موتور هیدروژنی و آینده تولید انرژی: کاربرد، مزایا و چالش ها

با کاهش ذخایر سوخت‌های فسیلی و افزایش آلودگی هوا، نگرانی‌ها درباره تأثیرات بلندمدت آن بر اقلیم زمین روزبه‌روز بیشتر می‌شود. همین موضوع باعث شده دانشمندان و فعالان حوزه صنعت به دنبال یافتن سوختی پاک، کارآمد و پایدار باشند. در کنار تحقیقات بر روی انواع سوخت‌های پاک، شرکت‌های بزرگ خودروسازی مثل تویوتا نیز موتورهایی متناسب با این سوخت‌ها به بازار معرفی کرده‌اند.

یکی از مهم‌ترین گزینه‌ها در این زمینه سوخت هیدروژن است؛ سوختی که می‌تواند انقلابی در صنعت ایجاد کند. موتورهای هیدروژنی حاصل همین تحول هستند. در این مطلب ابتدا به معرفی سوخت هیدروژن می‌پردازیم و سپس کاربردها، مزایا و چالش‌های موتور هیدروژنی در صنعت و به خصوص در صنعت موتور ژنراتور را بررسی می‌کنیم.

سوخت هیدروژن

هیدروژن، فراوان‌ترین و سبک‌ترین عنصر جهان است و سهم بزرگی در ترکیبات کیهانی و زمینی دارد. این عنصر به‌صورت خالص در طبیعت وجود ندارد و معمولاً همراه با عناصر دیگر در ترکیباتی مانند آب و هیدروکربن‌ها یافت می‌شود. برای دستیابی به سوخت هیدروژن، آن را از منابع گوناگون استخراج می‌کنند؛ روش‌هایی مانند الکترولیز آب و اصلاح بخار گاز طبیعی از مهم‌ترین شیوه‌ها هستند.

مهم‌ترین مزیت هیدروژن آن است که در زمان مصرف یا احتراق، آلایندگی زیست‌محیطی ایجاد نمی‌کند و تنها محصول جانبی آن آب و بخار آب است. همین ویژگی‌ها سبب شده هیدروژن به‌عنوان یکی از پاک‌ترین و پایدارترین گزینه‌های سوختی، جایگزینی جدی برای سوخت‌های فسیلی در حوزه‌هایی چون حمل‌ونقل و تولید انرژی معرفی شود.

در ادامه براساس میزان آلایندگی تولید شده در فرایندهای تولید این سوخت، مهم‌ترین دسته‌بندی سوخت هیدروژن را بررسی می‌کنیم:

• هیدروژن خاکستری

در این شیوه رایج، هیدروژن از از اصلاح بخار متان به دست می‌آید که در نتیجه مقداری کربن دی اکسید وارد جو می‌شود. غیر از این هیدروژن قهوه‌‌ای و سیاه هم داریم که از زغال تولید می‌شوند و مقادیر زیادی کربن دی اکسید و کربن مونو اکسید وارد جو می‌کنند.

• هیدروژن آبی

در این شیوه، برخلاف حالت قبلی، گاز دی‌اکسیدکربن پس از تولید جمع‌آوری شده و به لایه‌های زیرزمینی انتقال داده می‌شود. با این حال همچنان ۱۰ تا ۲۰ درصد کربن دی اکسید تولید شده وارد جو می‌شود.

• هیدروژن سبز

پاک‌ترین شیوه استخراج و تولید سوخت هیدروژن است که در آن با الکترولیزه آب و یا با استفاده از دیگر منابع تجدیدپذیر یا شیوههای زیستی سوخت هیدروژن تولید می‌شود. شرکت‌های زیادی در تلاشند با استفاده از این روش، سوخت هیدروژن تولید کنند تا میزان تولید گازهای آلاینده به حداقل ممکن برسانند.

جدا از نحوه تولید سوخت هیدروژن، ما دو شیوه اصلی مصرف سوخت داریم:

• سلول سوختی

این شیوه با واکنش هیدروژن و اکسیژن، کمترین آلایندگی و تنها آب و بخار آب تولید می‌کند. تولیدکنندگان پیشرو موتورهای هیدروژنی مانند تویوتا این شیوه را برای مصرف سوخت موتور در نظر دارند. این شیوه در وسایل نقلیه و نیروگاه‌ها محبوب است به صورتی که در وسایل نقلیه سوخت‌گیری سریع بین ۳ تا ۵ دقیقه و برای ۵۰۰ تا ۷۰۰ کیلومتر دارد.

• مستقیم

در این شیوه، هیدروژن به صورت فشرده و مایع یا گاز در موتور مصرف می‌شود. محصول این روش هم بخار آب است اما در دماهای بالا ممکن است اکسیدهای نیتروژن هم تولید شوند.

کاربرد سوخت هیدروژن در انواع موتور هیدروژنی

شاید مهم‌ترین کاربرد سوخت هیدروژن در موتورهای هیدروژنی باشد. در گذشته به دلیل هزینه بالا و فرایندهای پیچیده بین موتور وسایل نقلیه رایج نبود. اما در چند دهه اخیر، شرکت‌های شناخته شده هم دست به طراحی و ساخت ماشین‌هایی با موتورهای هیدروژنی پرداختند.

موتورهای هیدروژنی علاوه بر سرعت بالای سوخت‌گیری، آلایندگی نداشته و امکان پیمودن مسافت‌های طولانی، تنها با یک بار سوخت‌گیری را فراهم می‌کنند. به همین دلیل در کشورهای مختلفی مانند ژاپن و آمریکا، در وسایل حمل و نقل عمومی مانند قطار و اتوبوس و همچنین خودروهای شخصی مانند هوندا از موتورهای هیدروژنی استفاده می‌شود.

به طور کلی دو نوع موتور هیدروژنی داریم که هر یک وابسته به نیاز خاص شما و تکنولوژی در دسترستان می‌تواند استفاده شود:

• موتور هیدروژنی احتراقی

همان‌طور که بالاتر گفتیم در این موتورها به روش رایج، هیدروژن میسوزد و به عنوان محصول به جای کربن دی اکسید، بخار اب حاصل می‌شود. نسبت به سلول سوختی، کارآیی این روش کمتر است اما به عنوان نقطه قوت، روشی نسبتا ارزان و ساده است.

• موتورهای سلول سوختی هیدروژنی

در این روش هیدروژن در یک سلول سوختی با اکسیژن ترکیب شده و برق تولید می‌کند. انرژی الکتریکی تولید شده باعث راه افتادن موتور الکتریکی می‌شود و بدون آلودگی، صدا و دود دستگاه کار می‌کند. این روش پیچیدگی بیشتری دارد ولی به دلیل تا ۶۰ درصد کارایی بالاتر، روش پیشنهادی دانشمندان و اهالی صنعت است.

موتور هیدروژنی

هیدروژن از قرن نوزدهم وارد دنیای انرژی شد و ابتدا در بالن‌ها، کشتی‌های هوایی و آزمایش‌های علمی استفاده گردید. بعدها به عنوان سوخت موشک‌ها به کار رفت و توان بالای خود در تولید انرژی را ثابت کرد. همین قابلیت باعث شد توجه صنعت به استفاده گسترده‌ از آن جلب شود.

امروزه هیدروژن به عنوان سوختی پاک در حمل‌ونقل و صنایع سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرد. قطارهای هیدروژنی در چند کشور راه‌اندازی شده‌اند و شرکت‌هایی مانند تویوتا خودروهای مجهز به این فناوری را عرضه کرده‌اند. همچنین در ژاپن و آمریکا شبکه‌ای از ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن ایجاد شده است که گسترش زیرساخت را نشان می‌دهد.

در آینده هیدروژن جایگاه پررنگ‌تری در سبد انرژی جهانی خواهد داشت. شرکت ایرباس در حال توسعه هواپیماهای هیدروژنی است و این فناوری حتی وارد صنعت هوایی خواهد شد. علاوه بر آن، یکی از مهم‌ترین کاربردهای پیش‌رو استفاده از موتور ژنراتورهای هیدروژنی به جای دیزل ژنراتورهاست که امکان تولید برق پاک و پایدار در مقیاس کوچک تا بزرگ را فراهم می‌کند.

موتور هیدروژنی و تولید برق

آیا موتور هیدروژنی می‌تواند جای موتورهای دیزلی را در ژنراتورهای برق بگیرد؟ پاسخ به این پرسش ساده نیست، زیرا این فناوری در کنار مزایا، محدودیت‌هایی نیز دارد. از یک سو، انتشار آلایندگی نزدیک به صفر و پتانسیل بالا برای تولید برق پاک، موتور هیدروژنی را جذاب می‌سازد؛ اما از سوی دیگر، دیزل ژنراتورها همچنان به دلیل قدرت، دوام و دسترس‌پذیری سوخت جایگاه تثبیت‌شده‌ای در صنعت دارند. بنابراین نمی‌توان انتظار داشت که این جایگزینی به‌طور کامل و فوری اتفاق بیفتد.

با این حال شرکت‌های بزرگی مانند ولوو پنتا و کامینز به‌طور جدی بر روی توسعه موتورهای هیدروژنی برای کاربردهای نیروگاهی کار می‌کنند. تبدیل یک موتور هیدروژنی به موتورژنراتور مستلزم توجه به عوامل متعددی است:

طراحی مخزن‌های ایمن برای ذخیره هیدروژن، ایجاد زیرساخت مطمئن برای تأمین و توزیع سوخت، هماهنگی موتور با سیستم ژنراتور و مدیریت هزینه‌های چرخه عمر نسبت به سوخت‌های فسیلی. این موارد تعیین می‌کنند که موتورهای هیدروژنی تا چه اندازه می‌توانند در آینده جایگزین دیزل ژنراتورها شوند.

مزایا و چالش های موتور هیدروژنی

مانند هر تکنولوژی جدید، قطعا با مزایا و چالش‌هایی در مواجه با آن روبرو می‌شویم. در ادامه به مهم ترین این موارد اشاره می‌کنیم:

مزایا

• آلایندگی صفر و بسیار کم

شاید برجسته‌ترین مزیت این موتورها، آلایندگی بسیار پایین و تقریباً صفر آن‌ها باشد. برخلاف موتورهای دیزلی و گازسوز که حجم زیادی از گازهای مضر تولید می‌کنند، در موتور هیدروژنی تنها بخار آب حاصل می‌شود؛ موضوعی که آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای ساختن آینده‌ای پاک بدل کرده است.

• سوخت گیری سریع و بهره وری بالا

در مقایسه با موتورهای بنزینی و دیزلی، این موتورها علاوه بر امکان سوخت‌گیری سریع، تا حدود ۶۰ درصد بهره‌وری دارند. به عنوان نمونه، خودروهای مجهز به موتور هیدروژنی با باکی نسبتاً کوچک حدود ۵٫۶ کیلوگرم هیدروژن می‌توانند مسافتی مشابه خودروهای بنزینی با باکی پر از ۳۵ تا ۴۰ کیلوگرم سوخت را طی کنند.

• کارکرد روان و بی صدا

به خصوص در سلول‌های سوختی، کارکرد موتور بسیار بی صدا است و مانند خودروهای برقی حرکت نرم و روان دارد.

چالش ها

• هزینه زیاد و دسترسی محدود به سوخت

با وجود رشد استفاده از موتورهای هیدروژنی، هنوز ایستگاه‌های سوخت‌گیری در همه‌جا ساخته نشده‌اند. علاوه بر پیچیدگی نحوه تولید سوخت هیدروژن، محدودیت در دسترسی یکی از دلایل هزینه بالای این سوخت است.

• شرایط پرریسک ایمنی

به دلیل فشار بسیار بالای ذخیره‌سازی هیدروژن (گاهی تا ۷۰۰ بار) و اشتعال‌پذیری سریع آن، موتورهای هیدروژنی در مقایسه با موتورهای بنزینی و گازوئیلی به سیستم‌های ایمنی پیچیده‌ و دقیق‌تری نیاز دارند.

آخرین پیشرفت های فناوری موتور های هیدروژنی

در دهه اخیر، صنعت موتورهای هیدروژنی چند جهش مهم داشته است. تویوتا میرای نسل دوم در ۲۰۱۴ معرفی شد و طی این سال‌ها بهبودهای بیشتری در زیرساخت و راندمان پیدا کرد و به‌عنوان یکی از شاخص‌ترین خودروهای سلول سوختی در جهان شناخته شد.

از سوی دیگر، شرکت‌هایی مثل هیوندای با توسعه نسخه‌های جدید NEXO و کامیون‌های هیدروژنی به‌دنبال تجاری‌سازی گسترده‌تر رفتند. در همین بازه، ولوو پنتا در همکاری با CMB.TECH روی موتور دوگانه‌سوز هیدروژنی دیزل کار کرد که توانست در آزمون‌ها تا ۸۰٪ انتشار CO₂ را کاهش دهد و برای کاربردهای صنعتی و دریایی معرفی شود.

همچنین شرکت‌های بزرگ دیگری مثل کامینز و هیوندای روی موتورهای احتراقی هیدروژنی تمرکز کرده و پروژه‌های آزمایشی در بخش حمل‌ونقل سنگین اجرا کردند. این مجموعه اقدامات نشان می‌دهد که در دهه اخیر، موتورهای هیدروژنی از مرحله‌ی تحقیق به سمت استفاده‌های تجاری و صنعتی حرکت کرده‌اند.

جمع بندی

موتورهای هیدروژنی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین گزینه‌های انرژی پاک، می‌توانند تحولی بزرگ در حمل‌ونقل و تولید برق ایجاد کنند. این موتورها با آلایندگی نزدیک به صفر، بهره‌وری بالا و کارکرد بی‌صدا، جایگزینی جدی برای سوخت‌های فسیلی محسوب می‌شوند؛ هرچند هزینه بالا، محدودیت زیرساخت و چالش‌های ایمنی، مسیر تجاری‌سازی آن‌ها را کند کرده است. با پیشرفت فناوری و سرمایه‌گذاری شرکت‌های بزرگ، آینده موتورهای هیدروژنی روشن‌تر از همیشه به نظر می‌رسد.

با این حال، تا فراگیر شدن موتورهای هیدروژنی، دیزل ژنراتورها به دلیل دوام بالا، قابلیت اطمینان و دسترسی آسان به سوخت همچنان گزینه‌ای مطمئن برای تأمین برق هستند. شما می‌توانید برای انتخاب و خرید مطمئن انواع دیزل ژنراتور با تأمین‌کنندگان معتبر مانند گروه دانش و صنعت باو در ارتباط باشید و از خدمات مشاوره تخصصی و پشتیبانی پس از فروش بهره‌مند شوید.