هر آنچه كه بايد در مورد خودروهاي هيدروژني بدانيد؟

براساس اعلام تويوتا، بزرگ‌ترين خودروساز حال حاضر جهان براي عرضه‌ي تجاري اولين خودروي هيدروژني خود بصورت تجاري در سال ۲۰۱۵ ميلادي برنامه‌ريزي كرده است. ميراي با ارزش ۵۷٫۵۰۰ دلار در اختيار خريداران قرار خواهد گرفت. همچنين هوندا، به‌عنوان ديگر خودروساز شناخته شده‌ي ژاپن، براي عرضه‌ي خودروي هيدروژني خود در سال ۲۰۱۶ ميلادي برنامه‌ريزي كرده است. اما چرا خودروسازان با وجود انواع خودروهاي هيبريدي و الكتريكي در پي توليد خودروهاي هيدروژني هستند؟ براي استفاده از خودروهاي الكتريكي چون تسلا، بايد متخصصان ساعت‌ها وقت صرف شارژ شدن كامل خودروي خود كنند، در حالي كه سوخت‌گيري خودروهاي هيدروژني كمتر از پنج دقيقه طول مي‌كشد. تنها راهكاري كه امكان تامين انرژي‌هاي خودروهاي الكتريكي را در كوتاه‌ترين زمان ممكن ميسر مي‌كند، تعويض باتري‌ها است كه با توجه به ارزش بالاي اين باتري‌ها، چندان عاقلانه نيست. شايد از خود بپرسيد كه چرا با وجود اين امكانات هنوز خودروهاي هيدروژني بصورت تجاري و گسترده در خيابان‌ها قابل مشاهده نيستند؟ عوامل متعددي در اين باره دخيل است كه مي‌توان از جمله‌ي آن به بهره‌وري، آلودگي هوا، سياست و انرژي اشاره كرد.

خودروهاي پيل سوختي به اتومبيل‌هايي اطلاق مي‌شود كه باتري مورد استفاده در آن‌ها هيدروژن/اكسيژن است. برخلاف باتري‌هاي معمول مورد استفاده، باتري‌هاي هيدروژني ساختار بسته‌‌ي مملو از مواد شيميايي ندارند، بلكه مي‌توان آن‌ها را با گاز هيدروژن شارژ كرد. شماري از باتري‌ها علاوه بر هيدروژن توانايي كار با گازهاي ديگر، نظير متان و بنزين را دارند، اما اين موارد در متخصصدهاي محدود صنعتي چون نيروگاه‌ها يا ليفتراك‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

همچون باتري‌هاي معمول مورد استفاده، باتري‌هاي سوختي نيز از وجود آند، كاتد و الكتروليت بهره مي‌برند. اغلب خودروهاي هيدروژني توليد شده همچون تويوتا ميراي و هوندا اف‌سي‌ايكس كلاريتي، از باتري‌هاي سوختي با الكتروليت پليمري بهره مي‌برند. اين نوع باتري‌ها كه اصطلاحا Polymer Exchange Membrance Fuel Cell يا به اختصار PEMFC نام گرفته‌اند، براي استفاده در انواع وسايل نقليه توسعه يافته‌اند. در اين پيل‌هاي سوختي، هيدروژن با فشار از درون كاتاليزور پلاتينيوم عبور مي‌كند كه با عبور از اين مرحله دو يون و دو الكترون به دست مي‌آيد. الكترون‌هاي حاصل در فرآيند نيرو بخشيدن به موتور الكتريكي خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرند و يون‌هاي حاصل نيز با اكسيژن تركيب شده و در نتيجه بخار آب از اگزوز خودرو خارج مي‌شود. پيل‌هاي سوختي PEMFC به اندازه‌اي در كنار يكديگر قرار مي‌گيرند تا انرژي مورد نياز براي تامين نيروي الكتريكي مورد نياز خودرو تامين شود.

در حال حاضر كداميك از خودروسازان مطرح جهان در اتومبيل‌هاي هيدروژني توليد كرده‌اند؟ هيونداي نمونه‌اي از توسان را در تابستان سال جاري ميلادي بصورت ليزينگ و با يك قرارداد سه ساله با پرداخت ۴۹۹ دلار در ماه روانه‌ي بازار كرده است. غول خودروسازي كره‌ي جنوبي براي فروش ۶۰ هيونداي توسان هيدروژني در جنوب كاليفرنيا برنامه‌ريزي كرده است. تويوتا براي فروش ميراي به ارزش ۵۷٫۵۰۰ دلار در سال ۲۰۱۶ برنامه‌ريزي كرده است. هوندا هم وعده‌ي عرضه‌ي خودروي هيدروژني خود را در سال ۲۰۱۶ ميلادي داده است. باواريايي‌ها اعلام كرده‌اند كه در آينده‌ي نزديك نسخه‌ي بي‌ام‌دبليو هيدوژني را معرفي خواهند كرد. اين خودروساز آلماني با تويوتا براي اشتراك‌گذاري فناوري‌هاي مورد استفاده به توافق رسيده است. ساير خودروسازان مطرح دنيا چون جنرال‌موتورز در حال آزمايش خودروهاي هيدروژني هستند.

در صورتي كه هدف از توليد خودروهاي هيدروژني ايجاد يك چرخه‌ي سبز و بدون توليد آلودگي است، هيدروژن مورد نياز نيز بايد از راه‌هايي توليد شود كه آلودگي را به محيط زيست تحميل نكند. اما توليد هيدروژن فرآيند بسيار سختي دارد. بهترين راه براي به دست آوردن گاز هيدروژن استفاده از الكتروليز براي جدا كردن هيدروژن و اكسيژن در آب است. اين روش اصلا بهينه نيست و هزينه‌ي مورد نياز براي توليد هر كيلوگرم هيدروژن در بهينه‌ترين حالت ۲.۵ دلار است.

تغيير ساختار گاز طبيعي راهكار ديگري است كه مي‌توان براي توليد هيدروژن از آن استفاده كرد، اما نكته‌ي منفي اين روش توليد آلودگي است. در اين روش دماي بخار آب در حدود ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه‌ي سانتي‌گراد افزايش مي‌يابد و در اين مرحله بخار با گاز متان مخلوط مي‌شود كه نتيجه‌ي آن توليد مونوكسيد كربن و هيدروژن در كنار مقدار كمي دي‌اكسيد كربن است. در حال حاضر بيش از ۹۵ درصد از هيدروژن توليد شده در آمريكا به اين روش به دست مي‌آيد.

خودروهاي هيدروژني همچون ساير خودروها براي تامين انرژي مورد نياز خود به وجود ايستگاه‌هايي در فواصل مشخص نيازمند هستند، اما در حال حاضر ايستگاه‌هاي عرضه‌ي هيدروژن بسيار كم بوده و فاصله‌ي زيادي با هم دارند. از جمله‌ي دلايل عمده‌اي كه باعث كمبود ايستگاه‌هاي عرضه‌ي هيدروژن شده مي‌توان به عدم تقاضا و همچنين گران بودن تاسيس چنين ايستگاه‌هايي اشاره كرد. ساخت ايستگاه‌هاي شارژ خودروهاي الكتريكي هزينه‌اي چند ده هزار دلاري داشته و ساخت هر ايستگاه مخصوص براي شارژ تسلا نيز ۳۰۰٫۰۰۰ دلار هزينه دارد. اما ايستگاه‌هاي تامين هيدروژن به دليل چالش‌هاي انتقال هيدروژن مايع، هزينه‌اي يك تا دو ميليون دلاري را در بر دارند. در حال حاضر ۵۰ ايستگاه شارژ در كل ايالت متحده‌ي آمريكا موجود است كه ۲۲ عدد از آن‌ها در ايالت كاليفرنيا قرار دارند.

 اما چرا تجهيزات مورد نياز براي نگهداري هيدروژن مايع هزينه‌ي بالايي دارد؟ اصلي‌ترين تانكري كه براي نگهداري هيدروژن مورد استفاده قرار مي‌گيرد ظرفيت ۳۸٫۰۰۰ ليتر هيدروژن مايع را دارد كه بايد در دماي ۲۵۰ درجه زير صفر نگهداري شود. برخلاف بنزين و گازوئيل، مخازن نگهداري هيدروژن مايع را نمي‌توان زير زمين دفع كرد. اين مخازن بايد در روي زمين و دور از پمپ‌‌ها قرار گيرند. هيدروژن موجود در اين مخزن بايد در مرحله‌ي بعدي وارد برج‌هاي فشرده ساز شده و پس از فشرده سازي به مخازن كوچك‌تر انتقال يابند.

 براي سوخت‌گيري خودروهاي هيدروژني ابتدا بايد رابط اول را براي اندازه‌گيري هيدروژن مورد نياز به محل مورد انديشه متخصصين روي خودرو متصل كرد. پس از اندازه‌گيري ميزان هيدروژن مورد نياز براي سخت‌گيري، نازل هيدروژن به محل مورد انديشه متخصصين متصل مي‌شود كه توسط قفل مخصوص به ورودي باك وصل مي‌شود. ميزان فشار هيدروژن ورودي بستگي به خودروي مورد انديشه متخصصين دارد، اما شماري از خودروها هيدروژن را با هر دو فشار ۳۵۰ و ۷۰۰ بار مي‌پذيرند.

خريداران خودروهاي هيدروژني هيونداي و تويوتا مي‌توانند تا سه سال از هزينه‌ي هيدروژن مورد نياز خودروهاي خود آسوده خاطر باشند، چراكه اين دو كمپاني تا سه سال هيدروژن مورد نياز خودروهاي خود را تامين مي‌كنند. تويوتا در انديشه متخصصين دارد تا تعداد ايستگاه‌هاي هيدروژن را در آمريكا افزايش دهد، بطوريكه اين كمپاني ژاپني براي ساخت ۱۹ ايستگاه در ايالت كاليفرنيا و ۱۲ ايستگاه ديگر در مسير نيويورك تا جزيره‌ي رود برنامه‌ريزي كرده است. ايالت كاليفرنيا نيز براي احداث ايستگاه‌هاي هيدروژن بودجه‌اي ۲۰۰ ميليون دلاري اختصاص داده و براي افزايش تعداد اين ايستگاه‌ها به ۴۰ عدد تا سال ۲۰۱۶ برنامه‌ريزي كرده است. ساير ايالت‌هاي آمريكا نيز براي احداث ايستگاه‌هاي شارژ هيدروژن برنامه‌هاي مشابهي را تدوين كرده‌اند.

خودروهاي هيبريدي اخيرا توسط يكي از نمايندگي‌هاي خودروهاي ژاپني وارد كشور شده‌اند و همچنين در مناطق آزاد نيز مي‌توان شماري محدود از اين خودروها را مشاهده كرد. خوشبختانه بر خلاف سال‌هاي گذشته دولت براي حمايت از خريد اين خودروها، سود بازرگاني واردات خودروهاي هيبريدي را به صفر كاهش داده است. خودروهاي هيبريدي در مقايسه با نمونه‌هاي بنزيني، هزينه‌ي پايين‌تري را براي تامين سوخت به خريدار تحميل مي‌كنند. از انديشه متخصصين آلودگي نيز اين خودورها بسيار خوب عمل مي‌كنند، از اين‌رو خودروهاي هيدروژني چه مزيتي نسبت به انواع هيبريدي و الكتريكي دارند تاكاربران را مجاب به استفاده از آن‌ها كند؟

شايد اولين و مهم‌ترين مزيت خودروهاي هيدروژني را بتوان سهولت استفاده از اين محصولات خواند. خودروهاي هيدروژني را ي‌توان در كمتر از پنج دقيقه سوخت‌گيري كرد در حالي كه مدل S تسلا حداقل به بيست دقيقه زمان نياز دارد تا به اندازه‌ي نصف ميزان رنج حركتي خودروي هيدروژني شارژ شود. البته بايد به اين نكته نيز اشاره كرد كه با احتساب توليد هيدروژن از روش‌هاي پاك، خودروهاي هيدروژني در مقايسه با نمونه‌هاي الكتريكي بسيار پاك‌تر هستند كه توليدكنندگان نيز سعي دارند اين موضوع را دليل اصلي  منطقي براي مهاجرت به اين خودروها مطرح كنند.

از انديشه متخصصين عملكرد نيز نمي‌توان تمايزي بين خودروهاي هيدروژني و الكتريكي قائل شد، چراكه هر دو نمونه از وجود يك نوع موتور الكتريكي براي حركت استفاده مي‌كنند و فقط نوع تامين انرژي در اين خودروها متفاوت است. تويوتا وعده‌ داده كه ميراي در كمتر از ۱۰ ثانيه از حالت سكون به ۱۰۰ كيلومتر در ساعت برسد. غول خودروسازي ژاپن همچنين به اين نكته اشاره كرده كه ميراي قادر خواهد بود تا ۷۰۰ كيلومتر را با يك بار سوخت‌گيري طي كند. با توجه به ظرفيت باتري‌هاي ليتيوم-يوني مورد استفاده در خودروها، مي‌توان استفاده از پيل‌هاي سوختي را گزينه‌ي بهتري براي وانت‌ها و خودروهاي شاسي بلند يا SUV‌ خواند، چراكه باتري‌هاي ليتيوم-يوني بسيار سنگين‌تر از تانكر مورد نياز براي ذخيره‌ي هيدروژن است.

اصلي‌ترين چالش پيش روي خودروهاي هيدروژني هزينه‌ي بالاي توليد هيدروژن در مقايسه با اكتريسته است. همچنين بايد به آلودگي ناشي از توليد هيدروژن نيز اشاره كرد. در ادامه به مطالعه اين چالش‌ها خواهيم پرداخت.

خودروهاي هيدروژني از نمونه‌هاي الكتريكي گران‌تر بوده و هزينه‌ي نگهداري بالاتري دارند. تويوتا اعلام كرده كه تويوتا ميراي را به‌عنوان اولين خودروي هيدروژني كه بصورت تجاري روانه‌ي بازار مي‌كند، با ارزش ۵۷٫۷۰۰ دلار به فروش خواهد رساند كه احتمالا با تسهيلات اعطا شده توسط دولت فدرال ارزش آم به ۴۵٫۰۰۰ دلار كاهش خواهد يافت. هرچند ميراي كمي از تسلا ارزان‌تر است، اما مي‌توان خودروهاي ديگري را نظير نيسان ليف يا ۳۰٫۰۰۰ دلار خريداري كرد. هزينه‌ي نگهداري و تامين سوخت خودروهاي هيدروژني نيز گران‌تر تمام مي‌شود، بطوريكه پر كردن باك ميراي هزينه‌اي ۵۰ دلاري را براي متخصص رقم مي‌زند در حال كه استفاده از تويوتا پريوس هيبريدي نصف اين ميزان و استفاده ازخودروهاي الكتريكي نيز يك چهارم اين مبلغ هزينه دارد. البته بايد به اين نكته اشاره كرد كه در آينده شاهد كاهش ارزش‌ها در اين زمينه خواهيم بود.

توليد هيدروژن در فرآيندي پاك بسيار پرهزينه است. تنها راه براي توليد هيدروژن بدون ايجاد كوچك‌ترين آلودگي استفاده از روش الكتروليز است. با اين حال شايد بهتر است الكتريسته‌ي مورد استفاده در فرآيند الكتروليز در خودروهاي الكتريكي مورد استفاده قرار گيرد تا اين انرژي بصورت بهينه‌تري استفاده شود. همانطور كه در نمودار بالا نيز مشاهده مي‌كنيد، با انرژي مورد استفاده در مراكز توليد هيدروژن، خودروهاي الكتريكي مي‌توانند بصورت پاك مسير بيشتري را در مقايسه با خودروهاي هيدروژني با استفاده سوخت تهيه شده از همان فرآيند طي كنند. البته اين موضوع با استفاده از آمار و فناوري مورد استفاده‌ي كنوني رقم خورده است.

 آلودگي ناشي از توليد هيدروژن با استفاده از متان بيشتر از استفاده از سوخت‌هاي فسيلي است. توليد هيدروژن از طريق تغيير ساختار گاز طبيعي روش ارزان‌تر و در عين حال بدتري از انديشه متخصصين ايجاد آلودگي است. براساس تحقيقات جديدي كه توسط فورد صورت گرفته، خودروهاي هيدروژني در مقايسه با خودروهاي بنزيني عملكرد چندان خوبي از انديشه متخصصين آلودگي هوا ندارند، چراكه بخش اعظمي از هيدروژن مورد استفاده از طريق تغيير ساختار متان توليد مي‌شود كه آلودگي توليد شده توسط آن به‌عنوان يك گاز گلخانه‌اي ۸۶ برابر بدتر از دي‌اكسيد كربن است. 

تجيزات توليد، انتقال و عرضه‌ي هيدروژن بسيار گران ارزش است. همانطور كه در تصوير فوق نيز ملاحظه مي‌كنيد، هيدروژن بسيار اشتعال پذير است و از اين‌رو توليد، انتقال و نگهداري آن نيازمند توجه بيشتري است، در حالي كه الكتريسيته را مي‌توان امروز در تمام خانه‌ها به‌راحتي مورد استفاده قرار داد. خودروهاي هيدروژني نيازمند سرمايه‌گذاري بيشتري در زمينه‌ي توسعه‌ي چرخه‌ي سوخت‌رساني هستند.

با توجه به موارد بالا، آيا استفاده از خودروهاي هيدروژني منطقي است؟ در بازه‌ي زماني كنوني، پاسخ اين سوال منفي است، اما شايد در آينده استفاده از خودروهاي هيدروژني بهترين و بهينه‌ترين راهكار باشد. ده سال پيش نيز خودروهاي الكتريكي وضعيت كنوني را نداشته و با چالش‌هاي بزرگي روبرو بودند، حال آنكه كمپاني تسلا با توليد خودروهاي الكتريكي شارژي به يك كسب و كار سودآور تبديل شده است. از جمله‌ي مزاياي خودروهاي پيل سوختي در مقايسه با پيشرانه‌هاي بنزيني مي‌توان به دامنه‌ي حركتي بيشتر با يك بار سوخت‌گيري و سرعت بالاتر اشاره كرد كه اين موضوع در گذر زمان بهتر خواهد شد.

انديشه متخصصين شما در اين خصوص چيست؟ آيا خودروهاي هيدروژني مي‌توانند در آينده جاي خودروهاي بنزيني و گازوئيلي مورد استفاده را بگيرند؟