حمل‌ونقل، به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین عوامل انتشار گازهای گلخانه‌ای، چالش بزرگی برای تلاش‌های جهانی در جهت کاهش اثرات محیط زیستی است. این صنعت بیش از 20 درصد از انتشار جهانی کربن دی اکسید و یک‌چهارم از تقاضای انرژی نهایی را تشکیل می‌دهد و با توجه به اتکای شدید آن به سوخت‌های فسیلی، تغییرات بنیادی در این بخش ضروری به نظر می‌رسد. هیدروژن، به‌عنوان سوختی پاک و پربازده، پتانسیل کربن‌زدایی عمیق در حوزه حمل‌ونقل را دارد. با این حال، استفاده از آن در وسایل نقلیه جاده‌ای، ریلی، دریایی و هوایی با چالش‌ها و فرصت‌های متعددی روبه‌رو است. این مقاله به بررسی وضعیت فعلی و پیشرفت‌های آینده در زمینه هیدروژن و فناوری‌های پیل سوختی در بخش‌های مختلف حمل‌ونقل پرداخته و تلاش‌های جهانی برای توسعه زیرساخت‌ها و بهبود این فرایندها را تشریح می‌کند.
حمل‌ونقل به عنوان یک چالش بزرگ برای کاهش انتشار کربن
بخش حمل‌ونقل جهانی، با سهمی بیش از 20 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای و یک چهارم کل تقاضای نهایی انرژی، همچنان به شدت متکی به سوخت‌های فسیلی است. در حال حاضر، 90 درصد انرژی مورد استفاده در این بخش از فرآورده‌های نفتی تأمین می‌شود، و استفاده از هیدروژن کمتر از 0.01 درصد از انرژی مصرفی را تشکیل می‌دهد. با این وجود، هیدروژن و سوخت‌های مبتنی بر آن نویدبخش کاهش انتشار کربن هستند، به‌ویژه در حوزه‌هایی از حمل‌ونقل که دشوار است به‌صورت مستقیم از برق استفاده کنند، مانند حمل‌ونقل سنگین، حمل‌ونقل با مسافت‌های طولانی، کشتیرانی و هوانوردی.
بر اساس سناریوی تعهدات اعلام‌شده، پیش‌بینی می‌شود که مصرف هیدروژن و سوخت‌های مبتنی بر آن در بخش حمل‌ونقل تا سال 2030 به 520 پتاژول برسد، معادل 0.4 درصد از کل تقاضای انرژی این حوزه. حدود 60 درصد این مصرف مربوط به وسایل نقلیه جاده‌ای خواهد بود، زیرا پیش‌بینی می‌شود تعداد وسایل نقلیه با پیل سوختی به بیش از 6 میلیون دستگاه برسد. در این میان، کشتیرانی حدود یک پنجم این تقاضا را به خود اختصاص می‌دهد و هیدروژن و آمونیاک تنها 1 درصد از مصرف سوخت این بخش را تشکیل خواهند داد. همچنین، هیدروژن و سوخت‌های مصنوعی در بخش ریلی و هوانوردی نیز نقش بسیار محدودی خواهند داشت و سهمی کمتر از 1 درصد از مصرف انرژی را در سال 2030 به خود اختصاص می‌دهند.
افق 2050 برای سوخت‌های هیدروژنی در سناریوی تعهدات نشان‌دهنده رشدی چشمگیر است؛ مصرف هیدروژن و سوخت‌های مرتبط در تمام بخش‌های حمل‌ونقل 15 برابر سال 2030 خواهد شد و به 6 درصد از تقاضای انرژی این حوزه خواهد رسید. در سناریوی انتشار خالص صفر، این رشد حتی سریع‌تر رخ می‌دهد، به‌طوری که در سال 2030 تقاضای هیدروژن به 2.7 اتاژول می‌رسد که 2.6 درصد از کل مصرف انرژی حمل‌ونقل را پوشش می‌دهد. در این حالت، بیش از 45 درصد از این تقاضا به خودروهای جاده‌ای اختصاص خواهد داشت، در حالی که هیدروژن و آمونیاک به‌ترتیب 2 و 8 درصد از مصرف سوخت در کشتیرانی را در سال 2030 تشکیل می‌دهند. همچنین، سوخت‌های مصنوعی مبتنی بر هیدروژن 1.6 درصد از سوخت مورد نیاز هواپیماها را تأمین می‌کنند. تا سال 2050، سوخت‌های هیدروژنی بیش از یک‌چهارم کل نیاز انرژی حمل‌ونقل را برآورده خواهند کرد.
وضعیت هیدروژن و پیل‌های سوختی در حمل‌ونقل
تا پایان ژوئن 2021، بیش از 40 هزار خودروی پیل سوختی در جاده‌های سراسر جهان در حال استفاده بودند. از سال 2017 تا 2020، تعداد این خودروها به‌طور میانگین سالانه 70 درصد رشد کرد. با این حال، در سال 2020 به دلیل همه‌گیری کووید-19 و انقباض کلی بازار خودرو، رشد این بخش کاهش یافت و به 40 درصد رسید. ثبت خودروهای پیل سوختی جدید نیز با 15 درصد کاهش به کمتر از 10 هزار دستگاه رسید. با وجود این رکود، نیمه اول سال 2021 شاهد فروش بیش از 8 هزار خودروی پیل سوختی بود که شامل رکوردهای فروش ماهانه در کالیفرنیا (759 خودرو در ماه مارس) و کره جنوبی (1265 خودرو در ماه آوریل) بود.
خودروهای پیل سوختی به‌طور عمده در دسته وسایل نقلیه سبک سواری متمرکز هستند و در سال 2020، 74 درصد از کل ثبت‌نام خودروهای پیل سوختی را تشکیل دادند. در حال حاضر سه مدل اصلی از این خودروها در بازار موجود است: Hyundai NEXO، هوندا Clarity، و نسل دوم تویوتا میرای. علاوه بر این، تولیدکنندگان تجهیزات اصلی برنامه‌هایی برای عرضه مدل‌های جدید در سال‌های آینده اعلام کرده‌اند.
با وجود اینکه اتوبوس‌های پیل سوختی از نظر زمانی زودتر مستقر شدند و مدل‌های بیشتری نسبت به خودروهای سواری ارائه داده‌اند، تنها 16 درصد از کل ناوگان جهانی خودروهای پیل سوختی را به خود اختصاص داده‌اند. جالب توجه است که حدود 95 درصد از این اتوبوس‌ها در چین فعالیت می‌کنند.
کامیون‌های پیل سوختی: آینده‌ای در حال شکل‌گیری
در حال حاضر، تنها 5 مدل کامیون پیل سوختی در بازار موجود است، اما انتظار می‌رود تا سال 2023، 11 مدل دیگر تولید شود. در این زمینه، دایملر و گروه ولوو سرمایه‌گذاری مشترکی برای توسعه و تجاری‌سازی سیستم‌های پیل سوختی برای حمل‌ونقل طولانی‌مدت اعلام کرده‌اند. این شرکت‌ها به همراه اویکو، OMV، و Shell، توافق‌نامهH2Accelerate را برای همکاری در زمینه استقرار کامیون‌های هیدروژنی در مقیاس بزرگ در اروپا امضا کرده‌اند.
پیشرفت در فناوری موتورهای هیدروژنی
شرکت‌هایی مانند کامینز و MAN در حال کار بر روی نمونه‌های اولیه موتورهای احتراق داخلی با سوخت هیدروژن هستند. این موتورها برای کاربردهای خودروهای تجاری طراحی شده‌اند، اما از نظر آمادگی فناوری در سطح پایین‌تری نسبت به سیستم‌های پیل سوختی هیدروژنی قرار دارند.
چالش‌ها و پیشرفت‌های زیرساختی در سوخت‌گیری هیدروژن
از سال 2017 تا 2020، تعداد ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن با میانگین رشد سالانه حدود 20 درصد افزایش یافت. با این حال، این رشد نسبت به سرعت توسعه خودروهای برقی پیل سوختی کندتر بوده است (شکل زیر). این اختلاف سرعت منجر به افزایش نسبت خودروهای برقی پیل سوختی به ایستگاه‌های سوخت‌گیری شده است، به‌ویژه در کشورهایی که سهم بالایی از این خودروها دارند. به عنوان مثال، در سال 2020 این نسبت در کره جنوبی به 200:1 و در ایالات متحده به 150:1 رسید، در حالی که ژاپن با نسبت 30:1 پیشتاز بود. با توجه به این که ایستگاه‌های سوخت‌گیری با هدف پاسخ‌گویی به رشد آینده خودروهای برقی پیل سوختی ساخته می‌شوند، این نسبت‌ها نشان‌دهنده ظرفیت مازاد بالقوه در برخی مناطق هستند.
پیشرفت در ظرفیت ایستگاه‌های سوخت گیری
ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن در حال حاضر ظرفیت‌های بالاتری نسبت به ایستگاه‌های اولیه دارند. برای مثال، در سال 2020، کالیفرنیا یک ایستگاه با ظرفیت 1200 کیلوگرم در روز راه‌اندازی کرد و بودجه‌ای را برای ساخت ایستگاه‌هایی با ظرفیت تا 1620 کیلوگرم در روز تخصیص داد. این مقادیر در حدود 2.5 تا 3.5 برابر متوسط ظرفیت ایستگاه‌های ساخته شده از سال 2012 است. علاوه بر این، در ژوئیه 2021، بزرگ‌ترین ایستگاه هیدروژن جهان با ظرفیت 4800 کیلوگرم در روز در پکن افتتاح شد.
پیشرفت‌های فشار سوخت‌گیری هیدروژن
فشار سوخت‌گیری در ایستگاه‌های هیدروژن بسته به نوع وسیله نقلیه متفاوت است. در بیشتر کشورها، ایستگاه‌ها هیدروژن را با فشار 700 بار برای خدمت‌رسانی به خودروهای پیل سوختی عرضه می‌کنند. در مقابل، ایستگاه‌های سوخت‌گیری در چین معمولاً هیدروژن را با فشار 350 بار توزیع می‌کنند که برای ناوگان اتوبوس‌ها و کامیون‌ها طراحی شده است. در همین راستا، طراحی و بهبود ایستگاه‌ها و پروتکل‌های سوخت‌رسانی برای توزیع با توان بالا ادامه دارد تا کامیون‌هایی با ذخیره‌سازی 700 بار بتوانند مسافتی معادل 800 کیلومتر را پوشش دهند. این مقدار تقریباً دو برابر برد فعلی کامیون‌های پیل سوختی است که حدود 400 کیلومتر است. برخی شرکت‌ها، از جمله دایملر، هایزون و صنایع چارت، در حال تحقیق روی ذخیره‌سازی هیدروژن به صورت مایع و سوخت‌گیری هستند تا کامیون‌هایی با برد بیش از 1000 کیلومتر را امکان‌پذیر کنند.
نوآوری‌های حمل‌ونقل ریلی با پیل سوختی
فناوری‌های هیدروژن و پیل سوختی از اوایل دهه 2000 در حوزه ریلی، از جمله لوکوموتیوهای معدنی، سوئیچرها و ترامواها، کاربرد عملی یافته‌اند. در سال 2018، نخستین سرویس تجاری قطار مسافربری پیل سوختی هیدروژنی، که توسط آلستوم توسعه یافت، در آلمان آغاز به کار کرد و مسیر 100 کیلومتری را پوشش داد. این دو قطار از آن زمان بیش از 180 هزار کیلومتر را طی کرده‌اند، و کشورهای بیشتری شروع به آزمایش و استفاده از قطارهای پیل سوختی کرده‌اند. در سال 2020، یک قطار هیدروژنی به سرویس عادی مسافربری در اتریش وارد شد و بریتانیا و هلند نیز آزمایشات خود را آغاز کردند.
در اروپا، فرانسه، ایتالیا و بریتانیا برای بهره‌برداری از قطارهای هیدروژنی سفارش‌هایی داده‌اند، در حالی که انتظار می‌رود بزرگ‌ترین ناوگان قطارهای پیل سوختی در آلمان، از سال 2022 به‌طور دائم فعالیت کند.
توسعه جهانی قطارهای پیل سوختی هیدروژنی
کشورهایی نظیر چین، کره، ژاپن، کانادا و ایالات متحده علاقه زیادی به استقرار قطارهای پیل سوختی هیدروژنی نشان داده‌اند. در کنار قطارهای مسافری، توسعه و استقرار ترامواهای هیدروژنی، لکوموتیوهای خطی و سوئیچینگ نیز در مراحل مختلفی قرار دارد. این فناوری می‌تواند به کاهش انتشار کربن در مواردی کمک کند که برق‌رسانی مستقیم به خطوط ریلی دشوار یا از نظر اقتصادی غیرقابل اجرا است.
نوآوری‌های کشتیرانی با پیل‌های سوختی هیدروژنی
کاربرد پیل‌های سوختی هیدروژنی در کشتی‌های ساحلی و مسافت کوتاه از اوایل دهه 2000 ثابت شده است، هرچند هنوز هیچ‌یک به‌صورت تجاری در دسترس نیستند. انتظار می‌رود عملیات تجاری این کشتی‌ها در ایالات متحده و نروژ از سال 2021 آغاز شود. بسیاری از کشتی‌های هیدروژنی که در حال حاضر به نمایش درآمده یا برای استقرار در آینده برنامه‌ریزی شده‌اند شامل کشتی‌های مسافربری، تفریحی، رول‌آن/رول‌آف، و قایق‌های یدک‌کش هستند. این کشتی‌ها معمولاً از پیل‌های سوختی با توان 600 کیلووات تا 3 مگاوات بهره می‌برند. علاوه بر این، اتحادیه اروپا به‌تازگی یک پروژه مشترک را با هدف ساخت یک کشتی هیدروژنی مجهز به پیل سوختی با توان 23 مگاوات آغاز کرده است.
پروژه‌های گذشته و در حال توسعه، به استفاده از هیدروژن در حالت گازی و مایع برای سوخت‌رسانی به کشتی‌ها تمرکز دارند. با این حال، به‌دلیل چگالی حجمی پایین هیدروژن، استفاده مستقیم از آن عمدتاً به کشتی‌های برد کوتاه و متوسط محدود می‌شود، به‌خصوص آن‌هایی که به توان بالایی نیاز دارند و استفاده از باتری برای آن‌ها عملی نیست.
سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن برای کشتیرانی اقیانوسی
سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن، مانند آمونیاک سبز، توجه زیادی را برای استفاده در کشتی‌های بزرگ اقیانوس‌پیما به خود جلب کرده‌اند. آمونیاک سبز می‌تواند در موتورهای احتراق داخلی به کار رود و انتشار کربن‌دی‌اکسید از کشتی‌ها را به‌طور کامل حذف کند. بازیگران اصلی صنعت دریایی اعلام کرده‌اند که از اوایل سال 2023، موتورهای دریایی با سوخت 100 درصد آمونیاک به بازار عرضه خواهند شد و بسته‌های مقاوم‌سازی برای کشتی‌های موجود از سال 2025 در دسترس خواهد بود. علاوه بر آمونیاک، متانول نیز به‌عنوان سوختی قابل‌توجه برای بخش دریایی مطرح است و از نظر توسعه نسبت به هیدروژن و آمونیاک بالغ‌تر محسوب می‌شود. با توجه به سازگاری متانول با موتورهای دریایی فعلی، می‌تواند به‌عنوان راه‌حلی کوتاه‌مدت برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای عمل کند. با این وجود، آمونیاک در درازمدت پتانسیل بیشتری برای کربن‌زدایی عمیق‌تر ارائه می‌دهد.
هیدروژن در حمل‌ونقل هوایی
استفاده از هیدروژن در حمل‌ونقل هوایی به‌سرعت در حال جلب توجه است. گروه صنعتی ATAG پیشنهاد می‌کند که پیل‌های سوختی هیدروژنی برای پروازهایی تا 1600 کیلومتر و احتراق هیدروژن برای پروازهای کوتاه تا متوسط به کار گرفته شود. در صورت موفقیت‌آمیز بودن توسعه این فناوری، می‌توان از پیل‌های سوختی هیدروژنی در 75 درصد از پروازهای تجاری استفاده کرد، اگرچه تنها 30 درصد از سوخت هوانوردی را پوشش می‌دهد (شکل بالا). احتراق هیدروژن، از نظر فنی، می‌تواند در پروازهای طولانی‌تر نیز به کار رود و تا 95 درصد پروازها و 55 درصد مصرف سوخت را پوشش دهد، اما نیاز به تجهیزات اضافی برای کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن دارد. برای پروازهای طولانی‌تر، سوخت‌های پایدار هوانوردی، شامل سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن و سوخت‌های زیستی، حیاتی هستند. همچنین، ابزارهای خاصی ممکن است برای کاهش اثرات گرمایش غیر دی‌اکسید کربنی مورد نیاز باشند.
نوآوری‌های هیدروژنی در صنعت هوانوردی
استفاده از هیدروژن، چه به‌صورت پیل‌های سوختی و چه به‌طور مستقیم از طریق احتراق، نیازمند طراحی‌های نوین برای سیستم‌های هواپیما است. شرکت ایرباس در تلاش است تا تا سال 2035 هواپیمای تجاری هیدروژنی را وارد بازار کند. این هواپیما ظرفیت حمل حداکثر 200 مسافر و بردی معادل 3700 کیلومتر خواهد داشت. در همین راستا، شرکت‌های کوچک‌تری مانند ZeroAvia و یونیورسال هیدروژن نیز در حال پیشبرد فناوری‌های هوانوردی هیدروژنی هستند. ZeroAvia قصد دارد اولین هواپیمای تجاری هیدروژنی با برد 900 کیلومتر را تا سال 2024 عرضه کند، در حالی که یونیورسال هیدروژن در حال توسعه راه‌حل‌های ذخیره‌سازی و کیت‌های تبدیل برای هواپیماهای تجاری است.
شرکت بوئینگ نیز اخیراً با سازمان تحقیقات علمی و صنعتی مشترک المنافع استرالیا (CSIRO) همکاری کرده و نقشه راه هیدروژن در صنعت هوانوردی را منتشر کرده است. این نقشه راه، فرصت‌هایی را برای استفاده از هیدروژن در کاربردهای هوایی و فرودگاهی، از جمله اتوبوس‌ها، تجهیزات برق ایستگاهی، تاکسی‌ها، قطارها و کامیون‌های باری، شناسایی می‌کند. چالش‌های فنی عمده همچنان شامل توسعه مخازن ذخیره‌سازی برودتی سبک‌وزن با حداقل جوش و زیرساخت‌های تحویل هیدروژن است. این زیرساخت‌ها شامل خطوط لوله با قابلیت مایع‌سازی در محل و سیستم‌های سوخت‌گیری مایع با دبی بالا هستند.
جمع‌بندی
هیدروژن و سوخت‌های مبتنی بر آن، در آینده‌ای نه‌چندان دور، می‌توانند نقشی محوری در تحول بخش حمل‌ونقل ایفا کنند. از خودروهای سواری و کامیون‌های هیدروژنی گرفته تا قطارها و کشتی‌های مجهز به پیل‌های سوختی، این فناوری‌ها در مسیر پیشرفت قرار دارند و امید به کربن‌زدایی عمیق این بخش را زنده نگه می‌دارند. چالش‌های مهمی از جمله توسعه زیرساخت‌های سوخت‌گیری، بهبود ذخیره‌سازی هیدروژن و ایجاد سیستم‌های حمل‌ونقل سازگار با این سوخت پاک همچنان وجود دارند. اما با تلاش‌های شرکت‌های بزرگ مانند ایرباس و بوئینگ و سرمایه‌گذاری‌های گسترده در سراسر جهان، دستیابی به یک صنعت حمل‌ونقل پایدار و سازگار با محیط زیستی دست‌یافتنی به نظر می‌رسد. هیدروژن، چه به‌صورت مستقیم در موتورهای احتراق داخلی و چه به‌صورت غیرمستقیم از طریق پیل‌های سوختی، مسیری رو به جلو برای کاهش اثرات محیط زیستی حمل‌ونقل و کمک به حفظ سیاره زمین برای نسل‌های آینده ارائه می‌کند.
