◄ پیل های سوختی هیدروژنی در صنعت خودرو سواری

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

کارشناسان حمل و نقل و منتقدین خودروهای سواری در سراسر جهان، در بدو امر ضعف های عمده‌ آن را در برابر پیاده روی، دوچرخه سواری (اخیراً اسکوتر برقی) و به ویژه شیوه‌ های مختلف حمل و نقل عمومی مطرح می‌کنند. در شهرهای بزرگ، خودروهای سواری قریب به 92.4 در صد اوقات در حالت پارک قرار داشته و بخشی بزرگی از فضای خانه ها یا خیابان ها را اشغال می‌ کنند. یک درصد از مواقع در ترافیک گیر کرده و 1.6 در صد نیز صرف یافتن پارکینگ می‌ شود. بدین ترتیب فقط 5 درصد از عمر خودرو سواری برای راندن مفید صرف می‌گردد. 86 درصد از انرژی در موتور و حین خلاصی خودرو تلف می‌گردد. قریب 35 درصد از فضاهای شهری به جاده ها، پارکینگ ها، محل های عرضه‌ خدمات خودرو و علائم رانندگی اختصاص داده می‌شود. از این فضاها فقط در نیمی از اوقات به طور کامل بهره‌ برداری می‌گردد. مسئله‌ مرگ و آسیب دیدگی ناشی از آلودگی ها و تصادفات و هزینه‌ های مترتب به آن، خود مقوله‌ ای جداگانه است.

بدین ترتیب کاربری خودرو سواری از منظر علمی و سیاست های دولت ها، امری نامطلوب است. اما مردم بنا به دلایل متفاوت، بهره‌ گیری از آن را ترجیح می‌ دهند. بنابراین دولت ها طبق برنامه‌ های میان و بلند مدت در نظر دارند که با چند راهکار متفاوت زیر، بخشی از نابسامانی های ناشی از بهره وری اندک و آلایندگی زیاد آن را بهبود بخشند و از هزینه‌ ها بکاهند:

• سوق دادن مردم به سمت پیاده روی، استفاده از دوچرخه، اسکوتر و حمل و نقل عمومی.
•  هیدروژنی و برقی کردن خورروها.
•  و خودران‌ سازی تاکسی ها.

 با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر از آلودگی‌ ها کاسته می‌شود. با خودران کردن کلیه‌ تاکسی ها ضمن رفع نیاز به خودروی شخصی، از تصادفات و نیاز به پارکینگ پرهیز می‌ گردد. خودروسازان بزرگ نیز با اطلاع از این رویکرد دولت ها، در حال سرمایه گذاری های عظیم در زمینه‌ استفاده از انرژی‌ های تجدیدپذیر و خودران‌سازی خودروها هستند. به هر صورت صنعت خودروسازی دستخوش تغییرات شگرف می‌ باشد. از آنجایی که در خودروی هیدروژنی از موتور برقی استفاده می‌شود، این نوع خودروها هم در زمره‌ خودروهای برقی قرار می‌ گیرند و به نام خودروی پیل سوختی برقی (FCEV) معروفند.

بزرگترین مشکل خودروهای هیدروژنی و برقی، تعداد اندک جایگاه های سوخت هیدروژن و دستگاه های شارژ باتری است. به لحاظ تعداد دستگاه های شارژ، وضعیت خودروهای برقی به مراتب بهتر است. این برتری به سبب ارزان تر بودن دستگاه های شارژ نسبت به جایگاه های سوخت هیدروژنی و سبقت زمانی 10 ساله سرمایه گذاری در صنعت خودروی برقی حاصل شده است. اما مدت زمان شارژ باتری ها که نسبتاً طولانی است، ضعفی است که صرفاً از طریق فناوری های نوین قابل رفع است. در قسمت های بعدی به این نوع مشکلات بیشتر پرداخته خواهد شد.  

مخالفان خودروهای هیدروژنی از گران بودن آنها شکایت دارند. گرانی آنها به چند دلیل زیر است:

• این نوع خودروها بسته به نوع و قدرت، دارای مخازنی 85 تا 180 کیلویی هستند که بخش بزرگی از وزن و فضای خودرو را به خود اختصاص می‌دهند. به همین دلیل فقط در خودروهای کلاس متوسط به بالا که قدرت و فضای بیشتری دارند، به کار برده می‌ شوند. همین مسئله میانگین قیمت آنها را به 80 هزار دلار ارتقا می‌دهد که دو برابر خوروهای برقی یا دوگانه‌ احتراق داخلی- برقی است. البته جمع و جور بودن باتری های خودرو برقی و امکان کاربرد آنها در خودروهای کلاس کوچک و ارزان هم در این رقابت بی تأثیر نیست.
•  بخشی از گرانی نیز مربوط به نوع مواد آند و کاتد پیل های سوختی است که با فناوری های جدید به سرعت در حال کاهش است.
• با توجه به اینکه میانگین شتاب آنها از صفر تا 100 کیلومتر در ساعت بیش از 9 ثانیه طول می‌کشد که 2 تا 3 برابر میانگین شتاب خودروهای برقی است، لاجرم از پیش‌ران دوگانه‌ هیدروژنی- برقی استفاده می‌شود. این موضع نیز بر گران شدن آن اثر می‌گذارد.
• تنوع آنها معطوف به مدل های محدود قابل عرضه‌ فقط 3 تا 5 خودروساز بزرگ در جهان است. به واسطه‌ عرضه‌ شدن در تعداد کمی از بازارهای منطقه‌ ای و محدودتر بودن رقابت، قیمت آنها کمی بالاتر است.

علاوه بر نیاز به سرمایه‌ گذاری سنگین برای ایجاد جایگاه های سوخت‌ رسانی خودروهای هیدروژنی، مشکلات دیگری هم وجود دارد. از جمله به دلیل جاسازی دستگاه های اصلی (مثل پیل سوختی) در زیر صندلی‌ها، سیستم تعمیرات و نگهداری آنها مشکل و پرهزینه است. از طرف دیگر در حال حاضر هزینه‌ تأمین انرژی برق توسط پیل سوختی نزدیک به دو برابر باتری است که انتظار می‌رود ظرف 10 سال آینده این نوع هزینه هم به نصف تقلیل یابد.

اما روی مثبت سکه هم وجود دارد. بر خلاف خودرو احتراق داخلی، خودروی هیدروژنی استارت خیلی خوبی دارد، زیرا همچون خودرو برقی حتی در سرعت های پایین نیز گشتاور کامل را فراهم می‌کند. مدت پر کردن مخزن هیدروژن، یک پنجم مدت شارژ خودرو برقی است. با یک مخزن پر، مسافت بیشتری را نسبت به خودرو مشابه برقی طی می‌کند. مگر آنکه خودرو برقی از باتری های بزرگتر و قویتر استفاده کند که با این اقدام اولاً سنگین‌تر شده و ثانیاً زمان بیشتری را باید برای شارژ صرف نماید. علاوه بر آنها بر خلاف خودروهای برقی دمای پایین زمستان ها در قدرت خروجی پیل سوختی تأثیر چندانی ندارد.

ایلان ماسک به دلیل بازدهی پایین خودروهای هیدروژنی، تولید آن را احمقانه خوانده است. همان گونه که در تصویر زیر مشخص شده، خودروهای سبک مسافری باتری‌ دار، برتری چشمگیری نسبت به سوخت هیدروژنی دارند. در مرحله‌ اول، شارژ باتری مستقیماً از خروجی برق تجدید پذیر فقط 6 درصد افت انرژی دارد. ولی در مورد هیدروژن: در فرایند الکترولیز حدود 21 درصد و برای امور حمل، ذخیره سازی و توزیع 11 درصد افت انرژی وجود دارد. بنابراین در مرحله‌ اول، بازدهی باتری 94 درصد و سوخت هیدروژن 68 درصد می‌باشد.

در مرحله دوم، باتری بابت طی امور مختلف شامل تجهیزات شارژ 5 درصد، بازدهی باتری 5 درصد و (گاهی تبدیل جریان مستقیم به متناوب 2 درصد) و بازدهی موتور برقی 5 درصد (مجموعاً 17 درصد) دیگر افت انرژی وجود دارد. در مقابل سوخت هیدروژن در مرحله تبدیل هیدروژن به برق 26 درصد، (گاهی تبدیل جریان مستقیم به متناوب 2 درصد) و بازدهی موتور برقی 5 درصد (مجموعاً 35 درصد) دیگر افت انرژی ایجاد می‌شود. در کل خودرو برقی 77 درصد و خودرو هیدروژنی 33 درصد بازدهی دارند. طبق پیش‌ بینی‌های مطالعات مزبور برای سال 2050، بر اثر نوآوری های پیش‌رو و طرح های قابل دستیابی، بازدهی خودرو برقی به 81 و خودرو هیدروژنی به 42 درصد ارتقاء خواهد یافت. البته طرفداران خودرو هیدروژنی اولاٌ ارقام مطالعات مزبور را کاملاً یک جانبه محسوب می‌کنند (مثلاً برای حمل و توزیع باتری در مرحله اول رقمی را منظور نکرده‌اند). ثانیاً خودروهای ساخت کنونی بازدهی بیشتر از 42 درصد دارند. لذا این مقادیر را با تعدیل زیاد فقط درباره‌ خودروهای سبک سواری درست می‌دانند و برای حمل و نقل‌های سنگین و راه طولانی، سوخت هیدروژنی مزیت های قابل رقابتی دارد. ثالثاً از آنجایی که مقدار خروجی پیل سوختی ثابت است، اکثراً از وسایل کمکی نظیر باتری ها یا خازن های بزرگ استفاده می‌شود. لذا موضوع بازدهی پایین آن تا حد زیادی کمرنگ می‌گردد. بنا به نظر اکثر خودروسازان شرق آسیا، خودرو پیل سوختی همراه با باطری، ظرف چند سال آتی بدون رقیب می شود.  

در شکل زیر چگونگی جای‌ گیری تجهیزات مربوطه و همچنین جهت حرکت هیدروژن، جریان انرژی و قدرت این نوع خوروها دیده می‌شود. خروجی برق پیل سوختی یا مستقیماً  موتور برقی را به حرکت در می‌آورد یا مجموعه‌ای از باتری ها را شارژ می‌کند تا در مواقع لزوم از انرژی آنها بهره‌ گیری شود. باتری های اوج قدرت (peak power battery ,  PPB) برای کمک به پیل سوختی در شتاب‌گیری یا فرازهای تند به کار می‌ روند. به همین سبب نسبت به مجموعه باتری های خودروهای برقی کوچکتر و سبکتر بوده و بدون نیاز به شارژ بیرونی، مرتباً توسط پیل سوختی شارژ می‌ شوند. موتور برق (traction) در موقع ترمز، انرژی جنبشی را به انرژی برقی تبدیل کرده و آن را به منظور شارژ باتری ها بر می‌گرداند. این مزیت در خودروهای احتراق داخلی وجود ندارد.

از طرف دیگر در برخی از طراحی‌های جدید، ممکن است پیل سوختی در اندازه‌ های کوچک و فقط برای شارژ باتری ها استفاده شود. در این حالت، ضعف بزرگ خودروهای برقی که طولانی بودن مدت شارژ و سرمایه گذاری های زیاد بابت نصب تعداد زیادی دستگاه های شارژر در گوشه و کنار کشور است، برطرف می‌شود. 

سه شرکت خودروساز بزرگ هوندا، تویوتا و هیوندا خودروهای متنوعی با پیل سوختی به بازار عرضه کرده اند. خودروهای آنها با مخزنی که ظرف مدت 5 دقیقه پر می‌شود، مسافتی حدود 500 کیلومتر را طی می‌کنند. بازدهی پیل سوختی آنها طی عملکرد طولانی 120 هزار کیلومتری، صرفاً با یک افت حداکثر 10 درصدی مواجه می‌شود که بسیار اندک است. میانگین بازده آنها بین 53 تا 60 درصد (با نیروی یک چهارم) و 42 تا 53 درصد (با نیروی کامل) است. اگر چه خودروهای هیدروژنی نسبت به خوردهای برقی (باتری) با بازدهی 80 درصدی، ضعیف تر عمل می‌کند ولی در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی که میانگین بازدهی آنها 25 درصد است، به صرفه تر است.

متخصصان شرکت های خودروسازی تویوتا و هوندا ژاپنی و همچنین هیوندایی کره‌ ای بر این باورند که معایب خودرو هیدروژنی در صنعت خودروسازی از نوع مشکلات غلبه‌ پذیر مهندسی است و با رفع آنها نه تنها هیچ نوع انرژی، بلکه خودروهای برقی (باتری دار) هم قادر به رقابت با آن نخواهند بود. لذا آنها برخلاف سایر شرکت های رقیب اروپایی و آمریکایی، روی خودروهایی با سوخت هیدروژن سبز سرمایه‌گذاری می‌کنند. مدیران و سرمایه‌ گذاران این سه شرکت در پی آن هستند که پس از غلبه‌ بر مشکلات فنی، حداقل یک دهه از رقبای اروپایی و آمریکایی خود جلوتر باشند. شرکت های مزبور به طور همزمان راهبردهای متفاوت و در عین حال رقابتی را پیگیری می‌کنند. خودروهای هیدروژنی با هر باک پُر، مسافتی برابر با خودروهای سوخت فسیلی طی می‌کنند. ضمن اینکه برای پرکردن مخزن از هیدروژن، فقط 3 تا 5 دقیقه وقت صرف می‌شود. با عنایت به سرمایه‌گذاری‌های عظیمی که توسط کشورهای پیشرو برای تولید، ذخیره‌سازی و مصرف هیدروژن انجام می‌شود، کارشناسان آینده‌ درخشانی را برای این صنعت پیش بینی می‌کنند.

شرکت تویوتا یکی از شرکت های بزرگی است که برای تولید خودروهایی با سوخت هیدروژن، دست به قمار زده است. شهرداری پاریس برای به کارگیری 10 هزار تاکسی هیدروژنی تا سال 2024 (که مصادف با برگزاری مسابقات بین المللی المپیک است)، قراردادی را با شرکت تویوتا امضاء کرده است. علاوه بر آن قرار است که 2 جایگاه سوخت هیدروژن در پاریس راه اندازی شود. این شرکت با تولید پیل سوختی Mirai   برای خودروهای سواری و حتی کامیون ها و اتوبوس ها سرمایه‌ گذاری زیادی کرده است.

قرار است که در پایان سال 2022 ، مدل های هیدروژنی یک نوع کامیون و 2 خودرو سواری پریوس و کرولا در کنتاکی آمریکا به نمایش گذارده شوند. این شرکت اعلام کرده که استفاده از گاز هیدروژن سبز نه تنها آلودگی در بر ندارد، بلکه با استفاده از فیلترهای جدید (Mirai pm2.5) در سال 2021 می‌توان گردوغبار، گرده‌های گیاهان، دی‌اکسیدهای مضر سولفور و نیتروژن هوا را جذب کرده و هوای شهر را تمیز کرد. این فیلترها که ذراتی در اندازه‌های 0.3 تا 0.25 میکرون را جذب می‌کنند، به منظور بهبود کارکرد پیل سوختی مصرف می‌شوند. قدرت پاک کنندگی فیلتر به میزان قدرت کارکرد موتور، شرایط آب و هوایی، ارتفاع از سطح دریا و میزان تمیزی فیلتر وابسته است. بدین ترتیب پس از این، برای پاک کردن هوای شهر، استفاده از تعداد زیادی خودروهای هیدروژنی مجهز به این نوع فیلترها بسیار کارساز خواهد بود.

راهبرد دوم ساخت خودروی هیبریدی هیدروژنی- برقی است. این شرکت در نظر دارد که خودروی پریوس با پیش‌ران های احتراق داخلی و باتری (پریزی) را که در سال در سال 1997 به بازار عرضه کرده را در مدل جدید سال 2023 به خودرو هیبریدی PHEV هیدروژنی – برقی (پریزی) تبدیل کند. در این حالت هیدروژن جایگزین موتور بنزینی می‌شود. با عنایت به اینکه برق خروجی پیل سوختی در تراکشن موتور (traction) برقی، مصرف می‌شود، همخوانی زیادی با خودرو برقی (باتری‌دار) دارد. بدین ترتیب در خودروهای جدید پیل سوختی برقی (FCEV)  فقط از یک پیل سوختی به عنوان عامل پیش‌ران استفاده به عمل آورده نمی شود. بلکه همچون قطارهای هیدروژنی می‌توان از پیش‌ران دوگانه استفاده کرد. این نوع خودروها نسبت به خودروهای دارای احتراق داخلی بازدهی بیشتری دارند.

در تصویر زیر یک خودروی هیدروژنی با پیش‌ران دوگانه نشان داده شده است. مخزن هیدروژن و باتری های ولتاژ بالای پیش‌ران فرعی، در قسمت عقب و زیر خودرو جاسازی شده اند. از مجموعه باتریِ ولتاژ بالا برای مقاصد مختلفی بهره گیری می‌شود، برق برگشتی ترمز را ذخیره کرده و قدرت کمکی را برای به حرکت درآوردن موتور برقی تأمین می‌کند. در فواصل کوتاه شتاب گیری یا در فرازها، انرژی آنها برای کمک به توان پیل سوختی مصرف می‌شود.  ضمن اینکه در مواقع نیاز به نیروی کم (گزینه‌ خلاص یا خاموشی پیل سوختی) از برق آنها استفاده می‌گردد. یک نوع باتری کمکی (auxillary) ولتاژ پایین نیز وجود دارد که قبل از درگیر شدن باتری های ولتاژ بالا، برق را برای استارت زدن و تأمین برق جانبی خودرو تأمین می‌نماید. موتور برقی (traction) از طریق پیل سوختی و مجموعه باتری های ولتاژ بالا تغذیه می‌شود. میزان انرژی قابل ذخیره‌ خودرو، به اندازه‌ مخزن هیدروژن وابسته است. برخی از خودروها از یک موتور- ژنراتور به عنوان پیش‌ران و همچنین کارکردهای برگشت انرژی (regenerative) استفاده می‌کنند.

در خودروهای دوگانه‌ هیدروژنی و برقی، یک مبدل (converter) وجود دارد که برق مستقیم خروجی پیل سوختی یا مجموعه باتری های با ولتاژ بالا را به برق مستقیم ولتاژ پایین برای مصارف تجهیزات جانبی و شارژ باتری های کمکی تبدیل می‌کند. در برخی از خودروهای هیدروژنی- برقی از موتورهای برق (traction) سیستم جریان متناوب استفاده می شود. در این صورت مبدل خاصی برای تبدیل برق مستقیم پیل سوختی و باتری به جریان متناوب لازم است. سیستم کنترل الکترونیکی قدرت، میزان جریان انرژی برق تغذیه شده به وسیله‌ پیل سوختی و باتری های ولتاژ بالا را به گونه‌ای کنترل می‌کند تا سرعت و گشتاور تولیدی موتور برقی مطابق نظر راننده تنظیم شود. سیستم حرارتی (خنک کننده) بازه دمای مناسب عملیاتی پیل سوختی، موتور برقی و سایر تجهیزات را کنترل می‌کند. سیستم انتقال (transmission)، قدرت مکانیکی خروجی موتور برقی را به چرخ ها منتقل می‌نماید.

راهبرد سوم استفاده از سوخت هیدروژن در موتورهای احتراق داخلی ارتقاء یافته است. مقرر است که شرکت تویوتا، خودرو کرولا مجهز به این نوع موتورها را در مسابقات 24 ساعته فوجی شرکت دهد. این نوع خودروها ضمن دستیابی به هدف کربن صفر در سال 2050، موجب کاهش مصرف سوخت نیز می‌گردد. 

شرکت هیوندایی علاوه بر خودروهای برقی و هیبریدی، اخیراً خودروهای هیدروژنی هم به بازار عرضه کرده است که ظرف 5 دقیقه سوخت گیری می‌کنند و می‌توان  با آن مسافتی قریب  666 کیلومتر سفر کرد. این شرکت در ماه سپتامبر سال 2021 در نمایشگاه بزرگ مونیخ اعلام کرد که بر روی فناوری پیل های سوختی هیدروژنی قمار بزرگی را شروع کرده و قرار است که انواع خودروهای هیدروژنی سواری، تاکسی‌های روباتی و اتوبوسها و کامیون های بزرگ تجاری را بسازد. در تصویر زیر یک پیل سوختی این شرکت دیده می‌شود.

ضمن اینکه در این نمایشگاه، یک نمونه اولیه‌ خودرو اسپرت مفهومی هیدروژنی را برای بازار اروپا به نمایش گذارده است. این خودرو 671 اسب بخاری، از چند جنبه پیشتاز است. محور جلو با پیل هیدروژنی و محور عقب با باتری حرکت می‌ کند. شتاب (از صفر تا 100 کیلومتر بر ساعت) آن ظرف کمتر از 4 ثانیه و بُرد آن 600 کیلومتر است. مدیران شرکت بر این باورند که راه انتخاب شده درست است، زیرا اولاً نباید صرفاً بر تولید خودرو برقی (باتری‌دار) تکیه کرد، ثانیاً با توجه به تحولات جهانی، باید سریعاً از تولید خودروهای احتراق داخلی فاصله گرفت. 2 مدل هیدروژنی هیوندایی (NEXO) با قدرت های 100 کیلوواتی (134 اسب بخار) و 200 کیلوواتی عرضه شده اند. عمر این خودروها 5000 ساعت یا 160 هزار کیلومتر است. البته مدیران شرکت قول داده اند که به زودی نسل های بعدی را با 50 و سپس 100 درصد بهبود عملکرد عرضه کنند. تاکسی‌ خودردان سطح 4 (روباتی) هیوندایی به گونه‌ای طراحی شده که حتی در صورت گیرکردن در یک موقعیت خاص، با رانندگی از راه دور، می‌توان آن را کنترل کرده و از محیط خارج نمود.   

در زمینه‌ تولید خودروهای هیدروژنی اقدامات زیادی در شرف انجام شدن است. شرکت معظم پلاگ پاور (Plug Power) آمریکایی، پیشرو در صنعت پیل های سوختی هیدروژنی با شرکت فرانسوی رنو تفاهم نامه‌ای را امضاء کرده تا از پایان سال 2021 با شراکتی بر مبنای 50-50 ، برای کسب سهم 30 درصدی از بازار خودروهای سبک تجاری اروپا اقدام کنند. چین قرار است که تا سال 2060 کشوری با آلاینگی 15 تا 25 درصد باشد. بدین معنی که 90 درصد از وسایل نقلیه‌ جاده‌ ای این کشور باید با سوخت های غیر فسیلی کار کنند.

میزان اهداف ملی برای به کارگیری خودروهای هیدروژنی متفاوت است. جدول زیر که بر مبنای اهداف ناامیدکننده‌ برخی کشورها در سال 2018 تنظیم شده،  نشان می‌دهد که سهم خوروهای هیدروژنی از کل خودروهای فعال در کشورهای پیشرفته نسبتاً ناچیز فرض شده بود.

اما به دلیل گرایش رو به فزون به سمت خودروهای هیدروژنی با پیش‌ران دوگانه و سرمایه گذاری‌های زیاد برای رفع موانع فنی، ارقام اهداف مزبور در سال 2021 به کلی تغییر کرده و بیشتر شده است.

(این نوشتار ادامه دارد)

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