هیدروژن و افق پیش روی آن

هیدروژن را منبع انرژی آینده معرفی می كنند. هیدروژن به صورت آزاد و فراوان درطبیعت یافت نمی شود و می بایدآن را تهیه و تولیدكرد. معمولاً پس از تجزیه آب، هیدروژن را آزاد می كنیم واین عمل نیازمند دریافت انرژی حاصل از سوختن هیدروژن است كه البته باید هدر رفت را نیز با ضریبی درنظر گرفت؛ درنتیجه درمی یابیم كه هیدروژن واسطه ای برای انتقال انرژی است تا یك منبع انرژی. با تجزیه هیدروژن به آب و هیدروژن، هیدروژن را استخراج می كنیم. انرژی لازم برای تجزیه آب را می توان از منابع خورشیدی و هسته ای تأمین كرد كه انرژی هسته ای ارزان تر است.هیدروژن با وزن اتمی یك، از سبك ترین عناصر است. چگالی هیدروژن مایع ۰۷/۰ گرم در هر سانتی مترمكعب است، درحالی كه آب چگالی یك گرم بر سانتی متر مكعب دارد و بنزین مقدار چگالی درحدود ۷۵/۰ گرم بر سانتی متر مكعب دارد. این ویژگی ها برای هیدروژن عیب ها و مزیت هایی دارند. ازجمله این مزیت ها این است كه هیدروژن حدود۶/۲ برابر بنزین انرژی برای هر واحد جرم را می تواند ذخیره كند و عیب آن این است كه حدود چهار برابر حجم را برای تولید همان مقدار انرژی اشغال می كند. یك تانك پانزده گالنی بنزین خودرو می تواند۹۰ پاوند بنزین را درخود جای دهد. یك تانك ذخیره هیدروژن مشابه می باید۶۰ گالنی باشد، اما وزنی تنها معادل۳۴ پاوند خواهد داشت.هنگامی كه هیدروژن درهوا می سوزد، محصول عمده آن آب است. برخی تركیبات نیتروژن نیز می توانند ایجاد شوندكه باید از به وجود آمدن آنها پیشگیری كرد. اگر اثرهای گازهای گلخانه ای را به حساب آوریم، ازمزیت های عمده هیدروژن تولید نكردن دی اكسیدكربن درفرآیند سوختن آن است.از آنجاكه هیدروژن به طور خالص درمقیاس وسیعی درطبیعت موجود نیست، روش معمول استخراج آن درحال حاضر شكل دهی دوباره بخار متان است و به احتمال بسیار همچنان اقتصادی ترین روش استخراج هیدروژن خواهد بود؛ البته تا هنگامی كه متان (گازطبیعی) به فراوانی و ارزانی در دسترس باشد و نیاز به تولید هیدروژن محدود باشد. هنگامی كه بهای متان به سه برابر قیمت كنونی آن برسد، هیدروژن را می توان از الكترولیز آب به دست آورد. اگرچه بهترین راه استخراج هیدروژن، الكترولیز آب است، اگر قرار باشد از سوخت های فسیلی همانند بنزین، زغال سنگ و یا گازطبیعی برای تأمین انرژی موردنیاز فرآیند الكترولیز استفاده كرد، دیگر هیدروژن تولیدی هیچ مزیتی نخواهد داشت، زیرا می توان از همان سوخت های فسیلی برای تولید انرژی استفاده كرد. درهمین حال بازهمCO۲ تولید خواهد شد وانرژی زیادی به هدر خواهد رفت؛ بنابراین فزونی مصرف هیدروژن درآینده، به استفاده از انرژی هسته ای والكتریسته حاصل از انرژی خورشیدی بستگی دارد. درهردو مورد یادشده، امكان استفاده از فناوری های توسعه نیافته، اما شدنی وجود دارد كه الكتریسته را به عنوان انرژی واسطه مصرف نمی كنند. [فرآیند ترمودینامیك برای تجزیه آب وجود دارد كه ادعا می شود دو برابر الكترولیز بازده دارد وسیكل آیودین- سولفور نام دارد]. برای این كه در راكتورها بازده بالایی داشته باشیم، می باید دمای آنها را از۹۵ درجه سانتی گراد راكتورهای كنونی بالاتر ببریم. درمقاله ای از گن شولز به مورد یادشده و تولید حرارتی هیدروژن از نیروی آفتاب پرداخته شده است. پیشنهادهایی نیز درباره گردآوردن انرژی حاصل از گرمایش منازل و فرآیندهای شیمیایی و الكترولیز با انرژی كمتر ارائه شده اند.درهر دوحال قانون بقای انرژی به ما می گوید كه تمام انرژی حاصل از سوختن هیدروژن، می باید به وسیله منبع اولیه ای همچون انرژی هسته ای یا خورشیدی فراهم آورده شود. ازآنجاكه این فرآیند هیچ كدام۱۰۰ درصد بازده ندارند، میزانی از اتلاف انرژی خواهیم داشت؛ درنتیجه استفاده از هیدروژن به عنوان واسطه تنها هنگامی توجیه خواهد داشت كه دلیلی برای مصرف منبع اولیه مستقیم نداشته باشیم. برای خودروها این دلیل موجود است، زیرا نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های خورشیدی آنقدر كوچك نیستند كه بتوان از آنها درموتور خودروها استفاده كرد، تنها می توان ازانرژی هسته ای دركشتی های غول پیكر استفاده كرد.اگر استفاده از انرژی خورشیدی درمقیاس وسیعی فراگستر شود، انرژی ای كه تولید می شود، از منبعی بسیار دور تهیه خواهد شد. هدف این است كه هیدروژن هم به عنوان واسطه ای برای ذخیره سازی و هم به عنوان واسطه انتقال انرژی نقش ایفا كند. معلوم نیست كه ساخت خطوط لوله برای انتقال هیدروژن كه همانند خطوط انتقال الكتریسته عمل كنند، تا چه اندازه قابل اجرا است؟ هیدروژن را می توان از طریق خطوطی همانند خطوط انتقال گازطبیعی انتقال داد. مشكلاتی كه دراین میان رخ می دهند، عبارتند از: فرار بودن بیشتر هیدروژن نسبت به گازطبیعی و احتمال نشتی هیدروژن از برخی اتصال های و احتمال شكسته شدن برخی از فلزات به كار رفته در اتصال های خطوط لوله گاز طبیعی.وجود خط لوله انتقال هیدروژن ۲۰۸ كیلومتری درآلمان نشان می دهد كه می توان براین مشكلات پیروز شد. چنین شبكه ای دركشورهای بلژیك، فرانسه و هلند نیز وجود دارد. به هرحال باگسترش و بهبود فناوری های مربوط به انتقال راه دور انرژی الكتریكی شاید این روش صرفه اقتصادی نداشته باشد، اما برای خودروها ماجرا از قرار دیگری است.هیدروژن به عنوان سوخت موتور: ازهیدروژن می توان برای سوخت موتور استفاده كرد، درحالی كه نمی توان از انرژی های هسته ای و خورشیدی به طور مستقیم استفاده كرد. انرژی هسته ای به سپرهای محافظتی سنگینی نیازدارد تا نوترون ها را از تابیدن به محیط زیست باز دارند كه برای خودروها وزن زیادی دارند. راكتور هسته ای را می توان دركشتی ها، زیردریایی ها و ناوهای هواپیمابر به كار برد. حتی پیشنهادهایی مبنی براستفاده از راكتورها در لوكوموتیوها مطرح شده اند. البته برای استفاده از انرژی هسته ای محدودیت هایی وجود دارد. به نظر من با ارتقا و ایمن سازی راكتورهای مناسب برای كشتی های تجاری، انرژی هسته ای جای خود را درصنایع دریایی خواهد یافت. از انرژی خورشیدی نمی توان درخودروها به طورمستقیم استفاده كرد، مگر برای استفاده های ناچیز انرژی. مشكل اصلی دراینجا است كه اندازه صفحه خورشیدی كه می باید انرژی لازم را برای به حركت درآوردن یك خودرو فراهم آورد، بسیاربزرگ تر از ابعاد یك خودرو معمولی است، در ضمن شب هنگام و روزهای ابری نیز از انرژی خبری نخواهد بود.ازهیدروژن می توان به جای سوخت موتورهای احتراق داخلی با ساختی مشابه موتورهای بنزین استفاده كرد. درحالی كه هیدروژن سه برابر هرپاوند بنزین انرژی تولید می كند، هنگام مایع بودن تنها یك دهم چگالی بنزین را دارد و اگر آن را به صورت گاز فشرده نگاهداری كنیم، بازهم این مقدار كمتر خواهد شد؛ درنتیجه تانك ذخیره هیدروژن خیلی بزرگ خواهد بود. معمولاً برای خودروها از هیدروژن فشرده استفاده می كنند، اما هیدروژن فشرده هنوز به اندازه محدوده مسافتی كه با بنزین پیموده می شود، مناسب نیست. استفاده از آن حتی از باتری های سرب- اسیدی نیز بدتر است. هیدروژن با جذب در فلزات هیبریدی می تواند چگالی مناسب را پیداكند، اما وزن این فلزات خودرو را خیلی سنگین خواهد ساخت.علمی ترین راه حل هایی كه برای استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودروها وجود دارد، پذیرفتن دشواری های استفاده از هیدروژن مایع و حل آنها است. سه مشكل اساسی در این باره وجود دارد:
۱- چگالی كم. تانك سوخت هیدروژن سه برابر تانك بنزین هم اندازه خود ظرفیت خواهد داشت. درهمین حال می باید ایزوله باشد كه این كار به وزن آن می افزاید. این مشكل قابل حل به نظر می رسد.
۲- مشكلات مربوط به ایمنی. هیدروژن مایع به حد كافی برای یخ زدن هوا سرد است و مشكلاتی مربوط به تسلیم شیرها در برابر فشار انبساطی هیدروژن مشاهد شده است.
هنگام تصادف، تانك هیدروژن می تواند ترك بردارد و از هم بگسلد، درست مانند باك بنزین. آزمایش ها نشان می دهدكه با تولید ایمن تانك ها، هیدروژن ایمن تر از بنزین خواهد بود، زیرا هیدروژن به سرعت وارد محیط می شود. ورود هیدروژن به یك محیط بسته همچون گاراژ می تواند موجب انفجار شود.
۳- ازآنجا كه ایزولاسیون نمی تواند كامل باشد، هیدروژن به آرامی تبخیر خواهد شد، عموماً ۷/۱ درصد درهر روز. این میزان برای خودرویی كه قرار است مدت زیادی توقف كند، خیلی زیاد است. یك تانك هیدروژن فشرده كه به اندازه رسیدن به ایستگاه هیدروژن بعدی دوام بیاورد، این مشكل را حل خواهد كرد. اگر موتور به حد كافی انعطاف پذیر باشد كه بتواند بنزین را نیز بسوزاند، یك مخزن نیم گالنی بنزین نیز برای تأمین سوخت موردنیازكافی خواهد بود. شركتBMW خودروهایی با هیدروژن مایع را آزمایش كرده است. به هر روی تا مشكلات سیاسی فراروی گسترش استفاده از نیروی هسته ای و محدودیت های تكنولوژیك بر سرراه استفاده گسترده از انرژی خورشیدی وجود دارند، هیدروژن شانسی برای همه گیر شدن ندارد!
منبع: وب سایت دانشگاه استنفورد، نویسنده: جان مك كارتی

منبع : شبکه اطلاع رسانی شانا