تکنولوژی پیل سوختی – آیندهای با آلایندههای صفر
تکنولوژی پیل سوختی – آیندهای با آلایندههای صفر
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 تکنولوژی های تجدیدپذیر بهدست آید، میزان آلایندههایناشی 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 60درصد 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:
1) توسعه سیستمها، مجموعهها و خودروهای پیشرفته
2) 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 18درصد 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 60 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 آلایندههای ی 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 سیستمهایHEV (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.NRELاین 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 20 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 تکنولوژی ها 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 97 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.