همه چیز در مورد خودروهای هیدروژنی

پس از خودروهای هیبریدی و الکتریکی، پیشگامان خودروسازی جهان درصدد عرضه‌ی تجاری اتومبیل‌های مبتنی بر سوخت هیدروژنی هستند. تویوتا و هوندا اولین محصولات هیدروژنی خود را امسال و سال آتی روانه‌ی بازار خواهند کرد و انتظار می‌رود باقی خودروسازان نیز به جمع آن‌ها بپیوندند. در ادامه به بررسی ساختار و جزئیات مرتبط با این خودروها خواهیم پرداخت.

براساس اعلام تویوتا، بزرگ‌ترین خودروساز حال حاضر جهان برای عرضه‌ی تجاری اولین خودروی هیدروژنی خود بصورت تجاری در سال ۲۰۱۵ میلادی برنامه‌ریزی کرده است. میرای با قیمت ۵۷٫۵۰۰ دلار در اختیار خریداران قرار خواهد گرفت. همچنین هوندا، به‌عنوان دیگر خودروساز شناخته شده‌ی ژاپن، برای عرضه‌ی خودروی هیدروژنی خود در سال ۲۰۱۶ میلادی برنامه‌ریزی کرده است. اما چرا خودروسازان با وجود انواع خودروهای هیبریدی و الکتریکی در پی تولید خودروهای هیدروژنی هستند؟ برای استفاده از خودروهای الکتریکی چون تسلا، باید کاربران ساعت‌ها وقت صرف شارژ شدن کامل خودروی خود کنند، در حالی که سوخت‌گیری خودروهای هیدروژنی کمتر از پنج دقیقه طول می‌کشد.

تنها راهکاری که امکان تامین انرژی‌های خودروهای الکتریکی را در کوتاه‌ترین زمان ممکن میسر می‌کند، تعویض باتری‌ها است که با توجه به قیمت بالای این باتری‌ها، چندان عاقلانه نیست. شاید از خود بپرسید که چرا با وجود این امکانات هنوز خودروهای هیدروژنی بصورت تجاری و گسترده در خیابان‌ها قابل مشاهده نیستند؟ عوامل متعددی در این باره دخیل است که می‌توان از جمله‌ی آن به بهره‌وری، آلودگی هوا، سیاست و انرژی اشاره کرد.

خودروی هیدروژنی چیست؟

خودروهای پیل سوختی به اتومبیل‌هایی اطلاق می‌شود که باتری مورد استفاده در آن‌ها هیدروژن/اکسیژن است. برخلاف باتری‌های معمول مورد استفاده، باتری‌های هیدروژنی ساختار بسته‌‌ی مملو از مواد شیمیایی ندارند، بلکه می‌توان آن‌ها را با گاز هیدروژن شارژ کرد. شماری از باتری‌ها علاوه بر هیدروژن توانایی کار با گازهای دیگر، نظیر متان و بنزین را دارند، اما این موارد در کاربردهای محدود صنعتی چون نیروگاه‌ها یا لیفتراک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همچون باتری‌های معمول مورد استفاده، باتری‌های سوختی نیز از وجود آند، کاتد و الکترولیت بهره می‌برند. اغلب خودروهای هیدروژنی تولید شده همچون تویوتا میرای و هوندا اف‌سی‌ایکس کلاریتی، از باتری‌های سوختی با الکترولیت پلیمری بهره می‌برند. این نوع باتری‌ها که اصطلاحا Polymer Exchange Membrance Fuel Cell یا به اختصار PEMFC نام گرفته‌اند، برای استفاده در انواع وسایل نقلیه توسعه یافته‌اند. در این پیل‌های سوختی، هیدروژن با فشار از درون کاتالیزور پلاتینیوم عبور می‌کند که با عبور از این مرحله دو یون و دو الکترون به دست می‌آید. الکترون‌های حاصل در فرآیند نیرو بخشیدن به موتور الکتریکی خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند و یون‌های حاصل نیز با اکسیژن ترکیب شده و در نتیجه بخار آب از اگزوز خودرو خارج می‌شود. پیل‌های سوختی PEMFC به اندازه‌ای در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند تا انرژی مورد نیاز برای تامین نیروی الکتریکی مورد نیاز خودرو تامین شود.

در حال حاضر کدامیک از خودروسازان مطرح جهان در اتومبیل‌های هیدروژنی تولید کرده‌اند؟ هیوندای نمونه‌ای از توسان را در تابستان سال جاری میلادی بصورت لیزینگ و با یک قرارداد سه ساله با پرداخت ۴۹۹ دلار در ماه روانه‌ی بازار کرده است. غول خودروسازی کره‌ی جنوبی برای فروش ۶۰ هیوندای توسان هیدروژنی در جنوب کالیفرنیا برنامه‌ریزی کرده است. تویوتا برای فروش میرای به قیمت ۵۷٫۵۰۰ دلار در سال ۲۰۱۶ برنامه‌ریزی کرده است. هوندا هم وعده‌ی عرضه‌ی خودروی هیدروژنی خود را در سال ۲۰۱۶ میلادی داده است. باواریایی‌ها اعلام کرده‌اند که در آینده‌ی نزدیک نسخه‌ی بی‌ام‌دبلیو هیدوژنی را معرفی خواهند کرد. این خودروساز آلمانی با تویوتا برای اشتراک‌گذاری فناوری‌های مورد استفاده به توافق رسیده است. سایر خودروسازان مطرح دنیا چون جنرال‌موتورز در حال آزمایش خودروهای هیدروژنی هستند.

هیدروژن مورد نیاز در کجا تولید خواهد شد؟

در صورتی که هدف از تولید خودروهای هیدروژنی ایجاد یک چرخه‌ی سبز و بدون تولید آلودگی است، هیدروژن مورد نیاز نیز باید از راه‌هایی تولید شود که آلودگی را به محیط زیست تحمیل نکند. اما تولید هیدروژن فرآیند بسیار سختی دارد. بهترین راه برای به دست آوردن گاز هیدروژن استفاده از الکترولیز برای جدا کردن هیدروژن و اکسیژن در آب است. این روش اصلا بهینه نیست و هزینه‌ی مورد نیاز برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن در بهینه‌ترین حالت ۲.۵ دلار است.

تغییر ساختار گاز طبیعی راهکار دیگری است که می‌توان برای تولید هیدروژن از آن استفاده کرد، اما نکته‌ی منفی این روش تولید آلودگی است. در این روش دمای بخار آب در حدود ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد افزایش می‌یابد و در این مرحله بخار با گاز متان مخلوط می‌شود که نتیجه‌ی آن تولید مونوکسید کربن و هیدروژن در کنار مقدار کمی دی‌اکسید کربن است. در حال حاضر بیش از ۹۵ درصد از هیدروژن تولید شده در آمریکا به این روش به دست می‌آید.

چگونه می‌توان هیدروژن مورد نیاز خودروهای هیدروژنی را تهیه کرد؟

خودروهای هیدروژنی همچون سایر خودروها برای تامین انرژی مورد نیاز خود به وجود ایستگاه‌هایی در فواصل مشخص نیازمند هستند، اما در حال حاضر ایستگاه‌های عرضه‌ی هیدروژن بسیار کم بوده و فاصله‌ی زیادی با هم دارند. از جمله‌ی دلایل عمده‌ای که باعث کمبود ایستگاه‌های عرضه‌ی هیدروژن شده می‌توان به عدم تقاضا و همچنین گران بودن تاسیس چنین ایستگاه‌هایی اشاره کرد. ساخت ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی هزینه‌ای چند ده هزار دلاری داشته و ساخت هر ایستگاه مخصوص برای شارژ تسلا نیز ۳۰۰٫۰۰۰ دلار هزینه دارد. اما ایستگاه‌های تامین هیدروژن به دلیل چالش‌های انتقال هیدروژن مایع، هزینه‌ای یک تا دو میلیون دلاری را در بر دارند. در حال حاضر ۵۰ ایستگاه شارژ در کل ایالت متحده‌ی آمریکا موجود است که ۲۲ عدد از آن‌ها در ایالت کالیفرنیا قرار دارند.

 اما چرا تجهیزات مورد نیاز برای نگهداری هیدروژن مایع هزینه‌ی بالایی دارد؟ اصلی‌ترین تانکری که برای نگهداری هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرد ظرفیت ۳۸٫۰۰۰ لیتر هیدروژن مایع را دارد که باید در دمای ۲۵۰ درجه زیر صفر نگهداری شود. برخلاف بنزین و گازوئیل، مخازن نگهداری هیدروژن مایع را نمی‌توان زیر زمین دفع کرد. این مخازن باید در روی زمین و دور از پمپ‌‌ها قرار گیرند. هیدروژن موجود در این مخزن باید در مرحله‌ی بعدی وارد برج‌های فشرده ساز شده و پس از فشرده سازی به مخازن کوچک‌تر انتقال یابند.

 برای سوخت‌گیری خودروهای هیدروژنی ابتدا باید رابط اول را برای اندازه‌گیری هیدروژن مورد نیاز به محل مورد نظر روی خودرو متصل کرد. پس از اندازه‌گیری میزان هیدروژن مورد نیاز برای سخت‌گیری، نازل هیدروژن به محل مورد نظر متصل می‌شود که توسط قفل مخصوص به ورودی باک وصل می‌شود. میزان فشار هیدروژن ورودی بستگی به خودروی مورد نظر دارد، اما شماری از خودروها هیدروژن را با هر دو فشار ۳۵۰ و ۷۰۰ بار می‌پذیرند.

خریداران خودروهای هیدروژنی هیوندای و تویوتا می‌توانند تا سه سال از هزینه‌ی هیدروژن مورد نیاز خودروهای خود آسوده خاطر باشند، چراکه این دو کمپانی تا سه سال هیدروژن مورد نیاز خودروهای خود را تامین می‌کنند. تویوتا در نظر دارد تا تعداد ایستگاه‌های هیدروژن را در آمریکا افزایش دهد، بطوریکه این کمپانی ژاپنی برای ساخت ۱۹ ایستگاه در ایالت کالیفرنیا و ۱۲ ایستگاه دیگر در مسیر نیویورک تا جزیره‌ی رود برنامه‌ریزی کرده است. ایالت کالیفرنیا نیز برای احداث ایستگاه‌های هیدروژن بودجه‌ای ۲۰۰ میلیون دلاری اختصاص داده و برای افزایش تعداد این ایستگاه‌ها به ۴۰ عدد تا سال ۲۰۱۶ برنامه‌ریزی کرده است. سایر ایالت‌های آمریکا نیز برای احداث ایستگاه‌های شارژ هیدروژن برنامه‌های مشابهی را تدوین کرده‌اند.

مزیت خودروهای هیدروژنی در مقایسه با سایر خودروهای پاک چیست؟

خودروهای هیبریدی اخیرا توسط یکی از نمایندگی‌های خودروهای ژاپنی وارد کشور شده‌اند و همچنین در مناطق آزاد نیز می‌توان شماری محدود از این خودروها را مشاهده کرد. خوشبختانه بر خلاف سال‌های گذشته دولت برای حمایت از خرید این خودروها، سود بازرگانی واردات خودروهای هیبریدی را به صفر کاهش داده است. خودروهای هیبریدی در مقایسه با نمونه‌های بنزینی، هزینه‌ی پایین‌تری را برای تامین سوخت به خریدار تحمیل می‌کنند. از نظر آلودگی نیز این خودورها بسیار خوب عمل می‌کنند، از این‌رو خودروهای هیدروژنی چه مزیتی نسبت به انواع هیبریدی و الکتریکی دارند تاکاربران را مجاب به استفاده از آن‌ها کند؟

شاید اولین و مهم‌ترین مزیت خودروهای هیدروژنی را بتوان سهولت استفاده از این محصولات خواند. خودروهای هیدروژنی را ی‌توان در کمتر از پنج دقیقه سوخت‌گیری کرد در حالی که مدل S تسلا حداقل به بیست دقیقه زمان نیاز دارد تا به اندازه‌ی نصف میزان رنج حرکتی خودروی هیدروژنی شارژ شود. البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که با احتساب تولید هیدروژن از روش‌های پاک، خودروهای هیدروژنی در مقایسه با نمونه‌های الکتریکی بسیار پاک‌تر هستند که تولیدکنندگان نیز سعی دارند این موضوع را دلیل اصلی  منطقی برای مهاجرت به این خودروها مطرح کنند.

از نظر عملکرد نیز نمی‌توان تمایزی بین خودروهای هیدروژنی و الکتریکی قائل شد، چراکه هر دو نمونه از وجود یک نوع موتور الکتریکی برای حرکت استفاده می‌کنند و فقط نوع تامین انرژی در این خودروها متفاوت است. تویوتا وعده‌ داده که میرای در کمتر از ۱۰ ثانیه از حالت سکون به ۱۰۰ کیلومتر در ساعت برسد. غول خودروسازی ژاپن همچنین به این نکته اشاره کرده که میرای قادر خواهد بود تا ۷۰۰ کیلومتر را با یک بار سوخت‌گیری طی کند. با توجه به ظرفیت باتری‌های لیتیوم-یونی مورد استفاده در خودروها، می‌توان استفاده از پیل‌های سوختی را گزینه‌ی بهتری برای وانت‌ها و خودروهای شاسی بلند یا SUV‌ خواند، چراکه باتری‌های لیتیوم-یونی بسیار سنگین‌تر از تانکر مورد نیاز برای ذخیره‌ی هیدروژن است.

 اصلی‌ترین چالش پیش روی خودروهای هیدروژنی چیست؟

اصلی‌ترین چالش پیش روی خودروهای هیدروژنی هزینه‌ی بالای تولید هیدروژن در مقایسه با اکتریسته است. همچنین باید به آلودگی ناشی از تولید هیدروژن نیز اشاره کرد. در ادامه به بررسی این چالش‌ها خواهیم پرداخت.

خودروهای هیدروژنی از نمونه‌های الکتریکی گران‌تر بوده و هزینه‌ی نگهداری بالاتری دارند. تویوتا اعلام کرده که تویوتا میرای را به‌عنوان اولین خودروی هیدروژنی که بصورت تجاری روانه‌ی بازار می‌کند، با قیمت ۵۷٫۷۰۰ دلار به فروش خواهد رساند که احتمالا با تسهیلات اعطا شده توسط دولت فدرال قیمت آم به ۴۵٫۰۰۰ دلار کاهش خواهد یافت. هرچند میرای کمی از تسلا ارزان‌تر است، اما می‌توان خودروهای دیگری را نظیر نیسان لیف یا ۳۰٫۰۰۰ دلار خریداری کرد. هزینه‌ی نگهداری و تامین سوخت خودروهای هیدروژنی نیز گران‌تر تمام می‌شود، بطوریکه پر کردن باک میرای هزینه‌ای ۵۰ دلاری را برای کاربر رقم می‌زند در حال که استفاده از تویوتا پریوس هیبریدی نصف این میزان و استفاده ازخودروهای الکتریکی نیز یک چهارم این مبلغ هزینه دارد. البته باید به این نکته اشاره کرد که در آینده شاهد کاهش قیمت‌ها در این زمینه خواهیم بود.

تولید هیدروژن در فرآیندی پاک بسیار پرهزینه است. تنها راه برای تولید هیدروژن بدون ایجاد کوچک‌ترین آلودگی استفاده از روش الکترولیز است. با این حال شاید بهتر است الکتریسته‌ی مورد استفاده در فرآیند الکترولیز در خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد تا این انرژی بصورت بهینه‌تری استفاده شود. همانطور که در نمودار بالا نیز مشاهده می‌کنید، با انرژی مورد استفاده در مراکز تولید هیدروژن، خودروهای الکتریکی می‌توانند بصورت پاک مسیر بیشتری را در مقایسه با خودروهای هیدروژنی با استفاده سوخت تهیه شده از همان فرآیند طی کنند. البته این موضوع با استفاده از آمار و فناوری مورد استفاده‌ی کنونی رقم خورده است.

 آلودگی ناشی از تولید هیدروژن با استفاده از متان بیشتر از استفاده از سوخت‌های فسیلی است. تولید هیدروژن از طریق تغییر ساختار گاز طبیعی روش ارزان‌تر و در عین حال بدتری از نظر ایجاد آلودگی است. براساس تحقیقات جدیدی که توسط فورد صورت گرفته، خودروهای هیدروژنی در مقایسه با خودروهای بنزینی عملکرد چندان خوبی از نظر آلودگی هوا ندارند، چراکه بخش اعظمی از هیدروژن مورد استفاده از طریق تغییر ساختار متان تولید می‌شود که آلودگی تولید شده توسط آن به‌عنوان یک گاز گلخانه‌ای ۸۶ برابر بدتر از دی‌اکسید کربن است. 

تجیزات تولید، انتقال و عرضه‌ی هیدروژن بسیار گران قیمت است. همانطور که در تصویر فوق نیز ملاحظه می‌کنید، هیدروژن بسیار اشتعال پذیر است و از این‌رو تولید، انتقال و نگهداری آن نیازمند توجه بیشتری است، در حالی که الکتریسیته را می‌توان امروز در تمام خانه‌ها به‌راحتی مورد استفاده قرار داد. خودروهای هیدروژنی نیازمند سرمایه‌گذاری بیشتری در زمینه‌ی توسعه‌ی چرخه‌ی سوخت‌رسانی هستند.

با توجه به موارد بالا، آیا استفاده از خودروهای هیدروژنی منطقی است؟ در بازه‌ی زمانی کنونی، پاسخ این سوال منفی است، اما شاید در آینده استفاده از خودروهای هیدروژنی بهترین و بهینه‌ترین راهکار باشد. ده سال پیش نیز خودروهای الکتریکی وضعیت کنونی را نداشته و با چالش‌های بزرگی روبرو بودند، حال آنکه کمپانی تسلا با تولید خودروهای الکتریکی شارژی به یک کسب و کار سودآور تبدیل شده است. از جمله‌ی مزایای خودروهای پیل سوختی در مقایسه با پیشرانه‌های بنزینی می‌توان به دامنه‌ی حرکتی بیشتر با یک بار سوخت‌گیری و سرعت بالاتر اشاره کرد که این موضوع در گذر زمان بهتر خواهد شد.