مزایا و معایب وسایل نقلیه ای که با پیل سوختی کار میکنند

مزایا و معایب وسایل نقلیه ای که با پیل سوختی کار میکنند

چکیده
هرچند استفاده از سوخت های تجدیدپذیر به جای سوخت های فسیلی و تجدید ناپذیر یک مزیت اساسی است اما ممکن است که هر انرژی پاکی همراه با چالش هایی باشد که از آنجا که ما بیشترین مصرف انرژی را در بخش حمل و نقل داریم پس قاعدتا بخش عمده ای از آلودگی های محیط زیست نیز به این بخش مربوط است.حال ما در اینجا خودروهای هیدروژنی را که با پیل سوختی کار میکنند را از نظر مزایا و معایب مورد بررسی قرار میدهیم.
برای نوشتن این مقاله سعی شده است که از منابع متعددی از قبیل آخرین مقالات چاپ شده و شرکت های فعال در این زمینه استفاده شود و به خوانندگان کمک کند که اطلاعات جامعی را داشته باشند تا بتوانند درک بهتری از آینده ی خودروهای هیدروژنی داشته باشند.
مقدمه
خودروها مواد شیمیایی مختلفی را در هوا منتشر می کنند که مشخص شده است باعث ایجاد یا کمک به بیماری های تنفسی از جمله برونشیت، آمفیزم، فیبروز ریوی و آسم می شوند. حمل و نقل منبع همه آلاینده های اصلی به جز دی اکسید گوگرد است. انتشار CO2 از خودروها مسئول دو سوم کل انتشار CO2 در هوا حدود 25 درصد بیشتر از قبل از صنعتی شدن است[1]. به منظور کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و بهبود مصرف سوخت، چندین فناوری جایگزین مورد بررسی قرار گرفته است. برجسته ترین این فناوری ها خودروهای الکتریکی، خودروهای هیبریدی، موتورهای دوگانه سوز و خودروهای پیل سوختی هستند. در چند سال گذشته پیشرفت چشمگیری در پیشرفت فناوری سلول های سوختی حاصل شده است. خودروهای پیل سوختی در مقایسه با خودروهای الکتریکی و هیبریدی در مراحل اولیه توسعه هستند. آنها مزایای خودروهای برقی با باتری را ارائه می دهند، همچنین می توانند به سرعت سوخت گیری شوند و برد طولانی تری خواهند داشت. علاوه بر این، خودروهای پیل سوختی، بسته به سوخت مورد استفاده، می توانند گازهای گلخانه ای کمتری را با توجه به انتشارات مربوط به بازیابی منابع اولیه، پردازش سوخت و استفاده نهایی تولید کنند[2].
مزایا
:: قابلیت تجدیدپذیری
هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در کیهان است و علی‌رغم چالش‌های مرتبط با استخراج آن از آب، منبع انرژی فراوان و تجدیدپذیر منحصر به ‌فردی است که برای نیازهای کربن صفر آینده ما برای منابع حرارتی و برق ترکیبی مناسب است.
:: بهره وری انرژی
در حال حاضر اکثر موتورهای احتراق داخلی با راندمان حدود 25 درصد و نیروگاه ها با راندمان حدود 35 درصد کار می کنند. با این حال، یک پیل سوختی ثابت، هنگامی که در یک سیستم ترکیبی حرارت و برق استفاده می شود، می تواند سطح راندمان بیش از 80٪ داشته باشد.
:: اثرات زیست محیطی
هنگامی که از هیدروژن برای تامین انرژی یک پیل سوختی استفاده می شود، تنها محصول جانبی آب و گرما است، هیچ آلاینده یا گاز گلخانه ای تولید نمی شود. حتی زمانی که از سوخت‌های فسیلی برای تامین انرژی یک پیل سوختی استفاده می‌شود، انتشار گازهای گلخانه‌ای در مقایسه با فناوری‌های متداول تولید سوخت فسیلی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. میانگین سالانه نرخ انتشار برای تاسیسات تولید برق 25/0 پوند بر مگاوات ساعت برای NOx است. در مقابل، یک پیل سوختی ثابت که با گاز طبیعی کار می کند تقریباً 0.01 پوند در مگاوات ساعت برای NOx تولید می کند.
:: زمان شارژ سریع
زمان شارژ واحدهای نیروگاه پیل سوختی هیدروژنی بسیار سریع است، شبیه به خودروهای معمولی با موتور احتراق داخلی (ICE) و در مقایسه با خودروهای برقی با باتری بسیار سریعتر است. در جایی که خودروهای الکتریکی بین 30 دقیقه تا چند ساعت برای شارژ نیاز دارند، پیل های سوختی هیدروژنی را می توان در کمتر از پنج دقیقه شارژ کرد. این زمان شارژ سریع به این معنی است که وسایل نقلیه هیدروژنی انعطاف پذیری مشابه خودروهای معمولی را دارند.
:: بدون آلودگی صوتی
پیل‌های سوختی هیدروژنی مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند نیروی باد، آلودگی صوتی تولید نمی‌کنند. این همچنین به این معنی است که مانند خودروهای الکتریکی، خودروهای هیدروژنی بسیار کم صداتر از خودروهایی هستند که از موتورهای احتراق داخلی معمولی استفاده می کنند.
:: بدون آلودگی بصری
برخی از منابع انرژی کم کربن، از جمله انرژی باد و نیروگاه‌های سوخت زیستی می‌توانند چشم‌ها را آزار دهند، اما پیل‌های سوختی هیدروژنی نیازهای فضایی یکسانی ندارند، به این معنی که آلودگی بصری کمتری نیز وجود دارد.
:: زمان استفاده طولانی
پیل های سوختی هیدروژنی با توجه به زمان استفاده، راندمان بیشتری را ارائه می دهند. یک وسیله نقلیه هیدروژنی دارای برد مشابه با خودروهایی است که از سوخت های فسیلی استفاده می کنند (حدود 300 مایل). این نسبت به آنچه که در حال حاضر توسط وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) ارائه می شود، برتر است، که به طور فزاینده ای با واحدهای قدرت پیل سوختی به عنوان “افزایش دهنده برد” توسعه می یابند. پیل‌های سوختی هیدروژنی نیز بر خلاف خودروهای برقی الکتریکی تحت تأثیر دمای بیرون قرار نمی‌گیرند و در هوای سرد خراب نمی‌شوند. این مزیت در صورت همراه شدن با زمان کوتاه شارژ بیشتر افزایش می یابد.
:: ایده آل برای استفاده در مناطق دور افتاده
در جایی که شرایط محلی اجازه می دهد، در دسترس بودن هیدروژن از طریق تولید و ذخیره سازی محلی می تواند جایگزینی برای برق و گرمایش مبتنی بر دیزل در مناطق دورافتاده باشد. این نه تنها نیاز به حمل و نقل سوخت را کاهش می دهد، بلکه زندگی افرادی را که در مناطق دور زندگی می کنند با ارائه یک سوخت غیر آلاینده که از منابع طبیعی به راحتی در دسترس است، بهبود می بخشد.
:: تطبیق پذیری استفاده
با پیشرفت فناوری، پیل های سوختی هیدروژنی قادر خواهند بود انرژی را برای طیف وسیعی از کاربردهای ثابت و متحرک تامین کنند. خودروهای هیدروژنی تنها یک نمونه هستند، اما می‌توان از آن در کاربردهای کوچک‌تر مانند محصولات داخلی و همچنین سیستم‌های گرمایشی در مقیاس بزرگ‌تر استفاده کرد. مشابه نیروگاه‌های ICE، عملکرد ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی (یعنی مخزن سوخت) و اندازه موتور، بر خلاف توان مبتنی بر باتری (یعنی قدرت به صورت خطی با جرم مقیاس می‌شود)، از هم جدا می‌شوند، بنابراین انعطاف‌پذیری زیادی در طراحی ارائه می‌شود.
:: دموکراتیک کردن منبع تغذیه
پیل های سوختی هیدروژنی پتانسیل کاهش وابستگی یک کشور به سوخت های فسیلی را دارند که به دموکراتیک شدن انرژی و منابع برق در سراسر جهان کمک می کند. این افزایش استقلال برای بسیاری از کشورهایی که در حال حاضر به تامین سوخت فسیلی متکی هستند، سودمند خواهد بود. البته این امر از مشکل افزایش قیمت سوخت فسیلی با کاهش ذخایر نیز جلوگیری می کند.
:: تنوع در تامیین انرژی (هیدروژن)
هیدروژن را می توان با استفاده از منابع متنوعی تولید کرد. فناوری تولید شامل الکترولیز آب، تبدیل گاز طبیعی با بخار، گازی شدن زغال سنگ، تولید ترموشیمیایی و تبدیل به گاز بیولوژیکی است. با منابع بسیار زیادی برای تولید هیدروژن، توانایی ایجاد انرژی پایدار را به شیوه ای کارآمد و مقرون به صرفه دارد، در حالی که وابستگی ما به نفت خارجی و سایر سوخت های فسیلی را کاهش می دهد.
معایب
:: استخراج هیدروژن
با وجود اینکه هیدروژن فراوان ترین عنصر در کیهان است، به تنهایی وجود ندارد، بنابراین باید از آب از طریق الکترولیز استخراج شود یا از سوخت های فسیلی کربن جدا شود. هر دوی این فرآیندها برای دستیابی به مقدار قابل توجهی انرژی نیاز دارند. این انرژی می تواند بیشتر از انرژی حاصل از خود هیدروژن باشد و همچنین گران باشد. علاوه بر این، این استخراج معمولاً نیاز به استفاده از سوخت‌های فسیلی دارد که اعتبار سبز هیدروژن را تضعیف می‌کند.
:: هزینه مواد اولیه
فلزات گرانبها مانند پلاتین و ایریدیوم معمولاً به عنوان کاتالیزور در پیل‌های سوختی و برخی از انواع الکترولیز آب مورد نیاز هستند، به این معنی که هزینه اولیه پیل‌های سوختی (و الکترولیزها) می‌تواند بالا باشد. این هزینه بالا برخی را از سرمایه گذاری در فناوری پیل سوختی هیدروژنی منصرف کرده است. چنین هزینه‌هایی باید کاهش یابد تا پیل‌های سوختی هیدروژنی به منبع سوختی مناسب برای همه تبدیل شوند.
:: مسائل نظارتی
همچنین موانعی پیرامون مسائل نظارتی در مورد چارچوبی که مدل‌های استقرار تجاری را تعریف می‌کند، وجود دارد. بدون چارچوب‌های نظارتی واضح که به پروژه‌های تجاری اجازه می‌دهد مبنای هزینه و درآمد خود را درک کنند، پروژه‌های تجاری ممکن است برای رسیدن به یک تصمیم سرمایه‌گذاری مالی (FID) دچار مشکل شوند.
:: ذخیره سازی هیدروژن
ذخیره سازی و حمل و نقل هیدروژن پیچیده تر از آنچه برای سوخت های فسیلی لازم است میباشد. این امر مستلزم در نظر گرفتن هزینه های اضافی برای پیل های سوختی هیدروژنی به عنوان منبع انرژی است.
چالش ها
:: قیمت
خودروهای هیدروژنی در حال حاضر گران تر از خودروهای معمولی و هیبریدی هستند. با این حال، هزینه ها به طور قابل توجهی کاهش یافته است و به هدف سهولت دستررسی خودروهای با انرژی پاک نزدیکتر میشود. خودروسازان باید به کاهش هزینه ها، به ویژه برای استک های پیل سوختی و ذخیره هیدروژن، ادامه دهند تا با خودروهای معمولی رقابت کنند.
:: حمل و نقل هیدروژن و رساندن آن به مصرف کننده
زیرساخت فعلی برای تولید و رساندن هیدروژن به مصرف کنندگان هنوز نمی تواند از پذیرش گسترده پشتیبانی کند. به همین منظور در آخرین کنفرانس برگزار شده در زمینه ی گرمایش جهانی که در گلاسکو برگزار شد این تصمیم در بین کشورها گرفته شد که دسترسی به سوخت های پاک تسهیل شود.
:: آموزش عمومی
پیل های سوختی باید توسط مصرف کنندگان مورد استقبال قرار گیرند قبل از اینکه بتوان مزایای آنها را درک کرد. مانند هر فناوری جدید خودرو، مصرف کنندگان ممکن است در ابتدای ورود به بازار نگرانی هایی در مورد قابلیت اطمینان و ایمنی این وسایل نقلیه داشته باشند. به علاوه، آنها باید با نوع جدیدی از سوخت آشنا شوند. آموزش عمومی می تواند این روند را تسریع بخشد.
:: سرمایه گذاری مورد نیاز است
پیل های سوختی هیدروژنی برای توسعه تا جایی که تبدیل به یک منبع انرژی واقعی بادوام شوند، نیاز به سرمایه گذاری دارند. این همچنین مستلزم اراده سیاسی برای سرمایه گذاری زمان و پول برای توسعه به منظور بهبود و بلوغ فناوری است. به بیان ساده، چالش جهانی برای توسعه گسترده و پایدار انرژی هیدروژنی این است که چگونه می توان زنجیره «عرضه و تقاضا» را به صورت تدریجی و به مقرون به صرفه ترین روش ایجاد کرد.
نتیجه گیری
مزایای پیل‌های سوختی هیدروژنی به‌عنوان یکی از بهترین منابع انرژی تجدیدپذیر مشهود است، با این حال هنوز تعدادی از چالش‌ها برای تحقق بخشیدن به پتانسیل کامل هیدروژن به عنوان یک عامل کلیدی برای یک سیستم انرژی کربن‌زدایی در آینده وجود دارد. از جنبه مثبت، پیل‌های سوختی هیدروژنی می‌توانند یک منبع انرژی کاملاً تجدیدپذیر و پاک برای کاربردهای ثابت و متحرک در آینده نزدیک ارائه دهند. برای دستیابی به این هدف، نیاز به افزایش تولید هیدروژن بدون کربن و تولید پیل سوختی و توسعه چارچوب نظارتی لازم برای تعریف واضح مدل‌های استقرار تجاری وجود دارد. پیشرفت‌های فناوری بیشتر برای کاهش هزینه‌های استخراج، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل همراه با سرمایه‌گذاری بیشتر در زیرساخت‌ها برای حمایت از آن پیش‌بینی شده است. هیدروژن می تواند به بهترین راه حل برای آینده نیازهای انرژی ما تبدیل شود، اما برای دستیابی به این امر نیازمند اراده سیاسی و سرمایه گذاری است. با این حال، از آنجایی که سوخت های فسیلی تمام می شود، هیدروژن می تواند راه حلی کلیدی برای نیازهای جهانی انرژی ما باشد.

نویسنده:شهاب نوشمند
آدرس ایمیل:shahabnooshmand@gmail.com
آدرس لینکدین: https://linkedin.com/in/shahabnooshmand

منابع