◄ حرکت کشورهای اروپایی به سمت استفاده از قطارهای هیدروژنی مسافری

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

 ابتدا در نظر است که تحولات فناورانه‌ به کار رفته در انواع وسایل نقلیه که ناشی از استفاده‌ انرژی های تجدیدپذیر است، مورد ارزیابی قرار گیرد.

برخی  مزایا و معایب پیش رانهای برقی (باتری)  و هیدروژنی در وسایل نقلیه ریلی

الف- در حمل و نقل ریلی موارد زیر مطرح است:

1. هردو نوع منبع حرکت (باتری یا هیدروژن) از نوع پاک هستند.
2. در مقایسه با شبکه بالاسری برقی، به سرمایه گذاری سنگین نیاز ندارند. بر اساس برآوردها، بهره‌ گیری از شبکه بالاسری برق در خطوط ریلیِ تا سرعت متوسط، جذابیت خود را از دست می‌ دهند.
3. توانایی حمل و نقل انبوه را دارند.
4. آلودگی هوا و صوتی بسیار کمتری نسبت به موتورهای دیزلی دارند.

ب- از طرف دیگر، بر مبنای نظر کارشناسان خبره، بهترین نتیجه را سیستم های دوگانه به دست می‌آورند:

استفاده از باتری به تنهایی، به سبب وزن زیاد و نیاز به زمان طولانی بابت شارژ شدن در برخی ایستگاه ها، چندان طرفدار ندارد. استفاده از پیل سوختی هیدروژنی به تنهایی نیز به سبب محدودیت قدرت (به ویژه در فرازها) مشکل کندی سرعت را به بار می‌ آورد. 

1. هر یک از 2 منبع (باتری یا هیدروژن) می‌ توانند مکمل یک سیستم پیش‌ران دیگر باشند. پیش‌رانهای پیل سوختی یا باتری به همراه دیزل یا شبکه بالاسری به راحتی کار می‌ کنند.
   1. سیستم پیش‌ران دوگانه باتری و شبکه بالاسری به دو صورت طراحی می‌ شود. در روش اول باتری پیش‌ران اصلی است. یعنی در حالت عادی پانتوگراف ها پایین می‌ آیند و باتری ها تراکشن موتورها را به حرکت در می‌ آورند. در حالت ترمز، پانتوگراف ها به شبکه بالاسری متصل شده و برق برگشتی ناشی از ترمز برای شارژ باتری ها استفاده می‌شود. در شرایطی که برق برگشتی از ترمزها کفاف شارژ باتری ها را نکند، پانتوگراف ها به شبکه بالاسری وصل می‌گردند. در روش دوم، پیش‌ران اصلی شبکه برق سراسری است. باتری در مسافات کوتاه که شبکه برق بالاسری وجود ندارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این موارد شامل تونل های سقف کوتاه، مناطق مرکزی شهرها (به منظور حفظ زیبایی منظر)، انتهای خطوط برای دوربرگردان ها و غیره است.
   2. در سیستم دوگانه دیزل و باتری، عموماً پیش‌ران اصلی دیزل است. در فرازها و به هنگام شتاب‌ گیری، باتری به عنوان یک سیستم کمک کننده به توان محدود دیزل به کار برده می‌شود. در مناطق شهری که دارای مشکل آلودگی هوا و صوتی است، دیزل در حالت خلاص قرار می‌گیرد و از باتری استفاده می‌شود. 
   3. پیل سوختی در همراهی با شبکه بالاسری، معمولاً پیش‌ران اصلی شبکه بالاسری است. در این مورد نیز همچون باتری، در مسافات کوتاه که شبکه برق بالاسری وجود ندارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به سبب گرانی فعلی سوخت هیدروژن، هنوز پیل سوختی به عنوان پیش‌ران اصلی پیشنهاد نشده است.
   4. پیل سوختی با موتور ژنراتور دیزلی نیز همخوانی دارد. 2 روش برای آن پیشنهاد شده است. روش اول پیش‌ران اصلی دیزل است و از پیل سوختی به عنوان کمکی در فرازها و مرحله‌ شتاب گیری استفاده می‌ شود. روش دوم توسط یک سیستم پیشرفته، نیروی خروجی پیل سوختی به نیروی خروجی ژنراتور (دیزلی) افزوده شده و مجموعاً تراکشن موتورها را به حرکت در می‌آورند. بدین ترتیب از مصرف سوخت های فسیلی کاسته می شود. از طرف دیگر در شهرهای نسبتاً آلوده، دیزل در حالت خلاص قرار می‌گیرد و فقط پیل سوختی کار می‌ کند.
   5. بهترین تطابق را پیل سوختی و باتری با یکدیگر دارند. در قطارهایی با این نوع سیستم دوگانه، مخزن سوخت هیدروژن در سقف ها و باتری ها در زیر شاسی ها قرار می‌ گیرند. در این گونه قطارها به دلیل وزن زیاد باتری ها و لزوم کمتر بودن تعداد آنها، پیش‌ران اصلی پیل سوختی است. نیروی برق خروجی از باتری ها فقط در فرازها و شتاب‌گیری ها برای کمک به کمبود توان محدود پیل سوختی استفاده می‌ شود. عمل شارژ شدن باتری ها توسط پیل سوختی یا برق برگشتی ناشی از ترمز انجام می‌ پذیرد.
   6. در حال حاضر استفاده از دو پیش‌ران احتراق داخلی و شبکه بالاسری، در راه آهن های دنیا متداول  است تا بدین وسیله لکوموتیوها بتوانند در هر 2 نوع مسیرهای برقی و غیر برقی فعالیت کنند. در بسیاری از کشورهای اروپایی قرار بر این است که به جای موتورهای دیزلی، پیشران باتری یا پیل سوختی تعبیه و به کار گرفته شود.  
2. سوخت هیدروژنی دارای 2 رقیب جدی است: سوخت فسیلی و برقی. به نظر می‌ رسد سوخت فسیلی به دلیل آلودگی و متعاقباً هزینه‌ بری، تا یک یا 2 دهه‌ دیگر به انتهای خط برسد. در پهنه‌ اقیانوس های حمل دریایی و در پروازهای بلند حمل هوایی، نمی توان از باتری استفاده کرد و احتمالاً سوخت هیدروژنی بی رقیب باقی خواهد ماند. اما رقابت 2 نظام هیدروژنی و برقی در حمل و نقل ریلی همچنان ادامه دارد.

پیل های سوختی هیدروژنی در صنعت ریلی

یکی از خصوصیات بارز هیدروژن (علاوه بر آلایندگی صفر)، چگالی انرژی بیشتر نسبت به بنزین است. پیل سوختی (یا مبدل سلول سوختی Fuel Cell ، FC)  وسیله‌ایست که انرژی شیمیایی یک سوخت (هیدروژن) و یک عامل اکسید کننده (اکسیژن) را از طریق فعل و انفعالاتی به انرژی برقی تبدیل می‌ کند. فرق آن با باتری معمولی این است که فاقد یک فرایند مستمر است و به محض اتمام سوخت (هیدروژن)، فرایند متوقف می‌شود. این سیستم در سال 1832 اختراع شده  و از دهه 60 قرن بیستم به بعد برای مقاصد ماهواره‌ای و کپسول های فضایی مصرف می‌شده است.

باتری های سوختی به دلیل برق ضعیف (معمولاً 0.7 ولت) به صورت سری روی همدیگر سوار می‌ شوند و با این کار می‌توان تا چندین مگاوات برق تولید کرد. در فناوری‌های جدید در نظر است که به جای پیل های جداگانه، از طریق میکرو (وحتی متعاقباً نانو) لایه ها، پیل های سوختی با بازدهی بیشتر و توان بالاتر (در حجم ثابت) ساخته شود. بازدهی آن فعلاً بین 40 تا 60 درصد است، ولی اگر گرمای اتلافی بازیافت شود، بازدهی به 85 تا 90 در صد هم می‌ رسد. در وسایل نقلیه‌ سبک، بازدهی کل (از مخزن به چرخ) حدود 45 درصد است. در سال 2008 شرکت خوروسازی هوندا این بازدهی را به 60 درصد رسانده است. بازدهی از ابتدای مرحله‌ مصرف برق برای انجام فرایند الکترولیز تا انتهای مرحله‌ آخر یعنی تبدیل هیدروژن به برق (در پیل سوختی) بین 35 تا 40 درصد است.    

فرایند الکتروشیمیایی بدین صورت است که طبق شکل های بالا، آند (که در ابتدا از پودر گرانب های پلاتین ساخته می‌ شد) سوخت را به الکترون یونیزه تبدیل می‌ کند. کاتد (که از جنس نیکل بود) یون های اخذ شده را به ضایعات (آب) تبدیل می‌ نماید. ولی اینک برای ساخت کاتد و آند در پیل های سوختی، از انواع مواد فلزی و غیر فلزی ارزانتر و فراوانتر استفاده می‌ شود ولذا پیل های سوختی دارای انواع و بازدهی ها گوناگون هستند. از جریان یافتن مداوم الکترون ها بین آند و کاتد برق تولید می‌ گردد. این پیل ها توانایی کار کردن در دمای منفی 35 تا مثبت 40 درجه‌ سانتی گراد را دارند. میانگین کارکرد پیل سوختی ثابت (مثلاً در کارخانجات) تا 40 هزار ساعت (و با قابلیت اطمینان 99.99 درصد) و کارکرد آن در وسایل نقلیه 5 هزارساعت (یا 240 هزار کیلومتر) است. این مقادیر به سبب پژوهش های فشرده به سرعت در حال افزوده شدن می‌ باشند.

برای انتخاب یک سیستم جایگزین، لازم است چند عامل تأثیرگذار نظیر میزان مصرف انرژی، بازدهی، حجم سرمایه‌ گذاری برای ایجاد زیرساخت، سطح ایمنی، میزان آلایندگی، هزینه‌ های بهره برداری و نگهداری، طول عمر و ... به دقت ارزیابی شوند. طبق نظر برخی کارشناسان، بر اساس فناوری های موجود، فعلا هیدروژن بهترین گزینه برای حمل و نقل ریلی است. اما ممکن است فناوری های جدید باعث شوند که (به لحاظ قیمت، بازدهی و ...) گزینه‌ دیگری در موقعیت برتر قرار گیرد. از مشکلات تردید‌ برانگیز کنونی برای سرمایه‌ گذاری، نبود لکوموتیوهای غیر سفارشی (تجاری) موفق در بازار، نامعلوم بودن نتیجه‌ پژوهش های در حال انجام، بالا بودن ریسک سرمایه گذاری به عنوان اولین شرکت است. 

 یک شرکت استارت آپی پدید آورنده‌ فناوری های انرژی نوین، اخیراً توانسته فناوری توانمند‌سازی پیل سوختی  را به بازار عرضه کند. بدین معنی که شرکت مزبور موفق شده یک پیل سوختی از نوع نوین اکسید جامد و کم هزینه را تولید کند. بر مبنای آن نیز تفاهمنامه‌ ای با شرکت آمریکایی (Next Generation Propulsion ,NGP) امضاء کرده تا قطارهای سبک LRT و لکوموتیوهای باری آن شرکت را به فناوری نوین مجهز کند. مدیران شرکت NGP از مدت ها قبل، مجهز کردن لکوموتیوهای خود به فناوری پیش‌ران تجدید‌پذیر را در برنامه‌ کاری خود قرار داده بودند. به گونه‌ ای که توسط 2 شرکت انگلیسی موفق به ساخت نمونه‌ های اولیه (Proto Type) لکوموتیوهای هیدروژنی شده‌اند و این نوع لکوموتیوها تحت بهره‌ برداری آزمایشی قرار دارند.

اخیراً مدیران شرکت NGP ، پیل سوختی FCET را به سبب هزینه‌ های کمتر و در عین حال طراحی با بازدهی بالاتر، انتخاب کرده‌اند. از منظر آنان این نوع پیل سوختی، گزینه‌ کاملی برای قطارهای سبک LRT و لکوموتیوهای باری است. به دلیل برتری های این گزینه (از جمله کارکرد با دمای پایین و هزینه‌های کمتر) نسبت به مدل پیل سوختی قبلی، برای اولین بار در آمریکا انتخاب و تحت بهره‌ برداری قرار گرفته است. این فناوری نه تنها کاربری تجاری هیدروژن را به عنوان سوخت لکوموتیو ممکن ساخته، بلکه جایگزین مناسبی نیز برای سیستم های سنتی یک سده‌ اخیر می‌ باشد.

راه آهن شرقی ژاپن در اکتبر سال 2020 با 2 شرکت تویوتا و هیتاچی به تفاهم رسید تا لکوموتیوهایی با پیش‌ران دوگانه پیل سوختی و باتری طراحی کرده و تحت آزمایش قرار دهند. مقرر است که شرکت تویوتا پیل سوختی (Mirai) مربوط به خودروهای سواری و (SORA) به کار رفته برای اتوبوس ها را برای قطارهای سنگین (به لحاظ قدرت و کنترل پذیری بالا) بازطراحی کند. سیستم های کانورتر و باتری های اصلی توسط هیتاچی تأمین می‌ شود. در تصویر زیر تجهیزات مذکور دیده می‌ شود.

در تصویر زیر طراحی تجهیزات سیستم پیش‌ران نشان داده شده است. هیدروژن از مخزن به پیل سوختی منتقل شده و طی فرایند شیمیایی به انرژی برق مستقیم و سپس توسط کانورتر به برق متناوب تبدیل می‌گردد. دستگاه تغییر نیروی برق، میزان توان قابل انتقال به تراکشن موتورها را تنظیم می‌کند. ضمن اینکه بخشی از برق تولیدی به منظور شارژ باتری ها و برق جانبی صرف می‌ گردد. قسمتی از برق برگشتی ناشی سیستم ترمز نیز برای شارژ باتری ها استفاده می‌شود.    

اخبار زیادی راجع به گرایش برای به کار‌گیری سوخت هیدروژنی در جهان منتشر می شود. در اسکاتلند شرکت آرکولا انرژی، با حمایت شرکت آنجل‌ ترینز  اولین قطار هیدروژنی ساخت داخل را تا پایان سال 2021 تولید خواهد کرد که در مسیر گلن فینان به حرکت در خواهد آمد.  راه‌ آهن هند در نظر دارد که ساخت پیش‌ران هیدروژنی را به مزایده بگذارد.

کشور چین که داعیه‌ پیشتازی در فناوری های نوین در حوزه‌ راه‌ آهن را دارد، در سال قبل یک تراموای هیدروژنی را برای کاهش سطح آلودگی شهرهای بزرگ در یکی از ایالات خود راه اندازی نموده است. اما به نظر کارشناسان، قطار هیدروژنی برای مسافات طولانی گزینه‌ مناسب‌تریست. از طرف دیگر یک شرکت دولتی چین (CRRC)، اولین لکوموتیو با پیش‌رانهای دوگانه 1400 کیلوواتی را در کارخانجات شرق کشور ساخته است. پیش‌ران پیل سوختی هیدروژنی 400 کیلوواتی با عمر 20 هزار ساعت است. در نظر است که این قطارها با یک مخزن پُر هیدروژن با سرعت 100 کیلومتر در ساعت تا 24 ساعت کار کنند. قدرت کشش آنها در دشت از 8000 تن بیشتر است. لکوموتیوهای هیدروژنی نسبت به لکوموتیوهای برقی و احتراق داخلی، ایمن تر، قابلیت تطابق بیشتر با محیط زیست، کم صداتر، ارزان تر و برای نگهداری ساده تر هستند. از منظر دولت چین قطارهای پاک هیدروژنی یک فرصت مناسب برای دستیابی به هدف کربن صفر در 2060 هستند. به عنوان مثال در سال گذشته راه‌ آهن چین معادل انرژی 15.49 میلیون تن ذغال سنگ را مصرف کرده است.

اخیراً شرکت جنرال موتورز اعلام کرده که سیستم های پیل سوختی هیدروژنی را برای راه آهن های آمریکا و کانادا (CP) تأمین خواهد کرد. در انگلیس یک قطار هیدروژنی مسافری برای اولین بار به طور آزمایشی مسافت 40 کیلومتری مشخصی را با سرعت 80 کیلومتر در ساعت طی کرده است. در مرحله‌ آزمایشی بعدی، قرار است پیل سوختی، مخزن هیدروژن و باتری ها از روی شاسی به زیر آن منتقل شوند. پیش بینی شده که این قطار، کار تجاری خود را در انتهای سال 2021 شروع خواهد کرد.

اولین قطار مسافری هیدروژنی جهان به صورت خط تولید، توسط شرکت آلستوم فرانسه ساخته شده است. این شرکت از سال 2013 نسبت به تولید لکوموتیو هیدروژنی اقدام کرده است. حداکثر سرعت قطارهای مسافری آلستوم با ظرفیت 300 مسافر، 140 کیلومتر در ساعت است که در جمهوری چک به کار گرفته شده است. این قطارها در کشورهای گوناگون آزمایش شده‌ اند. در دوره‌ آزمایش، عواملی چون ثبات سیستم تأمین انرژی (یعنی ارزیابی سطح هماهنگی کنش و واکنش بین راننده، پیل سوختی و باتری لکوموتیو) تست شده است. علاوه بر آن، قدرت ترمزها آزمایش شده تا تعامل بین ترمزهای هوایی و برقی ارزیابی گردد.

2 سِت از این نوع قطارهای چند واگنه با سوخت هیدروژن برای اولین بار در 2 مسیر مختلف 100کیلومتری در شمال آلمان به طور تجاری راه اندازی شده‌ اند. در این مسیرها معمولاً لکوموتیوهای دیزلی فعال هستند. در تصویر زیر اولین قطار هیدروژنی چند واحدی برای حمل محلی با سرعت 80 کیلومتر در ساعت دیده می‌شود.

 این قطار به کمک پیل سوختی، بدون آلودگی و صدا، در خطوط غیر برقی حرکت می‌کند. قرار است 14 ست از این نوع قطار توسط ساکسونی جنوبی سفارش داده شود. نکته‌ حائز اهمیت برای این نوع قطارهای هیدروژنی این است که با وجود گرانتر بودن نسبت به انواع دیزلی، باز هم در مسیرهای غیر برقی و در شهرهای نسبتاً آلوده طرفدار دارند. راه‌ آهن آلمان در نظر دارد  1100 کیلومتر از خطوط خود را تا سال 2025 به سیستم «هایدریل» (Hydrail) یا خط هیدروژنی تبدیل کند. این نوع خط، حتی شامل خطوط بین المللی (مثلاً مسیر منتهی به دانمارک) هم م شود. هم اینک مبحث روز هایدریل در راه آهن های سراسر اروپا بسیار مطرح است و در این خصوص  12 کنفرانس بین المللی در کشورهای مختلف این قاره برگزار شده است.

پس از طی سه ماه دوره‌ آزمایشی موفقیت‌آمیز در خطوط شیبدار و شرایط آب و هوایی متفاوت در اتریش، بهره‌ گیری از این نوع لکوموتیوهای آلستوم توسط مقامات راه‌ آهن فدرال این کشور رسماً مورد تأیید قرار گرفته است. ضمن اینکه مدیر شرکت آلستوم اعلام کرده قرار است این نوع قطار در قالب (prototype)  در کشورهای هلند، نروژ، سوئد، بریتانیا، دانمارک، کانادا و فرانسه نیز بنا به شرایط آب و هوایی خاص هر یک تحت آزمایش قرار گیرد تا طراحی مربوطه در نسل های بعدی بهبود یابد.

(این نوشتار ادامه دارد)

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