با رونق هر چه بیشتر خودروهای الکتریکی و توجه روزافزون به خودروهای پاک و دوستدار محیط زیست، انواع مختلفی از خودروهای پاک ابداع و تولید می شوند. یکی از این انواع که چند سالی است مورد توجه قرار گرفته و بسیار جدید و نوآورانه است، خودرو هیدروژنی یا پیل سوختی نام دارند.
خودرو هیدروژنی چیست؟
خودرو هیدروژنی (انگلیسی: Hydrogen vehicle) به وسایل نقلیه ای اطلاق می‌شود که از هیدروژن به عنوان سوخت مصرفی برای تولید نیروی محرکه موتور استفاده میکند. موتورهای هیدروژنی در وسایل پرتاب راکت‌های فضایی، خودروها و سایر وسایل نقلیه مورد استفاده قرار میگیرند.
موتور خودروهایی هیدروژنی انرژی شیمیایی هیدروژن را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده یا با سوزاندن هیدروژن در یک موتور درون‌سوز این نیرو را تأمین می‌نمایند. گونه ای دیگر از موتورهای هیدروژنی نیز از طریق واکنش هیدروژن با اکسیژن در یک سلول سوخت، نیروی مورد نیاز موتورهای الکتریکی را تأمین میکند. استفاده گسترده از هیدروژن برای سوخت رسانی در حمل و نقل، بعنوان یکی از عناصر کلیدی در اقتصاد هیدروژن بشمار می‌آید.
این خودروها به جای بنزین هیدروژن مصرف می کنند و به جای دود از اگزوز آن ها بخار آب خارج می شود و این بخار آنقدر پاک و تمیز است که با جمع آوری آن می توانید به عنوان آب آن را مصرف کنید.
موتورهای هیدروژنی پیش از این بیشتردر سیستم های حمل و نقل عمومی مانند اتوبوس ها در بعضی از کشورها مورد استفاده قرار می گرفتند. اما چند سالی است که به خودروهای سواری نیز راه پیدا کرده اند.
سوخت هیدروژنی چیست؟
سوخت هیدروژنی سوختی پاک است که وقتی جایگزین سوخت های فسیلی می شود آلودگی هایی که از سوخت های فسیلی تولید می شود را ندارد و فقط آب تولید می کند. پیش بینی می شود که هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک در قرن ۲۱، برای انتقال انرژی مورد استفاده قرار گیرد.
هیدورژن نیز به عنوان یکی از منابع تامین انرژی و سوخت در خودروهای امروزی می باشد.
خودروهای هیدروژنی به دو روش ساخته می شوند.
روش اول : سوخت هیدروژنی مستقیما به عنوان یک سوخت در موتور احتراق داخلی مورد استفاده قرار می گیرد.
روش دوم : هیدروژن در ابتدا توسط یک پیل سوختی به انرژی الکتریکی تبدیل شده و به سپس انرژی الکتریکیبا یک موتور الکتریکی به نیروی حرکتی ماشین تبدیل می شود. که البته این روش خیلی بهتر از روش اول هست.
یکی از مشکلات خودروهای هیدورژنی ذخیره سازی هیدروژن لازم برای خودرو می باشد برای اینکه چگالی انرژی در خودروهای هیدروژنی افزایش یا آن گاز را فشرده می کنند و یا اینکه تبدیل به مایع می کنند. البته تحقیقاتی هم در حال انجام هست که تا خودروهای هیدروژنی به صورت سوخت جامد نیز تولید شود.
ما در خودروهای با مصرف گاز CNG نیز از فشرده سازی استفاده می کنیم اما در خودروهای هیدورژنی برای تامین چگالی انرژی لازم می بایستی عمل فشرده سازی بیشتری نسبت به CNG انجام شود که این امر باعث می شود وزن مخزن های هیدوژن افزایش یابد. البته هم اکنون از تکنولوژی مخزن های کامیوزیت کربن فشار بالا استفاده می کنند.
فرق دوم در ميزان نفوذ هيدروژن در فشارهاي بالا مي باشد. مولکول هاي هيدروژن در مقايسه با مولکول هاي هيدروکربنها بسيار کوچکتر مي باشند و مسئله آب بندي تجهيزات در فشار بسيار بالا چالش ديگري در ساخت این خودروها می باشد. از ديگر مشکلات مربوط به خودروهاي هيدروژني منابع تأمين و توزيع هيدروژن در سطح کشورها مي باشد.
خودروهاي گازسوز به دليل وجود زيرساخت هاي گازرساني در کشور با مشکلات کمتري روبرو هستند ولي زيرساختي براي توزيع هيدروژن در هيچ جاي دنيا وجود ندارد. فارغ از مسئله ذخيره سازي هيدروژن مسئله قيمت پيلهاي سوختي نيز چالش ديگري روبروي خودروهاي هيدروژني مي باشد.
خودرو هیدروژنی چگونه کار میکند؟
در ابتدا باید بیان کنیم که خودروهای هیدروژنی نوعی خودروهای الکتریکی هستند که موتور آن ها به جای باتری ماشین از تجزیه هیدروژن انرژی میگیرند. به این صورت که هیدروژن از داخل باک و اکسیژن از هوا گرفته شده و باهم ترکیب می شوند که نتیجه این ترکیب الکترون آزاد و بخار آب است. الکترون آزاد برای تامین انرژی موتور الکتریکی مصرف می‌شود و بخار آب به جای دود از اگزوز خودرو خارج می شود.
روش عملکرد این موتورها بدین گونه است که گاز هیدروژن در برخورد با یک کاتالیزور، که معمولاً از جنس پلاتین ساخته شده است، تجزیه می شود. یون های هیدروژن و الکترون از آن آزاد می شود. سپس با گذر از یک صفحه که الکترولیت نام دارد بارهای مثبت که همان یون های هیدروژن باشند اجازه عبور پیدا می کنند و بارهای منفی که الکترون ها باشند پشت صفحه الکترولیت باقی می مانند.
به این صورت الکترونها از یون های هیدروژن جدا می شود. الکترون ها به موتور الکتریکی راهنمایی شده و موجب حرکت موتور الکتریکی می شوند. در آن طرف یونهای هیدروژن آماده ترکیب با اکسیژن هوا هستند که نتیجه این ترکیب بخار آب خواهد بود.
هیدروژن مورد نیاز خودرو ها چگونه تولید می شود؟!
اما سوال اساسی اینجاست ! هیدروژن چگونه تامین شده تا به خودرو ها برسد؟ در واقع برای مصارف صنعتی سال هاست که هیدروژن تولید و مورد استفاده قرار می گیرد. این عنصر فوق سبک از تجزیه هیدروکربن های گاز طبیعی تولید می شود. البته همانطور که گفتیم در روش دیگر می توان با الکترولایز کردن آب هیدروژن به دست آورد اما با تکنولوژی فعلی این عمل پر هزینه و غیر اقتصادیست.
البته اگر دقیق تر نگاه کنیم، هرچند که با سوختن هیدروژن هیچ آلودگیی تولید نمی شود، اما برای تولید هیدروژن در هر دو روش، باز هم نیاز به سوزاندن سوخت های فسیلی یا هسته ای داریم. ولی قطعا آلودگی تولید شده بسیار کمتر از سوزاندن بنزین و دیزل خواهد بود. زیرا تولید هیدروژن در مراکز صنعتی خارج از شهر صورت می گیرد و آلودگی به داخل شهر های بزرگ راه نمی یابد.
مزایای استفاده از موتورهای هیدروژنی
پیشرانه موجود در اتومبیلهای سلولی سوخت هیدروژن کاملاً برقی است. وقتی رانندگی می کنید، با رانندگی یک اتومبیل برقی معمولی احساس می کنید. معنی آن چیست؟ تقریباً سر و صدای موتور و استارت آن پر جنب و جوش نیست، زیرا موتورهای الکتریکی گشتاور کامل را حتی با سرعت کم فراهم می کنند.
بزرگ ترین مزیت خودروهای هیدروژنی به نسبت خودروهای الکتریکی مدت زمان شارژ شدن آنهاست که برای خودروهای الکتریکی حداقل نیم ساعت به طول می انجامد. اما برای خودروهای هیدروژنی در مدت زمان حدود دو دقیقه این کار را انجام می شود. به علاوه مسافتی که یک خودروی هیدروژنی با هر بار شارژ میتواند بپیماید به نسبت خودروهای الکتریکی کمی بالاتر است.
یکی از موضوعاتی که بسیار در بحث محیط زیست اهمیت دارد این است که خودروهای الکتریکی هر چند پاک هستند و به محیط زیست آسیب نمی رساند اما باید توجه کنید که تولید الکتریسیته که در آن ها مورد استفاده قرار می گیرد، موجب آلودگی هوا می شود.
در صورتی که تولید هیدروژن اصلاً تا این اندازه آلودگی ایجاد نمی کند و بدون شک اگر منبع انرژی را در نظر بگیریم خودروهای هیدروژنی به نسبت خودروهای الکتریکی بسیار پاکتر هستند و برای دوست داران محیط زیست خودرو های بسیار مورد توجه تری به حساب می آیند.
معایب سوخت هیدروژنی
خودروهای هیدروژنی به دلیل پیچیدگی بسیار زیاد تولید به نسبت خودروهای الکتریکی قیمت بالاتری دارند و همچنین هزینه پر کردن هر بار باک یک خودروی هیدروژنی حدود ۵۰ دلار هزینه دارد که به هیچ وجه قابل مقایسه با هزینه حدود 10 دلاری شارژ کردن یک خودرو تمام الکتریکی نیست. خودروهای هیدروژنی هم در هنگام خرید و هم در هنگام استفاده هزینه‌های بسیار بیشتری برای صاحب خودرو می‌تراشند.
در حال حاضر ایستگاه های تامین هیدروژن در سطح دنیا بسیار کم است به دلیل اینکه ساخت این ایستگاه ها قیمت بسیار بالایی دارد و چندان صرفه اقتصادی ایجاد نمی کند. دلیل این گرانی این است که هیدروژن مایع باید در دمای ۲۵۰ درجه زیر صفر نگهداری می شود که این ها مستلزم هزینه های هنگفتی است. پس می توان گفت به هیچ وجه ساخت این ایستگاه ها با ساخته ایستگاههای شارژ خودروهای الکتریکی از لحاظ هزینه قابل مقایسه نیستند.
اگر بخواهیم هیدروژن را از روشی ارزان استخراج کنیم که یکی از آنها استفاده از گاز متان است، مبلغ مصرفی بسیار پایین می آید اما در عوض میزان آلودگی تولید یک کیلوگرم هیدروژن بسیار بالاتر از تولید ۱ لیتر بنزین خواهد بود که اصلاً با هدف بنیادی خودرو های الکتریکی و هیدروژنی همگام نیست.
یکی دیگر از مشکلات خودروهای هیدروژنی این است که به دلیل تولید محدود انرژی توسط پیل های سوختی، با این خودروها نمی شود با شتاب و سرعت خیلی بالایی حرکت کرد. تنها زمانی این کار امکان‌پذیر است که از باتری هایی همچون خودروهای الکتریکی در خودرو استفاده شود و انرژی ذخیره شده برای ایجاد شتاب بالاتر به موتورها تزریق گردد.
بیشتر بدانید: باتری خودروهای برقی
مشکلات به کارگیری سوخت هیدروژن در خودرو
- برای ذخیره کردن هیدروژن به مخازن سوخت های بزرگ با عایق های حرارتی بالا مورد نیاز است که مستلزم هزینه های زیادی است.
- علاوه بر ذخیره سازی، ایمنی این مخازن و بازرسی دوره ای آن توسط متخصصین حائز اهمیت است.
- برای دسترسی به هیدروژن در ایستگاه های سوخت رسانی به زیر ساخت های بزرگ احتیاج است.
نکته :
همه سوخت های معمولی مثل گاز طبیعی و بنزین دارای هیدروژن در ترکیبشان هستند و اگر بتوان هیدروژن آن ها را جدا کرده و به سلول های سوخت رسانی رساند، مشکل ذخیره سازی و انتقال هیدروژن رفع می شود.
امروزه شرکت ها در فکر ساخت خودروهایی هستند که هیدروژن در همان وسیله نقلیه تولید شود. یکی از این روش ها استفاده از مخزنی با جنس هیدرید فلزی است که هیدروژن را جذب کند.
آینده خودروهای هیدروژنی
در مجموع می توان گفت تنها مزیت های خودروهای هیدروژنی میزان بسیار زیاد پاک بودن آن ها و همچنین سرعت سوخت گیری زیاد و مسافت پیمایش بالا هستند. اما از طرفی محدودیتهای بسیار زیادی مانند قیمت بالای خرید این خودروها در کنار هزینه های زیاد سوخت، هزینه های بسیار زیاد تولید و نگهداری هیدروژن مورد نیاز این خودروها، کم بودن جایگاه های سوخت رسانی برای خودروهای هیدروژنی و … موجب می شود در شرایط فعلی خرید این نوع خودروها به هیچ وجه صرفه اقتصادی نداشته باشد.
اما شاید بتوان گفت به احتمال زیاد آینده از آن خودروهای هیدروژنی یا پیل سوختی خواهد بود. کمپانی هایی همچون تویوتا، هیوندای، نیسان، بی ام و، بنز، شورلت، هوندا و … نیز از این واقعیت آگاه هستند و به همین دلیل خودروهای مفهومی با سوخت هیدروژن معرفی و تولید نموده اند.
مطرح ترین خودروی هیدروژنی که تا به امروز ساخته و عرضه شده است تویوتا میرای میباشد که چندی قبل نسل جدید این خودرو نیز رونمایی شد.
