگر با شرکت انرژی های تجدیدپذیر (Roven SR) برای مشارکت در ساخت 100 هاب تولید هیدروژن در آمریکا به امضاء رسانده است که اولین آن در منطقه‌ (Bay) است. در نیوزیلند نیز موافقتنامه‌ ای را با یک شرکت توزیع کننده‌ انرژی به نام (Hiringa) به امضاء رسانده تا یک شبکه از جایگاه های سوخت را در این کشور تأسیس کند. 

البته از طرف برخی خودروسازان درباره‌ استفاده از کامیون های پیل سوختی، تردیدهای ابراز شده است. شرکت معظم اسکانیا که جزو 10 شرکت بزرگ کامیون‌ سازی دنیاست و در حوزه‌ انرژی‌های تجدیدپذیر سرمایه‌گذاری های هنگفتی نموده است، پس از یک دوره ساخت کامیون های سوخت هیدروژنی و برقی (باتری دار)، به این نتیجه رسیده است که کاربری سوخت هیدروژن به دلیل پیچیدگی زیاد در سیستم های هوا دهی و خنک‌کنندگی، ایمنی کمی دارد. اُفت بازدهی در مراحل مختلف تبدیل انرژی تجدیدپذیر به هیدروژن، حین ذخیره سازی و توزیع و تبدیل مجدد گاز هیدروژن به برق، مجموعاً سه برابر شارژ باتری است. ضمن اینکه هزینه‌های ذخیره سازی و نگهداری آن نیز نسبت به نوع برقی بیشتر است. لذا ساخت آن را فعلاً کنار گذارده است. این شرکت اذعان می‌کند با وجود مزایای متنوع سوخت هیدروژنی (از جنبه‌های توان ذخیره سازی انرژی، بسیار پاک بودن، چگالی زیاد انرژی، قدرت راندن کامیون در مسافات زیاد، سرعت بالای پرکردن باک)، این تصمیم را گرفته است.

ب- اتوبوس

اتوبوس یکی از بهترین موارد کاربری پیل سوختی است. مهمترین فرق اتوبوس با خودرو سواری هیدروژنی، در مقدار توان مورد نیاز، حجم فضای در دسترس، طرز کار عملیاتی و جایگاه های سوخت رسانی است. اتوبوس ها به دلیل مسافات طی شده در روز و همچنین توقف و حرکت مداوم، بیشتر از خودروها در معرض فرسودگی قرار می‌گیرند. اتوبوس هایی با پیش‌ران پیل سوختی بین 30 تا 140 درصد بهتر از اتوبوس های احتراق داخلی و گاز‌طبیعی به صرفه هستند. این اتوبوس ها به زیرساخت های ویژه شهری نیاز ندارند و یک جایگاه سوخت‌ رسانی مرکزی اتوبوس ها، می‌تواند به تعداد زیادی اتوبوس خدمات داده و لذا از میزان سرمایه گذاری ها کاسته می‌شود. از آنجایی که اتوبوس هیدروژنی با یک مخزن پر  (بسته به تراکم تردد خیابانها و وجود خطوط ویژه)، می‌تواند یک تا چند روز کار کند،  لذا یک جایگاه در دپوی مرکزی برای پر کردن مخازن اتوبوس ها کفایت می‌کند.  اغلب اتوبوس های‌های جدید به صورت  پیش‌ران دوگانه‌ پیل سوختی- باتری کار می‌کنند که همچون سایر موارد (مانند لکوموتیو یا خودرو سواری) پیش‌ران اصلی اغلب پیل سوختی است.

همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده، بخشی از تجهیزات بسیار جاگیر و مخازن کمپوزیتی بسیار مستحکم (که هیدروژن به صورت فشرده در آنها ذخیره می‌شود) در سقف اتوبوس جاسازی می‌گردند و قسمت کمی از فضای مفید به سایر تجهیزات هیدروژنی اختصاص می‌یابد. بنابراین نسبت به اتوبوس های احتراق داخلی از این منظر دارای مزیت است. این مکان به دلیل سبکتر بودن هیدروژن نسبت به هوا، دوری از قطعات خطرناک موتور و همچنین در معرض ضربه نبودن در مواقع تصادف، ایمن است. در این حالت باتری ها به سبب سنگینی وزن در قسمت زیرین اتوبوس جاسازی می شوند.

در حال حاضر چند نوع اتوبوس پیل سوختی به لحاظ تنوع، وجود دارند:

1. اتوبوس های معمولی (12 تا 13 متری):
   • با یک پیل سوختی بزرگ (مثلاً 120 کیلوواتی) و باتری کوچک برای افزایش بُرد سفر.
   • با خازنهای فوق بزرگ (به جای باتری) و یک پیل سوختی (مثلاً 75 کیلوواتی).
   • با باتری های بزرگ و یک پیل سوختی کوچک برای افزایش بُرد سفر.
2. اتوبوس های چندکابینه (18 متری به بالا):
   • با باتری های بزرگ و یک پیل سوختی برای افزایش بُرد سفر.

از دهه‌ 1990 ، اتوبوس های هیدروژنی در اغلب شهرهای بزرگ جهان به کار گرفته شده اند. در حال حاضر 13 شرکت معتبر سازنده‌ی اتوبوس های هیدروژنی وجود دارند. از جمله‌ آنها می‌توان از نیوفلایر(NewFlyer) ، دایملر-کرایسلر، مان، فن هول (VanHool)، تویوتا، سان لاین (SunLine)،  ولوو نام برد. از طرف دیگر سازندگان اصلی پیل های سوختی جهان شرکت های تویوتا، فوجی، بالارد پاور، UTC، Hydrogenics، Nuvera، پروتون موتور می‌باشند. نکته‌ جالب در این صنعت، جدا بودن سازندگان اتوبوس از تولیدکنندگان پیل سوختی است. قدرت پیل سوختی، بسته به نوع و اندازه‌ اتوبوس ها، بین 20 تا 205 کیلووات است.

 شرکت تویوتا برای دوره‌ مسابقات المپیک و پارالمپیک، پیل های سوختی ساخته است که دو برابر پیل های سوختی خودروهای سواری خود (Mirai)، قدرت دارند. مدیران این شرکت در صدد هستند تا نسل بعدی پیل های سوختی را با قدرتی برابر (یا حتی بیشتر از) سیستم های احتراق داخلی کنونی تولید کنند. شاید بزرگترین مانع توسعه‌ تجاری اتوبوس های هیدروژنی، گرانی پیل های سوختی و طول عمر آنها باشد. البته ضعف گرانی ممکن است که ناشی از تیراژ بسیار پایین تولید پیل های سوختی نسبت به موتورهای احتراق داخلی باشد.

شرکت بالارد پاور طی 15 سال فعالیت خود 1300 پیل سوختی برای اتوبوس های هیدروژنی فعال در کشورهای مختلف دنیا ساخته است. این شرکت مدعی است که این پیل ها با 35 هزار ساعت خدمت‌ رسانی (بیش از 14 ساعت فعالیت روزانه، 6 روز در هفته و طی 8 سال) نیازمند هیچ گونه تعمیرات و نگهداری قابل توجهی نبوده اند.

در این باره نکته‌ جالب توجه این است که بر خلاف موتورهای احتراق داخلی که تقریباً به انتهای فناوری، میزان بازدهی، طول عمر و بهای تمام شده رسیده‌ اند، انواع وسایل نقلیه‌ هیدروژنی و باتری‌ دار هنوز در ابتدای راه هستند و همان طور که در قسمت های بعدی ملاحظه خواهد شد، برنده بودن آنها در بسیاری عرصه ها طی یک دهه‌ آینده، از هم اکنون محرز است.  

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته