موضوع: هيدروژن سوخت پاك دنيای نوين

ذخيره‌سازي، مهم‌ترين مشكل به‌كارگيري هيدروژن به‌عنوان سوخت

با توجه به اين كه كاربرد گاز هيدروژن يك تحول عمده در بازار انرژي ايجاد كرده و يك گام از سمت روش‌هاي غيرمتعارف به روش‌هاي متعارف محسوب مي‌شود، طبيعي است كه مقاومت‌هايي از سوي مردم براي پذيرش مصرف اين گاز به عنوان سوخت در پي داشته باشد.

به گزارش ايسنا، يكي از دلايل بارز اين مقاومت آن است كه به عنوان نمونه مردم بايد در خودروهاي شخصي خود تغييراتي ايجاد كنند كه براي آنها هزينه دارد؛ دوم آن است كه هنوز به در دسترس بودن گاز هيدروژن در جاهاي مختلفي كه مسافرت خواهند كرد، اطميناني ندارند و سوم اين كه هنوز به ايمني مصرف گاز هيدروژن اطميناني نيست كه اين محدوديت‌ها را بايد از طريق انجام كارهاي تبليغاتي، ساخت فيلم هاي مستند و جايگزين كردن گاز هيدروژن به جاي گاز طبيعي به طور تدريجي رفع كرد.

- محدوديت هاي زيربنايي به كارگيري هيدروژن

ساخت واحدهاي شارژ هيدروژن در شهرهاي مختلف يك كار زيربنايي است كه نياز به سرمايه‌گذاري وسيعي دارد. اين موضوع زماني عملي مي‌شود كه از نظر اقتصادي و زيست محيطي امكان استفاده از گازهاي هيدروكربني وجود نداشته باشد. موضوع دوم، ساخت ماشين‌ها و وسايل نقليه عمومي است كه امكان استفاده از گاز هيدروژن در موتور خود را داشته باشند و اين به معني ايجاد خطوط توليد متفاوت در صنايع خودروسازي است.

- ذخيره سازي هيدروژن به همراه خودروها

وسايل نقليه هيدروژني، يكي از كانديداهاي جدي جايگزيني وسايل نقليه با سوختهاي نفتي هستند. وسايل نقليه هيدروژني توانايي استفاده از تكنولوژي پيشرفته را دارند تا كيفيت‌هاي زيست محيطي ايمني و ثبات بازار انرژي را بهبود بخشند؛ به طوري كه عملكرد آنها معادل عملكرد و كاربري وسايل نقليه با سوخت‌هاي بنزيني باشد. بارزترين چالش پيش رو براي اين كار ذخيره سازي مقدار كافي گاز هيدروژن به همراه وسايل نقليه براي مسافت‌هاي نسبتا طولاني در حجم متناسب و معقول است.

انتخاب ظرفيت ذخيره سازي تعيين كننده مدت زمان سوخت گيري مجدد، هزينه ذخيره‌سازي، هزينه اقتصادي مصرف سوخت وسيله نقليه و وسايل پشتيباني لازم موجب افزايش راندمان انرژي هيدروژني مي‌شود.

ذخيره‌سازي هيدروژن از طريق گاز فشرده هيدروژن، ذخيره‌سازي سرد(Cryogenic) هيدروژن مايع و جذب روي هيدرهاي فلـزي(Metal Hydride) امكان پذير است.

ذخيره‌سازي 5 كيلوگرم هيدروژن به صورت گاز فشرده در فشارPsi 3600 به حجمي معادل 320 ليتر نياز دارد كه براي يك وسيله نقليه حجم زيادي است و به لحاظ واحد انرژي معادل 19 ليتر بنزين است. براي وسايل نقليه با پيل سوختي معادل 640 كيلومتر مسافت را در بر مي‌گيرد؛ ولي ذخيره‌سازي بصورت مايع بيشتر مورد توجه قرار گرفته است زيرا به حجم كمتري نياز دارد.

- تحقيقات براي ذخيره سازي هيدروژن

هم اكنون مطالعاتي دردست اجراست كه در صورت به نتيجه رسيدن آنها مي‌توان گاز مايع را در دمايي حدود 20 درجه كلوين (253 - درجه سانتيگراد) و در فشار بالا حدود 3600 psi در مخازن عايق دار ذخيره‌سازي كرد. در اين مخازن حجم مورد نياز براي جرم مشخصي از هيدروژن مايع برابر يك سوم حجم هيدروژن گازي با همان جرم است.

طبق بررسي‌هاي مؤسسه انرژي آمريكا، ظرفيت ذخيره‌سازي هيدروژن با دانسيته حجمي به مقدار 62 كيلوگرم بر متر مكعب مي‌تواند يك هدف تحقيقاتي براي برنامه‌هاي مطالعات هيدروژن به عنوان سوخت در صنعت حمل و نقل باشد. منظور از دانسيته وزني نسبت جرم گاز هيدروژن ذخيره شده به جرم مخزن ذخيره‌سازي با دانسيته حجمي هدف است.

درحال حاضر درايالت شيكاگوي آمريكا برخي از اتوبوس‌هاي شهري از گاز فشرده هيدروژن به وسيله كپسول‌هايي كه به صورت پنهان در سقف آنها نصب شده است، به عنوان سوخت بهره مي‌گيرند. اين موضوع نتوانسته در ظرفيت اتوبوس شهري محدوديتي ايجاد كنند.

بنابراين مهمترين مشكل در ذخيره سازي هيدروژن، كم بودن دانسيته حجمي انرژي سوخت هيدروژن نسبت به سوخت‌هاي پايه نفتي است كه سبب سخت شدن ذخيره‌سازي اين سوخت همراه خودروها شده است.

استفاده از هيروژن و خودروهاي هيدروژني به دو گونه در حال توسعه است:
موتورهاي پيل سوختي
موتورهاي احتراق داخلي

در موتورهاي پيل سوختي عملي معكوس الكتروليز انجام مي شود . بدين معني كه اكسيژن با هيدروژن تركيب شده و طي فرآندهايي به جاي اينكه هيدروژن آتش بگيرد(اصطلاحا بسوزد ) جريان الكتريسيته برقرار مي شود. كه با استفاده از اين جريان موتورهاي الكتريكي فعال مي شوند.اين موتورهاي پيل سوختي هيدروژن را يا از مخازن ذخيره هيدروژن كسب مي كنند و يا از هيدرو كربن ها . يعني اينكه شما تو باك بنزين يا گازوپيل يا انواعي ديگر از هيدرو كربن مي ريزيد . اين هيدروكربنها در فرآيندهاي شيميايي و حتي بيولوژيكي تجزيه شده و هيدروژن آزاد مي كنند و بعد هيدروژن با اكسيژن هوا تركيب شده و جريان الكتريسيته برقرار مي شود.اين نوع موتورها در مراحل تحقيقات هستند و با توجه به حجم سرمايه گذاري فوق العاده بالاي كه روي آنها انجام شده كانديداي مناسبي براي آينده صنعت حمل و نقل مي باشند .

اما موتورهاي هيدروژني احتراق داخلي مثل همين موتورهاي گاز سوز هستند كه به جاي گاز هيدروژن را مي سوزانند. اين موتورها درگير چالشهاي بيشتري هستند و معلوم نيست كه بتوانند در آينده نقش قابل توجهي داشته باشند يا نه!

به هر حال رشته موتور هيدروژني و استفاده از هيدروژن سر درازي داره. كه خيلي خوبه دوستان مطالب تخصصي تري رو اينجا به بحث بگذارند. ولي چالشهاي فني و اقتصادي خاص خودش رو بهمراه داره . اونقدرها هم پاك نيست چون تهيه هيدروژن يا توسط سوخت فسيلي انجام ميشه و يا توسط انرژي اتمي كه در هر دو حالت داراري آلايندگي است.
و يه نكته فرض كنيد تو تهران همه ماشينا هيدروژن سوز باشند. و از اگزوز همه به جاي دود بخار آب بياد بيرون . فكر مي كنيد رطوبت هوا چند درصد بشه ؟؟؟؟

در بالا نوشته بودم خودروهاي احتراق داخلي هيدروژني
چند وقت پيش يه ژاپني در اين خصوص ابتكار جالبي انجام داده بود كه به نظر فقط ارزشي در حد ابتكار داره!!
يك خودروي احتراق داخلي پيستوني هيدروژني ساخته بود به اين روش كه هيدروژن و آب وارد محفظه سيلندر مي شدند و بعد از تراكم در اتاق انفجار هيدروژن منفجر مي شد(مي سوخت) و با استفاده از گرماي ايجاد شده آب موجود در محفظه تبخير مي گشت و به واسطه افزايش حجم بخار آب پيستون به پايين فشار داده مي شد.
خوب اين يه موتور بخار هيدروژني بود . همونطور كه گفتم اين گونه موتور ها چندان شانسي براي آينده ندارند و در حد ابتكارات و تحقيقات مطرح مي شوند.
----------------------------------------
اما در خصوص خودرو هاي پيل سوختي قضيه فرق مي كنه.
تحقيقات روز به روز به سمت موفقيت پيش مي ره.
جنرال موتور تا كنون خودروهاي hywire و sequel رو در اين خصوص به صورت مفهومي توليد كرده.
خودروي hywire كه از همه جديدتره آخرين ايده در اين زمنيه هستش. اين نوع خودرو ها كه اتاق براحتي ار شاسي جدا مي شود و كل موتور و سيتم تعليق و غيره در يك شاسي تخت جاسازي شده است اصطلاحا « اسكات بورد» «skateboard» ناميده مي شوند. در اين خصوص تاپيك انقلابي ديگر كه لينك فيلم تاپ گير در اين خصوص است توسط آقا فرهاد قبلا در سايت گذاشته شده است.
هوندا نيز در اين خصوص خودروي Honda FCX رو طراحي كرده و البته تويوتا هم بيكار ننشته و خودروي Fine S و Fine-T رو تا كنون طراحي كرده است.
خوب حالا كمي هم به عكس ها نگاه مي كنيم.
ابتدا خودروي sequel




حال خودروي hywire

و نمونه شاسي اسكات بورد


و اما خودروي شركت هوندا :


خودروهاي توليدي توسط تويوتا
فاين تي

و فاين اس


يك نكته هم در خصوص چشم انداز تهيه هيدروژن كه تحقيقات در اين زمينه هم به سرعت در حال انجام است. روش هاي مورد بررسي:
1- تهيه هيدروژن از آب يا هوا توسط انرژي فسيلي
2- تهيه هيدروژن از آب دريا توسط انرژي هسته اي
3- تهيه هيدروژن از هيدرو كربن ها به وسيله روشهاي شيميايي و بيو تكنولوژي (توسط باكتري هاي ساخته شده توسط انسان)
4- تهيه هيدروژن با اترژي خورشيدي و با استفاده از پيل خورشيدي.
در خصوص دو گزينه آخري كه از فناوري پيشرفته نانو و بيو استفاده مي شود كارهاي زيادي در مرز هاي علمي جهان در حال اجراست. توجه كنيد كه آينده سلول هاي خورشيدي بيشتر از اينكه با توليد مستقيم جريان الكتريكي گره خودره باشد با توليد هيدروژن گره خورده و توليد هيدروژن توسط اين سلول ها به مراتب بازدهي بيشتري از توليد برق خواهد داشت.

مطالب عالی بود.
در مورد اختراع ژاپنی که احتراق هیدروژن از طریق بخار آب بود به نظرم شاید الان چندان از دیدگاه ما کاربردی نباشه، اما به نظر شما در آینده ممکن نیس همون بخار آبی که از سخت هیدروژن به وجود میاد وارد سیکل احتراق خودش بشه؟
در مورد افزایش بخار آب هم مطمئنا تکنولوژی هایی بابت تبدیل رطوبت هوا به آب به وجود خواهد آمد.