بررسی سوخت هیدروژنی و تاثیر آن بر کاهش آلودگی های زیست محیطی

ین مقاله در نخستین کنفرانس بین المللی علوم، مهندسی و فناوری های محیط زیست ثبت شده است.


بررسی سوخت هیدروژنی و تاثیر آن بر کاهش آلودگی های زیست محیطی

رضا فرضی ، عبدالعظیم اسماعیلی

کارشناسی مهندسی شیمی دانشگاه خلیج فارس بوشهر

چکیده

جامعه‌ی امروز با مشکل آلودگی که در اثر استفاده بیش از حد از سوخت‌های فسیلی به‌وجود آمده است دست و پنجه نرم می‌کند. این آلودگی ها در اکثر مواقع تاثیرات مخربی را بر جای خواهند گذاشت و از این رو یافتن روش‌هایی برای تولید جایگزین های مناسب سوخت‌های فسیلی ضروری به نظر می‌رسد. اخیرا هیدروژن به عنوان سوختی پاک و فاقد آلودگی و همچنین سوختی فراوان مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به صورت مروری به بررسی این سوخت، تاثیرات زیست محیطی و روش‌های تولید آن پرداخته شده است.

کلمات کلیدی: هیدروژن، پیل سوختی، سوخت

مقدمه

هیدروژن مطمئن ترین منبع انرژی و یک سوخت تجدید پذیر است و می‌توان آن را از منابع انرژی تجدید پذیر به‌دست آورد. هیدروژن فراوان‌ترین ماده در جهان است که بیش از ۹۰ درصد ترکیب جهان را می‌سازد.

هنگامی که از انرژی های تجدید پذیر برای تولید هیدروژن استفاده شود، تولید و استفاده از آن بخشی از یک فرایند پاک و چرخه‌ای است که هیچ آلودگی در گاز‌های حاصل از احتراق ندارد و یک سیستم انرژی با راندمان بالا و مقرون به صرفه است که به عنوان منبع اساسی انرژی پایدار در آینده شناخته می شود.

انواع سوخت های جایگزین

امروزه سیستم حمل و نقل موتوری، سیستمی خدماتی، زیر بنای اقتصادی هر کشور و نشانه‌ای از بالندگی و رشد یک جامعه است. اما متاسفانه این سیستم مشکلاتی اساسی را به همراه دارد که مهم‌ترین این مشکلات، بحث آلودگی محیط زیست و انتشار گاز‌های گلخانه‌ای در جو زمین است که موضوع بحث مهمی در مجمع‌های علمی شده است. با افزایش نگرانی‌ها درباره‌ی گازهای گلخانه‌ای که منجر به گرم شدن زمین می‌شود، باید توجه داشت که سوخت مورد استفاده، باید سوختی پاک باشد. از طرف دیگر سوخت‌های فسیلی مورد استفاده در موتور‌ها جز منابع تجدید ناپذیر به شمار می‌رود که با استفاده‌ی بی رویه از آن در سطح جهان، ذخایر آن در حال کاهش است و به این طریق آیندگان از این نعمت بی بهره خواهند ماند. لذا یافتن تکنولوژی‌هایی برای کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی از طریق اسفاده از سوخت‌های جایگزین ضروری به نظر می‌رسد.

از زمان معرفی اولیه‌ی خودروهای با سوخت جایگزین، فعالیت‌های اقتصاد گرایانه در زمینه‌ی این گونه خودرو‌ها در کشور‌های مختلف در سطوح متفاوتی انجام شده است. هر کشور دارای مجموعه‌ی متفاوتی از شرایط اقتصادی، بازار، منابع گاز و شرایط سیاسی، توام با توسعه‌ی فن آوری در هر برهه‌ی زمانی است که همگی سبب می‌شوند پیشرفت فعالیت‌های اقتصاد‌گرایانه خودرو‌های با سوخت جایگزین با نرخ‌های رشد متفاوتی انجام گیرد. (شاهی و عبدالمنافی ۱۳۸۶)

انواع مختلف سوخت‌های جایگزین برای استفاده در وسایل نقلیه وجود دارد که معروفترین آن‌ها عبارتند از: LPG گاز طبیعس، متانول، اتانول، بیودیزل، هیدروژن و دی متیل اتر.

گاز طبیعی

گاز طبیعی که بخش اعظم آن شامل متان می‌باشد، سوختی است که برای استفاده از آن به هیچ نوع فناوری خاصی نیاز نیست. این گاز در طی زمان‌های طولانی در زیر پوسته‌ی زمین به‌وجود آمده است و در حال حاضر تکنولوژی برداشت آن فراهم می‌باشد. این گاز دارای عدد اکتان بالا و نسبت تراکم بالا بوده و بازده‌ی گرمایی به میزان ۱۰ درصد بیشتر از بنزین را دارا می‌باشد. انتشار آلاینده‌های این سوخت نسبت به بنزین کمتر بوده و با محیط زیست سازگاری بالاتری دارد. (نظیری ۱۳۸۳)

اتانول

تا کنون بسیاری از کشور‌های پیشرفته و در حال رشد، پژوهش هایی را در مورد کاربرد اتانول به عنوان سوخت خودرو‌ها به انجام رسانده‌اند و نتایج به دست آمده در این زمینه نشان می‌دهد که اتانول با داشتن عدد اکتان بالا می‌تواند به عنوان جایگزین مناسبی برای تترااتیل سرب موجود در بنزین موتور خودرو‌ها مطرح گردد. (کرم و کلباسی ۱۳۸۹)

اتومبیل‌های اتانول‌سوز قدرت، شتاب، قابلیت حمل بار و قابلیت مانور بالایی داشته، باعث کاهش ضربه به موتور اتومبیل شده و کـارایی انـرژی را بالاتر می‌برند. اتانول خالص دارای عدد اکتان ۱۱۳ است که پس از اختلاط با بنزین می‌تواند عدد اکتان مورد نیاز بنـزین بـدون سرب را تأمین کند و اجازه فشردگی بیشتر موتورهای احتراق داخلی را می‌دهد. اتـانول همچنـین جـاذب رطوبـت بـوده و در زمستان‌ها مانع از خیلی سرد شدن بنزین و موجب بی‌نیازی از افزودنی‌های گران‌قیمت و گاهی مضر به سوخت می‌شـود. افـزون بر این‌ها، اتانول خاصیت پاک کنندگی داشته، باعث سهولت و نرمی کار موتور و تسهیل و تمیزی تزریق سوخت مـی‌شـود. اتـانول به‌عنوان سوخت، ماده‌ی سمی شناخته نمی‌شود و استنشاق آن خطری ایجاد نمی‌کند. قابلیت اشتعال آن نسـبت بـه بنـزین بسـیار پایین‌تر است و انباشت، نگه‌داری و حمل و نقل آن بسیار ایمن‌تر از بنزین است. (متصدی ۱۳۸۵)

اکثر خودرو‌های برزیل از ترکیبی از بنزین و اتانول با نام اختصاری E85 که ۸۵ درصد آن اتانول است، استفاده می کنند. برزیل طی یک دوره‌ی ۳۰ ساله میلیارد‌ها دلار صرف ایجاد زیرساخت‌های لازم برای عرضه و استفاده از E85 کرده است و بستر لازم برای خودروهای دارای این قابلیت را فراهم کرده است. (اوستا و گودرزی ۱۳۸۶)

زیست توده

استفاده از انرژی زیست توده شامل چوب، خار و خاشاک به ابتدایی‌ترین دوره‌های تاریخ باز می‌گردد. منابع زیست توده به خصوص چوب تا زمان کشف و بهره برداری از منابع فسیلی همواره نقش غالبی در تامین انرژی جامعه‌ی بشری عهده دار بوده است. از زمانی که آتش شناخته شد، انسان نخستین همواره برگ و چوب خشک درختان را به عنوان سوخت استفاده می‌کرده است و این چرخه تا قرن حاضر نیز ادامه پیدا کرده است. (قیصری ۱۳۸۹)

منابع زیر می توانند تامین کننده‌ی انرژی زیست توده باشند:

• زائدات و ضایعات کشاورزی و جنگلی
• فضولات دامی
• زباله های شهری
• فاضلاب‌‌های شهری
• فاضلاب‌ها و پسماند‌های صنعتی (خاک سفیدی و گنجعلی ۱۳۹۲)

ویژگی های سوخت هیدروژنی

هوا عنصری مهم در محیط اطراف ما و ضامن حیات موجودات روی کره‌ی زمین است. از این رو حفظ سلامت و پاکیزگی هوای اطراف ضروری است. فعالیت‌های اخیر بشری شامل استفاده از وسایل نقلیه‌ی موتوری و فعالیت‌های عظیم صنعتی، موجب ازدیاد انتشار گازهای گلخانه‌ای و عناصر آلوده کننده در محیط اطراف شده است به طوری که در کلان شهر‌ها مساله‌ی آلودگی هوا به موضوعی جدی و خطرناک تبدیل شده است.

می‌توان گفت اصلی‌ترین ویژگی هیدروژن برای استفاده از آن به عنوان سوخت در زمان حاضر، عدم آلاینده بودن آن و یا به عبارتی پاک بودن آن است. از جمله دیگر ویژگی‌هایی که هیدروژن را در گزینه‌های مناسب سوختی مطرح می‌کند می توان به فراوانی، مصرف تقریبا منحصر به فرد، برگشت پذیر بودن چرخه‌ی تولید آن و کاهش اثرات گلخانه‌ای اشاره کرد. سیستم انرژی هیدروژنی به دلیل استقلال از منابع اولیه‌ی انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر می‌باشد.

در جدول زیر مقایسه ای بین خواص سوخت‌های متداول متان و گازوئیل با سوخت هیدروژن ارائه شده است.

جدول ۱٫ مقایسه‌ی بین خواص سوخت‌های متداول متان و گازوئیل با سوخت هیدروژن (شیرودی و همکاران ۱۳۸۵)

خواص هیدروژن متان گازوئیل
دانسیته (Kg/m3) ۰٫۰۸۴ ۰٫۶۵ ۴٫۴
ضریب نفوذ در هوا(cm2/sec) ۰٫۶۱ ۰٫۱۶ ۰٫۰۵
گرمای ویژه در فشار ثابت(J/gK) ۱۴٫۸۹ ۲٫۲۲ ۱٫۲
احتراق در هوا (% حجمی) ۷۵-۴ ۱۵-۵٫۳ ۷٫۶-۱
مقدار انرژی حاصل از احتراق در هوا(MJ) ۰٫۰۲ ۰٫۲۹ ۰٫۲۴
درجه حرارت احتراق( C ) ۵۸۵۵ ۵۴۰ ۴۷۱-۲۲۸
درجه حرارت شعله در هوا( C ) ۲۰۴۵ ۱۸۷۵ ۲۱۹۷
انرژی(GTNT/KJ) ۰٫۱۷ ۰٫۱۹ ۰٫۲۵
قابلیت تشعشع شعله (%) ۲۵-۱۷ ۳۳-۲۵ ۴۳-۳۴
از عوامل اثرگذار در انتخاب سوخت مناسب یکی فراوانی و در دسترس بودن سوخت و دیگری هزینه‌ی پایین تولید و استفاده‌ی از سوخت و اقتصادی بودن آن است. در جدول زیر مقایسه ای بین هزینه‌های سوخت هیدروژنی با سایر سوخت‌ها ارائه شده است.

جدول ۲٫ مقایسه ی هزینه‌های سوخت هیدروژنی و سایر سوخت‌ها (سراجیان اردستانی و همکاران ۱۳۹۳)

سوخت حوزه‌ی استفاده بازده هزینه‌ی نهایی (A)
$/gjضرر چیش بینی شده (B)

$/gjهزینه‌ی واقعی

(C=A+B)

$/gjزغال قهوه ایشخصی۰٫۸۳٫۸۲۱۱٫۵۱۵٫۳۴ صنعت۰٫۸۲٫۲۱۱٫۵۱۳٫۷۰ الکتریسیته۰٫۳۸۲٫۱۳۱۱٫۵۱۳٫۶۳ حمل و نقل—-متانشخصی۰٫۸۸٫۴۵۴٫۷۱۱۳٫۱۶ صنعت۰٫۸۵٫۰۹۴٫۷۱۹٫۸ الکتریسیته۰٫۳۸۵٫۱۲۴٫۷۱۹٫۸۳ حمل و نقل—–بنزینشخصی۰٫۸۱۳٫۱۷۹٫۷۱۲۲٫۸۸ صنعت۰٫۸۷٫۸۳۹٫۷۱۱۷٫۵۴ الکتریسیته۰٫۳۸ ۹٫۷۱۱۵٫۳۵ حمل و نقل۰٫۲۵۵٫۶۴۲۰٫۰۵۲۵٫۶۹هیدروژنشخصی۰٫۸۹٫۷۰۱۵ صنعت۱۱۵۰۱۲ الکتریسیته۰٫۳۸۱۲۰۱۵ حمل و نقل-۱۵۸٫۱۴۲۳٫۱۴

۰

همان‌گونه که از اطلاعات جدول ارائه شده مشاهده می شود هزینه‌های مورد نیاز در تولید و استفاده از سوخت هیدروژنی نسبت به بنزین پایین تر می‌باشد که با توجه به آلودگی کمتر، استفاده از این سود مفید‌تر و مقرون به صرفه‌تر خواهد بود.

تولید هیدروژن


هیدروژن را می توان با استفاده از منابع انرژی گوناگونی چون سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ و گاز طبیعی، به دام انداختن و جدا کردن کربن، مواد تجدید پذیر از قبیل بیوماس و فناوری‌های انرژی تجدید پذیر شامل خورشیدی، باد، زمین گرمایی و توان آبی و توان هسته‌ای تولید کرد. هیدروژن در دمای ۲۵۲٫۷۷- درجه‌ی سانتیگراد تقطیر و به مایع تبدیل می‌گردد. هیدروژن مایع در مقایسه با همه‌ی سوخت‌ها ارزش حرارتی بالاتری دارد و انرژی بیشتری حمل می‌کند. انرژی موجود در یک کیلوگرم هیدروژن با انرژی ۲٫۱ کیلوگرم گاز طبیعی یا ۲٫۸ کیلوگرم نفت برابر است. هیدروژن سوختی با بیشترین انرژی است که از سوختن آن آب خالص و قابل آشامیدن به دست می‌آید.

به طور کلی روش‌های تولید هیدروژن زیر مجموعه‌ی دو دسته کلی الکترولیز آب و پالایش سوخت‌های فسیلی و بیوژنیک می‌باشد که بسیاری از این زیر مجموعه‌ها در جدول زیر آمده است:

جدول ۳٫ روش‌های تولید هیدروژن (امیرشکاری ۱۳۸۹)

تولید هیدروژن از الکترولیز آب با استفاده از انرژی خورشیدی الکترولیز آب
تولید هیدروژن از الکترولیز آب با استفاده از راکتورهای دما بالا
تولید هیدروژن از الکترولیز آب با استفاده از انرژی باد
تولید هیدروژن از الکترولیز آب با استفاده از انرژی امواج
تولید هیدروژن از الکترولیز آب با استفاده از انرژی جذر و مد
تولید هیدروژن از الکترولیز آب با استفاده از انرژی هیدروالکتریک
تولید هیدروژن از اکسایش فتولیتیک محلول آبی Na2CO3 پالایش سوخت‌های بیوژنیک و سوخت‌های فسیلی
تولید هیدروژن از جلبک‌های سبز
تولید هیدروژن از تجزیه‌ی متان با استفاده از اشعه‌ی UV
تولید هیدروژن از پالایش سوخت‌های فسیلی
بیشتر هیدروژن جهان در حال حاضر از گاز طبیعی به دست می‌آید (امیرشکاری ۱۳۸۹) به طوری که بیش از ۹۰ درصد از کل هیدروژن تولیدی در جهان از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آید.(شیرودی و همکاران ۱۳۸۵).

با توجه به حجم منابع گاز طبیعی جهان و وجود زیرساخت‌های توزیع گاز طبیعی در اکثر کشورها و راندمان بالای تبدیل سوخت فسیلی به هیدروژن (در حدود ۷۰ درصد) با سرمایه گذاری مناسب می‌توان زیرساخت تولید گاز هیدروژن غیر متمرکز را برای خودروهای آینده تدارک دید.

در زیر برخی از مشکلات و موانع موجود در زمینه‌ی تولید هیدروژن آورده شده است:

• در حال حاضر، در عمل و در مقیاس صنعتی هزینه‌ی تولید هیدروژن نسبت به سایر سوخت‌ها بیشتر است.
• تقاضای پایین برای هیدروژن از افزایش ظرفیت تولید جلوگیری می‌کند.
• روش‌های پیشرفته‌ی تولید هیدروژن مانند روش‌های فتوبیولوژیکی و ترموشیمی دمای بالا، نیاز به تحقیق و توسعه‌ی بیشتری دارند.
• نمایش عملی فناوری‌های تولید هیدروژن امری ضروری است.
• امروزه سرمایه گذاری اولیه مبدل سوخت در تولید پراکنده در مقیاس کوچک بسیار گران است.
• هزینه‌های راه اندازی، تعمیر و نگه داری تولید پراکنده‌ی هیدروژن از گاز طبیعی و سوخت‌های مایع دیگر بالاست.
• از رفورمرهایی که در تولید پراکنده‌ی هیدروژن استفاده می‌شود، مقادیر قابل توجهی گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌شود.

در شکل زیر مسیر‌های گوناگون جهت تولید هیدروژن به نمایش در آمده است:



شکل ۱٫ مسیرهای گوناگون جهت تولید هیدروژن

در ادامه به بررسی جزئی روش‌های تولید هیدروژن می‌پردازیم.

۱) تصفیه‌ی مخلوط‌های گازی خاص: مانند محصولات جانبی تولید کک، تولید الفین‌ها توسط کراکینگ با بخار آب و مهم‌تر از همه تولید بنزین توسط ریفرمینگ کاتالیستی. هیدروژن خامی که توسط این روش‌ها تولید می‌شود اغلب حاوی سایر ترکیبات شیمیایی به‌ویژه هیدروکربن‌های سبک (متان و اتان) است. از آن جا که بیشتر کاربرد‌های صنعتی هیدروژن نیاز به خلوص ۸۰ تا ۹۵ درصد حجمی دارند از این‌رو بهترین روش برای تولید آن تصفیه جریان خروجی از ریفورمینگ کاتالیستی است که خلوص خوبی دارد در حالی که هیدروژن حاصل از کراکینگ با بخار آب که فقط قسمتی از آن با خلوص کافی بازیابی می‌شود معمولا برای فرایند محصولاتی که در همان مجتمع تولید شده اند به کار می‌رود. بازیابی هیدروژن به میزان زیاد و با خلوص کم نیاز به تاسیسات خالص سازی دارد و تنها هنگامی مزلوب است که بتوان جریان‌های خروجی از فرایندهای موجود در همان مجتمع را ترکیب کرد.

۲) تجزیه‌ی هیدروکربن ها و سایر مواد خام آلی که به سه طریق انجام می‌شود:

• تجزیه به کربن و هیدروژن
• اکسیداسیون جزیی
• ریفورمینگ با بخار آب

۳) تجزیه‌ی آب که به روش‌های زیر انجام می‌شود:

• الکترولیز: موقعی سودمند است که الکتریسیته ارزان در دست باشد.
• چرخه‌های ترموشیمیایی
• استفاده از اکسید آهن در حضور منوکسید کربن که یک روش قدیمی برای تولید هیدروژن است.

۴) تولید هیدروژن از زیست توده:

کلیه‌ی محصولات انرژی زا، زائدات کشاورزی و جنگلی، فاضلاب‌ها و زباله‌های شهری و صنعتی در دسته‌ی زیست توده طبقه بندی می‌شوند. این نوع انرژی تجدید پذیر و در دسترس است و کربن دی اکسید تولید شده در حین استفاده از این نوع انرژی در فرایند فتوسنتز توسط گیاهان جذب می‌شود و در نتیجه این نوع انرژی در سیکل کامل خود فاقد تولید کربن دی اکسید است. فرایند‌های پیرولیز و گازی سازی دو فرایند شیمیایی هستند که می‌توان از آن‌ها برای مهار زیست توده به صورت هیدروژن استفاده کرد. پیرولیز شامل گرما دادن به زیست توده در دمای ۶۰۰ تا ۸۰۰ کلوین و در فشار ۰٫۱ تا ۰٫۵ مگاپاسکال بدون حضور هوا است و گازی سازی شامل گرما دادن به زیست توده در دمای ۱۰۰۰ تا ۱۲۵۰ کلوین همراه با مقدار اندکی اکسیژن می‌باشد. گاز‌های توید شده در این دو فرایند عبارتند از: H2, CH4, Co, CO2 که می توان با واکنش اصلاح متان با بخار و واکنش جابجایی CO با آب، میزان هیدروژن را افزایش داد. (حسن زاده و همکاران ۱۳۸۸)

در مقایسه با سوخت‌های هیدروکربنی «کثیف» (از قبیل متان و زغال‌سنگ)، تبدیل زباله به انرژی هیدروژن زیستی جهت مصرف در پیل‌های ‌سوختی، پاک‌ترین گزینه موجود تولید توان الکتریکی می‌باشد. در بسیاری از موارد، تاسیسات نصب شده «تبدیل زباله به انرژی» پیل‌سوختی می‌تواند به‌صورت هم‌زمان به تولید گرما و توان در محل پرداخته و درعین حال می‌توان الکتریسیته، هیدروژن و دی‌اکسیدکربن اضافی را نیز به شبکه و یا مشتریان دیگری فروخت. فناوری پیل‌سوختی و منابع بیوگازی، منافع دیگری را نیز در زمینه انرژی به‌همراه دارند و می‌توانند به‌عنوان روشی جایگزین، به‌جای «سوزاندن و دفن» زباله‌ها در مدیریت زباله‌ها مورد استفاده قرار گیرند. اما تولید هیدروژن تجدیدپذیر از زیست‌توده‌ها و گازهای حاصل از زباله کاری آسان نیست. هزینه سرمایه اولیه این فرآیند بالا بوده و این امر ریسک سرمایه‌گذاری برای مشتریان را افزایش می‌دهد. (خطی ۱۳۹۳)

۵) در مقاله‌های مختلفی از جمله (تقی خانی و همکاران ۱۳۸۸) و (قیصری و خضری قلعه ۱۳۸۸) روش‌های نوینی برای تولید هیدروژن مانند “تولید گاز هیدروژن پر فشار با استفاده از آب دریا” و “تولید هیدروژن با استفاده از هیدریدهای فلزی برای استفاده در پیل‌های سوختی” ارائه شده است.


ذخیره سازی هیدروژن

امروزه تحقیقات زیادی در زمینه‌ی ساخت تجهیزات ذخیره سازی و انتقال هیدروژن صورت گرفته است. هیدروژن دارای ویژگی‌هایی از جمله نفوذ سریع، بی رنگ بودن شعله، گرم شدن در اثر انبساط، خود اشتعالی در فضای آزاد پس از نشر و اثر تردی هیدروژن روی فولاد است که به سبب همین ویژگی‌ها ذخیره سازی و حمل و نقل هیدروژن با مشکلاتی مواجه شده است. چگالی بسیار کم هیدروژن یکی از مشکلات اصلی ذخیره سازی آن به شمار می‌رود.

برای ذخیره سازی هیدروژن از دو روش ذخیره سازی به صورت مایع و ذخیره سازی به صورت جامد استفاده می‌شود. در ذخیره سازی به صورت مایع، هزینه‌های زیادی صرف فشرده سازی و مایع سازی هیدروژن می‌شود. حدود ۱۵ درصد از هزینه‌ها صرف فشرده سازی هیدروژن و حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد هزینه‌ها برای مایع سازی هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در روش ذخیره سازی جامد، هیدروژن در اثر ترکیب با فلزات و آلیاژهای فلزی به صورت هیدرید ذخیره می‌شود. مخازن مورد استفاده در این روش در مقیاس کوچک هستند.(رمضانی و امین صالحی ۱۳۷۶)

عملکرد هیدرات‌ها را می‌توان با واکنش کلی زیر نشان داد: (حسن زاده و همکاران ۱۳۸۸)

که واکنش رفت وضعیت دشارژ و واکنش برگشت وضعیت شارژ را نشان می‌دهد.

در صورتی که بخواهیم هیدروژن را به صورت گاز ذخیره کنیم، جهت فشرده سازی ۱۰ کیلوگرم هیدروژن که برای مسافتی در حدود ۷۰۰ کیلومتر کافی است، با فشار ۳۵۰ بار به مخزنی حدود ۵۰۰ لیتر و با فشار ۷۰۰ بار به مخزنی با حجم ۳۳۰ لیتر نیاز است که این حجم فضای زیادی را در خودرو اشغال می‌کند.(حسن زاده و همکاران ۱۳۸۸)

از جمله مخازنی که برای ذخیره سازی هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرند مخازن کامپوزینی هستند که وزن کمی را دارا می‌باشند اما به نسبت دارای هزینه‌ی بسیار بالایی هستند.

در زیر مواردی از موانع موجود در زمینه‌ی توزیع و ذخیره سازی هیدروژن ارائه شده است:

• ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن باید افزایش یابد.
• هزینه‌ی فشرده سازی و مایع سازی هیدروژن بالاست.
• حجم و وزن سیستم‌های ذخیره ساز ی هیدروژن بالاست.
• استاندارد‌های ذخیره سازی هیدروژن هنوز له طور کامل تدوین نشده است.
• ذخیره سازی به صورت مایع موجب از دست رفتن ۳۰ تا ۴۰ درصد از انرژی هیدروژن می‌شود.

پیل های سوختی هیدروژنی

پیل سوختی به عنوان تازه‌ترین فن‌آوری تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی در جهان است. پیل‌های سوختی به خاطر خصوصیات بازدهی بالا و آلودگی بسیار پایین به عنوان یک فناوری جالب در بسیاری از کشورهای جهان مورد توجه قرار گرفته است.(امیری نژاد ۱۳۸۲)

نخستین پیل سوختی در سال ۱۳۸۹ توسط Sir William ساخته شده است. کار آن این است که شکافت آب را با الکترولیز به هیدروژن و اکسیژن انجام می‌دهد. وی ساخته‌ی خود را یک بطری گاز ولتایی نامید. پنجاه سال بعد در سال ۱۸۸۹ C.Langer و L.Mond توانستند پیل سوختی را بسازند که سوخت آن هوا و زغال سنگ بود.(طباطبایی ۱۳۸۵)

هیدروژن سوخت اصلی پیل‌های سوختی است که می‌تواند از راه‌های مختلف تولید شود. تولید هیدروژن از گاز طبیعی مهم‌ترین و اقتصادی‌ترین روش است.(زمانیان و همکاران ۱۳۸۷)

ﺗﻮﺳﻌﻪ‌ی ﭘﯿﻞ ﺳﻮﺧﺘﯽ ﺑﺎ ﻫﯿﺪروژن ﺧﻮرﺷﯿﺪی ﺑﺎﯾﺪ از ﺟﻨﺒﻪ‌ی اﻗﺘﺼﺎدی ﺑﻬﺒﻮد ﯾﺎﺑﺪ و ﻫﺰﯾﻨﻪ‌ی اﺟﺰا‌ی آن ﮐﺎﻫﺶ ﯾﺎﺑﺪ. دوام و ﮐﺎرﮐﺮد آن ﻫﻢ ﺑﺎﯾﺪ ﻗﺎﺑﻞ ﻗﺒﻮل ﺑﺎﺷﺪ. اﮔﺮﭼﻪ ﻧﺨﺴﺘﯿﻦ ﻣﻨﺒﻊ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻫﯿﺪروژن ﮔﺎز ﻃﺒﯿﻌﯽ اﺳﺖ وﻟﯽ ﻫﺰﯾﻨﻪ ﺗﻮﻟﯿﺪ و ﺗﺤﻮﯾﻞ ﻫﯿﺪروژن از ﯾﮏ ﭘﺎﻻﯾﺸﮕﺎه ﮐﻮﭼﮏ ﮔﺎز ﻃﺒﯿﻌﯽ ﺑﺮای ﯾﮏ ﺧﻮدرو ﭘﯿﻞ ﺳﻮﺧﺘﯽ ﺑﺎ فناوری‌های اﻣﺮوز ﺑﺮای ﻫﺮ ﻣﯿﻠﯿﻮن BTU بین ۴۰ ﺗﺎ ۵۰ دﻻر اﺳﺖ. ﺑﺮ اﯾﻦ اﺳﺎس ﻫﺰﯾﻨﻪ‌ی ﻫﯿﺪروژن ﭼﻬﺎر ﺑﺮاﺑﺮ ﺑﻨﺰﯾﻦ در ﭘﻤﭗ اﺳﺖ. (امیر شکاری ۱۳۸۹)

با وجود بازدهی خوب پیل سوختی هیدروژنی، اما به دلیل هزینه‌ی بالا امروزه استفاده از سوخت‌هایی دیگر از جمله دی متیل اتر در پیل‌های سوختی رواج یافته است.

نتیجه‌گیری

با توجه به ایجاد آلودگی‌های زیست محیطی در اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی و همچنین تجدید ناپذیر بودن منابع این سوخت‌ها و رو به اتمام بودن آن‌ها، استفاده از سوخت‌های جایگزین و سوخت‌های پاک ضروری می‌باشد. امروزه هیدروژن به عنوان سوختی جایگزین و پاک شناخته شده که می‌توان با گسترش استفاده از آن، بخش عظیمی از آلودگی محیط زیست را کنترل کرد اما در حال حاضر مشکلاتی در زمینه‌های حمل و نقل، ذخیره سازی و استفاده از آن در موتورهای خودروها وجود دارد که امید می‌رود با تلاش‌ها و حمایت‌های انجام شده در آینده این مشکلات حل شده و شاهد استفاده از این عنصر با ارزش در موتور خودروها باشیم.

مراجع

امیرشکاری، م.، (۱۳۸۹). پیل سوختی هیدروژنی سیستم رانش برتر خودروها در آینده. همایش ملی آشنایی با فناوری‌های روز در زمینه‌ی مهندسی مکانیک، (۱)

امیری نژاد، م.، (۱۳۸۲). روند توسعه‌ی فناوری پیل سوختی در سطح جهان و جایگاه آن در کشور. سمینار کارشناسی ازشد دانشگاه علم و صنعت ایران.

تقی خانی، و.، رهنما، شادی.، افشم، ن.، اصغری، ن. و توانا، آ.، (۱۳۸۸). تولید هیدروژن با استفاده از هیدرات‌های فلزی برای استفاده در پیل‌های سوختی. نشریه‌ی هیدروژن و پیل سوختی، (۳)

حسن زاده، ح.، فردوسی آرا، ا. و فرزاد، م، (۱۳۸۸). اقتصاد هیدروژنی رویداد گریز ناپذیر آینده.کنفرانس انرژی های تجدید پذیر و تولید پراکنده‌ی ایران، (۱)

خاک سفیدی، ع. و گنج علی، علیرضا. (۱۳۹۲). ارزیابی اقتصادی انرژی تجدید پذیر زیست توده. اولین همایش ملی انرژی‌های نو

خطی، س.، (۱۳۹۲). تبدیل زباله به هیدروژن. نشریه‌ی هیدروژن و پیل سوختی، (۳)

زمانیان، ا.، ابراهیمی، ه. و خودآفرین، ر. (۱۳۸۷). طراحی، نصب و ساخت پایلوت تولید هیدروژن برای مصارف پیل سوختی.کنفرانس ملی هیدروژن و پیل سوختی (۱)

سراجیان اردستانی، م.، درویش، ن.، سراجیان اردستانی، فاطمه. و علم اف، سراج الدین (۱۳۹۳). انتخاب هیدروژن، سوخت آینده ساز با محیط زیست فرصتی ممکن برای آموزش شیمی سبز. کنفرانس ملی محیط زیست و انرژی ایران، (۱)

شاهی، ج. و عبدالمنافی، ا (۱۳۸۶).استراتژی به کار گیری سوخت‌های جایگزین در خودرو‌ها. کنگره‌ی ملی مهندسی عمران، (۳)

شیرودی، ا.، شیوا، م. و باقریان، ع. (۱۳۸۵). آینده‌ی هیدروژن، حرکت به سوی یک سیستم انرژی پایدار. کنفرانس بین المللی مدیریت و برنامه ریزی انرژی، (۱)

طباطبایی، ک.، (۱۳۸۵). فناوری پیل‌های سوختی و کاربرد آن در خودرو. همایش آینده پژوهی، فناوری و چشم انداز توسعه.

قیصری، م.، (۱۳۸۹).بیوگاز . فصل‌نامه‌ی داخلی تخصصی گاوشیری.

قیصری، م. و خضری قلعه، محمد حسین.، (۱۳۷۶). تولید گاز هیدروژن با استفاده از آب دریا. نشریه‌ی هیدروژن و پیل سوختی، (۳)

کرم، ع. و کلباسی، م.، (۱۳۸۹). اتانول،سوخت پاک. همایش ملی دانشجویی مدیریت و فناوریهای نوین در علوم بهداشتی سلامت و محیط زیست، (۱)

گودرزی، اوستا.، (۱۳۸۶). بررسی روند جهانی به کار گیری فن‌آوری جایگزین. مجموعه مقالات همایش مصرف سوخت خودرو.

متصدی، س.، (۱۳۸۵). بررسی اثرات زیست محیطی سوخت‌های مصرفی کشور. مجموعه مقالات همایش مصرف سوخت خودرو.

نظیری، ج.، (۱۳۸۳). چشم انداز انواع سوخت خودروها، جستجوی جایگزین‌ها. انتشارات به قلم.


منبع:انجمن مهندسی شیمی