◄ پیل های سوختی هیدروژنی در صنعت دریایی

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

الف: شناورهای کوچک و متوسط (قایقها، فری بوتها و یدک کشها)

در صنعت دریانوردی شرکت های سازنده‌ شناورها، متصدیان و صاحبان شناورهای دریایی و شرکت های سازنده‌ پیل های سوختی باید با یکدیگر همکاری و سرمایه گذاری کنند تا یک شناور مناسب تولید و مورد بهره‌برداری قرار گیرد. شرکت های زیادی در صنعت ساخت پیل های سوختی دریایی فعالیت دارند که نام تعدادی از آنها بدین شرح است:      

 Anuvu, Inc. / Millennium Cell/ Duffy Electric Boats/Seaworthy Systems; EIVD / MW-Line / Paul Scherrer Institute (PSI); Texaco Ovonic Hydrogen Systems/ Hydrogenics/ Catalina Yachts; and Ballard Power Systems/ RedRock.

پیل های سوختی مورد استفاده در قایق های کوچک بنا به اندازه و توان مورد نیاز، بین 3 تا 41.5 کیلوات هستند. در جدول زیر میزان توان مورد نیاز انواع شناورهای متوسط و بزرگ به تقریب نشان داده شده است. همان گونه که مشاهده می‌شود توان لازم به نسبت نوع شناور، از 130 کیلووات تا 97 مگاوات است. در این جدول میزان توان کشتی های بسیار بزرگ باری منظور نشده است.

در اکثر بندرگاه ها به منظور حفظ محیط زیست، مقرر شده که موتورهای دیزلی خاموش شوند و برق سیستم های جانبی به طور محدود توسط بندر تأمین می‌شود. اما مصارف سیستم های جانبی شامل روشنایی، گرمایش و سرمایش، برق تجهیزات، سیستم اضطراری، آشپزخانه و غیره (به ویژه بخش هتلداری کشتی های مسافری) زیادتر از میزان برق تأمین شده از سوی بندرگاه است. باتری های بزرگ برای مدت محدودی می‌توانند کسری برق کشتی را تأمین کنند و به سرعت دشارژ می‌شوند. در این حالت پیل های سوختی که به سبب فقدان آلایندگی مجاز به فعالیت می‌باشند، کارایی بالایی را از خود نشان می‌دهند. از ویژگی های پیل سوختی این است که برای هر مجموعه از موارد مصرفی مزبور، می‌توان پیل سوختی متناسب با همان نیاز را نصب نمود. اخیراً در بعضی بنادر، خاموش کردن موتورهای دیزلی حتی در بدو ورود به حوضچه‌ بندرگاه ها هم لازم الاجرا شده است.  قرار است که آنها توسط یدک‌ کش های غیر آلاینده به کنار اسکله‌ ها هدایت شوند.      

سقف میزان استفاده از باتری ها با محدودیت‌ های ناشی از وزن و قیمت معین می‌شود. بنابراین برای مصارف انرژی متوسط و چرخه‌ی فعالیت هایی که اجازه می‌ دهند شناور مرتباً به کنار ساحل رفته و شارژ گردد، باتری کاربری خوبی دارد. اما پیل های سوختی را می‌توان با قدرت های متفاوت برای قایق ها، فری بوت ها و کشتی ها ساخت. طبق یک مطالعه انجام شده، اگر فاصله‌ بین مبدأ تا مقصد فری‌بوت (Ferry Boat) کمتر از 24 کیلومتر باشد، پیش‌ران برقی (باتری‌) مطلوب و بیش از آن مسافت، پیل سوختی به صرفه‌تر است.

شرکت گرین‌ سیتی در حال ساخت یک فری با سفرهای رفت و برگشتی است که دارای  ظرفیت 150 مسافر و 30 موتور‌سیکلت برای حمل در آبراه های استکهلم سوئد است. این فری از پیش‌رانهای دوگانه‌ پیل سوختی و باتری، هر یک با قدرت 500 کیلووات استفاده می‌کند. پیل سوختی توسط شرکت کانادایی (RedRock) تأمین می‌شود.  نکته‌ مهم اینست که در سواحلِ مبادی و مقاصد سفرها، باید امکانات سوختگیری هیدروژن و شارژ سریع باتری ها به تعداد کافی وجود داشته باشند. برخی از فریهای سبک از بدنه‌ آلومینیوم ساخته می‌شوند تا پس از سرعت گرفتن، بخشی از بدنه آنها از آب بیرون رفته و در این حالت با مقاومت 50 درصدی روبرو ‌گردند. البته بدنه‌های جدید از فیبر کربن ساخته می‌شوند که 30 درصد از آلومینیوم سبکتر هستند. نکته‌ مهم اینست که در منطقه‌ استکهلم 62 فری وجود دارند که با سهم 3 درصد از کل سفرها، عامل 50 درصد از آلودگی های حمل و نقل عمومی هستند. 

مسئله‌ جایگاه های سوختگیری در سواحل و بنادر بسیار مهم است. در رابطه با شناورهای متوسط، توان ساخت پیل های سوختی تا یک مگاواتی کاملاً وجود دارد. البته با موازی قرار دادن پیل های سوختی (مثلاً 200 کیلوواتی) کنار یکدیگر در یک مجموعه، توان یک تا 3 مگاواتی نیز قابل حصول است. به عنوان نمونه در در لیون فرانسه یک یدک‌کش جلوبرنده‌ دوبه در رودخانه رُن و یک فری مسافری در شبکه حمل و نقل محلی نروژ فعال هستند. هر دو آنها دو مجموعه پیل سوختی با توان های 400 و 600 کیلووات و مخازن هیدروژن (اولی به صورت گاز فشرده و دومی مایع) دارند.

میشلن بزرگترین شرکت سازنده تایر و لاستیک جهان، به کمک محققین سوئیسی نوعی بادبان بادکنکی بسیار پربازده طراحی و ساخته که به وسیله‌ دو کمپرسور باد می‌شوند. استفاده از آنها که برای کاربری در انواع قایق ها و کشتیها مقدور است، موجب کاهش مصرف انرژی می‌شود. در مواقع طوفانی باد آنها خالی می‌شود. دکل آنها نیز قابل جمع شدن است تا به راحتی بتوان آنها را با ارتفاع پل ها از سطح آب تطابق داد. این نوع بادبان ها تا سال 2022 تحت آزمایش بوده و سپس به تولید انبوه می‌رسند. استفاده از بادبان های مدرن برای کمک به بُرد پیل های سوختی و باتری در حال افزایش است.  

در کالیفرنیا ساخت اولین قایق هیدروژنی با پیل سوختی راه اندازی شده است. از طرف دیگر آژانس تحقیقات ماهیگیری و آموزش ژاپن با همکاری شرکت تویوتا در حال ساخت یک قایق 19 تنی با پیش‌ران پیل سوختی (Mirai) تویوتا در اندازه‌ی مصرف اتوبوس است. در سال 2019 طراحی بدنه‌ شناور انجام شده و در سال 2022 در اطراف یک جزیره شروع به کار می‌کند. ژاپن امیدوار است که با محدودیت های اعمال شده توسط سازمان جهانی دریانوردی، به زودی شناورهای پیل سوختی بازارهای خوبی در جهان داشته باشد.

 قایقی معروف به ناظر انرژی (Energy Observer) که از آن برای یک پروژه‌ تحقیق و توسعه فرانسوی در راستای بررسی میزان کارایی انرژی های تجدیدپذیر استفاده می‌شود، سالها است که تحت نظارت برخط (ONLINE) در دریاها و اقیانوس های جهان در گردش است و با سفری 13 هزار کیلومتری، بیش از 120 بندر و دهها کشور گذر کرده است. اخیراً این قایق از جزیره‌ی گالاپاگوس هاوایی به سن فرانسیسکو رسیده است. 

این قایق 32 متری از نوع دو بدنه‌ای (catamaran)، دارای 200 مترمربع مدول های خورشیدی بر روی عرشه است. قایق تحقیقاتی مزبور دارای دو بادبان پیشرفته خودکار است که چرخش 360 درجه‌ای دارند. کارایی آنها چنان بالاست که مصرف انرژی قایق را 18 تا 20 درصد کاهش می‌دهند. انرژی مورد نیاز قایق که از پانل های خورشیدی تأمین می‌شود، ضمن شارژ باتری های 100 کیلوواتی، انرژی مازاد را صرف تولید هیدروژن می‌کند. برای تولید هیدروژن آب دریا از یک فیلتر غشایی عبور کرده و نمک آن تصفیه می‌شود. سپس به کمک سیستم الکترولیزی که حتی در هنگام حرکت قایق هم کار می‌کند، هیدروژن تولید شده و فشرده می‌گردد. این قایق دارای دو پیش‌ران است که پیل سوختی به عنوان افزایش بُرد یا بهره‌برداری در شب ها به کار می‌رود.

برای این قایق علمی12 مسافره ، شرکت تویوتا یک پیل سوختی به نام (REXH2) ساخته که با نصب بر روی آن، هزاران مایل دریایی را پیموده و کارایی خود را به اثبات رسانده است. این پیل سوختی نمونه‌ ارتقا یافته‌ پیل سوختی خودروهای سواری (Mirai) توسط یک گروه تحقیق و توسعه برای کاربری دریایی است. با افزودن سیستم خنک کننده‌ آبی و همچنین فیلتری که از نفوذ نمک دریا به دستگاه جلوگیری می‌کند، پیل سوختی برای کاربری های دریایی مهیا شده است. کاربری بعدی این پیل سوختی برای قایق های تفریحی بزرگتر است.

قایق تفریحی (yacht) ساخت شرکت (Hynova) فرانسه، اولین استفاده کننده از پیل سوختی (REXH2) ساخت تویوتا می‌باشد. این قایق تفریحی 12 متری، از پیل سوختی 60 کیلوواتی و مخزن 30 کیلوگرمی هیدروژن، 2 موتور برقی 150 کیلوواتی استفاده می‌کند و قادر است با حداکثر سرعت 25 گره دریایی و سرعت عادی 15 گره دریایی حرکت کند. دارای دو پیش‌ران باتری و پیل سوختی است. پیل سوختی برای افزایش بُرد و در حالت لنگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدولار بودن پیل سوختی امکان افزایش توان را مطابق با میزان تقاضا فراهم می‌کند. ضمن اینکه چنانچه تعدادی از پیل های سوختی خراب شوند، بقیه به کار خود ادامه می‌ دهند. مشکل فعلی استفاده از سوخت هیدروژن، کمبود شدید ایستگاه های سوختگیری در کنار سواحل است. ایالت کالیفرنیا 40 ایستگاه سوختگیری برای خودروها نصب کرده و قرار است 1000 ایستگاه دیگر هم تا سال 2030 مورد بهره‌برداری قرار گیرند. ضمن اینکه سوخت هیدروژن نیز گرانتر از سوخت فسیلی است.

 یک مطالعه‌ امکانسنجی درباره‌ ساخت شناورهای بزرگ ساحلی (به ویژه برای مقاصد اقیانوس شناسی) فقط با یک پیش‌ران پیل سوختی، توسط گروهی از محققین انجام شده و در مجله‌ بین المللی انرژی هیدروژن در سپتامبر 2020 به چاپ رسیده است. در راستای ایجاد فضای کافی برای کاربری های مخازن هیدروژن، ماشین آلات، خدمات عملیاتی و فضای کنترل شناور، سازه‌ آن از نوع (trimaran) شامل یک بدنه‌ اصلی با دو بدنه‌ کوچکتر (شناورساز) متصل به بدنه‌ی اصلی در نظر گرفته شده است ( شبیه به تصویر زیر).

این نوع شناورهای بزرگ  بهتر است برای کاهش وزن، از آلومینیوم ساخته شوند. متوسط اندازه‌ های آن 50 متر طول، 17 متر ارتفاع، و 3.7 متر عمق در آب در نظر گرفته شده است. مشخصات عمومی آنه یک پیل سوختی 1800 کیلوواتی، سرعت 10 گره دریایی، 2 مخزن سوخت مجموعاً با 10.9 تن هیدروژن مایع، 2400 گره دریایی بُرد مؤثر و 15روز فعالیت یک سره است. در مقایسه با قایق های بزرگ موتور احتراق داخلی سوخت فسیلی، با 79 میلیون دلار نیاز به سرمایه گذاری (که نسبتاً مبلغی معقول به نظر می‌رسد)، بیشتر بودن 7.7 درصدی هزینه‌های بهره برداری و نگهداری ( عمدتاً به سبب گرانی سوخت هیدروژن) و در مقابل کمتر بودن 91.4 درصدی گازهای آلاینده، از خواص آن است.      

شاید یکی از مهمترین کاربری های پیل های سوختی، استفاده در یدک کش ها باشد. شرکت بالاردپاور اعلام نموده که با همکاری غول صنعتی چندملیتی سوئدی- سوئیسی (A.B.B.) و همراه با یک کنسرسیوم از شرکاء، در نظر دارد که یک یدک‌کش را برای جابجایی شناورهای آبیِ داخلی بسازد تا در سال 2021 در رودخانه‌ رُن فرانسه شروع به کار کند. یدک‌کش های پیل سوختی راه حل مناسب و باصرفه‌ای برای به حرکت درآوردن کشتی های اندازه‌ متوسط مسافربری با بیش از 100 مسافر یا کشتی های باری معادل آن در آب های داخلی و ساحلی می‌باشد. برای اجرای این پروژه،  شرکت بالاردپاور نسل بعدی مدول های پیل سوختی 200 کیلوواتی را در نظر گرفته است. بر اساس اظهارات مدیر شرکت (A.B.B.)، تمرکز بر فرایند سوختگیری، آزمایشی بسیار مهم برای بررسی میزان موفقیت انواع شناورهاست. شرکت های بالاردپاور و (A.B.B.) مذاکراتی را برای بهره گیری از پیل سوختی برای کشتی های تفریحی و مسافرتی شروع کرده‌اند.  بالاردپاور در آلمان نیز با همکاری یک شرکت برلینی، پروژه‌ی مشابهی را شروع کرده است. یدک‌کش مربوطه در سال 2021 مورد آزمایش قرار می‌گیرد و قرار است که در سال 2022 در آب های بین برلین و هامبورگ به حمل کشتی ها بپردازد.

شرکت رولزرویس طراحی مفهومی ساخت یک یدک‌کش به طول 29 و عرض 13 متر با توان 5 مگاوات پیش‌ران دوگانه و 100 کیلووات آمپر برای مصرف در روی عرشه را انجام داده است. از منظر کارشناسان این شرکت، تا به حال پیش‌ران اصلی یدک‌ کش های یک موتور احتراق داخلی دیزلی بوده که میزان قدرت آن با حداکثر نیاز یدک‌کش (سرعت یا قدرت بیشینه) مشخص می‌ شده است. ولی با مجموعه‌ ای از پیل های سوختی، میزان قدرت بر حسب موقعیت زمانی تنظیم می‌ گردد. هرگاه که یدک‌ کش در حالت حداکثر سرعت یا قدرت باشد، کل پیل های سوختی همراه با باتری ها به کار می‌افتند. در غیر این صورت ابتدا باتر یها و سپس پیل های سوختی مازاد بر نیاز از کار می‌افتند و بدین ترتیب از میزان مصرف انرژی کاسته می‌ شود.

شرکت رولزرویس در نظر دارد برای طراحی بهینه‌ شناوری جدید در این اندازه‌ی بزرگ، همه‌ دست اندرکاران از جمله مدیران بندرگاه ها، متصدیان حمل و نقل و صاحبان شناورها را به همدیگر مرتبط کرده و بهترین مفهوم پیش‌ران را برای هر نوع نیاز طراحی کرده و بسازد. ضمن اینکه این شرکت در حال ساخت موتورهای احتراق داخلی تک سیلندر با سوخت هیدروژن است که در سال 2021 به مرحله‌ آزمایش و سپس بهره برداری می‌رسد.

به لحاظ نظری استفاده انحصاری از باتری، کمترین میزان هزینه را برای یدک کش ها در بر دارد. ولی میزان مصرف بسیار بالای یدک‌ کش ها از یک طرف و پایین بودن چگالی انرژی باتری از طرف دیگر سبب می‌شود کمترین بُرد حمل را در داشته باشد. مثلاً اگر قرار باشد که به جای یک دیزل 2 مگاواتی که در شبانه‌روز 8 ساعت مداوم کار می‌کند، از باتری استفاده شود، وزن باتری ها  به 100 تن می‌رسد که بهره‌ برداری از آن ناممکن است. در نمودار زیر این مقایسه نشان داده شده است. بنابراین همچون اکثر شناورها از پیش‌ران دوگانه بهره‌گیری می‌ شود.

در یک وبینار علمی برگزار شده در ژوئن 2020 ، در مورد مسائل فنی آتی پیش‌رانهای دوگانه‌ پیل سوختی و باتری شناورهای دریایی بحث گردید. در آنجا به بررسی طراحی یک شناور 99 متری با 5000 (dwt)، 7.5 مگاوات انرژی پرداخته شد که دو مگاوات آن توسط پیل سوختی از نوع غشای تبدیل پروتونی تأمین می‌شود. پیل های سوختی در یک موتورخانه‌ دوم به طور مستقل نصب می‌گردد. نکته‌ مهم، تأمین سوخت شناور از طریق تعدادی از کانتینرهای تانکری است که در انتهای پشت عرشه قرار داده می‌شوند (تصویر زیر). 

با این کار در کوتاه مدت دیگر نیاز به تغییر طراحی شناور موجود برای ایجاد مخازن مستحکم و بادوام نیست. مدت زمان استفاده از هیدروژن کانتینرهای تانکری، بین 4 تا 5 روز در نظر گرفته شده است. اگر شناور به سفرهای دور نرود، به راحتی می‌توان آنها را در ساحل تعویض نمود. چنین سیستمی به مراکز سوختگیری در اسکله‌های بنادر هم نیازمند نیست. ضمن اینکه انتظار می‌رود با تجاری شدن این روش در آینده، تعدادی از شناورهای خدماتی، این نوع کانتینرهای تانکری را به کشتی های اقیانوس‌ پیما در حین سفر برسانند.

 بدین ترتیب در کوتاه مدت مشکل اختصاص فضای بزرگی از شناورها برای ایجاد مخازن هیدروژن مرتفع می‌شود. در گام دوم لازم است که در زیر عرشه ( زیر همان کانتینرهای تانکری)، مخازن هیدروژن نیز تعبیه شود تا بدین وسیله بُرد شناورها دو برابر گردد. گام سوم دگرگونی اساسی طراحی سازه‌ شناورها برای تطابق یافتن کامل با سیستم دو پیش‌ران پیل سوختی و باتری است. اما این دگرگونی موقعی قابل تحقق است که ایستگاه های سوختگیری در اغلب بنادر جهان نصب و راه اندازی شده باشند. موضوع بعدی توان پیل های سوختی است. در مرحله‌ی اول باید از پیل سوختی 2 مگاواتی متداول با سیستم پیش‌ران، ترانسفورمر و سیستم مدیریت قدرت، بهره‌برداری گردد. در مرحله‌ی بعدی توان پیل سوختی باید به 3 مگاوات ارتقاء یابد که مستلزم طراحی کاملاً متفاوت شناور است.  

(این نوشتار ادامه دارد)

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