در سال‌های اخیر، نیاز به انرژی‌های پاک و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، اهمیت توسعه فناوری‌های نوین مانند پیل‌های سوختی هیدروژن و راه‌حل‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن را دوچندان کرده است. این فناوری با کاهش چشمگیر هزینه‌ها و افزایش ظرفیت تولید در سال‌های گذشته، در مسیر تحول و پذیرش گسترده‌تر قرار دارد. علاوه بر این، توسعه ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن، کاهش بارگذاری پلاتین و پیشرفت در طراحی و تولید قطعات، نویدبخش آینده‌ای پایدار برای خودروهای برقی پیل سوختی است. این مقاله به بررسی روند کاهش هزینه‌ها، گسترش ظرفیت تولید، چالش‌های زنجیره تأمین، و تحلیل مجموع هزینه مالکیت خودروهای پیل سوختی می‌پردازد و چشم‌انداز آتی این فناوری را ترسیم می‌کند.
پیل‌های سوختی: کاهش هزینه‌ها و گسترش ظرفیت تولید
از سال 2008، هزینه‌های تولید پیل‌های سوختی خودروها با کاهش چشمگیری روبه‌رو شده و حدود 70 درصد کاهش یافته است. هم‌اکنون هزینه‌های سیستم پیل‌های سوختی در بخش‌های مختلف خودروسازی بین 250 تا 400 دلار در هر کیلووات است. با این حال، به منظور رقابت‌پذیری بیشتر خودروهای برقی با پیل سوختی در برابر خودروهای موتور احتراق داخلی، کاهش هزینه‌های بیشتری ضروری است. بررسی‌ها نشان می‌دهد که با افزایش ظرفیت تولید سالانه از هزار به 100 هزار سیستم، هزینه‌ها بیش از 70 درصد کاهش می‌یابد؛ اما دستیابی به این سطح تولید، نیازمند سرمایه‌گذاری‌های قابل‌توجهی است.
برای تحقق این هدف، تولیدکنندگان پیل سوختی برنامه‌های توسعه خود را اعلام کرده‌اند. پیش‌بینی می‌شود که تا پایان سال 2021، ظرفیت جهانی تولید پیل‌های سوختی به بیش از 200 هزار سیستم در سال برسد و این تعداد میان بیش از 40 تولیدکننده در سطح جهان توزیع شود. شرکت تویوتا هم‌اکنون قادر به تولید سالانه 30 هزار سیستم است، و هیوندای نیز در راستای افزایش ظرفیت خود، دومین کارخانه تولیدی را احداث کرده تا تولید سالانه‌اش را تا سال 2022 به بیش از 40 هزار سیستم برساند و هدف‌گذاری آن برای سال 2030، دستیابی به ظرفیت 500 هزار سیستم در سال است. بر اساس اعلام‌های اخیر، ظرفیت تولید برای سال 2030 به مجموع 1.3 میلیون سیستم در سال می‌رسد و توان تولید سالانه تخمینی به حدود 90 گیگاوات خواهد رسید (شکل زیر).
پیشرفت‌های فناورانه نیز برای افزایش دوام پیل‌های سوختی، که به‌ویژه برای کاربردهای سنگین حمل‌ونقل حیاتی است، همچنان ادامه دارد. این نوآوری‌ها به‌طور موازی برای کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری نیز در جریان است. در این راستا، تحقیقات و توسعه در زمینه بهبود غشاها، الکترولیت‌ها، صفحات دوقطبی و کاتالیزورهای پیل سوختی (که در حال حاضر از فلزات گروه پلاتین بهره می‌برد) از اولویت‌های کلیدی به‌شمار می‌آید.
کاهش بارگذاری پلاتین در پیل‌های سوختی و پیامدهای آن برای زنجیره تأمین
از سال 2008، میانگین بارگذاری پلاتین در پیل‌های سوختی به میزان 30 درصد کاهش یافته است. شرکت تویوتا، به عنوان نمونه، گزارش می‌دهد که توانسته است در مدل‌های نسل دوم خودروی Mirai، بارگذاری پلاتین را نسبت به نسل اول به حدود یک سوم کاهش دهد. این کاهش، علاوه بر کاهش هزینه‌ها، خطرات زنجیره تأمین را نیز به دلیل تمرکز جغرافیایی منابع پلاتین کاهش می‌دهد؛ چرا که بیش از 70 درصد فلزات گروه پلاتین از آفریقای جنوبی تأمین می‌شود.
بر اساس گزارش مواد معدنی حیاتی آژانس بین‌المللی انرژی، انتظار می‌رود با جایگزینی خودروهای برقی پیل سوختی به جای خودروهای معمولی، که نیاز زیادی به پالادیوم در مبدل‌های کاتالیزوری دارند، تقاضای جهانی برای فلزات گروه پلاتین کاهش یابد. با این حال، با وجود کاهش بارگذاری پلاتین در پیل‌های سوختی خودروها، پیش‌بینی می‌شود که تقاضای کلی برای پلاتین همچنان روندی افزایشی داشته باشد.
ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن: بهینه‌سازی ظرفیت و کاهش هزینه‌ها
با رشد تولید قطعات ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن، انتظار می‌رود که صرفه‌جویی در مقیاس، هزینه تحویل هیدروژن برای وسایل نقلیه را کاهش دهد. به‌علاوه، ایستگاه‌هایی با ظرفیت بالاتر می‌توانند هزینه‌های توزیع هیدروژن را نیز کاهش دهند. به عنوان مثال، طبق تحلیل دپارتمان انرژی ایالات متحده، افزایش ظرفیت ایستگاه از 350 کیلوگرم به هزار کیلوگرم در روز، می‌تواند هزینه‌های توزیع هیدروژن را تا بیش از 30 درصد کاهش دهد. با افزایش ظرفیت ایستگاه‌ها و تقاضای روزافزون خودروها، انتقال هیدروژن از طریق خط لوله نیز به‌صرفه‌تر شده و به کاهش هزینه‌های کلی توزیع کمک می‌کند.
استفاده بهینه از ایستگاه‌ها نیز اهمیت زیادی دارد. هرچند میزان استفاده از ایستگاه‌ها به میزان استقرار خودروها وابسته است، توسعه ناوگان اولیه خودروهای برقی پیل سوختی می‌تواند استفاده مداوم از ایستگاه‌ها را تضمین کرده و منجر به کاهش قیمت هیدروژن شود. ایستگاه‌هایی که به‌صورت هم‌زمان به خودروهای سبک و سنگین خدمات‌رسانی می‌کنند، امکان استفاده بیشتر و کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای را دارند، اگرچه سرویس‌دهی به هر دو نوع وسیله نقلیه به تجهیزات خاصی برای سوخت‌رسانی با فشار و جریان متفاوت نیازمند است.
از سوی دیگر، محدودیت تعداد تأمین‌کنندگان قطعات کلیدی ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن می‌تواند روند توسعه ایستگاه‌ها را با کندی مواجه سازد و مانعی بر سر راه کاهش هزینه‌ها به دلیل رقابت محدود باشد. برای مثال، تنها دو شرکت (WEH و Walther) بازار نازل‌های سوخت‌گیری هیدروژن را در اختیار دارند. این وضعیت، نیاز به طراحی و تولید اجزای جدیدی مانند کمپرسورهای با توان بالا، پمپ‌های هیدروژن برودتی، شیلنگ‌ها و نازل‌های پیشرفته و همچنین تدوین پروتکل‌های سوخت‌گیری برای سرعت‌بخشی به فرآیند سوخت‌گیری کامیون‌های سنگین، کشتی‌ها و هواپیماها را دوچندان می‌کند.
تحلیل مجموع هزینه مالکیت: بررسی مزایا و چالش‌ها برای خودروهای برقی پیل سوختی
پذیرش خودروهای برقی پیل سوختی، به‌ویژه برای اتوبوس‌ها و وسایل نقلیه تجاری، به مقایسه مجموع هزینه مالکیت آن‌ها با سایر فناوری‌های خودرویی و سوختی وابسته است. عوامل اصلی مؤثر بر مجموع هزینه مالکیت برای این دسته از خودروها شامل هزینه‌های تحویل هیدروژن، هزینه پیل سوختی و سطح استفاده از ایستگاه‌های سوخت‌گیری است. در مقایسه با خودروهای برقی مبتنی بر باتری، برد روزانه نیز به عنوان یکی دیگر از ملاحظات کلیدی مورد توجه قرار می‌گیرد.
برای خودروهای سنگین که به پیمایش مسافت‌های طولانی نیاز دارند، تأمین برد کافی ممکن است به استفاده از ظرفیت باتری‌های اضافی منجر شود. اما این امر می‌تواند به دلیل افزایش وزن، بار مجاز محموله را محدود کند و در نتیجه به هزینه خودروی برقی مبتنی بر باتری بیفزاید. بر اساس گزارش چشم‌انداز فناوری انرژی آژانس بین‌المللی انرژی در سال 2020، در محدوده برد 400 تا 500 کیلومتر، کامیون‌های پیل سوختی از نظر مجموع هزینه مالکیت نسبت به خودروهای باتری‌دار مزیت دارند.
در حال حاضر، مجموع هزینه مالکیت کامیون‌های سنگین پیل سوختی حدود 10 تا 45 درصد بالاتر از کامیون‌های دیزلی با موتور احتراق داخلی است. با این حال، در سناریوی تعهدات اعلام‌شده، پیش‌بینی می‌شود که تا سال 2030، با افزایش تولید پیل‌های سوختی، اجزای ایستگاه و فناوری‌های تولید هیدروژن، مجموع هزینه مالکیت کامیون‌های سنگین پیل سوختی تا حدود 30 تا 40 درصد و تا سال 2050 تا حدود 50 تا 60 درصد کاهش یابد.
با مقایسه گزینه‌های کربن‌زدایی برای این بخش، برآورد می‌شود که مجموع هزینه مالکیت کامیون‌های الکتریکی مبتنی بر باتری و پیل سوختی کمتر از کامیون‌های الکتریکی هیبریدی که با دیزل مصنوعی کار می‌کنند، باشد. در میان‌مدت، کامیون‌های الکتریکی با پیل سوختی و باتری بسته به میزان استفاده از زیرساخت‌های سوخت‌گیری یا شارژ، در برد رانندگی 500 کیلومتر، مجموع هزینه مالکیت قابل‌مقایسه‌ای دارند. انتظار می‌رود که تا سال 2050، در سناریوی تعهدات اعلام‌شده، کامیون‌های الکتریکی با پیل سوختی به گزینه‌ای با هزینه کمتر در این محدوده تبدیل شوند (شکل بالا).
جمع‌بندی
تحولات اخیر در فناوری پیل‌های سوختی و زیرساخت‌های سوخت‌گیری هیدروژن نشان می‌دهد که این حوزه آماده ورود به مرحله جدیدی از رشد و پذیرش است. کاهش هزینه‌های تولید و بهره‌برداری، افزایش ظرفیت تولید جهانی و پیشرفت‌های فناورانه در کاهش بارگذاری پلاتین، همگی به افزایش رقابت‌پذیری خودروهای پیل سوختی در برابر خودروهای احتراق داخلی کمک کرده‌اند. از سوی دیگر، با توسعه ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن و بهبود زیرساخت‌ها، هزینه‌های مالکیت در بلندمدت کاهش یافته و فرصت‌های بهتری برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی فراهم خواهد شد. این پیشرفت‌ها، در کنار نیازهای روزافزون به کاهش کربن، نشان می‌دهد که خودروهای برقی پیل سوختی نقش مهمی در آینده صنعت حمل‌ونقل و محیط‌زیست پایدار ایفا خواهند کرد.
