در دهه‌های اخیر، با افزایش نگرانی‌ها در مورد تغییرات اقلیمی و نیاز به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، جهان به‌دنبال یافتن منابع انرژی پایدارتر و کم‌کربن است. در این مسیر، هیدروژن به‌عنوان یکی از گزینه‌های برجسته مطرح شده است. این عنصر ساده و فراوان، به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود مانند عدم تولید آلاینده‌های مستقیم و قابلیت ذخیره‌سازی و استفاده در پیل‌های سوختی، می‌تواند نقشی کلیدی در آینده انرژی و حمل و نقل ایفا کند.
حمل و نقل، یکی از بزرگ‌ترین منابع تولید گازهای گلخانه‌ای است و جایگزینی سوخت‌های فسیلی با هیدروژن، راهی برای کاهش انتشار کربن از این بخش حیاتی محسوب می‌شود. خودروهای مبتنی بر پیل‌های سوختی هیدروژنی، به‌ویژه در بخش حمل و نقل سنگین، می‌توانند گزینه‌ای کارآمد و پاک‌تر نسبت به خودروهای الکتریکی یا سوخت‌های فسیلی باشند. با این حال، توسعه و استفاده گسترده از این فناوری نیازمند غلبه بر چالش‌هایی نظیر هزینه‌های بالا و توسعه زیرساخت‌های لازم است.
این مقاله به بررسی فناوری‌های مبتنی بر هیدروژن در حمل و نقل، سیستم‌های توزیع و انتقال هیدروژن، و چالش‌ها و فرصت‌های پیش روی این فناوری می‌پردازد و نقش آن را در آینده‌ای با انرژی پاک‌تر و پایدارتر تحلیل می‌کند.
سیستم‌های مبتنی بر هیدروژن در حمل و نقل
سیستم‌های هیدروژنی که در بخش حمل و نقل استفاده می‌شوند و پارامترهای فنی و اقتصادی مرتبط با آن‌ها در جدول زیر مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در این جدول، تنها استفاده مستقیم از هیدروژن از طریق پیل سوختی مدنظر قرار گرفته است. البته، روش‌های دیگری مانند استفاده از سوخت‌های ترکیبی و متانول نیز در بخش حمل و نقل به کار می‌رود که در این جدول به آن‌ها پرداخته نشده است.
عملکرد فعلی سیستم‌های هیدروژنی در بخش حمل و نقل
| کاربرد | طرفیت توان و انرژی | بازدهی انرژی | هزینه سرمایه‌گذاری | طول عمر | بلوغ |
| خودروهای پیل سوختی | 80-120 کیلووات | بازدهی مخزن تا چرخ 43 تا 60% | 60 تا 100 هزار دلار آمریکا | 150 هزار کیلومتر | بازار اولیه |
| ایستگاه‌های خرده‌فروشی هیدروژن | 200 کیلوگرم در روز | تا 80% شامل فشرده‌سازی تا 70 مگاپاسکال | 5/1 تا 5/2 میلون دلار آمریکا | – | بازار اولیه |
| تریلر حامل هیدروژن گازی برای انتقال هیدروژن | تا 1000 کیلوگرم | 100% بدون فشرده‌سازی | 1 میلیون دلار آمریکا (هزار دلار آمریکا برای هر کیلوگرم ظرفیت ترابری) | – | بالغ |
| مخازن تحویل هیدروژن مایع | تا 4000 کیلوگرم | تا 3% تلفات در روز | 750 هزار دلار آمریکا | – | بالغ |
خودروهای مجهز به پیل سوختی از ترکیبی از پیل سوختی و سیستم ذخیره‌سازی انرژی بهره می‌برند تا بتوانند موتورهای الکتریکی خود را تغذیه کنند. این سیستم ذخیره‌سازی علاوه بر تأمین انرژی در شرایط پیک بار، نوسانات توان را که بر روی عملکرد پیل سوختی تأثیر می‌گذارد، کاهش می‌دهد. همچنین، این سیستم می‌تواند از انرژی احیای ترمز استفاده کرده و آن را دوباره به خودرو بازگرداند. جدول زیر نشان می‌دهد که چه تعداد خودروهای پیل سوختی تا سال 2015 فعال بوده‌اند و پیش‌بینی‌های مربوط به سال 2020 نیز در آن آمده است.
خودروهای برقی پیل سوختی موجود و برنامه برای ساخت آن‌ها
| کشور یا منطقه | تعداد خودروهای در حال کار | برنامه تعداد خودروهای پیل سوختی برقی | |
| 2015 | 2020 | ||
| اروپا | 192 | 5000 | 350,000 |
| ژاپن | 102 | 1000 | 100,000 |
| کره | 100 | 5000 | 50,000 |
| ایالات متحده آمریکا | 146 | 300 | 20,000 |
پیشرفت‌ها در فناوری خودروهای پیل سوختی
کامیون‌های باربری سنگین که در بندر لس آنجلس در حال آزمایش هستند، نشان می‌دهند که استفاده از این فناوری می‌تواند مسافت پیمایش کامیون‌های برقی را افزایش دهد. تا امروز، خودروهای مجهز به پیل سوختی از هیدروژن گازی تحت فشار 35 تا 70 مگاپاسکال برای سوختگیری استفاده کرده‌اند. در خودروهای جدیدتر، با توجه به امکان ذخیره‌سازی هیدروژن تحت فشار 70 مگاپاسکال، خودروها توانایی طی مسافت‌های بیشتری را به دست آورده‌اند. مصرف این خودروها در حال حاضر برابر با یک کیلوگرم هیدروژن برای هر 100 کیلومتر پیمایش است، و این خودروها می‌توانند با یک بار سوختگیری مسافتی بین 500 تا 650 کیلومتر را طی کنند.
از آنجا که زمان سوختگیری خودروهای هیدروژنی تقریباً با زمان سوختگیری خودروهای معمولی یکسان است، خودروهای پیل سوختی می‌توانند جایگزینی مناسبی برای خودروهای معمولی با انتشار کربن کمتر باشند، البته بسته به روش تولید هیدروژن.
بررسی انتشار کربن خودروها
در شکل 41، میزان انتشار کربن و مسافت پیمایش خودروهای مختلف مقایسه شده است. در این نمودار، محدوده بالایی انتشار کربن مربوط به خودروهای برقی با باتری است که از ترکیب کنونی منابع انرژی در جهان استفاده می‌کنند، در حالی که محدوده پایینی انتشار مربوط به خودروهای برقی است که انرژی خود را 100 درصد از منابع تجدیدپذیر دریافت می‌کنند.
در مورد خودروهای پیل سوختی نیز این مقایسه انجام شده است. محدوده بالایی انتشار کربن مربوط به خودروهایی است که از 10 درصد برق شبکه و 90 درصد اصلاح بخار متان گاز طبیعی برای تولید هیدروژن استفاده می‌کنند. در مقابل، محدوده پایینی انتشار کربن مربوط به خودروهایی است که 100 درصد هیدروژن خود را از منابع تجدیدپذیر به دست می‌آورند. برای خودروهای هیبریدی پلاگین، محدوده پایینی انتشار کربن مرتبط با رانندگی با استفاده از 65 درصد از انرژی الکتریکی است. تا سال 2050 نیز انتظار می‌رود سهم سوخت‌های زیستی در خودروهای هیبرید پلاگین و موتورهای احتراق داخلی به 30 درصد برسد.
چالش‌های توسعه خودروهای پیل سوختی
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در مسیر توسعه گسترده خودروهای پیل سوختی، هزینه بالای آن‌ها است. به عنوان مثال، خودروی پیل سوختی تویوتا میرای که در سال 2015 عرضه شد، قیمتی حدود 60 هزار دلار داشت. اگرچه این خودرو از نظر فناوری پیشرفته است، اما مشکل اصلی که سرمایه‌گذاران را از خرید آن منصرف می‌کند، نبود زیرساخت‌های لازم برای تأمین هیدروژن است. کشورهایی مانند آمریکا، ژاپن، فرانسه و کره تلاش‌های گسترده‌ای برای حل این مشکل انجام داده‌اند.
از سوی دیگر، هزینه مخازن هیدروژن فشار بالا نیز یکی از عوامل گران‌تر بودن این خودروها است. این مخازن از مواد کامپوزیتی ساخته شده‌اند که گران‌قیمت هستند، اما انتظار می‌رود با توسعه فناوری و افزایش تولید، هزینه‌های تولید این مخازن کاهش یابد. تحقیقات فعلی نیز به طور گسترده بر روی کاهش هزینه‌های پیل‌های سوختی و افزایش طول عمر آن‌ها متمرکز است.
انتقال و توزیع هیدروژن برای کاربردهای خودرویی
در راستای تأمین هیدروژن برای خودروهای پیل سوختی، دو مسیر اصلی وجود دارد. یکی از این مسیرها، تولید متمرکز هیدروژن و انتقال آن به ایستگاه‌های سوخت‌رسانی است، و مسیر دیگر، تولید هیدروژن در محل سوخت‌رسانی با استفاده از الکترولایزرهای کوچک یا اصلاح‌کننده‌های بخار متان گاز طبیعی است. هرکدام از این مسیرها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. تولید متمرکز هیدروژن با کاهش هزینه‌های تولید همراه است، اما به دلیل نیاز به انتقال آن به ایستگاه‌های سوخت‌رسانی، هزینه‌های انتقال و توزیع افزایش می‌یابد. در مقابل، تولید پراکنده هیدروژن در محل‌های سوخت‌رسانی، هزینه‌های تولید بالاتری دارد اما هزینه‌های انتقال و توزیع کمتر است.
بهینه‌سازی ساختار شبکه انتقال و توزیع هیدروژن نیازمند تجزیه و تحلیل دقیق و در نظر گرفتن عوامل مختلفی از جمله جغرافیا، زیرساخت‌ها، پیش‌بینی تقاضا و فاصله بین محل تولید و توزیع است. همان‌طور که در جدول زیر نشان داده شده، روش‌های مختلفی برای انتقال هیدروژن وجود دارد، از جمله استفاده از کامیون‌های حمل گاز، کامیون‌های حمل هیدروژن مایع، و خطوط لوله. کمترین هزینه سرمایه‌گذاری مربوط به تریلرهای حمل گاز است که به دلیل ظرفیت پایین انتقال، هزینه‌های متغیر بالایی دارد. برعکس، خطوط لوله با هزینه سرمایه‌گذاری بالا و هزینه‌های متغیر پایین‌تر، در شرایط تقاضای بالا به‌صرفه‌تر هستند.
مرور کیفی فناوری‌های انتقال و توزیع هیدروژن
| ظرفیت | فاصله انتقال | تلفات انرژی | هزینه‌های ثابت | هزینه‌های متغیر | فاز توسعه | |
| تریلرهای انتقال گاز | کم | کم | کم | کم | زیاد | نزدیک مدت |
| تریلرهای حمل مایع | متوسط | زیاد | زیاد | متوسط | متوسط | متوسط تا بلندمدت |
| خطوط لوله انتقال هیدروژن | زیاد | زیاد | کم | زیاد | کم | متوسط تا بلندمدت |
تجربه‌های موفقی از انتقال هیدروژن از طریق خطوط لوله در کشورهای مختلف به‌دست آمده است. برای مثال، در ایالات متحده حدود 2400 کیلومتر و در اروپا حدود 1600 کیلومتر خط لوله هیدروژن وجود دارد.
ایستگاه‌های سوخت‌رسانی هیدروژن
ایستگاه‌های سوخت‌رسانی هیدروژن، به‌عنوان یکی از عناصر کلیدی در زنجیره تأمین سوخت برای خودروهای پیل سوختی، نقشی مهم در جلب علاقه مصرف‌کنندگان ایفا می‌کنند. این ایستگاه‌ها یا به‌صورت مستقل عمل می‌کنند یا بخشی از ایستگاه‌های چندسوختی خواهند بود. تعیین اندازه و ظرفیت مناسب این ایستگاه‌ها از جمله مراحلی است که باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد.
در ابتدای کار، ایستگاه‌هایی با ظرفیت 50 تا 100 کیلوگرم هیدروژن (معادل 10 تا 20 بار تأمین سوخت خودرو) ضروری به نظر می‌رسند، اما برای بازارهای بالغ‌تر، ایستگاه‌هایی با ظرفیت 2000 کیلوگرم در روز نیاز خواهد بود. برای ایستگاه‌های کوچک، هیدروژن به‌صورت گاز تحویل داده می‌شود یا در محل تولید می‌شود. اما برای ایستگاه‌های بزرگ (بیش از 500 کیلوگرم در روز)، استفاده از هیدروژن مایع یا خطوط لوله به همراه تولید هیدروژن در محل، روش‌های مرسوم تأمین هستند.
ریسک‌های سرمایه‌گذاری در ایستگاه‌های سوخت‌رسانی
یکی از چالش‌های مهم در توسعه ایستگاه‌های سوخت‌رسانی هیدروژن، هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری، به‌ویژه در دوره‌های اولیه توسعه بازار خودروهای پیل سوختی است. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، در دوره‌ای 10 تا 15 ساله، بسیاری از این ایستگاه‌ها ممکن است با جریان نقدی تجمعی منفی مواجه شوند. این “دره مرگ” اقتصادی می‌تواند با کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری و افزایش استفاده از ظرفیت ایستگاه‌ها به حداقل برسد.
هزینه بالای سرمایه‌گذاری عمدتاً به نیاز به فشرده‌سازی و ذخیره‌سازی هیدروژن مربوط است. هرچه فشار مورد نیاز در مخازن خودرو بیشتر باشد، کمپرسورهای استفاده شده در ایستگاه‌ها نیز گران‌تر خواهند بود. به عنوان مثال، یک ایستگاه با فشار 35 مگاپاسکال تقریباً یک سوم هزینه یک ایستگاه با فشار 70 مگاپاسکال را دارد. کاهش نیاز به فشرده‌سازی با افزایش فشار در محل تولید هیدروژن یا کاهش فشار مخازن خودرو، می‌تواند این هزینه‌ها را کاهش دهد. تجمع ایستگاه‌های سوخت‌رسانی در اطراف مراکز تقاضای اصلی و اتصال کریدورهای اصلی خودروهای پیل سوختی، می‌تواند به حداکثر بهره‌وری از امکانات منجر شود. جدول زیر برنامه‌های ایستگاه‌های موجود و برنامه‌های آتی را نشان می‌دهد.
ایستگاه‌های موجود سوختگیری هیدروژن و اهداف برنامه‌های اعلام شده
| کشور یا ناحیه | ایستگاه‌های سوختگیری موجود | ایستگاه‌های برنامه‌ریزی شده | |
| 2015 | 2020 | ||
| اروپا | 36 | 80 | 430 |
| ژاپن | 21 | 100 | بیش از 100 |
| کره | 13 | 43 | 200 |
| ایالات متحده آمریکا | 9 | بیش از 50 | بیش از 100 |
در دوره‌های اولیه توسعه خودروهای پیل سوختی، که با دوره نقدی منفی همراه است، نیاز به حمایت‌های دولتی و عمومی از طریق یارانه‌ها امری ضروری خواهد بود.
ردپای کربن در تولید و انتقال هیدروژن
ردپای کربن برای روش‌های مختلف تولید هیدروژن، بنزین و گازوئیل در شکل زیر برای اتحادیه اروپا در سال 2015 مقایسه شده است. بسته به روش تولید هیدروژن، میزان انتشار کربن ممکن است بسیار متغیر باشد. تولید غیرمتمرکز هیدروژن در ایستگاه‌های سوخت‌رسانی با استفاده از مخلوط برق شبکه اروپا و فشرده‌سازی تا 88 مگاپاسکال، می‌تواند ردپای کربنی تا سه برابر بنزین یا گاز طبیعی ایجاد کند.
اما تولید هیدروژن از منابع تجدیدپذیر، زیست‌توده، یا سوخت‌های فسیلی با جذب و ذخیره‌سازی کربن، میزان انتشار کربن دی‌اکسید را تا 20 گرم معادل کربن دی‌اکسید به ازای هر مگاژول کاهش می‌دهد. با این حال، حتی با استفاده از اصلاح بخار متان گاز طبیعی بدون جذب و ذخیره‌سازی کربن، میزان انتشار خودروهای پیل سوختی به‌طور کلی کمتر از خودروهای معمولی با ابعاد مشابه است.
ردپای کربن ذکر شده در شکل بالا برای اتحادیه اروپا به دلیل فاصله‌های طولانی برای انتقال گاز طبیعی (حدود 4000 کیلومتر) محاسبه شده است. انتظار می‌رود که با استفاده از برق کم‌کربن در آینده، این میزان انتشار در فرایند انتقال و توزیع هیدروژن کاهش یابد.
جمع‌بندی
هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک و پایدار، توانسته است نقش مهمی در توسعه حمل و نقل ایفا کند. استفاده از پیل‌های سوختی هیدروژنی در خودروها و سیستم‌های حمل و نقل سنگین، به دلیل مزایایی نظیر کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، زمان سوختگیری کوتاه و پیمایش طولانی‌تر، می‌تواند جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی باشد. با این حال، چالش‌هایی همچون هزینه بالای خودروهای پیل سوختی و نبود زیرساخت‌های کافی برای تأمین و توزیع هیدروژن، همچنان به‌عنوان موانع عمده مطرح هستند.
از نظر انتقال و توزیع هیدروژن، دو روش اصلی برای تأمین این سوخت وجود دارد؛ تولید متمرکز هیدروژن و انتقال آن به ایستگاه‌های سوخت‌رسانی یا تولید پراکنده در همان ایستگاه‌ها. هر دو روش مزایا و معایب خود را دارند، و انتخاب بهینه میان آن‌ها نیازمند توجه به عوامل جغرافیایی، زیرساخت‌ها و پیش‌بینی تقاضاست. همچنین، ایستگاه‌های سوخت‌رسانی هیدروژن نقش مهمی در توسعه خودروهای پیل سوختی دارند و برای کاهش ریسک‌های اقتصادی، نیاز به سرمایه‌گذاری و حمایت‌های دولتی است.
در نهایت، اگرچه استفاده از هیدروژن در مقایسه با سوخت‌های فسیلی، از لحاظ انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌تواند به طور قابل توجهی کاهشی باشد، اما ردپای کربنی این فناوری به روش تولید و توزیع هیدروژن وابسته است. بهره‌گیری از منابع تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن و بهبود زیرساخت‌های توزیع می‌تواند ردپای کربنی این فناوری را به حداقل برساند و به توسعه پایدار حمل و نقل کمک کند.
مرجع
