◄ برخی مزایای استفاده از هیدروژن در حمل و نقل آبی و دریایی

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

ب- شناورهای بزرگ و کشتی ها

برخی از مزایای استفاده از هیدروژن در حمل و نقل آبی و دریایی به شرح زیر است:

• به دلیل وسعت سطوح و استحکام سازه در کشتی های متوسط و بزرگ، امکان استفاده از انرژی های خورشیدی و بادی برای تولید هیدروژن و شارژ باتری ها وجود دارد. و به سبب فاصله‌ زمانی و مکانی نسبتاً طولانی بین 2 سوختگیری و شارژ، این خاصیت سوخت هیدروژنی و باتری یک مزیت مهم محسوب می‌شود.
• برخلاف سوخت های فسیلی و موتورهای احتراق داخلی و همچنین باتری ها که بازدهی آنها در آب های سرد (از جمله نواحی نزدیک شمالگان و جنوبگان) به شدت افت پیدا می‌کند، پیل سوختی که به سرما حساس نیست، از مزیت خوبی برخوردار است.
• در سفرهای علمی دانشمندان، پیل های سوختی و باتری ها هوای نمونه‌ های اندازه گیری را آلوده نمی‌کنند. به سبب بدون صدا بودن پیل های سوختی و باتری ها، برای نقشه‌برداری سونار و اهداف نظامی بسیار مناسب هستند.
• از آنجایی که محصول پیل سوختی آب شیرین است، در کشتی ها از این آب بهره‌گیری مجدد می‌شود.
• سازمان جهانی دریانوردی مقرراتی را وضع کرده تا میزان آلایندگی شناورها از 2 جنبه‌ زیر به تدریج کاهش یابد:

• به لحاظ آلودگی هوا ناشی از انتشار گازها از جمله COx NOx, و SOx 
•  به لحاظ آلودگی آب ها به سبب نشت سهوی یا عمدی سوخت های فسیلی.

یکی از مهمترین منابع بسیار آلوده‌ کننده جهان، بنادر هستند که وسایل نقلیه‌ دریایی و زمینی و تجهیزات تخلیه و بارگیری در آنها فعال است. در نظر است که اغلب کشتی های مدرن تبدیل به نوع پیش‌ران دوگانه‌ پیل سوختی و باتری شوند. پیل سوختی در حال حرکت یکنواخت، باتری به هنگام فعالیت کم (مثل کنار اسکله برای امور تخلیه وبارگیری) و هردو آنها در حال شتاب گیری و حداکثر قدرت به کار برده می‌شوند. شناورها به ندرت از حداکثر توان خود استفاده می‌کنند تا میزان مصرف انرژی در سطح بهینه قرار داده شود. از آنجایی که پیل های سوختی به صورت مدولار قابل تهیه و نصب هستند، می‌توان آنها را دقیقاً مطابق با نیازهای خاص انتخاب و به صورت موازی در شناور نصب نمود.

ضمن اینکه برای هر یک از انواع نیازها (پیش‌ران، جانبی، اضطراری و غیره) می‌توان پیل سوختی جداگانه‌ای مطابق با قدرت مربوطه طراحی و نصب نمود. از طرف دیگر یک پیل سوختی در اندازه‌ و توانی ویژه را می‌توان برای چند مقصود (با تقاضای قدرت مشابه) به کار برد. مثلاً پیل سوختی متوسط به عنوان پیش‌ران یک قایق یا مصارف جانبی یک شناور متوسط یا برای تغذیه‌ برق ساحلی قابل استفاده است. در شکل های زیر دو پیل سوختی غشای تبدیل پروتون (سمت راست توان بالای یک مگاواتی و سمت چپ  500  اسب بخاری) دیده می‌شوند.

انرژی هیدروژن دارای چگالی بالا در عین حال سبک است. با استفاده از آن دیگر نیاز به تمیز کردن خَنهای کشتی و مخازن نگهداری سوخت نیست. خطر آلودگی نشتی هم وجود ندارد. هیدروژن نسبت به سوخت های فسیلی (مایع) دارای سه برابر انرژی ویژه MJ/KG است. ولی به لحاظ چگالی انرژی MJ/LIT بین یک هشتم تا یک چهارم است. لذا حجم زیادی از شناور را به خود اختصاص می‌دهد که یکی از نقاط ضعف آن است. برای رفع آن دو راهکار وجود دارد:

• استفاده از آمونیاک مایع که حاوی هیدروژن زیاد است و حجم بسیار کمتری دارد.
•  جاسازی آنها در فضاهای خاص و کمتر قابل بهره‌برداری.

بهره‌گیری از هیدروژن فشرده یا مایع در کشتی ها، فرابرها (ferry boats)، و قایق هایی که امکان سوختگیری متناوب را دارند، مناسب است. ضمن اینکه برای مصارف محدود در کشتی های بزرگ نظیر مصارف جانبی، حرکت کردن در لنگرگاه و حوضچه‌ بنادر کاربری دارد. استفاده در اسکله ها برای تغذیه‌ برق شناورها هم رایج است. اما در کشتی های بزرگ دریا یا اقیانوس‌پیما، حجم زیاد مخازن هیدروژن یک ضعف بزرگ است. در این مورد طرح هایی چون دوجداره کردن بدنه کشتی ها برای ذخیره سازی آن پیش بینی شده و طرح های دیگری نیز در مراحل آزمایش فنی است.

اگرچه بر مبنای معاهده‌ پاریس، از طرف سازمان جهانی دریانوردی الزام کاهش تولید گازهای آلاینده و گلخانه‌ ای در سطح نصف سال 2018 در نظر گرفته شده است، ولی یکی از موارد مهم برای سرمایه‌ گذاران این است که هنوز سوخت برتر (بر پایه‌ هیدروژن) کاملاً مشخص نشده است و با عنایت به چشم انداز فناوری های نوین، آینده‌ی نامعلومی برای این نوع سوخت ها وجود دارد:

• هیدروژن حاصل از برق پاک (ناشی از انرژی های خورشیدی، بادی، هیدروالکتریک، زمین‌گرمایی و...) همراه با فرایند الکترولیز را می‌توان مستقیماً به عنوان سوخت مصرف کرد.
• یا اینکه هیدروژن (حاصل از برق پاک) را برای تولید آمونیاک پاک (e- amonia) و سپس مصرف آن به عنوان سوخت استفاده نمود.
• یا آن را برای تولید متان پاک (e-methane) که از ترکیب هیدروزن و گازکربنیک هوا حاصل می‌شود، به کار برد.
• یا آن را برای تهیه‌ متانول پا (e- methanol) که از ترکیب هیدروژن، گاز ضایعات و گازکربنیک هوا به دست می‌آید، استفاده نمود.
• یا آن را برای تهیه‌ سوخت دیزل مصنوعی (e-diesel) شامل ترکیب هیدروژن و منواکسید کربن است، مصرف نمود. البته دو نکته‌ مهم در فرایند تولید این نوع سوخت وجود دارد:

• از گازهای دارای کربن هوا یا بیوتوده استفاده می‌شود و لذا سوختن آنها بر میزان گازهای گلخانه‌ای نمی افزاید.
• هریک از این مواد دارای خواصی است که در جاهای مختلفی کاربری ویژه دارد.

در بخش های بعدی بنا بر مقتضای موضوع مطروحه، درباره‌ آنها به تفصیل بیشتری بحث خواهد شد. به عنوان مثال متانول فاقد میزان چگالی انرژی هیدروژن است، اما بیشترین شباهت را به سوخت دیزل دارد و می توان آن را در موتورهای احتراق داخلیِ اصلاح شده به کار برد. لذا با توجه به سه مزیت: نیاز به کمترین اصلاحات، آسان تر بودن کاربری متانول، و توان استفاده از زیرساخت های موجود برای جابجایی آن، مورد توجه برخی از سرمایه گذاران قرار گرفته است. بدین ترتیب سوخت متانول ضمن کاربرد مستقیم در موتورهای دیزلی اصلاح شده، همزمان از هیدروژن آن برای پیل سوختی بهره برد. حال چشم‌انداز بهره‌ گیری همزمان از دیزلِ متانولی، پیل سوختی هیدروژنی و باتری در یک کشتی، آینده‌ ای جذاب را پیش روی سرمایه گذاران قرار می‌دهد.

از طرف دیگر آمونیاک سوختی است که به راحتی قابلیت تبدیل شدن به هیدروژن را دارد و از چند جنبه نیز نسبت به آن واجد خواص بهتری است. از نکات مثبت آمونیاک قابلیت استفاده در خودروهای پیل سوختی و احتراق داخلی است. به سبب خواص منحصر به فرد آن، سرمایه گذاران صنعت چند تریلیون دلاری کشتیرانی (باری و تانکر) علاقه‌ مند به مصرف آن شده‌اند. زیرا این سوخت علاوه بر پاک بودن، قابلیت آن را دارد که کشتی‌های عظیم را هفته ها در اقیانوس به پیش براند و در عین حال جای کافی برای بار زدن کالاها باقی بگذارد. کشتیرانی قریب 3 در صد از از گازکربنیک جهان را تولید می‌کند و طبق مقررات (IMO) صنعت کشتیرانی باید میزان آلودگی خود را به شدت کاهش دهد. این هدف با توجه به رشد جهانی تجارت، نیاز به اقدامات اساسی دارد. در این رابطه 2 محدودیت بزرگ پیش روی تحقق این هدف است:

• اولاً هیچ کشتی تجاری مجهز به موتورهایی با سوخت آمونیاک وجود ندارد.
•  ثانیاً آمونیاک پاک هنوز در اندازه‌های انبوه تولید نمی‌شود.

امروزه روش هایی چون سیلندرهای فلزی چرخان (Spinning metal cylinders) یا چترهای کشنده (towing kites) در صنعت کشتیرانی به کار گرفته می‌شوند تا میزان مصرف سوخت دیزلی را به حداقل برسانند(تصاویر زیر).

اما موارد فوق برای دستیابی به حد نصاب (IMO) به هیچ وجه کفایت نمی کند. برای رسیدن به هدف IMO و تغییر موتور کشتی‌ها، به سرمایه‌گذاری 1.4 تریلیون دلاری و برای حذف کامل آلودگی به 500 میلیارد دلار اضافی نیاز است.

کارخانه‌ی وارتسیلا (Wartsila) نروژی یک موتور چهار هنگامه و همزمان شرکت مان (MAN Energy ) نیز یک موتور دو هنگامه را در حال ساخت و آزمایش دارند. صنایع سنگین کشتی سازی سامسونگ در حال ساخت نمونه هایی از موتورهایی با سوخت آمونیاک است. پیش بینی می‌شود که اولین کشتی شرکت وایکینگ انرژی نروژی (که در حال حاضر با گاز مایع کار می‌کند)، در سال 2024 به راه ‌افتد.

برآورد مقدار مصرف انواع سوخت در صنعت کشتیرانی جهانی طی 25 سال آتی در تصویر زیر نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می‌شود میزان سوخت دیزل در سال 2050 به کمتر از نصف تقلیل خواهد یافت و در این رابطه مصرف آمونیاک و هیدروژن دست بالا را خواهند داشت. پیش بینی می‌شود که از سال 2044 کلیه‌ کشتی‌های جدید بر اساس سوخت آمونیاک ساخته خواهند شد.

طی این مدت چند مانع بزرگ فناوری و مسائل ایمنی بر سر راه دستیابی به اهداف مزبور است که مقدمتاً باید مرتفع شوند:

• تجهیز کشتی به سیستم تهویه و جذب سریع گاز آمونیاک (که برای ریه‌ها خطرناک است).
•  طراحی موتورها و پیل های سوختی قدرتمند.
•  احداث زیرساخت های وسیع ذخیره سازی توسط متصدیان بنادر و تأمین کنندگان سوخت برای تسهیل سوختگیری کشتی های پهلوگرفته شده در کنار اسکله.
•  سرمایه‌گذاری های سنگین برای ایجاد ظرفیت تولید آمونیاک سبز از انرژی های تجدیدپذیر برای هزاران کشتی.

موارد یاد شده ی بالا جملگی قابل دستیابی هستند. گاز آمونیاک باعث تولید دی اکسید نیتروژن (عامل ایجاد باران های اسیدی و مضر برای سیستم تنفسی) و همچنین اکسید نیترو (زیانبارتر از گازکربنیک و متان برای جو زمین) می‌شود. لذا برای رهایی از آنها باید یک نوع کاتالیست سرامیکی (zirconia) بر روی خروجی موتورها نصب شود. راهکار دیگر اینست که آمونیاک برای مصرف در پیل سوختی استفاده شود. ولی هنوز تا دسترسی به فناوری ساخت پیل سوختی بسیار بزرگ (60 مگاواتی) فاصله‌ زیادی است.     

وزارت اقتصاد ژاپن در نظر دارد تا سال 2050 ، راهبرد استفاده از 30 میلیون تن آمونیاک برای مصارف داخلی و صنعت کشتیرانی را پایه ریزی کند. هدف میان مدت این است که مصرف آمونیاک را در دهه‌ 20 میلادی تجاری سازی کند و قیمت این سوخت را به نصف تقلیل دهد. در حال حاضر این کشور یک میلیون تن آمونیاک را در سال مصرف می‌ کند که یک پنجم آن وارداتی است. امسال یک خط کشتیرانی منظم برای حمل هیدروژن مایع (در دمای بسیار پایین) از کشور استرالیا را به راه انداخته شده است. چند شرکت ژاپنی موضوع تجاری‌ سازی استفاده از آمونیاک برای کشتی های حمل آمونیاک را پیگیری می‌کنند. ضمن اینکه در نظر است که از دوبه‌ها برای ذخیره‌سازی آمونیاک (به عنوان مخازن شناور) استفاده شود. علاوه بر آن سرمایه‌ گذاری برای ساخت تأسیسات آمونیاک سازی در مالزی با استفاده از انرژی هیدروالکتریک و سپس صدور آن به امارات متحده عربی نیز در حال انجام است.

 در کشتی‌ سازی های کنونی 3 هدف دیجیتالی کردن، خودران کردن و کربن‌ زدایی دنبال می‌شود. کشتی های پیل سوختی منطقه‌ ای می‌بایست سازه‌ های خاص خود را طراحی و به اجرا در آورند. پیل سوختی کشتی نمو (Nemo) با ظرفیت 88 مسافر در سال 2009 در آمستردام ساخته شد و از آن پس در کانال های آبی مربوطه در حال فعالیت است. این کشتی دارای پیل سوختی غشای تبدیل پروتون 60 تا 70 کیلوواتی، یک مجموعه باتری 30 تا 50 کیلوواتی و 6 مخزن هیدروژن است. هیدروژن از الکترولیز آب توسط توربین بادی NoordzeeWind  حاصل می‌شود. از آنجایی که در کشورهای اروپایی، کشتی ها و قایق ها بیش از سایر وسایل نقلیه آلودگی ایجاد می‌کنند، چنین نمونه هایی آینده‌ ساز می‌گردند.

از طرف دیگر آژانس ملی تحقیق و توسعه‌ یوکوهاما از سال 2019 شروع به طراحی بدنه کشتی هایی نموده که در سال 2023 تحت آزمایش اقیانوس‌نوردی قرار می‌گیرند. هدف از آن تجاری سازی کشتی هایی با پیش‌ران برقی است. در نظر است که انرژی برق حاصل از نیروگاه بادی سواحل دریای جزیره‌ فوکواجیما (محصول شرکت Toda) به یک شرکت تولید نیروی محلی فرستاده شود، تا در آنجا مازاد مصرف برای تولید هیدروژن کشتی ها به کار رود.

در سال 2018 شرکت کشتی سازی نروژی هَویارد (Havyard) یک کمک 11.4 میلیون دلاری دولت برای توسعه‌ فناوری کشتی های مسافربری هیدروژنی را به دست آورد. این شرکت برای این کار با شرکت های معتبری چون گروه شیمیایی (Linde) و (PowerCell) سازنده‌ پیل های سوختی و چند شرکت دیگر برای ساخت مخازن هیدروژن و سردکننده ها، پیل سوختی و سایر تجهیزات مربوطه، قراردادهایی را منعقد نموده است تا بتواند برای اولین بار در جهان مجوز بهره برداری از کشتی 2 پیش‌ران پیل سوختی و باتری را دریافت کند. شرکت کشتیرانی هاویلا (Havila) دارای چهار کشتی است که از سال 2021 در سواحل نروژ فعالیت می‌ کنند. کشتی های مزبور با گاز طبیعی و باتری کار می‌کنند.

ولی اینک سفارش ساخت کشتی پیل سوختی را داده است. یک پیل سوختی 3.2 مگاواتی ساخت پاورسل که بزرگترین ازنوع خود است، به عنوان پیش‌ران اصلی یک کشتی مسافری ساخته شده است. کشتی های مسافری نروژ به طور متعارف از گاز طبیعی فشرده استفاده می‌کنند. در حال حاضر برق کشور نروژ از سیستم برق- آبی و انرژی بادی تأمین می‌ شود و کشتی ها عامل آلوده کننده‌ مناطق ساحلی شهرها هستند. از سال 2026 به هر گونه وسیله‌ نقلیه‌ آلاینده اجازه‌ فعالیت داده نخواهد شد. در کشتی های متوسط از هیدروژن فشرده استفاده می‌شود. در کشتی های بزرگ، هیدروژن مایع در مخازن مربوطه ذخیره می‌شود و استفاده از تک پیش‌ران باتری کفایت نمی کند. طبق برنامه‌ از پیش تعیین شده، امید می‌رود که تا انتهای سال 2021 این کشتی جواز کار دریافت کرده و فعالیت های تجاری خود را شروع کند. در تصویر زیر نحوه‌ جاسازی تجهیزات هیدروژنی در کشتی مزبور نشان داده شده است.

یکی از مهمترین کاربری های پیل سوختی در زیردریایی‌ های غیر اتمی (SSK) است. از مدت ها قبل، سازندگان زیر دریایی ها چند هدف را دنبال می‌ کرده‌اند:

• کمترین میزان گرمایش برای جلوگیری از تولید امواج فروسرخ و امکان ردیابی توسط سایر شناورها.
• کمترین میزان تولید صدا به منظور پیشگیری از ردیابی سونارهای سایر شناورها.
• بیشترین توانایی ماندن در زیر آب.
• بیشترین رفاه کارکنان زیردریایی ها.

پیل سوختی و باتری به تمامی نیازهای مزبور پاسخ مثبت می‌ دهند و در نتیجه به کارگیری آنها انقلابی در این صنعت ایجاد کرده و به سرعت در حال فراگیر شدن است. پیل سوختی بدون قطعه‌ متحرک، فاقد صداست و گرمای اندکی هم ایجاد می‌ کند. با تولید برق مستقیم، باتری های پیش‌ران را شارژ می‌نماید. پیل سوختی بیشترین رفاه را برای کارکنان ایجاد کرده است. دیزل ژنراتور فقط برای حرکت شناور در سطح آب و شارژ باتری ها به کار گرفته می‌شود.

 شرکت تیسن کروپ (ThyssenCrupp) آلمانی یکی از بزرگترین سازندگان شناورهای سطحی و زیردریایی (به ویژه از نوع جنگی) در آب های ساحلی و عمیق است که محصولاتش به بیش از 40 کشور جهان صادر شده است. این شرکت مدت هاست که در پی ایجاد سیستم پیش‌ران بدون نیاز به هواگیری است تا زیردریایی مجبور نباشد به سطح آمده و شناسایی و ضربه پذیر شود. سیستم غیراتمی بدون هوا (Air Independent Propulsion , AIP) ، سیستمی بسیار پیچیده است که می‌بایست با کمترین نیاز به عوامل خارج از زیردریایی، فعالیت کند. محققان شرکت تیسن کروپ بر این باورند که پیل سوختی تا اندازه‌ زیادی این تقاضا را برآورده می‌سازد. در زیردریایی‌های دارای پیش‌ران دیزلی، امر به سطح آمدن برای دفع گازکربنیک و دود به خارج و ورود هوای تازه الزامی است. در پیش ران های پیل سوختی و باتری این نیاز بسیار کمتر می‌باشد. هیدروژن سبک، برای به سطح آمدن مفید است و باتری های سنگین برای عملیات شیرجه و به عمق رفتن لازم می‌باشد.

پیل سوختی با استفاده از هیدروژن ذخیره شده در مخازن، آب شیرین و اکسیژن تولید می‌ کند. به منظور بهبود انجام فرایندهای شیمیاییِ پیل سوختی، می‌ بایست دمای محیطی مناسب تأمین شود. برای افزایش طول عمر و بهبود کارکرد غشای پیل سوختی می‌ بایست توسط یک دستگاه مرطوب کننده‌ پیشرفته نسبتاً خیس نگه داشته شود. از طرف دیگر فعالیت پیل سوختی به اکسیژن نیاز دارد. بنابراین حرارت، آب و اکسیژن حاصل از فرایندهای تولید برق به پیل سوختی بازگردانده می‌ شود تا بهره وری آن به حداکثر برسد. پیل سوختی در مواقع استارت شناور، حرکت با حداکثر قدرت و شارژ باتری ها فعال می‌شود. از مزایای پیل سوختی، ایمنی بیشتر (ممکن نبودن فرار از حریق زیردریایی)، ارزانی، خراب نشدن در حین فعالیت، امکان افزایش مدت زیر آب ماندن است.

هم اکنون زیردریایی‌ ها کاربری‌های بسیاری دارند. کاربری هایی نظیر فعالیت های علمی نظیر هیدروگرافی، هیدرولوژی، نقشه برداری از کف دریاها و اقیانوس ها، بررسی حیات در آب های مختلف و ... تا فعالیت های تفریحی، هنری و غیره می‌ باشد. به مرور زمان پیل های سوختی و باتری ها برای کاربری‌های مختلف با برد کوتاه، طرفداران بیشتری می‌یابند. ضمن اینکه زیردریایی‌های خودران نیز با پیش رانهای پیل سوختی و باتری بهتر تطابق دارند. پیش بینی می‌شود به تدریج زیردریایی‌های خودران دوربرد با پیش رانهای پیل سوختی و باتری در اکثر عرصه ها به کار گرفته شوند.

البته موضوع حجم و جاسازی مخازن سوخت و نوع سوخت (هیدروژن، آمونیاک و ...) خود مباحث جداگانه‌ مهندسی نوین است، که شرکت تیسن کروپ در باره‌ آنها تحقیق می‌ کند. در ساخت کلاس جدید زیردریایی‌ ها، استانداردهای متفاوتی را در زمینه‌های ردیابی، بُرد، درجه‌ خودکار بودن، ارتباطات خارجی، رفاه کارکنان پیگیری می‌شود. هم اکنون نسل چهارم زیردریایی‌های HDW(دلفین) با پیش‌ران پیل سوختی و باتری طراحی، ساخته و به مشتریان تحویل داده شده است.   

(این نوشتار ادامه دارد)

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