◄ پیل سوختی در تجهیزات و ماشین آلات سنگین

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

یکی از مهمترین مشکلات موتورهای احتراق داخلی، آلایندگی آنها در فضاهای بسته از جمله انبارهاست. به همین مناسبت، گرایش به استفاده از باتری و پیل سوختی در ماشین‌ آلات و تجهیزات مورد استفاده در این مکانها رواج یافته است. در آغاز از باتریهای اسیدی بهره‌برداری می‌شده است. اما با عنایت به ضعف های متعدد آنها، به تدریج  سرمایه‌ گذاری به سمت استفاده از باتری‌های بازی (Alkaline) در حال گسترش است. بنابراین در حال حاضر رقابت اصلی در این صحنه بین باتری و پیل سوختی است.

تاکنون مشاهده شده که تعداد زیادی از تجهیزات سنگین می‌توانند با فناوری پیل سوختی تطابق یابند. زیرا استفاده‌ از باتری های اسیدی، سه مشکل اساسی نحوه‌‌ی نگهداری، طولانی بودن مدت شارژ  و تکرار زیاد شارژ کردن در هر روز را به همراه دارد. سرعت بالای سوختگیری، توانایی کارکردن افزونتر با یک مخزن پر و لذا تعداد سوختگیری کمتر، از جمله دلایلی است که نشان می‌دهد ورود پیل های سوختی به این حوزه، هزینه‌ های بهره‌برداری از تجهیزات سنگین را کمتر می‌کند. از جمله تجهیزات قابل تطابق با پیل سوختی، خودروهای حمل گلف، وسایل چمن زنی بزرگ، لیفت چنگکی (forklift)، وسایل جابجایی در فرودگاه ها، ویلچر، وسایل خودران، قایق ها، هواپیماها و زیردریایی‌ های کوچک، وسایل حمل نظامی و غیره می‌باشند. پیل های سوختی در لیفتهای چنگکی، قایق ها و هواپیماهای کوچک کاربری بیشتری را دارند. در اوایل دهه‌ 2000 ، بسیاری از سازندگان این گونه تجهیزات، نمونه‌ های پیل سوختی خود را به بازار عرضه کرده‌ اندکه دیرتر از هنگام ارائه‌ خودروهای سواری و اتوبوس های هیدروژنی بوده است. البته بعضی از این تجهیزات از متانول به جای هیدروژن استفاده می‌کنند. استفاده از پیل سوختی در اسکوترها و دوچرخه‌ های موتوردار به دلیل مسائل ایمنی انسانی، فعلاً با مشکل اخذ گواهینامه فعالیت روبروست.

یکی از مهمترین بازارهای رو به گشایش انرژی هیدروژنی، استفاده از پیل های سوختی در تجهیزات تخلیه‌ و بارگیری است. آلایندگی موتورهای احتراق داخلی در محیط های بسته برای انسانها خطرناک است و اتحادیه‌های کارگری با آن مبارزه می‌کنند. بنابراین تجهیزات مزبور که بعضاً در انبارها (به ویژه مواد دارویی، خوراکی و نوشابه ها) کار می‌کنند، می‌بایست از نوع هیدروژنی یا برقی باشند. سالهاست که تجهیزات سنگین (به ویژه فورک‌ لیفت) با باتری های اسیدی کار می‌کنند. اما این باتری ها در مراحل تست، افزودن آب و اسید و همچنین شارژ برای انسان خطرناک‌اند. ضمن اینکه مدت انتظار برای شارژ طولانی است. برای احتراز از این مشکلات، چند سالی است که به استفاده از باتری های بازی گرانقیمت روی آورده شده است. این سیستم به مراتب خطرات کمتر و کارایی بیشتری نسبت باتری های قدیمی دارد. ولی اصولاً در این صنعت به دلیل کار سنگین و مستمر، باتری ها نیاز به 4 تا 6 دفعه شارژ شدن در روز را دارند که وقت زیادی را تلف می‌کند. از طرف دیگر به هنگام دشارژ شدن سریع، به تدریج افت ولتاژ رخ می‌دهد که از کارآیی تجهیزات می‌کاهد. سرمای سخت زمستان، بازدهی باتری های این دستگاه های سنگین را به مراتب کمتر می‌کند. به همین سبب بهره‌ گیری از پیل سوختی که پر کردن مخزن آن بسیار سریع بوده و افت بازدهی هم ایجاد نمی‌کند، مورد توجه قرار گرفته است. در انبارهایی که تولیدکنندگان کالاهایشان را در دمای پایین نگهداری می‌کنند ( نظیر انبارهای یخچالی یا سردخانه‌ ای یا در شرکت های پستی آمریکا) حدود 4000 لیفت چنگکی (فورک لیفت) مشغول به کار هستند. چهار شرکت سازنده‌  فورک لیفت پیل سوختی، پلاگ پاور(Plug Power)، بالارد (Ballard)، هایستر ییل (Hyster-Yale Materials Handling Inc) و تویوتا سهم عمده‌ی بازار را در دست دارند. 

طبق یک پروژه 5.6 میلیون دلاری که از طرف تعدادی سرمایه‌گذار هدایت می‌شود، شرکت هایستر‌ در حال ساخت یک ریچ استاکر (reach stacker) پیل سوختی (تصویر پایین) برای یک پایانه واقع در والنسیا است که زمان بهره برداری از آن، 2 سال دیگر در نظر گرفته شده است. ظرفیت چهار مخزن هیدروژن آن برای یک روز کار مستمر کفایت می‌کند. چنانچه قرار باشد که برای این کار (فعالیت مستمر طی یک روز بدون شارژ کردن) از باتری استفاده شود، تقریباً به اندازه‌ی حجم خود ریچ استاکر باتری لازم است. 

شرکت بالارد پاور با همکاری چند شرکت دیگر، نمونه‌ هایی از یک نوع کشنده محوطه‌ ای پایانه‌ای (yard tractor) 200 کیلوواتی با مخزن سوخت 9.1 کیلوگرمیِ تحت 300 بار فشار (تصویر زیر) ساخته است تا به طور 2 شیفته در یک پایانه‌ بزرگ لانگ بیچ کالیفرنیا کار کند. برای این کشنده‌ ها یک جایگاه سوختگیری با ظرفیت 182 کیلوگرم تأسیس شده است. فعلاً در این پایانه 1800 کشنده‌ سوخت فسیلی بسیار آلوده کننده فعال هستند که باید جایگزین شوند.

البته در یک پایانه واقع در والنسیا یک نوع کشنده‌ پیل سوختی در حال آزمایش می‌باشد. در دانمارک نیز  یک کشنده‌ پایانه‌ای برای جابجایی بارها در محوطه‌ های بندری، پایانه ها و مراکز لجستیکی ساخته شده و مراحل آزمایشی را سپری می‌کند (شکل زیر).

مشکل اساسی استفاده از سوخت هیدروژنی، سرمایه گذاری سنگین برای ایجاد زیرساخت های سوخت‌رسانی است. لذا فعلاً این سیستم در فعالیت های متمرکز از جمله سازمان های بزرگ با انبارها و باراندازهای عظیم، همچنین در بندرگاه ها طرفدارانی یافته است. البته به موازات ارتقای فناوری‌های نوین و بهبود بازدهی آنها، بازارهایشان هم رشد می‌یابد. به گونه‌ای که انتظار می‌رود بازار فورک لیفت هیدروژنی از 1.07 میلیارد دلار در سال 2019 به 5.25 میلیارد دلار در سال 2027 برسد. بخشی از این رشد مرهون توسعه‌ صنعت تجارت الکترونیک و سرمایه گذاری در زیرساختهای صنعت هیدروژنی است. در نمودار زیر برآورد رشد سریع استفاده از پیل های سوختی غشای تبدیل پروتون سرد (PEM) در بازار فورک لیفت جهان نشان داده شده است.

در نمودار زیر رشد استفاده از پیل های سوختی غشای تبدیل پروتون سرد (PEM) در بازار فورک لیفت بر حسب منطقه‌ی جغرافیایی ملاحظه می شود.

ماشین آلات سنگین معدنی و راه و ساختمان، عامل 23 درصد از آلودگی هوا هستند. به دلیل بارها و فشار سنگین وارده، میزان بازدهی آنها بسیار کمتر از وسایل نقلیه‌ جاده‌ایست. ضمن اینکه به سبب گران بودن این گونه ماشین آلات، ده ها سال از آنها بهره برداری می‌شود. بازدهی و سطح آلایندگی ماشین آلات کهنه به هیچوجه با استانداردهای نوین جهانی مطابقت ندارند. کشور چین از سال 2010 عامل قریب نصف کل ساخت و ساز جهانی و بزرگترین آلوده کننده از این منظر بوده است.

کوماتسو شرکت بزرگ ساخت ماشین آلات و تجهیزات ژاپن در نظر دارد که برای اولین بار در جهان، پیل سوختی را در کمپرسی سنگین معدنی (dump truck) به جای موتورهای دیزلی به کار گیرد. شروع فعالیت تحقیقاتی در سال 2021 و خاتمه‌ آن سال 2030 پیش بینی شده است. البته در حال حاضر معدودی از کامیون های کمپرسی سنگین معدنی از طریق شبکه‌ برق بالاسری کار می‌کنند. جایگزینی پیل سوختی در این نوع کامیون ها که وزنشان پس از بارگیری به 600 تن می‌رسد، با چالش بزرگ فنی روبروست. در عین حال فعلاً پیل سوختی نسبت به رقیب دیزلی هنوز گران است، اما امید می‌رود که با تولید انبوه، بر این مشکل فائق گردند. ساخت تجهیزات معدنی قریب 40 درصد از فروش کوماتسو را تشکیل می‌دهد.

2 رقیب بزرگ آن یعنی کاترپیلار آمریکایی و سَنی (Sany) چینی نیز سرسختانه در این راه گام بر می‌دارند. در 30 دسامبر 2020 اولین کمپرسی معمولی و کامیون میکسر (mixer truck) با پیش‌ران پیل سوختی توسط شرکت سنی شروع به کار کرده‌اند. هر 2 این کامیونها دارای پیل های سوختی 110 کیلوواتی به نام پریسما (Prisma) محصول شرکت (Refire) یکی از بزرگترین سازندگان پیل سوختی جهان می‌باشند. چند مخزن سیلندری 1680 لیتری هیدروژن، راننده‌ کامیون را قادر می‌سازد تا 500 کیلومتر را بدون دغدغه طی کند. این پیش‌ران پیل سوختی دارای گشتاور بیشتر و یک جعبه دنده AMT است که نرخ تبدیل انرژی را به 50 درصد می‌رساند و به بالاتر رفتن شتاب و افزودن ظرفیت برای حرکت در فرازها کمک می‌کند. AMT یک وسیله‌ خودکار بدون کلاچ، درعین حال دستی است که با مکانیزم خاصی فعالیت می‌کند.

روند کنونی جهان سیاست کربن‌زدایی کلیه‌ فرایندها از مرحله‌ استخراج منابع تا مرحله‌ دورریزی مواد توسط مصرف کننده‌ نهایی را در بر می‌گیرد. برخی گروه های معدنی، برنامه‌های خود برای ایجاد زیرساخت های هیدروژنی را اعلام کرده اند. گروه انگلوامریکن ظرفیت تولید انرژی خورشیدی به میزان 320 مگاوات را در نزدیکی معدن پلاتین خود ایجاد کرده تا در هر شبانه روز یک تن هیدروژن به دست آورد.

شرکت (JCB) بریتانیایی یکی از بزرگترین شرکتهای سازنده‌ تجهیزات سنگین راه و ساختمان و تخلیه و بارگیری جهان، اولین بیل مکانیکی دارای پیل سوختی را پس از 12 ماه کار سنگین آزمایشی به جهان عرضه کرده است.

برای اولین بار در بندر شهر قوینگ‌دائو چین (Qingdao) از تجهیزات تخلیه، بارگیری و حمل هیدروژنی همراه با سیستم مخابراتی 5G استفاده به عمل آمده تا وسایل جابجایی کانتینری به طور خودکار، با بازدهی بالا و بدون آلایندگی کار کنند. این پایانه‌ کانتینری سبز، هوشمند و خودکار علاوه بر استفاده از وسایل مدرن مزبور، 100 دستگاه تجهیزات از جمله جرثقیل های دروازه‌ای و ریلی خودران پیل سوختی را هم تحت بهره برداری دارد. بدین ترتیب ضمن سبز بودن بندرگاه، از حداکثر ظرفیت عملیاتی هم بهره‌برداری می‌شود. این جرثقیل ها با استفاده از فناوری 5G ، با ارسال علائم کنترلی و ویدئویی از راه دور، کلیه‌ نیازهای عملیاتی را برآورده می‌سازند. علاوه بر آن به هریک از متصدیان مستقر در مرکز کنترلی واقع در 100 متری محل عملیاتی امکان آن را می‌دهد تا 6 دستگاه جرثقیل را همزمان به گونه‌ای کنترل نمایند تا ظرف مدت 90 ثانیه، عملیات بارگیری یا تخلیه انجام پذیرد. بدین ترتیب ضمن کاهش نیروی کار به میزان 70 درصد، بر بازدهی بندرگاه نیز 30 درصد افزوده شده است. این بندر ابتدا با موتورهای دیزلی، سپس با باتری فعالیت می‌کرده است، اما در نهایت پیل سوختی به کار گرفته شده است.  

شرکت هایستر (Hyster) یکی از بزرگترین سازندگان لیفت تراک جهان است که 130 نوع محصول تولید می‌کند. این شرکت یک لیفت کانتینر (container handler) با باتری های لیتیوم- یونی ساخته که به وسیله‌ 2 پیل سوختی روی وسیله‌ مزبور مرتباً شارژ می‌شوند. لذا مادامی که مخازن سوخت هیدروژن خالی نشده، باتری ها با تمام توان کار می‌کنند. ضمن اینکه مدت زمان پرکردن مخازن با سوخت هیدروژن بسیار سریع است. از طرف دیگر شرکت هایستر از واحد سرمایه گذاری آب و هوایی کالیفرنیا کمک مشروط مالی دریافت کرده تا یک لیفت کانتینری سبز با استفاده از پیل سوختی (Nuvera) برای بندر لس‌آنجلس بسازد. محققین شرکت برای دریافت این کمک باید به استانداردهای عملیاتی دشوار دستیابند. یکی از موارد اینست که این وسیله باید بتواند یک روز کامل عملیاتی را قبل از اتمام مخازن سوخت هیدروژن کار کند. ضمن اینکه برای شارژ باتری ها نیز باید از انرژی برگشتی ترمز استفاده شود. پیش‌ بینی می‌شود که با استفاده از سوخت هیدروژن، از زیرساخت های نسبتاً گرانبهای شارژ تعداد زیادی باتری اجتناب می‌گردد. این دستگاه ها به لحاظ میزان فشار کار در اندازه‌های متوسط (55 تا 70 کیلووات)، سنگین (70 تا 85 کیلووات) و بسیار سنگین (85 تا 110 کیلووات) ساخته می‌شوند. توانایی پیل های سوختی در دو نوع 30 و 50 کیلوواتی است که بنا بر میزان تقاضا، با قراردادن تعداد معینی از آنها در یک مجموعه، نیاز مربوطه برآورده می‌شود.  

شرکت میتسویی یک کمک از طرف سازمان دولتی (NEDO) ژاپن برای استفاده از پیل های سوختی در ساخت جرثقیل های دروازه‌ ای چرخ لاستیک (RTG) دریافت کرده است. برنامه‌ کار به گونه‌ای در حال انجام است که برآورد می‌شود این نوع تجهیزات تا بهار سال 2022 در پایانه‌ی کانتینری بین المللی (Kobe) به کار گرفته شود. کمک مزبور بخشی از همکاری در انجام پروژه تحقیق و توسعه بین صنعت، دانشگاه و دولت است تا به فرایند استفاده از پیل سوختی سرعت بخشیده شود. از سال 2009 طرح استفاده از موتورهای کوچک دیزلی همراه با مجموعه‌ای از باتری ها ارائه گردیده و حدود 270 دستگاه از این نوع (Transtainer RTG) برای شرکت های مختلف جهان ساخته شده است. این منطقه توریستی نیاز به کاهش شدید آلاینده‌های گوناگون دارد.

متصدیان بندرگاه عظیم انتورپ بلژیک برای انجام مطالعات دوگانه‌سازی سوخت (هیدروژن- نفت گاز)  در دستگاه های جرثقیل دروازه‌ ای کانتینری (straddle carrier) در حال سرمایه گذاری هستند. هم اینک این نوع تجهیزات بیشترین آلایندگی را در بندر مزبور ایجاد می‌کنند. برای دیستیابی به هدف مذکور می‌بایست پیل های سوختی به نحو مؤثری در آن تجهیزات جاسازی گردند. برنامه کار بدین صورت است که ابتدا کارکرد پیل سوختی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در صورت داشتن بازدهی مناسب،  به تدریج بر میزان توان پیل سوختی افزوده می‌شود تا جایی که موتور دیزلی به کلی کنار گذاشته شده و فقط از پیل سوختی استفاده می‌گردد.

البته متصدیان این بندر هنوز برای به کارگیری یکی از چهار گزینه‌ هیدروژن، باتری، آمونیاک و بیوسوخت به نتیجه‌ی نهایی نرسیده اند. برای مقایسه آنها با یکدیگر می‌بایست عوامل مختلفی چون چگونگی جایگیری در ساختار کالبدی بندر، انعطاف پذیری عملیاتی، بازدهی هزینه‌ای، کارکردهای ایمنی و نگهداری مورد توجه قرار گیرند.

 در مطالعاتی که اخیراً در باره‌ میزان نیاز 19 بندر بزرگ آمریکا به هیدروژن برای جایگزینی سوخت فسیلی کنونی به عمل آمده، احجام مصرف روزانه‌ تجهیزات عمده‌ی پایانه‌های بندری محاسبه شده که به این قرار است. لیفت چنگکی (fork lift) 5 کیلوگرم، لیفت کانتینری (container handler) 56 کیلوگرم پُر و 25 کیلوگرم خالی، جرثقیل دروازه‌ای کانتینری (straddle carrier) 46 کیلوگرم، جرثقیل تلسکوپی کانتینری (reach stacker) 33 کیلوگرم، جرثقیل دروازه‌ ای چرخ لاستیکی (RTG) 45 کیلوگرم، کشنده‌ محوطه‌ای (yard tractor) 21 کیلوگرم محاسبه شده است. اما با توجه به متنوع بودن تعداد دستگاه های فعال در هر یک از بنادر 19 گانه، سهم مصرف هر یک از این تجهیزات بر حسب درصد از کل به این شرح است.  لیفت چنگکی (fork lift) 0.13 درصد، لیفت کانتینری (container handler, CHE) 2.92 درصد، دروازه‌ای کانتینری (straddle carrier) 1.8درصد، جرثقیل تلسکوپی کانتینری (reach stacker) 0.38درصد، جرثقیل دروازه‌ای چرخ لاستیکی (RTG) 2.38 درصد، کشنده‌ محوطه‌ای (yard tractor) 3.77درصد که مجموع سهم آنها به 11.34 درصد بالغ می‌شود. اما بابت جابجایی کالاها و کانتینرها در مسافتی کوتاه از بندرگاه تا محوطه‌ بارگیریِ یک شیوه‌ دیگر حمل و نقل (drayage)، مقدار مصرف به تنهایی 88.66 درصد است. میزان تقاضای کل مصرف هیدروژن در بنادر 19 گانه آمریکا در هر شبانه روز حدود 1385 تن برآورد می‌شود.

لذا حداقل مقدار تقاضای سالانه‌ این بنادر آمریکا بالای 250 هزارتن، به اضافه‌ تقاضای سالانه‌ یدک‌کش ها بالای 15 هزار تن، فری بوتها بالای 190 هزار تن، مصارف غیر پیش‌ران کشتی های کانتینربر بالای 15 هزار تن و مجموع آنها بالای نیم میلیون تن در سال است.

(این نوشتار ادامه دارد)

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