مقدمه[i]

به زعم بسیاری از مشاهده‌گران صنعت، اقتصاد هیدروژن به عنوان یک شکست کنار گذاشته شده بود. هر چند، اخیرا، به نظر می‌رسد که هیدروژن بازگشتی را به میادین تجربه می‌کند. نه به خاطر هیچ پیشرفت خاصی در تکنولوژی، بلکه به خاطر این که پشتکار و پیشرفت‌های معمولی دارند جواب می‌دهند.

پس از تقریبا دو دهه هیجان راجع به فرارسیدن یک «اقتصاد هیدروژنی» متحول‌کننده، بسیاری از مشاهده‌گران خبره‌ی تکنولوژی در مورد آن به این نتیجه رسیده بودند که هیجانی بیش نبوده است. به طور خاص، وسایل نقلیه‌ی پیل سوختی هیدروژنی یک رویای شکست‌خورده به نظر می‌رسیدند. نوآورانی چون جف بالارد کانادایی به مسئله نزدیک شده بودند و هزینه‌های سرمایه‌گذاری هنگفتی مصرف کرده بودند در تلاش برای این که محصولی توسعه دهند که بتواند در سختی‌های صنعت خودرو تاب بیاورد. همه‌ی این‌ها با موفقیت اندکی همراه بوده است، و ورای مشکلات هزینه و دوام خود پیل‌های سوختی، معضل ذخیره‌سازی هیدروژن به سختی مانع راه‌حل‌های کاربردی تجاری می‌شد.

در سال‌های اخیر، خودروهای هیبرید و برقی باتری‌ای به نظر میدان حمل‌ونقل کم‌کربن و بدون کربن را در دست گرفته‌اند. تسلا نگاه‌ها را از این که چه چیزی برای خودروهای برقی باتری‌ای ممکن است، تغییر داده است. هزینه‌ی پک‌های باتری لیتیوم-یون پایین آورده شده است، در حالی که ظرفیت، عملکرد و قابلیت اتکای آن‌ها بسیار بالا رفته است. برنامه‌های دولتی به حمایت پژوهش و توسعه‌ی پیل سوختی ادامه داده‌اند. اگر برای هیچ چیز دیگری نباشد، پیل سوختی هنوز جذابیت گسترده‌ای برای برنامه‌های نظامی دارد. اما برای آن‌هایی از ما که گمان می‌کردیم مشکلات را می‌فهمیم، موانع استفاده‌ی گسترده‌ی هیدورژن به عنوان یک حامل انرژی، بسیار پایه‌ای به نظر می‌رسید. ما واقعا انتظار نداشتیم که این موانع در مدت کوتاهی فرو بریزند.

با وجود این انتظار، تعداد زیادی از اعلانات و مقالات خبری در طول سال‌های اخیر مربوط به هیدروژن جای تعجب و شگفتی دارد. برجسته‌ترین آن‌ها اعلانات اخیر تویوتا، هوندا، و هیوندای از خودروهای جدید پیل سوختی برای عرضه‌ی تولید در بازارهایی بوده است که ایستگاه‌های سوخت‌رسانی هیدورژن موجود است. تویوتا، خودروی «میرای» را معرفی کرد، هوندا «کلریتی فیول سل» را معرفی کرد، و هیوندای خودروی شاسی بلند «تاکسن فیول سل» را معرفی نمود. اما این‌ها فقط اعلانات تجاری پشتیبانی شده با کمپین‌های تبلیغاتی بودند. وقتی شروع به کاوش بیشتر می‌کنیم، تعداد زیادی خبر برجسته و اعلانات از اطراف دنیا مشاهده می‌شوند. ایده‌ی اقتصاد هیدورژنی –که هرگز از بین نرفت- به نظر می‌رسد که دارد باز می‌گردد. خب، چه چیزی بوده که وقتی ما توجه نداشتیم، اتفاق افتاده است؟ به نظر می‌آید که یک مرور کامل، نیاز است. از آن‌جایی که وسایل نقلیه‌ی برقی باتری‌ای در مقایسه با پیل سوختی جلوی چشم هستند، از آن‌جا شروع می‌کنیم. سپس ادامه می‌دهیم و به مسایل وسیع‌تر ذخیره‌سازی انرژی و تولید هیدروژن نگاهی می‌اندازیم.

مسابقه‌ی فناوری وسایل نقلیه‌ی برقی

به رغم پیشرفت دلسردکننده در سال‌های ابتدایی حرکت «خودروی آزادی» بوش، پژوهش و توسعه‌ی پیل سوختی هرگز متوقف نشد. این پژوهش و توسعه ادامه داشته است و همه‌ی آن با محرک‌های سیاسی نبوده است. همواره امکان موفقیت واقعی در فناوری پیل سوختی بوده است. مسائل اصلی هزینه و قابلیت اتکا بوده‌اند. هیچ پیشرفت خاص واحدی پشت سر بازگشت توجه‌ها به هیدروژن نبوده است. بلکه پشتکار و پیشرفت‌های معمول در فناوری مواد و تولید شروع به جواب دادن کرده‌اند. یک مثال کوچک: ماشین‌آلات اتوماتیک که می‌توانند جوش‌های قابل اتکا مقاوم در برابر نشتی گاز بین ورق‌های فلزی بدهند. این مسئله‌ای حیاتی برای ساخت صفحات دو قطبی بهره‌ور در پیل سوختی‌های PEM (Polymer Electrolyte Membrane)است.

تحلیلی توسط دفتر فناوری‌های پیل سوختی وزارت انرژی ایالات متحده هزینه‌ی حاضر پشته‌های (Stacks) پیل سوختی خودرویی را 53 دلار به ازای هر کیلووات برای حجم تولید سالانه نیم میلیون واحد برآورد کرده است. این نصف مقدار پیش‌بینی شده برای لبه‌ی فناوری در سال 2006 است.

جالب این که، یک چیزی که به طور گسترده‌ای دیده می‌شود که نیاز به تغییر دارد پیش از آن که وسایل نقلیه‌ی برقی پیل سوختی بتوانند کاربردی شوند، تغییر نکرده است: فناوری حمل هیدروژن در وسیله‌ی نقلیه. به رغم تعداد زیادی از توسعه‌های آزمایشگاهی امیدوارکننده، به نظر می‌رسد هیچ پیشرفت کاربردی‌ای در ذخیره‌سازی هیدروژن رخ نداده است. وسایل نقلیه‌ی پیل سوختی جدید همه از هیدروژن گازی فشار بالا در تانک‌های فشار پلیمری فیبرپیچ شده استفاده می‌کنند. تانک‌های مشابهی توسط کوانتوم در دهه 1980 ساخته می‌شدند. تانک‌ها همچنان سنگین، پرحجم و پرهزینه هستند. هر چند، با روش‌های تولید بهتر و فیبرهای کربن ارزان‌تر و قوی‌تر، هزینه‌ی آن‌ها حالا در رده‌ی پایین هزارها دلار به جای رده‌ی بالای ده‌ها هزار دلار است.

مزایای پیل سوختی: وزن، هزینه‌ی سرمایه، زمان سوختگیری

بنا به کاتالوگ تویوتا برای «میرای»، سیستم پیل سوختی آن 2 کیلووات بر کیلوگرم با حداکثر توان خروجی 114 کیلووات تحویل می‌دهد. این یعنی وزن سیستم پیل سوختی برابر با 57 کیلوگرم است. تانک‌های هیدروژن 5 کیلوگرم H2 با درصد وزنی 5.7% نگهداری می‌کنند. این یعنی وزن تانک برابر با 83 کیلوگرم است. بنابراین، 145 کیلوگرم جمع تانک‌ها+سیستم پیل سوختی+5 کیلوگرم هیدروژن، تقریبا بردی برابر 312 مایل (تقریبا 502 کیلومتر) می‌دهد. این قابل مقایسه است با 540 کیلوگرم برای پک باتری در یک تسلا مدل اس با بردی برابر با 265 مایل (تقریبا 426 کیلومتر).

به نظر می‌رسد که به رغم تانک‌های فشار سنگین و پرحجم، «میرای» برد عملیاتی رانندگی بیشتری از مدل اس، با تقریبا مزیت وزنی 4 به 1 برای سیستم تحویل انرژی می‌دهد. هر چند، برای بیشتر خریداران مهم‌تر، هزینه‌ی سیستم به ازای هر کیلووات‌ساعت انرژی تحویل داده شده به موتورهای پیشران آن است. این برای اندازه‌گیری قدری سخت‌تر است، چون تولیدکنندگان معمولا داده‌های هزینه را برای عموم عرضه نمی‌کنند.

یک صنعت کوچک برای حدس‌زدن و پیش‌بینی هزینه‌ی پک‌های باتری تسلا وجود دارد. جی تی ام ریسرچ پیش‌بینی می‌کند که تا 2020، هزینه‌ی متوسط تسلا برای پک‌ها 217 دلار بر کیلووات‌ساعت خواهد بود. با استفاده از این عدد، پک باتری مدل اس 85 کیلووات‌ساعتی برابر با 18500 دلار خواهد شد. این کمتر از برخی تخمین‌هاست، اما بیشتر از 12000 دلاری است که خود تسلا متمایل است که برای دارندگان مدل اس به عنوان هزینه‌ی جایگزینی پس از 8 سال گارانتی کند. همه موافقند که هزینه‌ها همین که تولید گیگافکتوری‌ها آغاز شود، رو به کاهش هستند، بنا بر این 18500 دلار احتمالا عدد معقولی برای استفاده در مقایسه‌های کوتاه مدت بین وسایل نقلیه‌ی باتری‌ای و پیل سوختی می‌باشد. بر اساس آن، پیل‌های سوختی به نظر می‌رسند که از باتری‌ها در زمینه‌ی هزینه و وزن جلو می‌افتند. با 53 دلار به ازای هر کیلووات، سیستم پیل سوختی 114 کیلوواتی «میرای» هزینه‌ای تقریبا برابر 6000 دلار خواهد داشت. منبع ذخیره‌سازی فشار بالا برای 5 کیلوگرم H2 احتمالا حوالی 3000 دلار باشد. لذا، هزینه‌ی سرمایه‌ای سیستم تحویل انرژی با برد طولانی‌تر به نظر می‌رسد تقریبا نصف هزینه‌ی پک باتری برای مدل اس است.

البته، وسایل نقلیه‌ی پیل سوختی به لحاظ زمان سوختگیری مجدد بسیار سریع‌تر هستند. این به طور گسترده‌ای قوی‌ترین مزیت بازار آن‌ها دانسته می‌شود. اما پیش‌فرض آن، یک شبکه از ایستگاه‌های عمومی سوختگیری هیدروژن است که بیشتر آن، هنوز وجود ندارد.

به طور نرمال، یک مسئله‌ی «مرغ و تخم‌مرغ» مثل این برای معرفی یک محصول جدید کشنده است که ممکن است اثبات شود که در این مورد نیز این گونه است. هر چند، فاکتورهای خاصی برای هیدروژن وجود دارند که بالقوه ممکن است به آن امکان پیشرفت بدهند. به آن‌ها خواهیم رسید. اما اول، ما باید به مشکلات دیگر از روی دیگر سکه‌ی پیل‌های سوختی در مقایسه باتری‌ها نگاهی بیندازیم.

معایب پیل سوختی: بهره‌وری، اثرات آلایندگی کربن، هزینه‌ی سوخت

راه‌های بسیاری برای تولید هیدروژن وجود دارد. به خاطر برقی‌سازی حمل‌ونقل، چشم‌انداز سبز این است که این کار با الکترولیز آب انجام شود. این چشم‌انداز برای ایستگاه‌های سوختگیری هیدروژن مناسب است. H2 مصرفی هر روز، همان روز یا روز قبل در محل تولید می‌شود. این باعث می‌شود که موجودی در محل H2 کاهش یابد که به نوبه‌ی خود باعث تقویت ایمنی شده و هزینه‌ی سرمایه‌ی ایستگاه را کمینه می‌کند. این همچنین باعث می‌شود که به زیرساخت جدید و پرهزینه‌ی توزیع هیدروژن نیاز نداشته باشیم. دیگر نیازی به کندن خیابان‌ها برای لوله‌گذاری هیدروژن یا داخل‌شدن تانکرهای هیدروژن مایع در ترافیک شهر نیست.

در این سناریو، بهره‌وری پایین پیل‌های سوختی PEM و الکترولیزکننده‌ها یک عیب واضح پیل‌های سوختی در مقایسه با باتری‌ها است. برای هر کیلووات‌ساعت تحویل داده شده به موتورهای وسیله‌ی نقلیه، سیستم الکترولیزکننده-پیل سوختی، تقریبا دو برابر کیلووات‌ساعت‌های انرژی ورودی در سیستم باتری لازم دارد.

تفاوت تقریبی 2 به 1 در بارگذاری الکتریکی که وسایل نقلیه‌ی پیل سوختی تحمیل می‌کنند به اندازه‌ی کافی بد است، اما به اثرات آلایندگی غیرمستقیم کربن این دو کلاس از وسایل نقلیه مربوط می‌شود. به لحاظ آن‌چه از آلایندگی که آن‌ها در جاده تولید می‌کنند، هر دو BEV(وسایل نقلیه‌ی برقی باتری‌ای) و FCEV(وسایل نقلیه‌ی برقی پیل سوختی) وسایل نقلیه‌ای با آلایندگی صفر هستند. هر چند، هر دو بواسطه‌ی شبکه‌ی قدرت آلایندگی دارند. اگر برق شبکه کاملا از منابع قدرت بدون کربن تغذیه می‌شد، آن‌گاه هر دو BEV ها و FCEV ها بدون آلایندگی کربن می‌بودند. اما امروزه این دور از واقعیت است. یک تفاوت 2 به 1 بین بارگذاری الکتریکی FCEV ها و BEVها یعنی یک FCEV دو برابر یک BEV آلایندگی غیرمستقیم کربن به ازای هر کیلومتر خواهد داشت.

تفاوت واقعی در هزینه‌ی سوخت به ازای هر کیلومتر قدری بزرگتر از تفاوت 2 به 1 در بارگذاری الکتریکی است. برای BEV ها هزینه‌ی سوخت تنها هزینه‌ی برقی است که در شارژ مصرف می‌شود. هیچ تجهیزات سرمایه‌ای بزرگی بین وسیله‌ی نقلیه و شبکه‌ی قدرت نیست. اما برای FCEV ها، الکترولیزکننده، منبع ذخیره‌سازی هیدروژن، سیستم توزیع، و ملک تجاری که ایستگاه در آن قرار گرفته است، وجود دارند. همچنین، سربار عملیاتی روزانه‌ی گرداندن ایستگاه نیز هست. این موارد هزینه‌ی خرده‌فروشی هیدروژن توزیع‌شده را بسیار بالاتر از هزینه‌ی برق ورودی به الکترولیزکننده می‌برند.

تخمین‌های محکم از این که در آینده‌ی نزدیک چه می‌توان انتظار داشت، سخت به دست می‌آیند. مجموعه‌ای از یارانه‌ها تصویر را مبهم می‌کنند، و تخمین‌های هزینه‌های آینده حساس به فرض‌هایی راجع به نرخ اتخاذ، ابعاد و اندازه‌ی ایستگاه‌های سوختگیری، و فناوری مورد استفاده برای عرضه‌ی H2هستند. اهداف وزارت انرژی ایالات متحده برای سال 2020 هزینه‌ی تولید عمده‌فروشی 2 دلار یا کمتر gge (gallon of gas equivalent; ~1kg of H2) است. هدف برای قیمت بدون مالیات سر پمپ، 4 دلار یا کمتر است. (به اینجا مراجعه کنید.)

حرف آخر در این زمینه این است که برای سال‌های پیش‌رو، هزینه‌های سوخت برای یک FCEV حداقل 5 تا 10 برابر بیشتر از هزینه‌ها برای یک BEV است. شک داریم که هیدروژن الکترولیزی بدون کربن هرگز کمتر از 4 برابر شود. هر چند برای منظر دادن، هزینه‌های سوخت برای یک BEV کسری از هزینه‌های یک خودروی بنزینی هستند و معمولا قابل اغماض تلقی می‌شوند. اگر هزینه‌ی هیدروژن در یک FCEV 4 برابر هزینه به ازای کیلومتر برق در یک BEV بود، رانندگان بسیاری آن را قابل قبول می‌دانستند. سوخت هنوز بخش کوچکی از هزینه‌ی سر جمع داشتن و استفاده‌کردن از یک وسیله‌ی نقلیه می‌بود. شاهد بر این مدعا، این واقعیت است که تولیدکنندگان وسایل نقلیه‌ی پیل سوختی می‌توانند هیدروژن رایگان را در قیمت خرید یا لیزینگ وسایل نقلیه در بازارهای تست کالیفرنیا بگنجانند.

وضعیت در جریان

مزایا و معایب نسبی برشمرده‌شده در بالا برای FCEV ها در مقایسه با BEVها اغلب نرم هستند. آن‌ها تابع تغییرات در فناوری، رویکرد طراحی، الگوهای استفاده هستند. برای مثال، توسعه‌هایی در فناوری باتری و تولید، تقریبا قطعا معایب هزینه‌ی اولیه و وزن BEV ها را کاهش می‌دهند. در همان زمان، تغییراتی روش‌های تولید هیدروژن می‌تواند معایب هزینه‌ی به ازای هر کیلومتر FCEV ها را کاهش دهد. همچنین یک تغییر طراحی آسان در FCEV وجود دارد که به طرز قابل توجهی هزینه‌ی رانندگی آن‌ها را کاهش می‌دهد و چالش زیرساخت H2 را حل می‌کند. (پایین را ببینید.)

شاید بیشتر از همه، به عرصه آمدن و گسترش توانمندی‌های خودرانی وسیله‌ی نقلیه بازار خودرو را به اشکالی تغییر دهد که به وضوح بر تقابل‌های بین هیدروژن و باتری‌ها تاثیر بگذارد. در مورد آن بعدا صحبت خواهیم کرد.

هیبریدهای جهانی؟

چالش بین باتری‌ها و پیل سوختی به کنار، بر یک جنبه فناوری وسیله‌ی نقلیه آینده اتفاق نظر وجود دارد. موتور-ژنراتورهای الکتریکی و کنترلرهای قدرت حالت جامد به طور فزاینده‌ای در قلب سیستم‌های محرکه خواهند بود. آن‌ها ارزانتر و قابل‌اتکاتر و با عملکرد بالاتر از انتقال‌قدرت‌های مکانیکی و شفت‌های محرکه‌ی کوپل شده با موتور هستند. در نهایت، همه‌ی وسایل نقلیه‌ی آینده BEV های خالص یا هیبریدها خواهند بود.

بلند جار زده نمی‌شود، ولی وسایل نقلیه‌ی پیل سوختی جدید، در حقیقت، هیبرید هستند. «میرای» تویوتا بر روی سیستم محرکه‌ی پریوس ساخته شده است. این دو تعداد زیادی از اجزایشان مشترک است، شامل باتری کشش و کنترلر قدرت، که ترمز احیاکننده (ریجنرتیو) و پاسخ دفعی گاز را ممکن می‌کنند. همچنین، نقش ذخیره‌کننده‌ی بافر را در سیستم پیل سوختی ایفا می‌کند و هزینه‌ی آن را پایین می‌آورد. اشتراک اجزا با پریوس و یک محیط پیل سوختی سازگار، موارد کلیدی‌ای بوده‌اند که به کمک آن‌ها تویوتا توانسته است، هزینه‌های میدانی کردن یک کلاس وسیله‌ی نقلیه‌ی پیل سوختی را محدود کند.

همه‌ی آن چه لازم است تا یک نسخه‌ی هیبرید پلاگین از میرای تولید شود اضافه کردن یک پورت شارژ پلاگین است. همین احتمالا برای تولیدات پیل سوختی هوندا و هیوندای نیز درست است. اما باتری‌ها و پیل‌های سوختی دارند برای سهم از ذهن مردم در بازار وسایل نقلیه‌ی برقی رقابت می‌کنند. قابل درک است که شرکت‌هایی که از یک بازی پیل سوختی حمایت می‌کنند، نمی‌خواهند ریشه‌های HEV (وسیله‌ی نقلیه‌ی برقی هیبرید) وسایله نقلیه‌ی پیل سوختی پرچمدارشان آشکار شود. به لحاظ بازاریابی چنین کاری معنا ندارد. هر چند، یک پورت شارژ به لحاظ فنی معنا دارد. مسافت محلی می‌تواند بیشتر در حالت برقی باتری‌ای رانندگی شود. هزینه به ازای هر کیلومتر پایین خواهد بود. مصرف هیدروژن برای یک پروفایل رانندگی معمول به کمتر از نصف یا کمتر از آن کاهش می‌یابد. در اروپا، Symbio FCell در واقع این رویکرد را برای یک ون Nissan e-NV200که برد آن افزایش یافته برای بازار تاکسی انتخاب کرده است.

یک توانمندی هیبرید پلاگین مشکل زیرساخت هیدروژن را برای وسایل نقلیه‌ی پیل سوختی حل می‌کند. آن‌ها حتی در محیط‌های بدون ایستگاه‌های سوختگیری هیدروژن، قابل رانندگی باقی می‌مانند. برد محدود با باتری پلاگین ممکن است که اذیت‌کننده باشد، و رانندگان هنوز خواهند خواست که سوختگیری هیدروژن نزدیک خانه داشته باشند. اما آن‌ها به سختی وابسته به آن نخواهند بود. توانمندی پلاگین، با استفاده از هیدروژن برای افزایش برد بین شارژهای پلاگین، یا با استفاده از شارژ پلاگین برای افزایش برد بین سوختگیری‌های هیدروژن، انعطاف را فراهم می‌کند.

تغییر به محرکه‌ی برقی تقابل‌های بین باتری‌ها و پیل‌های سوختی را تغییر می‌دهد. دیگر یک انتخاب صرف این یا آن نیست. اگر محرکه‌ی برقی و حداقل اندکی ظرفیت باتری داده شوند، آن‌گاه مشکلات این خواهند بود که چقدر ظرفیت باتری داشته باشیم و چه فناوری‌ای برای عرضه‌ی برد اضافه‌تر از مقداری که باتری محرکه‌ی هیبرید پشتیبانی می‌کند، به کار بگیریم. اگر این آخری کافی است تا اجازه دهد که مسافت محلی بیشتری در حالت برقی باتری‌ای رانندگی شود، آن‌گاه راه‌حل بهینه برای برد اضافه آنی است که هزینه‌ی اضافه‌شده‌ی وسیله‌ی نقلیه را کمینه می‌کند. این حتی در هزینه‌های بالاتر سوخت نیز برای زمان‌هایی که به توانمندی برد افزایش‌یافته رسیده شده است، صادق است.

سوخت‌های جایگزین

ممکن است هیچکدام از باتری‌های بزرگ یا پیل‌های سوختی هیدروژن گزینه‌های بهینه برای برد نباشند. با باتری‌های بزرگ، ممکن است ظرفیت بالاتر و بیشتر از نیاز رانندگی محلی، راه پرهزینه‌ای برای رسیدن به یک توانمندی بردی باشد که کمتر دست یافته شده است. و در حالی که باتری‌های آینده سبک‌تر و ارزان‌تر خواهند بود، آن همچنین این را جذاب می‌کند که ظرفیت بیشتری برای رانندگی محلی عرضه شود. ظرفیت افزایش‌یافته در پک باتری پایه تناوب مراجعه به ظرفیت برد اضافه را کاهش می‌دهد. سادگی مفهومی داشتن یک باتری بزرگ تک ممکن است به هزینه‌ی آن نیرزد. زیرسیستم‌های جداگانه می‌توانند برد بیشتری را در هزینه‌ی پایین‌تر وسیله‌ی نقلیه، در حالی که سوختگیری سریع را به عنوان یک امتیاز اضافه ممکن می‌کنند، فراهم کنند.

زیرسیستم جداگانه برای برد اضافی ممکن است هیدروژن باشد یا نباشد. هزینه‌ی اضافه‌شده‌ی وسیله‌ی نقلیه برای رویکرد هیدروژن به نظر می‌رسد که حوالی 9000 دلار باشد. کوچک نیست، اما آنقدر هم بالاتر از هزینه‌ی یک موتور احتراق داخلی و زیرسیستم‌های گوناگون حول و حوش آن نیست. سوال این است که با آن چه می‌شود خرید؟

با یک شبکه‌ی برق کاملا بدون‌کربن‌شده و هیدروژن الکترولیزی، رویکرد پیل سوختی هیدروژنی حمل‌ونقل بدون کربن را به ارمغان می‌آورد. اما اگر اضافه‌کردن توانمندی پلاگین آسان و همه‌جا حاضر با باتری‌های بزرگتر محرکه‌ی هیبرید، پیش‌تر باعث شده است که بیشتر کیلومترهای محلی در حالت برقی باتری‌ای رانندگی شود، بنابراین اثرات آلایندگی کربن، پیش‌تر از این، کاهش یافته‌اند. اگر مصرف سوخت متوسط برای وسایل نقلیه‌ی پلاگین جدید، پیش‌تر از این، 150mpg یا بهتر است، بنابراین انگیزه برای به‌کارگیری هیدروژن ضعیف خواهد بود. مانع یک پیشرفت عمده در فناوری ذخیره‌سازی هیدروژن و کاهش‌های بیشتر در هزینه‌ی پیل سوختی، و رقیب پیش‌فرض هر دو باتری و پیل سوختی برای رانندگی با برد اضافی، احتمالا بنزین یا سی ان جی باشد. شاید، اگر قیمت آلایندگی کربن سوخت‌های فسیلی به اندازه‌ی کافی بالا برود، یک سوخت ترکیبی کربن-خنثی ممکن است ارزان‌تر و رقابتی‌تر در بیاید. هزینه‌ی انرژی تولید سوخت‌های ترکیبی از CO2 و H2 از هزینه‌ی انرژی تولید H2 چندان بالاتر نیست.

حمل‌ونقل سنگین

بحث تا حالا درباره‌ی خودروهای سواری بوده است. برای یک دید وسیع‌تر از اقتصاد هیدروژنی، ما نیاز است که حمل‌ونقل سنگین را نیز بررسی کنیم: کامیون‌ها، اتوبوس‌ها، قطارها، کشتی‌ها، و هواپیماها. به اینها، ماشین‌آلات کشاورزی و سنگین ساختمانی را هم اضافه کنید. برای خلاصه‌تر شدن، ما هیچ کدام از این آخری‌ها را اینجا پوشش نمی‌دهیم. اما کامیون‌ها و اتوبوس‌ها نقش بزرگی را ایفا می‌کنند و نیاز به توضیح دارند.

برای کامیون‌ها و اتوبوس‌ها، فاکتورهای به نفع سیستم‌های محرکه‌ی برقی هیبریدی حداقل به قوت وسایل نقلیه‌ی سواری هستند. توانایی عرضه‌ی گشتاور به نرمی کنترل‌شده برای شتاب و رانندگی در شیب در طول بازه‌ی کامل سرعت، با ظرفیت همراه برای ترمز احیاکننده (ریجنرتیو)، جذاب هستند. محرکه‌ی برقی می‌تواند مزیت‌های عملکردی و ایمنی را همراه با اقتصاد سوخت، هوای پاک، و عملیات بی‌سروصدا در اختیار بگذارد. حجم تولید پایین برای باتری‌های سنگین، واحدهای کنترل قدرت و موتور-ژنراتورها مانع اتخاذ گسترده‌ی آن‌ها تاکنون شده‌اند، ولی اوضاع دارد تغییر می‌کند.

برای عرضه‌ی انرژی به سیستم محرکه‌ی الکتریکی، تقابل‌های مختلف و انتخاب‌های مختلفی بسته به بخش کاربرد آن وجود دارد. همه‌ی رویکردهای باتری برای اتوبوس‌های شهری و کامیون‌های خدماتی جذاب هستند. اتوبوس‌های شهری ساعت‌هایی را در روز پارک هستند، یا در محل‌های توقفشان در زمان‌های خارج از خدمات یا در انتهای مسیرهای خدماتیشان در حالی که رانندگان تعویض می‌شوند، یا پیش از آغاز دور بعدیشان استراحت می‌کنند. باید نسبتا آسان باشد که شارژ سریع در آن نقطه‌ها فراهم شود. در خدمات معمول، باتری‌های اتوبوس لازم نیست که بیش از حوالی 25 مایل (حوالی 40 کیلومتر) را پشتیبانی کنند.

برای کامیون‌های برد بلند و اتوبوس‌های بین شهری، همه‌ی رویکردهای باتری فعلا غیرکاربردی هستند. هیدروژن فرصت‌های بالقوه‌ای آن‌جا دارد. رونمایی اخیر نمونه‌ی اولیه‌ی «نیکولا وان الکتریک سمی» (تصویر زیر) در حقیقت، باعث تحولی شده است.

این کامیون یک مدل پیل سوختی هیدروژنی است و مشخصاتش قابل تحسین هستند. 1000 اسب بخار (دو برابر یک کامیون دیزلی معادل)، گشتاور 2000 فوت پاوند، برد 1200 مایل (حوالی 1931 کیلومتر)، ... . اگر نیکولا موتورز بتواند به قولش عمل کند، برنده‌ای را خواهد داشت. تحویل‌های تولیدی برنامه‌ای برای شروع تا سال 2020 ندارند، اما کامیون‌داران پیشاپیش 1500 دلار برای رزرو پرداخت کرده‌اند.

هزینه‌ی بالای هیدروژن الکترولیزی هنوز هزینه‌ی سوخت به ازای هر کیلومتر را برای یک «نیکولا وان» نسبتا بالا می‌برد –با فرض این که نیکولا موتورز حتی بتواند طرح‌های جاه‌طلبانه‌ای که راجع به ساخت مزارع خورشیدی برای تامین سوخت هیدروژن بدون کربن برای کامیون‌هایش دارد، را عملی کند. شرایط مالی وسایل نقلیه احتمالا قوی‌تر می‌بود اگر آن‌ها به جای H2از سی ان جی استفاده می‌کردند. آن‌ها هنوز هیبرید بودند. «نیکولا وان» بناست که یک باتری 315 کیلووات‌ساعتی را حمل کند که به آن قدرتی می‌دهد که 65 مایل بر ساعت (105 کیلومتر بر ساعت) در یک شیب 6 درصد بزرگراه برود و انرژی پایین آمدن از شیب کوهستانی را بدون استفاده از ترمزها جذب کند –اما این گونه، عنوان و خاصیتش را به عنوان یک وسیله‌ی نقلیه پیل سوختی هیدروژنی از دست می‌دهد.

«نیکولا وان» می‌توانست بخشی از آن عنوان را حفظ کند اگر از پیل سوختی‌های اکسید جامد دما بالا (SOFCها) که مستقیما با متان کار می‌کنند، استفاده می‌نمود. این رویکردی است که اخیرا توسط یک اتحاد بین اَسند انرژی و اِیترکس انرژیبه نمایش گذاشته شده است. SOFC های دما بالا حداقل به بهره‌وری PEMFC ها هستند و اگر خروجی با دمای بالای آن‌ها برای قدرت دادن به توربین یک چرخه‌ی برایتون استفاده شود، آن‌ها بسیار بهره‌ورتر هستند. این ترکیب قطعا یک خودروی با آلایندگی کربن پایین می‌سازد. هر چند، برای این که بدون کربن باشد، متان سوزانده شده نیاز دارد که از یک منبع کربن-خنثی باشد.

موضوعات بیشتر

ما هنوز تاثیر احتمالی توسعه‌های خودروهای خودران را نپوشانده‌ایم. همچنین، ما از فناوری‌های مختلف برای تولید هیدروژن یا کاربرد هیدروژن برای ذخیره‌سازی هیدروژن و پشتیبانی انرژی‌های تجدیدپذیر که وقفه‌ی تولید دارند، نگفته‌ایم که موضوعات مهمی هستند. اما بحث راجع به آن‌ها را به بخش دوم واگذار می‌کنیم.

منبع

[i] https://energypost.eu/the-lowdown-on-hydrogen-part-1-transportation/