◄ پیل های سوختی هیدروژنی در صنعت هوانوردی

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

صنعت هوانوردی عامل 2.5 در صد از کل گازهای گلخانه‌ ای منتشره‌ جهان است و اگر وضعیت به همین منوال پیش برود، سهم آن در سال 2050 به 25 درصد می‌رسد. لذا استفاده از انرژی های تجدیدپذیر تنها راهکار برون رفت از این تنگناست. 

الف- پیل سوختی در پهپادها

پهپادها (Drones) دارای کاربری های فراوانی هستند. از جمله آنها عکاسی و فیلمبرداری از ارتفاع بالا، گشت های مستمر برای نظارت و کنترل حفاظتی، جمع آوری اطلاعات انبوه از وضعیت کشاورزی منطقه، شناسایی مناطق دارای مشکل در جنگلبانی، تحویل فوری دارو و سایر نیازهای پزشکی به مناطق دور افتاده و حتی در دریا، نظارت بر مناطق حفاظت شده و جلوگیری از فعالیت شکارچیان غیر‌قانونی، کنترل وضعیت حیات وحش، بازرسی خطوط شبکه‌ برق، امکان جستجوی سریع و گسترده از طریق ارتفاع گرفتن از سطح زمین و رساندن کمک برای نجات افراد سانحه دیده، پرواز نزدیک بر فراز مناطق خطرناک مانند آتشفشان و سایر کاربری های گسترده‌ی نظامی می‌باشد.

نسبت انرژی به جرم هیدروژن بسیار بیشتر از سیستم هایی با پیش‌ران باتریست. بنابراین در وسایل نقلیه‌ هوایی فوق سبک بدون خلبان (unmanned aviation vehicle UAV ) هیدروژن سه برابر رقیب خود بُرد پرواز دارد که به بهبود بهره وری، دوام پرواز و کاهش مدت توقف روی زمین برای سوختگیری (شارژ کردن) می‌انجامد. پیل سوختی می‌تواند با انواع گوناگون پلتفرم های UAV از نوع چند موتوره و بال های ثابت تطابق یافته و جایگزین باتری ها شود. برای پهپادهای فوق سبک، پیل های سوختی در اندازه‌ های چند واتی تا چند کیلوواتی ساخته می‌شوند. پیش‌رانهای دوگانه‌ پیل سوختی و باتری های کوچک نیز برای پهپادهایی با اندازه‌ های بزرگتر به کار می‌روند. در تصویر زیر یک پیل سوختی همراه با مخزن آن دیده می‌شود.

 اولین پهپاد با پیش ران پیل سوختی تجاری جهان در سال 2016 توسط چین ساخته شده است. شرکت (Doosan) سازنده‌ پهپادها و هلیکوپترهای هیدروژنی است. پهپاد DS30 اولین نمونه‌ایست که به صورت انبوه تجاری تولید شده است. جایزه بهترین نوآوری را در سال از CES دریافت کرده است. از مشخصات آن: سازه‌ بدنه با شاسی سرخود (لذا محکم و سبک می باشد) مدت پرواز دو ساعت، حداکثر وزن قابل حمل 5 کیلوگرم، و با خودروهای سواری بزرگ هم قابل حمل است. یک مدول مخابراتی روی آن نصب شده تا به وسیله‌ آن مداوماً  میزان سفر و سوخت کنترل شود. قادر به تنظیم برای پروازهای کاملاٌ خودکار است و در صورت قطع ارتباطات یا کم شدن سوخت به طور اضطراری فرود می‌آید. در شکل زیر یک نمونه از آن دیده می‌شود.

(HyDrone 1550) یک هگزاکوپتر هیدروژنی است که در سال 2018 وارد بازار گردیده است. با پیل سوختی یا باتری قادر به پرواز است. با سوخت هیدروژن تا ارتفاع 14000 پایی پرواز کرده است. تنها وسیله‌ نجات کوهنوردان در ارتفاعات بالا و سرمای منهای 30 درجه‌ی سانتی گراد است. از خصوصیات آن 150 دقیقه پرواز (81 دقیقه با باتری)، برد مخابراتی 20 کیلومتر، قادر به حمل 12 کیلو بار و امکان خودکار شدن است.

از ویژگی‌های یگانه‌ پیل سوختی استفاده شده در (UAV) و هواپیماهای با خلبان، توانایی کار در دماهای پایین، سرو صدای کم و توانایی پرواز در ارتفاعات بالاست.

شرکت های‌پوینت (HyPoint) اعلام کرده که فناوری پیل سوختی هیدروژنیِ طراحی شده این شرکت (که ویژه‌ی امر هوانوردی بوده و از طرف ناسا جایزه دریافت کرده)، به تأیید مسئولان نظارتی کالیفرنیا رسیده است. این پیل سوختی در سال 2022 به صورت تجاری ارائه خواهد شد. فناوری مزبور ترکیب دو عامل اساسی یعنی قدرت معین و چگالی انرژی را به طور بی‌سابقه‌ای عرضه می‌کند. 

ب- پیل سوختی در بالگردها

شرکت هوایی پیاسکی (Piasecki) در نظر دارد تا با استفاده از پیل سوختی شرکت کالیفرنیایی های‌پوینت (HyPoint)  اولین بالگرد خلبان‌دار جهان به نام (eVOLTs) را در سال 2023 به پرواز درآورد. آزمایش های اولیه امیدوارکننده بوده است.

این پیل سوختی دارای چهار برابر چگالی انرژی نسبت به باتری لیتیوم- یونی و دو برابر توان ویژه نسبت به سایر پیل های عرضه شده‌ کنونی در بازار است. ادعا می‌شود که هزینه‌های عملیاتی آن نسبت به بالگردهای مشابه با پیش‌ران روتور توربینی تقریباً نصف است. برای این نوع پیل سوختی از هوای فشرده برای خنک کردن و تأمین اکسیژن مورد نیاز پیل استفاده می‌شود. بدین ترتیب توان ویژه‌ ای به مقدار 2 کیلووات بر کیلوگرم به دست می‌آید که نسبتِ توان به وزن این پیل سوختی سه برابر موارد مشابه با سیستمهای خنک کننده مایع می‌باشد. این سیستم دارای 1500 وات بر ساعت به ازای هر کیلوگرم چگالی انرژی است که برای بُردهای طولانی مناسب است.

موافقتنامه‌ 6.5 میلیون دلاری شامل 5 پیل سوختی 650 کیلوواتی برای بالگرد ترکیبی (PA-890) امضاء شده است. شرکت پیاسکی در حال کار کردن با اداره‌ فدرال هوانوردی آمریکا (FAA) است تا معیارهای اخذ گواهینامه‌ مربوطه را معین نماید. نیروی هوایی آمریکا برای توسعه‌ فناوری هوانوردی با پیش‌ران هیدروژنی پیشرفته، در این پروژه سرمایه گذاری کرده است. شرکت مزبور امیدوار است که از سال 2025 سفارش های ساخت تجاری را از بازار دریافت کند.

ج- پیل سوختی در هواپیماها

در این رابطه تاریخچه‌ بهره‌ گیری از هواپیماهای پیل سوختی از آغاز قرن 21 و روند رشد آن جالب توجه است. از سال 2001 بسیاری از هواپیماهای پیل سوختی و وسایل نقلیه‌ هوایی بدون خلبان (UAV) به نمایش گذارده شده‌اند. اولین هواپیمای ملخ دار جهان که تماماً با پیل سوختی حرکت می‌کرد، در سال سال 2003 به کار افتاد. در این هواپیما شکل پیل سوختی برای تطابق با سطوح آیرودینامیکی بدنه، کاملاً یگانه طراحی شد. همچنین در همین سال، یک هواپیمای بدون خلبان پیل سوختی غشای تبدیل پروتون 25 کیلوواتی به نام هلیوس (Helios) توسط مراکز تحقیقات هوانوردی تابعه‌ی ناسا به پرواز در آمد. در سال 2007 یک هواپیمای بدون خلبان پیل سوختی  به نام هورایزن (Horizon) رکورد طول پرواز برای یک هواپیمای کوچک را شکست.

در سال 2008 یک هواپیمای دارای خلبان با پیش‌رانهای دوگانه‌ی پیل سوختی و باتری های سبک، به وسیله‌ شرکت بوئینگ و شرکای اروپایی‌اش به پرواز درآمد. این هواپیمای یک گلایدر ملخ دار دونفره اتریشی با طول بال های 16.3 متر بود. یک مؤسسه‌ تحقیات هوانوردی (NRL) در سال 2009 یک هواپیمای پیل سوختی را به مدت 23 ساعت و 17 دقیقه به پرواز درآورد. در سال 2010 شرکت بوئینگ هواپیمایی با 2 موتور احتراق داخلی که با سوخت هیدروژن کار می‌کردند را به بهره برداری رساند. در همان سال یک هواپیمای سریع پیل سوختی مدت 6 ماه دوره‌ پرواز آزمایشی را به اتمام رساند.  در سال 2012 مرکز هوانوردی کلن آلمان هواپیمای HY4 با پیش‌ران پیل سوختی 65 کیلوواتی و برد پرواز 740 کیلومتر را به مرحله‌ی پرواز تجاری رساند. 

در سال 2016 اولین هواپیمای مسافربری با 4 پیل سوختی 11 کیلوواتی و 2 مجموعه باتری 20 کیلوواتی در آلمان به بهره برداری رسید. در سال 2020 شرکت (ZeroAvia) اعلام کرد که با سرمایه گذاری‌ های دولت انگلیس به مبلغ 16.3 میلیون دلار و همچنین کمک های ثروتمندانی چون بیل گیتز و جف بزوس و چندین شرکت معتبر دیگر به مبلغ 21.3 میلیون دلار، یک هواپیمای 19 نفره با پیش‌ران دوگانه پیل سوختی 600 کیلوواتی را چندین بار تحت پروازهای آزمایشی دوربرد قرار داده است. البته به دلیل معیارهای سخت هوانوردی، پیش بینی می‌شود این هواپیما در سال 2024 به مرحله پرواز تجاری برسد. این شرکت در نظر دارد در سال 2026 هواپیمای 50 نفره و در سال 2030 هواپیمای 100 نفره را به بازار عرضه کند. 

کارشناسان شرکت بوئینگ بر این نظر هستند که هواپیمای پیل سوختی حتی تا چند دهه‌ دیگر هم نمی تواند در خطوط اصلی پروازهای راه دور فعالیت کند. با این وجود علاقه‌مند هستند تا با تداوم تحقیقات، قابلیت های نهفته در پیل سوختی هیدروژنی را معین نموده و به کار بگیرند. اما شرکت ایرباس رویکرد جداگانه‌ ای را دنبال می‌کند. راهکار پیشنهادی این است که از طریق اصلاح پیش‌ران اصلی یعنی موتورهای توربین گازی، آن را  برای تطابق با سوخت هیدروژن مایع، کاربردی نمایند. شرکت ایرباس در نظر دارد چند مدل هواپیمای مفهومی هیدروژنی کنونی را تا سال 2035 به صورت تجاری به بهره‌ برداری برساند. ضمن اینکه پیل های سوختی قادرند برق لازم برای سایر مصارف کنترل هوانوردی و مسافران را تأمین ‌کنند. در این شرکت سه مدل مختلف هواپیما در حال طراحی و آزمایش می‌باشند:

• دو توربوفن هیدروژنی، پیشران دوگانه‌ هواپیما هستند. ذخیره سازی هیدروژن مایع و سیستم توزیع در قسمت عقب هواپیما جاسازی می‌شود.

• موتورهای توربو پراپ (ملخ دار) که هر یک از آنها 8 پره‌ ای است.

• بدنه با بال گسترش یافته (blended-body wing)، یعنی بدنه‌ ای که بر اثر گسترش یافتن به 2 سمت جانبی، نقش بال را ایفاء می‌ کند. فضای داخلی با عرض زیاد، گزینه‌ های چندگانه‌ ای را برای ذخیره سازی هیدروژن و توزیع آن فراهم می‌کند. مخازن هیدروژن زیر بالها قرار می‌گیرند. در این هواپیما دو توربوفن هیدروژنی نیز به عنوان پیش‌ران عمل می‌کنند.

در صنعت هوایی (از جمله در حمل و نقل خودکار و سنگین)، پیل سوختی قابلیت های زیاد فناورانه در 2 زمینه‌ی بازدهی انرژی و کربن‌زدایی را دارد. از طرف دیگر با همکاری شرکت (ErlingKlinger) سازنده‌ی پیل های سوختی، تأمین کننده‌ قطعات و سیستم های خودکار، شرکت ایرباس در بازار ساخت هواپیماهای پیل سوختی (به عنوان پیش‌ران اصلی هوانوردی) سرمایه گذاری می‌کند. سالهاست که پیل سوختی در تجهیزات جانبی هواپیماها کاربری دارد. اما با این مشارکت،  قرار است که پیل سوختی نقش پیش‌ران را ایفاء کند.

چین قرار است که تا سال 2060 کشوری با آلایندگی 15 تا 25 درصد برسد. بدین معنی که ضرورت دارد در آن هنگام حداقل نصف هواپیماهایش با سوخت هیدروژن پرواز کنند.

ایستگاه های سوختگیری سریع هیدروژن 

یکی از بزرگترین مشکلات خودروهای هیدروژنی و برقی در مقابل خودروهای احتراق داخلی، کمبود جایگاه ها و دستگاه های سوختگیری هیدروژن و شارژ باتری است. برای رفع این ضعف هر دو سیستم مزبور، نیاز به سرمایه‌گذاری های بسیار سنگین است. از روش های کاهش میزان سرمایه‌ گذاری، ارزانتر کردن و ساده تر کردن سیستم نصب دستگاه های سوختگیری و شارژ و دیگر کاستن از تعداد دستگاه پمپ‌ بنزین در جایگاه های سوختگیری متداول و همزمان نصب این گونه دستگاه های سوختگیری هیدروژنی و شارژ باتری به تناسب توسعه‌ تعداد خودروهای جدید به جای آنهاست.

در تصویر زیر یک سیستم سوخت‌‌گیری مدرن هیدروژن نشان داده شده است. شرکت (Linde) آلمان، یک جایگاه سوخت گیری هیدروژنی برای وسایل نقلیه با زیر ساختی ساده (کمپرسور و مخزن در یک مجموعه) ساخته که دارای مشخصات قابلیت حمل، بدون نیاز به نصب تجهیزات و لوله کشی فشار بالا، انعطاف‌پذیر، جمع و جور و همچنین وسایل و قطعات پردوام است. این دستگاه دارای مزایایی چون قابلیت نصب در هر مکان، نیازمند به فقط 12 متر مربع مساحت، آماده به کاری بسیار سریع و بسیار ساده برای بهره‌برداری است. مطابق با آخرین استانداردهای ایمنی ساخته شده و توان پرکردن مخزن هیدروژن تا گنجایش اتوبوس های 65 نفره را دارد.

شرکت معظم نیکلا (Nikola) طراح و سازنده‌ تجهیزات و وسایل نقلیه‌ سنگین تجاری برقی (از نوع پیل سوختی، باتری‌دار BEV ، و سایر زیرساخت های انرژی)، اخیراً از اداره‌ تحقیقات پیشرفته‌ انرژی آمریکا 2 میلیون دلار کمک دریافت کرده تا در زمینه‌ توسعه‌ فناوریهای سوخت گیری خودکار برای جایگاه های سوختگیری هیدروژن فعالیت کند.

سوختگیری خودکار بخشی از تلاش برای تضمین سوختگیری سریع، کارآمد و ایمن مخازن بزرگ منصوب بر روی وسایل نقلیه‌ سنگین ظرف مدتی کمتر از 20 دقیقه است. این کار باعث کاهش تعداد کارگران، بهبود ارگونومی دستگاه و ارتقای سطح نگهداری تجهیزات نسبت به فرایند سوختگیری دستی می‌گردد. نیکلا در طراحی و ساخت جایگاه های سوختگیری هیدروژن و همچنین توسعه، آزمایش و استاندارد کردن سخت افزارهای سوختگیری فعال است تا بدین وسیله تطابق پذیری آنها را با فرایند سوختگیری کامیون های پیل سوختی سنگین فراهم کند.  

 شرکت معظم نفتی و شیمیایی سینوپک چین در نظر دارد که 1000 ایستگاه مشترک سوخت گیری هیدروژن و سوخت فسیلی را طی پنج سال آتی راه‌ اندازی کند. اگرچه سطح کاربری هیدروژن به تدریج به سمت یک سوخت فراگیر در جهان مطرح می‌شود، ولی در زمینه‌ استفاده در حمل جاده‌ ای باری با موانعی روبرو شده است. یک ایستگاه سوختگیری هیدروژنی به 1.5 میلیون دلار و ایستگاه شارژ برقی به 300 هزار دلار سرمایه‌گذاری نیاز دارد. میزان فروش خودروهای برقی به صورت انفجاریست، در حالی که شرکت های تولید کننده‌ خودروهای هیدروژنی فعلاً برای یافتن مشتری دست و پا می‌زنند. در حال حاضر فقط 553 ایستگاه سوختگیری هیدروژن در جهان وجود دارد. در سال 2020 قریب  107 ایستگاه جدید افتتاح شد. در 45 روز اول سال 2021 حدود 7 ایستگاه ساخته شده و قرار است که 225 ایستگاه دیگر نیز به آن افزوده شود. بیشترین میزان استقبال از سوی اروپا (با 200 ایستگاه) به ویژه آلمان (با 100 ایستگاه) به عمل آمده است. در آسیا از 275 ایستگاه سوختگیری، 142 ایستگاه متعلق به ژاپن و 69 ایستگاه مربوط به چین است. در آمریکای شمالی فقط 75 ایستگاه وجود دارد که 45 ایستگاه در ایالت کالیفرنیا است. شرکت ب. ام. و. با همکاری تولیدکنندگان هیدروژن و صاحبان جایگاه های سوختگیری، در نظر دارد برای جلب مشتریان، زیرساخت های سوختگیری هیدروژن در آلمان را گسترش دهد. قرار است تعداد آنها را تا سال 2022 به 130 و تا سال 2025 به 400 ایستگاه برساند. این تعداد برای فعالیت 60 هزار خودرو کافی است. ضمن اینکه برای توسعه‌ مسافرت به خارج، لازم است که در کشورهای همسایه نیز سرمایه گذاری شود.

(این نوشتار ادامه دارد)

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