تکنولوژی پیل سوختی – آینده­ای با آلاینده­های صفر

سیاست­ها و راه­حل­های مختلفی در چارچوب برخی تبصره­ها در کشور برای مدیریت مصرف سوخت و کاهش آلودگی ارائه می­شود و شاید جای یک تفکر سیاستگذارانه در این مبحث خالی باشد

هدف از ارائه این مقاله، ترسیم چشم­اندازی برای آینده مصرف سوخت­های پایه نفتی و جلوگیری از انتشار آلاینده­های ناشی از آن است.

سیاست­ها و راه­حل­های مختلفی در چارچوب برخی تبصره­ها در کشور برای مدیریت مصرف سوخت و کاهش آلودگی ارائه می­شود و شاید جای یک تفکر سیاستگذارانه در این مبحث خالی باشد.

این نوشتار می­کوشد راه­حل­ها و برنامه­های مدون ارائه شده ازسوی DOE (بخش انرژی) و NREL (آزمایشگاه ملی انرژی­های تجدید شدنی National Renewable Energy Laboratory ) ایالات­متحده را در این زمینه ارائه کند که با بومی­سازی آن می­توان تلاش­های کشور را در این خصوص، سمت و سو داد.

روزی را تصور کنید که با خودرویتان از سر کار به خانه می­روید و آن را به شبکه خانه متصل و برق لازم برای روشنایی خانه را فراهم می­کنید و بعد در نیمه­های شب، برق خانه و شبکه، قابلیت لازم برای تولید انرژی روز بعد را برای خودروی شما ایجاد می­کنند.

از لحاظ فنی، چنین آینده­ای قابل تصور است زیرا خودروی شما می­تواند یک خودروی پیل سوختی باشد که از هیدروژن برای تولید برق استفاده می­کند. اتومبیل شما می­تواند به­عنوان ژنراتور (مولد) توزیع­کننده و خانه شما به­عنوان تولیدکننده انرژی و ایستگاه سوخت­گیری عمل کند. اگر هیدروژن و برق تولیدی از منابع و تکنولوژی­های تجدیدپذیر به­دست آید، میزان آلاینده­های ناشی از مصرف انرژی برای منزل و خودروی شما می­تواند صفر در نظر گرفته شود.

تلاش برای دستیابی به چنین آینده­ای، برای بخش حمل و نقل امریکا حیاتی است زیرا حمل­و­نقل این کشور به­طور کامل وابسته به نفت است و تقریبا ۶۰درصد از واردات سواحل خارجی به این کشور را در­بر­می­گیرد که به­طور مستقیم به حجم عظیمی از آلاینده­ها و گاز­های گلخانه­ای مبدل می­شود.

نتیجه تحقیق در زمینه تکنولوژی پیشرفته باتری- سوخت که از هیدروژن برای ایجاد قدرت در خودرو ـ بدون تولید آلودگی ـ استفاده می­کند، دستیابی به خودروهایی رقابتی با کارایی بالاتر، هزینه نگهداری پایین­تر و آلودگی کمتر خواهد بود.

● تحقیق و توسعه­

اگر­چه این برنامه، بسیار نو­پاست اما اهداف دراز مدت آن کاملا مشخص است: خودکفایی بیشتر در بخش انرژی ، کاهش آلایندگی و ایجاد زیرساخت برای تامین هیدروژن.

دستیابی به این اهداف نیازمند رویکردی منظم است و بازیگران فراوانی را درگیر خواهد­کرد: قطعه­سازان، خودروسازان، صنایع انرژی، سازمان­های دولتی و آزمایشگاه­های ملی.

یکی از این دلایل آن است که NREL سال­هاست از سوی DOE ( سازمان انرژی ­ Dept. Of Energy) حمایت می­شود.

NREL از دو طریق برای رسیدن به این اهداف تلاش می­کند:

۱) توسعه سیستم­ها، مجموعه­ها و خودروهای پیشرفته

۲) انجام آزمایش­ها و گسترش استفاده از سوخت­های جایگزین

● خط سیر استفاده از خودروهای پیشرفته

یکی از اشکالات عمده سیستم حمل و نقل فعلی این است که تاحد زیادی برپایه موتورهای احتراق داخلی استوار است که بسیار ناکارآمدند زیرا تنها کمتر از ۱۸­درصد از انرژی سوخت را به انرژی جنبشی مورد­نیاز برای حرکت خودرو تبدیل می­کنند.

جایگزین دیگر این سیستم، خودروی الکتریکی است که می­تواند راندمانی بالاتر از ۶۰ درصد داشته­باشد و طی فرایند، آلاینده­ای ایجاد نکند اما به هر حال با عمومی­ترین انتخاب جایگزین یعنی خودروهای الکتریکی (باتری­ها) تنها مدت کوتاهی می­توان رانندگی کرد اما با ترکیب موتور­های احتراق داخلی با نیروی محرکه الکتریکی می­توان از بهترین­های هر دو گستره بهره برد: خودروهای هیبرید الکتریکی با مدت زمان رانندگی بسیار خوب، افزایش راندمان قابل­قبول به نسبت موتورهای احتراق داخلی و آلاینده­هایی که به میزان قابل توجه کاهش یافته­اند.

با این رویکرد شما در مسیری به­سوی آینده حرکت می­کنید؛ جایی­که پیل سوختی سرانجام جای موتور در خودروهای هیبرید الکتریکی را می­گیرد.

در راه رسیدن به این آینده، NREL بر رویکرد سیستمی تمرکز می­کند که در آن اجزا و زیر مجموعه­ها برای تعیین نحوه کارکردی منتج به بهترین عملکرد ، تحلیل می­شوند. به­این منظور برنامه­ای کامپیوتری برای مدلینگ طراحی شده است که بهینه­سازی طراحی اجزا و سیستم­های HEV (خودروهای هیبرید الکتریکی) را بسیار سریع­تر انجام می­دهد.

یکی از زیر مجموعه­های مورد تحلیل، باتری و راندمان گرمایی آن است. باتری­های مختلف گرایش به ارائه بهترین کارکرد در محدوده دمایی ویژه خود را دارا هستند، لذا با کنترل تغییرات دمایی می­توان بر عمر و راند­مان خودرو تاثیر گذاشت­.

از دیگر مجموعه­های مهم می­توان آنهایی را نام برد که در راحتی سرنشینان تاثیر می­گذارند، نظیر گرمایش، تهویه، خنک­کاری و تمیز نگه­داشتن هوا که این بخش­ها می­توانند انرژی زیادی مصرف کنند. NREL بر بهینه­سازی این مجموعه­ها به­نحوی که بیشترین آسایش را برای سرنشینان با کمترین مصرف سوخت و آلودگی فراهم آورد، تاکید می­کند.

این رویکرد سیستمی می­تواند سالانه از مصرف میلیون­ها لیتر سوخت جلوگیری کند و درنتیجه از وابستگی به واردات سوخت بکاهد و همچنین باعث کاهش آلودگی شود.

● خط سیر سوخت

گر­چه رویکرد هیدروژنی یکی از برجسته­ترین نقش­ها را در رسیدن به سوختی ایده­آل داراست اما انتخاب­های بسیاری ممکن است وجود داشته باشد تا طبیعت را از مصرف منابع نفتی و افزایش آلودگی برهاند که استفاده از سوخت­های جایگزین یکی آنهاست .

از جمله سوخت­های جایگزین می­توان از گاز طبیعی فشرده (CNG)،گاز طبیعی مایع شده (LNG)، اتانول و متانول نام برد که می­توان در وسایل نقلیه از آنها استفاده کرد.

بهترین گام در درک چگونگی قطع آلودگی و کاهش مصرف سوخت با استفاده از سوخت­های جایگزین، مشخص­کردن مبنایی برای مقایسه­ درک خواص سوخت­ها و نتایج استفاده از آن است.

NREL چنین مبنایی را براساس برنامه سنجش که برای DOE مدیریت می­کرد، بنا نهاد. در این برنامه خودروها، کامیون­ها، ون­ها، اتوبوس­ها و قایق­های گوناگونی که سوخت­های جایگزین مصرف می­کردند مورد­آزمایش قرار گرفتند. این برنامه منتهی به ایجاد یک بانک اطلاعاتی از سوخت­های جایگزین به نام"مرکز اطلاعات سوخت­های جایگزین" می­شود. ثبت خواص و مختصات­ عملکردی آنها در این بانک اطلاعات، محققان، خودروسازان و متولیان سوخت را در تحقیقات و تصمیم­گیری­ها کمک می­کند.

قدم بعدی، گسترش استفاده از سوخت­های جایگزین مشتق از منابع تجدید شدنی است.NREL این برنامه را با رویکرد بیو­سوخت­ها (سوخت­های با پایه موجودات زنده) گسترش می­دهد. این سوخت­ها در بیشتر موارد با بنزین مخلوط می­شوند. این استراتژی نه تنها به سوخت­های جایگزین تنوع بیشتری می­دهد بلکه به کاهش آلودگی نیز کمک می­کند.

روش بعدی، تولید هیدروژن از منابع تجدید شدنی است که هم به­عنوان سوخت و هم به­عنوان حامل انرژی استفاده می­شود.

انتخاب دیگر برای کاهش میزان آلاینده­ها، گسترش سوخت دیزل پاک برای خودروهای سنگین است. تقریبا ۲۰ درصد از سوخت­های مورداستفاده در بزرگراه­های امریکا سوخت دیزلی است و وسایل نقلیه سنگین سالانه هزاران تن اکسیدهای نیتروژن و سایر آلاینده­ها را وارد هوا می­کنند.

NREL به واسطه همکاری با صنایع، در توسعه تکنولوژی­ها و راهبردهای کاهش­دهنده آلاینده­های دیزلی، کمک می­کند.

رویکرد دیگری که ازسوی NREL و شرکای آن ارائه می­شود، گسترش استفاده از سوخت­های پاک متعارف دیزلی همراه با فیلترهای کاتالیزوری است. رویکرد بعدی، استفاده از سوخت­های پاک مصنوعی حاصل از گاز طبیعی یا گازهای مصنوعی به­ویژه هیدروژن و منوکسیدکربن است. با این روش که در آن به موتور تغییر­یافته دیزلی برای سوزاندن این سوخت مصنوعی نیاز است، تولید منوکسیدکربن تقریبا قطع می­­شود و ذرات آلاینده و اکسیدهای نیتروژن نیز تا ۹۷ درصد کاهش می­یابد.

● سوخت­های طراح

یک استراتژی دیگر، طراحی سوخت­های دیزلی در سطح مولکولی است. با این روش می­توان خواص ویژه سوخت نظیر عدد ستان (مقیاسی برای سهولت اشتعال)، دمای خود­اشتعالی و میزان احتراق را طراحی کرد. هر کدام از این خواص توسط ساختار مولکولی سوخت کنترل و در نهایت برای دستیابی به راندمان بالا و کاهش آلایندگی، بهینه می­شوند.