سوخت هیدروژنی

چشم اندازی دلفریب و جذاب است: در کشورهایی که از آفتاب زیادی بهره‌مندند مجتمع‌های بزرگ سلول‌های خورشیدی انرژی الکتریکی تولید می‌کنند و از این انرژی برای به دست آوردن هیدروژن از آب – ماده‌ی خامی که به مقدار تقریباً نامحدودی در دسترس است – استفاده می‌شود. این هیدروژن از راه خطوط لوله به کشورهایی که میزان مصرف انرژی آن‌ها زیاد است، مانند آلمان، منتقل می‌شود. در کشور مقصد نیز هیدروژن را، به عنوان سوخت، از طریق شبکه‌ی توزیع سرتاسری به مصرف کنندگان گوناگون می‌رسانند. به این ترتیب هیدروژن نه تنها می‌تواند ما را از نگرانی به خاطر کمبود انرژی رها کند، بلکه این عنصر فرّار به عنوان یک سوخت تمیز، که بر اثر سوختن آن تنها اکسیدهای نیتروژن بر جا می‌مانند، بسیاری از مسائل زیست محیطی را نیز حل می‌کند. واضح است که صنعت اتوموبیل و حمل و نقل نیز ارتباط تنگاتنگی با این «دنیای هیدروژنی» آینده دارد.
هیدروژن، فراوان‌ترین عنصر در جهان است. تابش ستارگان به این علت است که در آن جا بر اثر هم‌جوشی هسته‌ای، هیدروژن به هلیوم تبدیل می‌شود. از سوختن هر کیلوگرم هیدروژن سی و سه کیلووات انرژی الکتریکی می‌توان به دست آورد، و این مقدار سه برابر بیش‌تر از توانایی بنزین در تولید انرژی الکتریکی است. میزان مصرف جاری هیدروژن در دنیا، در حدود چهل میلیون تن است. تقریباً نیمی از این مقدار صرف سنتز امونیاک برای تولید کودهای شیمیایی می‌شود. بقیه‌ی هیدروژن نیز برای سنتز و تولید متانول که یکی از الکل‌های مورد مصرف برای تولید پلاستیک‌هاست مصرف می‌شود. از هیدروژن برای جامد کردن روغن مایع سویا و تبدیل آن به مارگارین و به طور کلی جامد کردن روغن‌های مایع خوراکی نیز استفاده می‌‌شود. اما تولید نیرو، گرما و الکتریسیته از هیدروژن نیز آسان است. به طور خلاصه، سبک‌ترین عنصر شیمیایی، ماده‌ی اصلی طبیعت از میلیاردها سال پیش تاکنون، می‌تواند اقتصاد انرژی بشر را به طور کامل دگرگون کند. حتی آن‌هایی که به آینده‌ی بهتر خوش‌بین نیستند نیز باید بپذیرند که هیدروژن جای‌گزینی برای سوخت‌های فسیلی و به ویژه نفت است.
صنعت اتوموبیل در سال 1973 میلادی، درست پس از اولین بحران نفتی دنیا، وضعیت جدید را درک کرد و برای تطبیق خود با شرایط جدید تلاش شدیدی را برای ابداع و کاربرد سیستم‌های پیش رانش جدید آغاز کرد. اتوموبیل‌های آینده در مقایسه با پیش‌رفته‌ترین اتوموبیل‌های امروزی باید سوخت کم‌تری مصرف کنند و مواد آلوده کننده‌ی کم‌تری وارد هوا کنند. نتایج این مرحله از تلاش‌های علمی و صنعتی، به شکل مبدل کاتالیزوری عینیت یافت. البته ابتکارها و اختراع‌های جدید در طرح موتور اتوموبیل هنوز در مرحله‌ی آزمایش هستند. از سال 1973 شرکت دایلمر – بنز آلمان تحقیق در باره‌ی هیدروژن به منزله‌ی منبع انرژی ثانویه برای اتوموبیل‌ها را آغاز کرد. در سال 1984، در برلین برنامه‌ای آزمایشی به اجرا گذاشته شد که به گفته‌ی رالف پاول، رئیس برنامه، «نتایج مثبتی داشت». در خیابان‌های برلین اتوموبیل‌هایی به تردد درآمدند که به طور آزمایشی با سوخت هیدروژن و مخلوطی از هیدروژن و بنزین کار می‌کردند. شرکت دایلمر – بنز برای ساختن مخازن ذخیره‌ی سوخت از آلیاژ گران قیمت تیتانیوم، وانادیوم، و منگنز استفاده کرد. گاز هیدروژن به وسیله‌ی گرد فلز جذب می‌شود (مانند جذب آب به وسیله‌ی اسفنج) و هیدریدهای فلزی تشکیل می‌دهد. مخزن سوخت در هنگام سوخت‌گیری گرم می‌شود، بنابراین برای خنک کردن مخزن، یک سیستم خنک کننده‌ی آبی باید در آن تعبیه کرد. اما از طرف دیگر، هنگامی که هیدروژن از مخزن وارد موتور می‌شود، به یک گرم‌کُن نیاز است. عیب این مخزن، سنگینی آن است – سی‌صد و بیست کیلوگرم وزن دارد.
اتوموبیل‌هایی که از این نوع مخزن‌ها دارند بیش‌تر از صد و بیست تا صد و پنجاه کیلومتر مسافت را نمی‌توانند طی کنند. اضافه بار آن‌ها نیز بسیار محدود است، چون اندازه‌ی مخزن سوخت (باک) هفت برابر مخزن اتوموبیل‌های معمولی است و بنابراین جای زیادی برای بار باقی نمی‌ماند. مدت پر کردن مخزن باید بسیار کوتاه باشد و نمی‌توان هیدروژن گازی را مانند بنزین در مخزن ریخت. در موتورهای طرح دایلمر، هیدروژن مخلوط با هوا به داخل محفظه‌ی احتراق هدایت می‌شود، و به منظور جلوگیری از پس زدن (احتراق پیش از تراکم کامل سوخت) چندین لیتر آب برای خنک کردن موتور مصرف می‌شود.
بی. ام. و.، رقیب دایلمر، نیز تصمیم نداشت در جاده‌ی پیش‌رفت، از کاروان عقب بماند. در حالی که دایلمر ترجیح می‌داد به جای هیدروژنِ خالص، هیدریدهای فلزی را ذخیره کند، بی. ام. و. طرف‌دار هیدروژن مایع بود که باید در مخزن‌های عایق شده‌ی ویژه در دمای 235- درجه‌ی سانتیگراد ذخیره شود. حفظ این دما عامل مهمی در ذخیره کردن هیدروژن مایع است. چون در صورت افزایش دما – حتی به اندازه‌ی کم – هیدروژن تبخیر می‌شود و سوخت اتوموبیل وارد هوا شده از بین می‌رود. اما از جنبه‌های دیگر، فرایند احتراق این موتور شبیه به فرایند احتراق موتورهای بنزینی است. هیدروژن به وسیله‌ی یک سیستم تزریق (سوخت پاش) به داخل سیلندر پاشیده می‌شود و در آن‌جا عمل احتراق بر اثر جرقه زنی صورت می‌گیرد. نتیجه‌ای که به دست آمد این است که اتوموبیل‌های هیدروژنی – که بسیار گرانند – در مرحله‌ی کنونی تکنولوژی مصرف سوخت هیدروژن، هنوز نمی‌توانند با اتوموبیل‌های بنزینی و گازوییلی رقابت کنند. با وجود این، اتوموبیل‌های هیدروژنی طی دهه‌های آینده شانس بیش‌تری برای پیروزی در رقابت دارند و اگر همه‌چیز به خوبی پیش رود این عنصر فرّار می‌تواند عصر جدید را به نام خود ثبت کند. دکتر لودویک بولکو که از پیشگامان هوانوردی بود اعتقاد داشت که قرن بیست و یکم آغاز عصر هیدروژن خورشیدی است.
یکی دیگر از پیشگامان صنعت که در تکنولوژی هیدروژن صاحب نظر بود، دکتر هانس مای، پروفسور ماشین‌های موتوری از دانشگاه کایزرزلاترن آلمان بود. او به همراهی چندین دانشمند برجسته‌ی دیگر و با پشتیبانی مالی وزارت تحقیقات، دوازده سال صرف تحقیق درباره‌ی مخلوطی خاص از هیدروژن و بنزین کرد، که سپس در گروهی از مرسدس بنزهای برلین به آزمایش گذاشته شد. این آزمایش به کمک یک سیستم پیش‌رانش برای موتورهای انژکتوری (دارای سوخت‌پاش) شش سیلندر با حجم دو و هشت دهم لیتر امکان پذیر شد. در این سیستم، هیدروژن و بنزین هم‌زمان با یک‌دیگر وارد موتور می‌شدند و برای تنظیم هم‌زمانی عبور هیدروژن و بنزین، از یک واحد کنترل الکترونیکی استفاده شد. ارقام مقایسه‌ای به دست آمده از این آزمایش نشان می‌داد که زیان سوخت هیدروژنی برای محیط زیست بسیار کم‌تر از سوخت‌های متداول امروزی، و درواقع می‌توان گفت ناچیز است. میزان اکسیدهای نیتروژن، که عامل مهمی در نابودی جنگل‌ها هستند، و میزان مونوکسید کربن در دود اگزوز اتوموبیل‌های آزمایشی بسیار پایین‌تر از حد مجاز است که در قوانین امریکا مشخص شده است.
پروفسور مای نتایج به دست آمده را این طور جمع بندی کرد: «در دودهای اگزوز، مونوکسید کربن و هیدروکربن‌های مصرف نشده وجود ندارد، و به علت وجود مقدار زیادی هوای اضافی، میزان اکسید نیتروژن صد برابر کم‌تر از مقدار آن در دود اگزوز موتورهای درون سوز معمولی است». چنین نتایج درخشانی مرهون مهم‌ترین اصل در ساختمان این اتوموبیل‌هاست: در هنگام رانندگی در ترافیک شهری، اتوموبیل مدت زیادی را در حالت دور کم (خلاص) کار می‌کند و در این حالت فقط هیدروژن به عنوان سوخت موتور مصرف می‌شود، بنابراین آلودگی بسیار ناچیز است. تنها در صورتی که اتوموبیل با سرعت زیادی حرکت کند و لازم باشد موتور قدرت بیش‌تری تولید کند، بنزین به سوخت موتور افزوده می‌شود. به سبب افزودن بنزین، حداکثر سرعت اتوموبیل می‌تواند قدرت عادی را داشته باشد. موتور طرح مای آن قدر خوب و روان کار می‌کرد که او به فکر برداشتن گام بعدی بود که عبارت بود از استفاده از هیدروژن خالص با تزریق مستقیم آن به داخل سیلندر.
لزوم استفاده از تجهیزات ایمنی اضافی در این اتوموبیل‌ها سبب ایجاد مشکلاتی می‌شود. هدف اصلی از کاربرد تجهیزات ایمنی اضافی، جلوگیری از انفجار، مثلاً بر اثر تصادف، است که به علت زیاد بودن سرعت احتراق هیدروژن، احتمال وقوع زیادی دارد. پروفسور مای با اطمینان خاطر بیان نمود: «این مسأله تنها با طراحی و ساخت درست مخزن و نصب آن در جای درست حل می‌شود. اگر مخزن و سیستم سوخت رسانی درست طراحی شده باشند خطر انفجار بسیار کم خواهد بود، حتی در صورت وقوع تصادف.» او برای نشان دادن ایمنی سیستم مخزن ذخیره‌ی هیدرید فلزی (به جای هیدروژن خالص) آن را با یک اسفنج مقایسه کرد. هنگامی که گرد فلز به گاز هیدروژن آغشته می‌شود (همان گونه که اسفنج آغشته به آب می‌شود) با آب ترکیب شیمیایی می‌دهد و سپس بر اثر گرما آن را آزاد می‌کند. پروفسور مای گفت: «مادامی که موتور خاموش است گرمایی تولید نمی‌شود و بنابراین چیزی از مخزن خارج نمی‌شود.»
«اتوموبیل هیدروژنی تمیز» به هر چیزی که شبیه باشد، و اگر با هیدروژن مایع یا با هیدرید فلزی کار کند، در نهایت قیمت آن به تعداد تولید آن بستگی پیدا می‌کند. اما همین قیمت است که برای بسیاری از مردم عامل مهمی در پذیرفتن یا نپذیرفتن هر چیزی است. به رغم همه‌ی مزایایی که سوخت هیدروژن دارد، هنوز موانع اصلی در راه یک «دنیای هیدروژنیِ» کم‌تر آلوده را باید در بخش تولید جستجو کرد نه در بخش مصرف. این که چگونه می‌توان از راه تجزیه‌ی الکتریکی، هیدروژنِ بیش‌تر و ارزان‌تری از آب به دست آورد هنوز یکی از مسائل اصلی در آینده‌ی قابل پیش بینی است، چرا که برای به دست آوردن هیدروژن، مثلاً از آب، به انرژی زیادی نیاز است. به همین دلیل است که در دراز مدت، هیدروژن در جایی تولید خواهد شد که انرژی مجانی، مانند انرژی باد و انرژی خورشیدی، در دسترس باشد.
اما درواقع تاکنون بیش از نود درصد از هیدروژن مورد نیاز، از سوخت‌های فسیلی به دست آمده است. نفت و گاز طبیعی و گاز زغال سنگ را با بخار آب داغ ترکیب می‌کنند و هیدروژن را از آن‌ها جدا می‌کنند. اما حتی با استفاده از ارزان‌ترین فرایند – عبور دادن بخار آب داغ از گاز طبیعی – از لحاظ میزان تولید انرژی می‌توان گفت که هیدروژن در مقایسه با بنزین سه برابر گران‌تر است. اما برخی از متخصصان، این مقایسه را اشتباه می‌دانند و معتقدند که قیمت بالاتر هیدروژن، با نداشتن آلودگی جبران می‌شود. اگر به قیمت فعلی بنزین، هزینه‌ی ابداع و کاربرد پیوسته‌ی مبدل‌های کاتالیزوری و هزینه‌های جبران خسارت‌های وارد شده به طبیعت را نیز اضافه کنیم، آن گاه می‌بینیم که امروز هم هیدروژن از بنزین ارزان‌تر است. متخصصانِ هوادار هیدروژن معتقدند که فواید هیدروژن در آینده بیش‌تر خواهد بود. پروفسور وینتر معتقد بود که هرچند هزینه‌ی گزافی را به تنهایی باید در آلمان خرج کرد تا در یک بازه‌ی زمانی هیدروژن را به مقدار زیاد تولید کرد، اما باید گفت که برای وارد کردن نفت و گاز در همین فاصله‌ی زمانی نیز چنین مبلغ گزافی باید خرج کرد.
در حالی که عقاید متفاوتی در صنعت اتوموبیل سازی وجود دارد، در هوانوردی از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده‌ی گسترده‌ای به عمل می‌آید. علت اصلی موفقیت هیدروژن در هوانوردی و سفرهای فضایی این است که حجم زیاد مخزن هیدروژن با نیروی پیش رانش بیش‌تری که تولید می‌کند جبران می‌شود. بنابراین تعجبی ندارد که صنعت هواپیما سازی سرگرم موتورهای هیدروژنی یا «وسایل نقلیه‌ی بین جوی» بشود. نشستن و برخاستن این هواپیماها مانند هواپیماهای معمولی است، اما می‌توانند در ارتفاع زیادی که موشک‌ها پرواز می‌کنند، از یک نقطه‌ی زمین به نقطه‌ای دیگر پرواز کنند. بر اساس قیمت‌های فعلی هیدروژن، هزینه‌ی مصرف انرژی به ازای هر مسافر در هر کیلومتر پرواز با این هواپیماها پانزده درصد کم‌تر از هزینه‌ی مشابه در هواپیماهای بنزینی است.
تکنولوژی هیدروژن هم‌چنین چشم اندازهای جالبی در راه آهن دارد. چندین سال پیش در کانادا، شرکت ملی راه آهن پیشنهاد کرد که لوکوموتیوهای دیزلی به لوکوموتیوهایی با سیستم پیش رانش هیدروژنی تبدیل شوند. در ژاپن نیز دگرگونی‌های مشابهی در جریان بود. البته هنوز حتی پروفسور مای نیز نمی‌توانست به طور قطعی بگوید که چه زمانی هیدروژن جای شایسته‌ی خود را در صنعت پیدا می‌کند. پروفسور مای در حالی که بر اتوموبیل هیدروژنی‌اش سوار بود با خوش بینی و قاطعاته گفت: «هیدروژن انرژی هزاره‌ی سوم است و هیچ راه گریزی هم وجود ندارد!»
منبع: راسخون