مقایسه خودروهای حاوی باتری، خودروهای هیبریدی و خودروهای مبتنی بر پیل سوختی 

منبع انرژی برای حمل و نقل جاده ای در آینده کدام است؟ 

چکیده

 مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : براساس برنامه تحقیقاتی اروپا، عصر سوخت هیدورژنی در افق زمانی 2040-2020 پیش بینی شده است. اما، به وضوح بین اقتصاد الکترونی (استفاده مستقیم از الکتریسیته تولید شده) و آنچه «اقتصاد هیدروژنی» نامیده می­شود، باید انتخابی صورت بپذیرد که منجر به ایجاد فرآیند تولید، انتقال و توزیع هیدروژن پیش از استفاده نهایی در فرآیند الکتریکی می‌گردد. در این مقاله تنها به کاربردهای خودروهای سواری و ون­ ها تحویل کالا پرداخته می­شود. در این حوزه، فاصله زمانی زیادی بین وضعیت فعلی، وقوع کمبود سوخت در آینده­ی بسیار کوتاه و افق زمانی 2040-2020 ذکر شده وجود دارد که باید پر شود. راه‌حل‌های فعلی به وضوح مبتنی بر خودروهای برقی هیبریدی و خودروهای برقی باتری‌دار هستند. نحوه عملکرد این راه حل ها سوالات زیادی را در مورد ضرورت اقتصاد هیدروژنی برای حمل و نقل آینده مطرح می کند. این مقاله عملکرد خودروهای برقی هیبریدی و وسایل نقلیه برقی باتری‌دار را در مقایسه با سیستم‌های مبتنی بر پیل سوختی هیدروژنی در آینده که اکنون در مرحله تحقیق و توسعه و پیدایش ابتدایی هستند، مورد بحث قرار می‌دهد.

نتیجه گیری و پیشنهادات

1- باتری و خودروهای هیبریدی راهکارهای پایدار حمل و نقل امروزی هستند که آینده ای مشترک با اقتصاد هیدروژنی را آماده می کنند.

خلاصه گزارش گروهی از محققان رده بالا که در مورد هیدروژن و پیل های سوختی در ژوئن  2003 ارائه شده ، چشم اندازی از سهمی که هیدروژن و پیل های سوختی می توانند در تحقق سیستم های انرژی پایدار در آینده داشته باشند، ارائه می دهد. با این حال، لازم به تاکید است که از آنجایی که این مورد یک چشم انداز بلند مدت است، نیاز به انجام اقدامات قوی در کوتاه مدت و میان مدت برای رفع نگرانی های فعلی محیط زیست و انرژی وجود دارد.

گروه خبره ای که در اتحادیه اروپا به مسائل مربوط به سوخت هیدروژنی می­پردازند، مراحل مختلف اجرایی کردن انرژی هیدروژن را به شرح زیر پیش بینی می کند:

• تا سال 2020: مطالعات مربوط به تکنولوژی و زیرساخت های تحقیقاتی و پیدایش فناوری
• طی دوره 2020-2030: اجرای یک ناوگان بزرگ و زیرساخت همراه با شروع استفاده اقتصادی واقعی
• بعد از سال 2030 توسعه بازار.بدیهی است که این نقشه راه با مدت زمان دسترسی به نفت ارزان مطابقت دارد و نشان دهنده اقداماتی است که باید برای رسیدن به یک اقتصاد هیدروژنی مانا و پایدار انجام شود. این یک دیدگاه بلند مدت است.

اما بی توجهی به وضعیت کوتاه مدت و میان مدت پیرامون نفت با افزایش تنش های سیاسی-جغرافیایی غفلت می­باشد. حتی بی توجهی به رقابت احتمالی بین انرژی­های مختلف، هیدروژن، الکتریسیته، سوخت‌های زیستی، سوخت‌های مصنوعی و فناوری حمل‌ونقل مربوط به آنها نیز موجب غفلت بیشتر می گردد. از این رو ضروری به نظر می رسد که فناوری های امروزی و تکامل آنها در کوتاه مدت، میان مدت و بلندمدت و همچنین اهمیت ظهور فناوری هیدروژنی در دراز مدت در نظر گرفته شوند. این بهترین راه برای ایجاد تداوم و ثبات در صنعت است. خودروهای دارای باتری و خودروهای برقی هیبریدی راهکارهای کوتاه ‌مدت و میان ‌مدت با تعداد زیادی از مولفه­ های مشترک را ارائه می‌دهند. این مؤلفه‌های مشترکی که کماکان باید تعریف شوند و باید بیشترین توجه را برای صنعت ما داشته باشند چیست؟ ما اکنون می‌توانیم باتری‌ها، ابرخازن‌ها، مبدل‌های الکترونیکی قدرت، موتورهای الکتریکی، سطوح ولتاژ، ولتاژ 42/36 ولت، ولتاژ (های) بالا تا 600 ولت برای سیستم‌های راه­ انداز، قطعات جانبی و غیره را داشته باشیم. تعداد زیادی از موارد ذکر شده با راهکارهای “هیدروژنی” به دلیل نیاز ضروری به توسعه مولفه های امروزی برای ایجاد بزرگترین بازار ممکن، مشترک خواهند بود.

2- چالش های انرژی و زیست محیطی برای حمل و نقل

همانطور که در کمیته­ ی”Green Paper ” برگزار شده با هدف امنیت تامین (عرضه) در تاریخ نوامبر 2000 بیان شد، در سال 1998 مصرف انرژی در بخش حمل و نقل منجر به انتشار 28% از گاز کربن دی اکسید گردید که یکی از عمده ترین گازهای گلخانه ای می­باشد. بر اساس آخرین برآوردها، انتظار می‌رود انتشار این گاز گلخانه­ای به دلیل سیستم حمل‌ونقل در حدود 50% افزایش یابد و به 1113 میلیارد تن در سال 2010 برسد، در حالی که در سال 1990، 739 میلیون تن ثبت شده بود که 84 درصد آن به حمل‌ونقل جاده‌ای مربوط می‌شود.

کاهش وابستگی به نفت از سطح فعلی 98%، با استفاده از سوخت‌های جایگزین و بهبود بهره‌وری انرژی حمل‌ونقل، هم یک ضرورت زیست‌ محیطی و هم یک چالش فناوری است. شروع اقتصاد هیدروژنی تقریباً در سال 2020 برنامه ریزی شده است و تا سال 2050 فراگیر خواهد شد. خوشبختانه، بسیاری از فناوری­های رایجی که نیروی محرکه  الکتریکی دارند و آینده ای مشترک با اقتصاد هیدروژنی را محیا می کنند، امروزه در حال توسعه هستند.

دو فناوری حمل و نقل که اکنون آماده ایفای نقش عمده در این زمینه هستند: وسایل نقلیه برقی باتری دار و وسایل نقلیه هیبریدی برقی-حرارتی هستند. آنها حلقه گمشده اقتصاد حمل و نقل هیدروژنی احتمالی هستند. فناوری توسعه‌یافته برای خودروهای الکتریکی باتری‌دار بدون شک یک فناوری پایه برای خودروهای پیل سوختی می­باشد.

3- وسایل نقلیه برقی باتری دار، یک راه حل پایدار در دستیابی به جابه جایی شهری

این یک واقعیت ثابت شده است که از نقطه نظر انتشار گازهای گلخانه ای، نتایج به نفع خودروی برقی باتری دار می­باشد. مطالعات مهم و اخیر در مورد تعادل زیست ‌محیطی وسایل نقلیه برقی باتری‌دار نشان می‌دهند که کاهش انتشار قابل توجه گاز دی اکسید کربن و بهره­ ورری انرژی در مقایسه این خوردروها با خودروهای معمولی وجود دارد.

وسیله نقلیه برقی راه حلی بهینه برای حمل ونقل درون شهری می­باشد؛ چرا که هیچ خروجی دود از اگزوز تولید نمی­کند. به ویژه در شهرها و در شرایط نامساعد آب و هوایی، انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از ترافیک، کیفیت هوا را تا حدی کاهش می دهد که سلامت فیزیکی جامعه به طور مستقیم تهدید می شود. شهرهای متعددی تاکنون مجبور به اعمال محدودیت های شدید ترافیکی مکرر شده اند.

خودروهای برقی برای ادغام با مفاهیم جدید مدیریت ترافیک، مانند سیستم‌های خودکار اجاره ماشین و مراکز توزیع کالا، یا اتوبوس‌های کوچک برای خدمت رسانی در مرکز شهر نیز ایده‌آل هستند. این اقدامات بر هم افزایی بین روش های مختلف حمل و نقل تاکید کرده و به کاهش تراکم ترافیک کمک می­کند. همانطور که بیان شد، خودروهای برقی با توجه به مسائل زیست محیطی امکان دسترسی به مراکز تاریخی و باستانی شهر را فراهم می‌کنند و به کاهش آلودگی هوا و آلودگی صوتی نیز کمک می‌کنند.

با در نظر گرفتن دلایل ذکر شده، با حمایت اتحادیه اروپا و برخی از کشورهای عضو، تعداد فزاینده­ای از شهرها و شرکت های مرتبط با محیط زیست، خودروهای برقی را در ناوگان حمل و نقل خود معرفی کرده اند.

بدون شک امروزه، یک ضرورت آشکار برای تعمیم حمایت سازماندهی شده در سطح اروپا وجود دارد.

4- باتری­ ها، چالش

ذخیره انرژی برای چندین دهه، یک نکته کلیدی  بوده است. توسعه سیستم های جایگزین مانند باتری امکان ایجاد پیشرفت فنی و اقتصادی واقعی را در کوتاه مدت یا میان مدت مطابق با توسعه بازار نشان می دهد. انواع باتری های جدید مانند باتری های با دمای بالا، باتری های  هیبریدی نیکل-فلز و باتری های مبتنی بر لیتیوم در حال حاضر در بازار هستند یا در سال های آینده در دسترس خواهند بود. باتری­ها به دلیل تراکم انرژی بسیار بالا، بازه عملکردی بی سابقه، محدوده قابل استفاده وسیعی حتی تا 250 کیلومتر را ارائه می دهند.

در پروژه اروپایی SUBAT چندین فناوری باتری در سطح فنی، اقتصادی و همچنین محیطی مقایسه شد. نتیجه گیری کلی نشان می دهد که امروزه برای وسایل نقلیه برقی باتری دار استفاده از باتری­های لیتیوم-یون و به دنبال آن باتری های NaNiCl ارجح است. این فناوری‌ها به فناوری‌های باتری NiCd، Pb-Acid و NiMH ترجیح داده می‌شوند. وضعیت مورد انتظار در سال 2012 ارجحیت بیشتری برای باتری های Li-ion نسبت به NaNiCl قائل است. انتظار می‌رود هزینه چرخه عمر باتری بین سال­های 2005 تا 2012، برای باتری‌های NiCd، Pb-Acid و NiMH درحدود %35 و برای باتری‌های NaNiCl و Li به ترتیب 76% و و 83% کاهش یابد.

حمایت قدرتمند بین المللی و اروپایی و همچنین یک رویکرد بازاریابی موثر ضروری به نظر می­ رسد.

5- خودروهای هیبریدی برقی- حرارتی چند ماموریتی با بهره وری انرژی

وسایل نقلیه برقی چند ماموریتی با پیشرفت موتورهای محرک هیبریدی به واقعیت تبدیل خواهند شد. خودروهای هیبریدی ترکیبی از سیستم های الکتریکی و سایر نیروهای محرکه مانند موتورهای احتراق داخلی، توربین های گازی یا پیل های سوختی هستند.

مزیت اصلی این ترکیب، تعامل دائمی بین سیستم الکتریکی بسیار کارآمد و موتور حرارتی است که منجر به مدیریت کارآمد انرژی و همچنین بازیابی مقداری انرژی جنبشی هنگام ترمزگیری می شود. باتری‌های قدرتی یا تقویت‌کننده‌های دیگر قدرت مانند ابر خازن‌ها یا چرخ لنگرها (فلایویل‌ها[2]) نقش کلیدی دارند. امروزه تعدادی خودرو قابل اطمینان با طیف وسیعی از هیبریدسازی (از سیستم‌های استارت و توقف تا سیستم­های قدرتی هیبریدی کامل) به بازار می‌آیند.

به دلیل عملکرد دوگانه داخلی، خودروهای هیبریدی نسبت به خودروهای برقی همراه با باتری محدوده متنوع­تری دارند. آن‌ها می‌توانند به تنهایی با برق شروع به کار کنند و در محیط‌های شهری هیچ آلودگی ایجاد نکند. برخی از این وسایل نقلیه را می توان با استفاده از منابع انرژی متعارف یا تجدید پذیر به روشی موثر مورد استفاده قرار داد.

در حال حاضر ، فناوری هیبریدی به ویژه برای وسایل نقلیه سنگین مانند اتوبوس های شهری مورد توجه است و منجر به کاهش 20 تا 30 درصدی مصرف انرژی و انتشار آلاینده های مرتبط می شود. برای خودروهای شخصی، استقرار موتورهای محرک هیبریدی راه حلی منطقی برای کاهش مصرف سوخت و انتشار گاز دی اکسید کربن است.

باتری‌ها و خودروهای برقی هیبریدی می‌توانند راه‌حلی برای حمل ونقل پایدار را تضمین کنند که آینده‌ای مشترک با اقتصاد هیدروژنی را مهیا می‌کند. در مرحله کنونی توسعه، خودروهای برقی و هیبریدی کماکان نیاز به حمایت مقامات دولتی دارند تا بازار بتواند تا اندازه ای توسعه یابد که امکان توسعه طبیعی و عادی آن­ها فراهم گردد.

6- توسعه قطعات

پیشرفت تلاش‌های مربوط به تیم های تحقیق و توسعه برای بهره‌وری بالاتر و هزینه کمتر سیستم‌های برقی (باتری‌ها، الکترونیک قدرت و غیره) مورد نیاز می­باشد. اجزا ذکر شده همچنین برای وسایل نقلیه مبتنی بر پیل سوختی در دراز مدت مورد نیاز خواهند بود. وسایل نقلیه مبتنی بر پیل سوختی نیز به اجزای خاصی (کمپرسورها، پمپ ها، اتصالات، شیرهای فشار، غشاها، مخازن، اصلاح کننده ها و غیره) نیاز خواهند داشت.

7- انتظارات

مقامات سیاسی، در سطوح اروپایی، بین المللی و منطقه ای، باید تمام اقدامات لازم را به نفع بازار خودروهای باتری دار و هیبریدی انجام دهند، زیرا بخشی از راه ­کارها برای رفع نگرانی های عمده حال و آینده در مورد انرژی و محیط زیست هستند. آنها همچنین به راه حل های بلند مدت مانند وسایل نقلیه مبتنی بر پیل سوختی نیز کمک خواهند کرد.

ذینفعان صنعتی از مقامات سیاسی انتظار سیگنال های قوی و واضح دارند. طیف گسترده ای از مشوق ها و سایر اقدامات برای تسریع نفوذ در بازار خودروهای باتری دار و هیبریدی و همچنین توسعه فناوری قطعات مرتبط ضروری است.  این اقدامات به منظور حفظ سطح فناوری اروپا در سطح بالا و آماده سازی منطقی در آینده برای اشتراک با فناوری هیدروژن مورد نیاز می­باشد.

[1] Volume

[2] Flywheel

source: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890406000501