خودروهای سلول سوختی؛ آینده حمل‌ونقل چگونه خواهد بود؟

مشخص است که باید دیر یا زود همه دنیا استفاده از سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند و در نهایت هم به صفر برسانند؛ زیرا سوخت‌های فسیلی با تولید گازهای گلخانه‌ای باعث تغییرات اقلیمی در زمین می‌شوند و این تغییرات اقلیمی نه‌تنها حیات موجودات زنده را به خطر می‌اندازد بلکه می‌تواند تمدن بشری را هم پایان دهد.

دراین‌بین ۲۵ درصد این گازهای گلخانه‌ای از صنعت حمل‌ونقل و به‌خصوص خودروهای سواری می‌آیند. ازاین‌روی هم هست که در چند سال گذشته خودروهای الکتریکی جایگاه مهمی در بازار پیدا کرده‌اند.

اما در این میان یک فناوری دیگر هم وجود دارد که بسیار چشم‌گیر است. آن‌هم خودروهای سلول سوختی هستند.

خودروهای بنزینی کارل بنز

صنعت خودرو در حال متحول‌شدن است. با اینکه شاید سال‌ها طول بکشد تا ما بتوانیم اثر این تحول را در ایران ‌هم ببینیم، اما بالاخره این تحول، سیستم‌های حمل‌ونقل در ایران را هم تغییر خواهد داد.

اگر مقاله پیشین ما در مورد تاریخچه شرکت تسلا را خوانده باشید، می‌دانید که خودروهای الکتریکی، اولین خودروهایی بودند که ساخته شدند. این خودروها از باتری‌های اسیدی برای حرکت استفاده می‌کردند. مشخصا برد این وسایل آن‌قدر زیاد نبود و به دلیل نبود شبکه توزیع برق، چندان‌هم قابل‌استفاده نبودند.

وقتی کارل بنز موتورهای درون‌سوز را بهینه و قابل‌اتکا کرد و از آن‌سو به دلیل ارزان بودن بنزین، این موتورها را برای سوزاندن بنزین ساخت، تازه خودروهای با سوخت فسیلی به محصولی تجاری بدل شدند.

اولین ماشین ساخته‌شده توسط کارل بنز

بعدها نیز با گسترش این صنعت و مزایای واضح خودروهای بنزینی نسبت به خودروهای الکتریکی آن موقع، خودروهای بنزینی و بعدازآن خودروهای دیزلی را به مهم‌ترین وسیله حمل‌ونقل شهری و بین‌شهری بدل کرد.

اما با روشن شدن اثرات افزایش گاز دی‌اکسید کربن در جو، تلاش‌ها برای کاهش آن افزایش یافت. مشخصا هم چون از بین بردن آلایندگی وسایل باری سنگین و هواپیما‌ها راحت نیست، تمرکز بشریت بیش از همه روی خودروهای کوچک و به‌خصوص خودرو‌های شخصی رفت.

خودروهای الکتریکی شرکت تسلا

شرکت تسلا تحت مدیریت ایلان ماسک اولین شرکتی بود که روند آینده را تشخیص داد و سوار این موج شد. این شرکت اولین خودروی الکتریکی خود یعنی تسلا روداستر ۱ (۱ Tesla Roadster) را که البته جنجال‌هایی هم بر سر آن وجود داشت، تولید کرد.

با اینکه قیمت این ماشین ۱۰۰ هزار دلار و دو تا سه برابر خودروهای هم‌اندازه بنزینی بود، اما خیلی سریع مشتریان زیادی آن را سفارش دادند.

بعد‌ها نیز شرکت تسلا با تولید خودروهای دیگری مثل مدل ۳، مدل اس و مدل ایکس و هم‌زمان توسعه فناوری‌های باتری‌های لیتیوم یونی، پیشتاز صنعت خودروهای الکتریکی باقی ماند و امروز هم این جایگاه را دارد.

خودروی الکتریکی تسلا روداستر ۱

تسلا برای اینکه بتواند یک بازیگر مهم در بازار خودروهای الکتریکی باشد، می‌بایست زیرساخت‌های لازم برای استفاده از خودروهایش را هم فراهم می‌کرد. به همین دلیل این شرکت در آمریکا و چندین کشور دیگر مثل هنگ‌کنگ شروع به نصب شارژر‌ در جاده‌ها و شهرها کرد.

همین اتفاق در کنار تغییر بازار خودرو به سمت خودروهای الکتریکی، باعث شد بقیه شرکت‌ها هم شروع به تولید خودروهای الکتریکی کنند.

برگ نیسان

شورولت با خودروی ولت (Chevrolet Volt)، فورد با موستانگ ماخ-ای (Mustang Mach-E)، نیسان با خودروی لیف (Nissan Leaf) و کلی شرکت دیگر از جمله آئودی، مرسدس بنز، بی‌ام‌و، فولکس‌واگن، فیات و هوندا هرکدام با خودروهای الکتریکی خود وارد این بازار شده‌اند.

در این چند سال هم این شرکت‌ها در این زمینه بسیار پیشرفت کرده‌اند. هرچند هنوز هم از لحاظ‌های زیادی خودروهای الکتریکی تسلا از محصولات همه این شرکت‌ها پیشرفته‌تر است اما از آن‌سو تسلا به‌اندازه هیچ‌کدام از این‌ها، در ساخت و فروش خودرو تجربه ندارد.

خودروی الکتریکی نیسان لیف

همین باعث می‌شود بازار خودروهای الکتریکی پر از خودروهای جذابی شود که در سال‌های آتی مشتریان بسیاری از به خود جذب خواهند کرد.

سوی دیگر قضیه اقدام‌های مشترک برخی از کشورها برای کاهش انتشار گاز دی‌اکسید کربن در جو زمین مثل اجرای قرارداد اقلیمی پاریس باعث شده دولت‌های بسیاری در کشورهای پیشرفته نرخ مالیات و دیگر هزینه‌های مربوط به خودرو را از خودروهای الکتریکی بردارند تا مشتریان انگیزه بیشتری برای خرید این ماشین‌ها داشته باشند.

شرکت تویوتا کجاست؟

علی‌رغم تمامی این شور و هیجان و آینده روشنی که برای خودروهای الکتریکی وجود دارد یکی از بزرگ‌ترین و قوی‌ترین خودروسازهای جهان وارد این بازار نشده است.

تویوتا از بزرگ‌ترین شرکت‌های خودروسازی جهان است. خودروهای بسیار قابل‌اتکایی این خودروساز ژاپنی از لحاظ‌های زیادی یکی از جذاب‌ترین خودروهای برای مشتریان هستند.

ساختمان فنی قوی، تعمیرپذیری و بسیاری از مشخصه‌های خودروهای تویوتا محصولات این شرکت را همواره به یکی از بهترین گزینه‌ها برای خرید ماشین بدل می‌کند.

خودروی سلول سوختی تویوتا Mirai 2015

شرکت تویوتا همچنین پیشروترین شرکت در زمینه ساخت خودروهای هیبریدی است.

درهرصورت شرکت تویوتا هیچ‌گاه سراغ ساخت خودروی الکتریکی نرفته است و به‌جای آن تویوتا خودروهای سلول سوختی (Fuel cell vehicle) یا همان خودروهای الکتریکی سلول سوختی (Fuel cell electric vehicle) ساخته است.

بگذارید به این مسئله بپردازیم.

خودروهای الکتریکی چیست‌اند؟

به‌طور خلاصه خودروهای الکتریکی امروزی متشکل از باتری‌های لیتیوم یون و موتورهای الکتریکی BLDC هستند. این موتورهای الکتریکی، همان موتورهای برق متناوب سه فاز سنکرون هستند. این موتورها برای کار کردن به برق سه فاز نیاز دارند.

در این خودروها برق مستقیم باتری‌ها توسط یک مدار الکترونیکی به اسم اینورتر (Inverter) به برق سه فاز متناوب تبدیل می‌شود و موتورها با آن کار می‌کنند.

با تغییر فرکانس این برق سه فاز می‌توان سرعت حرکت موتور را تغییر داد. این دقیقا روشی است که در این خودروها و هر وسیله الکتریکی دیگری می‌توان سرعت وسیله را تغییر داد.

خودروهای سلول سوختی چگونه کار می‌کنند؟

خودروهای سلول سوختی از لحاظ ساختار مثل خودروهای الکتریکی هستند. این خودروها همانند خودروهای الکتریکی از موتور سه فاز و باتری و اینورتر استفاده می‌کنند؛ اما تفاوت خودروهای سلول سوختی با خودروهای الکتریکی در این است که یک سلول سوختی نیز در آن‌ها وجود دارد.

خودروهای الکتریکی از باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌کنند؛ اما در خودروهای سلول سوختی، از باتری‌های با سوخت هیدروژن یا به‌طور خلاصه از باتری‌های هیدروژنی استفاده می‌شود؛ یعنی سوخت مصرفی این خودروها، گاز هیدروژن است.

ساختار داخلی خودروی سلول سوختی تویوتا Mirai 2015

در این خودروها هیدروژنی که در باک خودرو پر شده است، وارد سلول سوختی یا همان باتری هیدروژنی می‌شود. این هیدروژن در سلول سوختی با اکسیژن ترکیب‌شده و برق تولید می‌کند. موتورهای الکتریکی ماشین نیز با استفاده از همین برق کار می‌کنند.

همچنین ترکیب هیدروژن و اکسیژن در سلول‌های سوختی صرفا بخارآب تولید می‌کند. در نتیجه از اگزوز این خودروها بخارآب خارج می‌شود.

این سلول‌ها برق مستقیم تولید می‌کنند و اینورترهای موجود در خودرو آن را تبدیل به برق متناوب سه فاز می‌کند و موتورها با استفاده از این برق متناوب سه فاز کار می‌کنند.

فناوری سلول‌های سوختی

سلول‌ سوختی هیدروژن البته فناوری جدیدی نیست. از چند دهه پیش ناسا و دیگر سازمان‌های فضایی در ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی خود از این سلول‌های سوختی استفاده می‌کنند؛ زیرا این ماهواره‌ها و دیگر وسایل فضایی لاجرم به همراه خود اکسیژن و هیدروژن به فضا می‌برند در نتیجه با همین روش می‌شود برق موردنیاز آن وسیله فضایی را تامین کرد.

اما در فناوری که در ابتدا برای سلول‌های سوختی به کار می‌رفت از فلز پلاتین استفاده می‌شد. در اصل سطح واکنش‌دهنده در این سلول‌های سوختی با فلز پلاتین ساخته می‌شد که البته فلز کمیاب و گران‌قیمتی است.

آنچه باعث شده این سلول‌های سوختی وارد خودروهای سواری شوند این است که در چند سال گذشته آلیاژ‌های ارزانی ساخته شده‌اند که می‌توانند در این سلول‌ها به جای پلاتین به کار روند.

برتری خودروهای سلول‌های سوختی نسبت به خودروهای الکتریکی

۱- سرعت سوخت‌گیری

برای استفاده از خودروهای الکتریکی باید دائما آن‌ها را شارژ کرد. شارژ این خودروها در کل فرآیند زمان‌بری است. باتری مورداستفاده در خودروهای الکتریکی، از جنس همان باتری گوشی‌های هوشمندی است که ما دائما استفاده می‌کنیم.

در این باتری‌های لیتیوم یون می‌توان سرعت شارژ را بالا برد اما این کار باعث می‌شود عمر مفید این باتری‌ها کاهش یابد. عوض کردن کل باتری‌های یک ماشین هم هزینه زیادی دارد.

خودروی سلول سوختی هیونداری ix35

در کل زمان ‌سوخت‌گیری یا همان شارژ در خودروهای الکتریکی زیاد است. با فناوری‌ شارژ سریع که مثلا در خودروی نیسان لیف وجود دارد، می‌توان در یک ساعت باتری را از ۲۰ درصد تا ۸۰ درصد شارژ کرد که البته این کار بدون اثرات جانبی منفی نیست.

در سوی دیگر، فرآیند سوخت‌گیری در خودروهای سلول سوختی مثل خودروهای بنزینی است. شما صرفا باید به یک جایگاه سوخت هیدروژن مراجعه کنید و مخزن هیدروژن خودرو را پر کنید. فرآیند آن نیز مشخصا شبیه همین پر کردن مخزن CNG در خودروهای داخل ایران است. فقط هم چند دقیقه وقت می‌برد.

۲- وزن و برد زیاد خودروهای سلول سوختی

در خودروهای الکتریکی برای اینکه بتوان برد خودرو را افزایش داد و کاری کرد که خودرو در یک‌بار شارژ مسافت بیشتری را طی کند، مجبور هستیم تعداد باتری‌ها را افزایش دهیم. این باتری‌ها وزن زیادی دارند. در نتیجه وزن خودرو را زیاد می‌کنند که خود این باعث کاهش بازدهی ماشین می‌شود.

از آن‌سو هر چه خودرو مسافت بیشتری را طی می‌کند و باتری خالی می‌شود، خودرو همچنان باید وزن باتری‌های خالی‌شده را با خود بکشد.

خودروی سلول سوختی هوندا Clarity

چنین اتفاقی در ترکیب با مدت‌زمان شارژ طولانی برای این خودروها، باعث می‌شود در کل بازدهی ماشین پایین بیاید.

در خودروهای سلول سوختی لازم نیست تعداد زیادی باتری در خودرو نصب کنیم. فقط آن‌قدری لازم است که توان کافی تولید کند.

تنها باید مخزن هیدروژن را پر کنیم. هر چه این مخزن خالی می‌شود، وزن آن کاهش می‌یابد و دیگر لازم نیست وزن مرده‌ای غیر از وزن خود مخزن و سوخت هیدروژن را با خود بکشیم.

۳- تمیز کردن هوا

گفتیم که در خودروهای سلول سوختی، اکسیژن موجود در هوا با هیدروژن ترکیب می‌شود و حاصل آن الکتریسیته و بخارآب است که از اگزوز ماشین بیرون می‌آید.

خودروهای سلول سوختی مثل خودروهای الکتریکی هیچ آلاینده‌ای ندارند؛ اما یک برتری هم دارند. آن‌هم این است که خودروهای سلول سوختی هنگام استفاده هوا را تمیز می‌کنند.

اکسیژنی که وارد سلول سوختی می‌شود، باید کاملا تمیز و عاری از هرگونه ناخالصی باشد. به همین دلیل در خودروهای سلول سوختی سیستم ورود هوا باید فیلترهای بسیار پیشرفته‌ای داشته باشد که نگذارند هیچ ذره معلق، گردوغبار، گاز سمی، دی‌اکسید کربن و هر چیز دیگری در هوا وارد سلول سوختی شود.

تریلی سلول سوختی هیوندای

در نتیجه شما وقتی از یک خودروی سلول سوختی استفاده می‌کنید، موقع حرکت هوا را نیز تمیز می‌کنید. مشخصا بعد از مدتی باید فیلتر هوای ماشین را با فیلتر تازه عوض کنید. این فیلتر هم می‌تواند بازیافت شود و هم می‌تواند به همراه ذرات آلوده‌کننده داخل آن به نحوی دفع شود و ذرات روی آن نیز وارد هوا نشوند.

این تمیز کردن هوا توسط خودروهای سلول سوختی یک گزینه بسیار جذاب برای این خودروها است.

۴- مزیت مقیاس و خودروهای سنگین

ساخت خودروهای الکتریکی باری چالش سختی است؛ زیرا این خودروها بار زیادی حمل کرده و مسافت‌های طولانی می‌‌پیمایند. با اینکه شاید برای این خودروها صرف یک یا دو ساعت زمان شارژ خیلی مسئله‌ای نباشد، اما افزایش ظرفیت بار این خودروها هم‌زمان با حفظ یا افزایش برد آن‌ها نیازمند این است که تعداد باتری‌های لیتیوم یون در آن‌ها بیشتر شود.

در نتیجه وزن این خودروها به‌صورت چشم‌گیری افزایش می‌یابد و همان‌گونه در سطور بالا گفتیم چنین کاری به دلیل افزایش وزن مرده این وسیله‌ها، بازدهی آن‌ها را کاهش می‌دهد.

اما ساخت خودروهای سلول سوختی باری کار راحتی است. صرفا باید ظرفیت مخزن هیدروژن را در آن‌ها بالا ببریم و همین.

به همین راحتی می‌توان برد این خودروها را افزایش داد.

تریلی سلول سوختی نیکولا ۲

چنین کاری حتی می‌تواند به آینده‌ای منجر شود که بتوان کشتی‌های باری و مسافری و حتی هواپیمای با سوخت هیدروژن ساخت. می‌دانیم که استفاده از باتری‌های لیتیوم یون برای کشتی‌ها و هواپیماها عملی نیست.

به همین دلیل هم هست که یک استارت‌آپ آمریکایی دیگر به نام نیکولا (Nikola Corporation) از سال ۲۰۱۶ آغاز به کار کرده و توجه آن نیز تولید کامیون‌های سلول سوختی است.

در کنار تویوتا و نیکولا، شرکت‌هایی مشهوری همچون هیوندای و هوندا و چندین استارت‌آپ دیگر هم امروزه در این حوزه کار می‌کنند.

مشکلات خودروهای سلول سوختی

الف- ساخت جایگاه سوخت

با توجه به همه این‌ها تنها یک مشکل اساسی پیش ‌روی توسعه خودروهای سلول‌های سوختی وجود دارد. آن‌هم ساخت جایگاه سوخت هیدروژن است.

ساخت ایستگاه شارژ برای خودروهای الکتریکی ساده است؛ زیرا تقریبا در همه‌جا برق وجود دارد. تنها لازم است دستگاه‌های شارژر را در جایی نصب کنیم و یک ایستگاه‌ شارژ داشته باشیم. به‌راحتی می‌توان در هر پارکینگ، جایگاه سوخت یا حتی جلو هر سوپرمارکتی یک ایستگاه شارژ نصب کرد؛ اما این شارژ کردن زمان می‌برد.

اما برای ساخت جایگاه سوخت هیدروژن باید دقیقا مثل جایگاه‌های سوخت بنزین و گازوئیل کار کرد؛ یعنی جایگاه مشخصی وجود داشته باشد که مرتب با استفاده از تانکرهای حمل هیدروژن پر شوند.

این تانکرهای هیدروژن هم باید در کارخانه‌های تولید هیدروژن پر شده و به ‌جایگاه‌های سوخت هیدروژن حمل گردند. این کار مشابه همین جایگاه سوختی امروزی است که تانکرهای سوخت در پالایشگاه پر می‌شوند.

تانکر و کانتینر حمل سوخت هیدروژن مایع

تنها مزیت سوخت هیدروژن در اینجا این است که دیگر لازم نیست جایگاه جدیدی تاسیس شود. صرفا می‌توان جایگاه سوخت بنزین را تغییر کاربری بدهیم. البته می‌توان در این جایگاه‌های ایستگاه شارژ هم نصب کنیم که هزینه کمتری می‌برد.

در کشورهایی مثل آمریکا شرکت نیکولا تا امروز چند صد جایگاه سوخت برای مسیرهای اصلی که کامیون‌های باری از آن عبور می‌کنند ساخته است.

ب- تولید هیدروژن

در کنار این‌ها خود تولید هیدروژن هم کمی چالش‌برانگیز است. شاید تنها منبع قابل‌اتکای هیدروژن، آب باشد؛ یعنی آب را با روش الکترولیز به اکسیژن و هیدروژن تجزیه کنیم و هیدروژن آن را در خودروها به کار ببریم. با این کار هیدروژن در مخزن ذخیره می‌شود. اکسیژن هم برای کارهای دیگر استفاده می‌گردد.

مشکل اینجاست که انرژی لازم برای الکترولیز آب و تولید هیدروژن بیشتر از انرژی است که از ترکیب هیدروژن و اکسیژن در سلول سوختی به دست می‌آید. دلیل این تفاوت هم در فناوری‌های به‌کاررفته است.

اما اگر بتوان برق لازم برای الکترولیز را از منابع نامحدود و ارزان مثل انرژی خورشیدی به دست آورد، چنین فرآیندی کاملا به‌صرفه و منطقی خواهد بود. اتفاقی که بعید نیست بیفتد.

ج- بازدهی

وقتی همه این‌ها را در نظر می‌گیریم، می‌بینیم که بازدهی انرژی از محل تولید برق تا استفاده از آن در یک خودرو الکتریکی نزدیک ۹۰ درصد است. دوباره وقتی مسیر تولید سوخت هیدروژن و انتقال به جایگاه و سوزاندن آن را حساب کنیم شاید به رقمی در حدود ۷۰ درصد برای بازدهی خودروهای سلول سوختی می‌رسیم. اما دیگر مزایای این خودروها نسبت به خودروهای الکتریکی باعث می‌شود بتوان آن‌ها یک گزینه چشم‌گیر برای آینده صنعت حمل‌ونقل در نظر بگیریم.

مخزن هیدروژن

شاید به این فکر کنید که خود مخزن هیدروژن می‌تواند خطرناک باشد. البته که این فکر درست است. هیدروژن ماده خطرناکی است و ترکیب سریع آن با اکسیژن واکنش انفجاری شدیدی دارد.

به دلیل همین واکنش انفجاری هم است که خودروهای درون‌سوزی که به‌جای بنزین از هیدروژن استفاده می‌کردند نتوانستند تجاری شوند. پیش‌ازاین شرکت بی‌ام‌و یک خودروی درون‌سوز هیدروژنی ساخته بود؛ اما چون واکنش انفجاری سوختن هیدروژن با اکسیژن بسیار شدیدتر از سوختن اکسیژن با بنزین است، این خودرو هیچ‌گاه تجاری نشد. همچنین این واکنش انفجاری شدید میزان استهلاک این موتورهای درون‌سوز را هم بالا می‌برد.

ولی واکنش هیدروژن با اکسیژن در سلول سوختی آرام و کنترل‌شده است و چون قطعه متحرکی در باتری وجود ندارد، استهلاک بسیار کم است.

اما بااین‌همه ذخیره‌سازی هیدروژن در باک ماشین خطرناک است. خصوصا وقتی قرار باشد این هیدروژن به‌صورت فشرده ذخیره شود. چیزی شبیه مخازن CNG در خودروها که در فشار ۲۰۰ بار فعالیت می‌کنند و به همین دلیل مخزن باید مستحکم و سنگین باشد. موقع انفجار نیز آسیب زیادی می‌زند.

چنین مشکلی در مخازن هیدروژن وجود ندارد؛ زیرا هیدروژن قرار نیست با فشار بالا در مخازن ذخیره شود.

مخزن گاز هیدروژن فشرده برای خودروها

از سال ۱۹۵۰ به این‌سو چند گروه پژوهشی در سازمان انرژی آمریکا روی روشی برای ذخیره‌سازی هیدروژن در مخازن سوختی خودرویی کار می‌کنند که به‌جای فشرده‌سازی گاز هیدروژن، از مواد شیمایی بهره می‌برد. این مخازن از یک ماده شیمایی کریستالی پر می‌شوند که می‌تواند با هیدروژن واکنش برگشت‌پذیر داشته باشد.

یعنی کافی است شما هیدروژن را با فشار کمی در حدود ۲ بار وارد این مخازن بکنید. با همین فشار هیدروژن با ماده درون مخزن واکنش می‌دهد و ساختار جدیدی ایجاد می‌کند. عملا در این روش هیدروژن درون ساختار کریستالی ماده به دام می‌افتد.

در این روش چگالی انرژی هیدروژن ذخیره، بیشتر از فشرده‌سازی یا حتی مایع کردن هیدروژن است. هنگام استفاده از هیدروژن نیز کافی است شیر مخزن را باز کنید تا فشار آن کاهش یابد و هیدروژن آزاد شود.

بدیهی است که یک مخزن هیدروژن که با فشار ۲ بار کار می‌کند هم بسیار ایمن است و هم بسیار ارزان.

اقتصاد هیدروژن و خودروهای سلول سوختی

همه این‌ها مقدمه‌ای برای آغاز اقتصاد هیدروژن است. توسعه این فناوری‌ها در کنار توسعه منابع پاک انرژی باعث می‌شوند ما در آینده زمین و شهرهایی داشته باشیم که در آن صدای ماشین‌ها وجود ندارد و هوای آن‌ها نیز آلوده نیست.

شاید راه نجات زمین و کل بشریت از همین اقتصاد هیدروژن بگذرد. درهرصورت آینده حمل‌ونقل بر خودروهای الکتریکی و خودروهای سلول‌های سوختی بنا شده است.

در کوتاه‌مدت احتمالا شاهد این خواهیم بود که خودروهای الکتریکی برای داخل شهرها و خودروهای سلول سوختی برای خارج شهرها استفاده شوند. اما در بلندمدت احتمالا همه‌گیری خودروهای سلول سوختی را شاهد خواهیم بود.