خودروی هیدروژنی چگونه کار می کند؟
در میان فناوری‌های مختلفی که آینده خودرو به سمت آنها می‌رود، خودروی سلول سوختی هیدروژنی در حال حاضر یک واقعیت است. این فناوری برای اولین بار در سال 2021 بر روی خودرویی از رنو - Renault Master VanH2-TECH - معرفی شد. هیدروژن در حال تغییر بازی در خودروهای برقی است، هم از نظر چالش ها و هم از نظر امکانات. در اینجا چند توضیح برای درک بهتر این عنصر شیمیایی معروف آورده شده است.
در حالی که برای بسیاری، اصطلاح "پیل سوختی" ممکن است مانند فناوری پیشرفته پیچیده به نظر برسد، راز این روش جدید تولید انرژی در یک واکنش شیمیایی ساده بین اکسیژن و هیدروژن نهفته است. بنابراین ویژگی های یک وسیله نقلیه هیدروژنی چیست؟ چگونه کار می کند؟ مزایای آن چیست؟ و به طور دقیق تر، کاربردهای احتمالی ماشین هیدروژنی در زندگی روزمره چیست؟
چالش های ماشین برقی هیدروژنی
ما با برخی زمینه ها شروع می کنیم. اصطلاح "ماشین برقی هیدروژنی" به وسیله نقلیه ای اطلاق می شود که از یک منبع انرژی خاص - هیدروژن - با استفاده از یک وسیله خاص، پیل سوختی تغذیه می کند. خودروی پیل سوختی هیدروژنی متعلق به خانواده بزرگ خودروهای برقی است، زیرا کشش خود را از یک پیشرانه برقی می‌گیرد. برای یک خودروی برقی که با باتری لیتیوم یونی کار می کند، انرژی برقی به سادگی پس از شارژ شدن در شبکه برق در باتری ذخیره می شود. تفاوت با وسیله نقلیه هیدروژنی در اینجا نهفته است. الکتریسیته مورد نیاز برای راه اندازی پیشرانه نه تنها از باتری تامین می شود، بلکه از طریق پیل سوختی نیز با استفاده از هیدروژن ذخیره شده در خودرو تامین می شود. اکثر خودروهای هیدروژنی که در حال حاضر توسط خودروسازان تولید می شوند به این روش کار می کنند.
این خودروی هیدروژنی همان جاه طلبی‌های رانندگی بدون آلایندگی خودروهای برقی «معمولی» را دارد. با این اوصاف، برای کاهش اثرات زیست محیطی تولید هیدروژن تا حد امکان، هنوز چندین چالش وجود دارد که باید بر آن غلبه کرد. روش فعلی استخراج این عنصر شیمیایی مبتنی بر اصلاح هیدروکربن ها با بخار است و هیدروژن خاکستری نامیده می شود زیرا از سوخت های فسیلی استخراج می شود.
اما راه دیگری برای به دست آوردن هیدروژن وجود دارد: از طریق الکترولیز آب. در جایی که الکتریسیته مورد استفاده در فرآیند الکترولیز از یک منبع انرژی پایدار مانند انرژی خورشیدی یا باد باشد، امکان تولید هیدروژن سبز وجود دارد. این روش استخراج راه حلی برای آینده است.
نحوه عملکرد خودروی برقی هیدروژنی
خودروی پیل سوختی هیدروژنی در عمل چگونه کار می کند؟ انرژی برقی آن توسط یک پیل سوختی تامین می شود. هیدروژن تحت فشار در مخازن مخصوص خودرو ذخیره می شود. گاز (H2) همراه با دی‌اکسیژن (O2) از هوای اطراف به پیل سوختی می‌رسد. سپس این دو گاز در داخل سلول مناسب، تحت یک واکنش الکتروشیمیایی قرار می گیرند و به نوبه خود الکتریسیته، گرما و بخار آب (H2O) تولید می کنند که به شکل گاز از طریق یک لوله کوچک واقع در زیر خودرو آزاد می شود.
انرژی حاصله و همچنین انرژی حاصل از باتری، به موتور برقی خودرو نیرو می‌دهد که می‌تواند بی‌صدا و بدون آلاینده یا CO2 کار کند. وقتی نوبت به پر کردن هیدروژن می‌رسد، سوخت‌گیری در ایستگاه‌های اختصاصی با استفاده از پمپ‌هایی انجام می‌شود که هیدروژن را بسیار سریع به شکل گاز تحت فشار به باک خودرو تزریق می‌کنند.
مصرف انرژی خودروی هیدروژنی
یک وسیله نقلیه برقی پیل سوختی هیدروژنی چقدر مصرف می کند؟ به خاطر داشته باشید که اتم هیدروژن، که دو مورد از آنها برای تشکیل مولکول دی هیدروژن (H2) لازم است، یکی از ساده ترین و سبک ترین عناصر طبیعی در جدول تناوبی است (طبقه بندی که تمام عناصر شیمیایی موجود در زمین را فهرست می کند). چگالی حجمی بسیار کمی دارد. بنابراین، برای به دست آوردن مقدار هیدروژن مورد نیاز برای تامین انرژی یک وسیله نقلیه، لازم است مقدار قابل توجهی در مخازن بزرگ با فشار بالا ذخیره شود.
خودروی برقی پیل سوختی هیدروژنی گروه رنو
خودروی برقی پیل سوختی هیدروژنی، برای گروه رنو، خودرویی برقی است که یک باتری لیتیوم یونی و یک پیل سوختی هیدروژنی را در زیر یک کاپوت ترکیب می‌کند. با انتخاب استفاده از هر دو فناوری با هم، این برند بهترین های هر دو جهان را ترکیب می کند. از این رو، رنو در پشت لوگوی نمادین الماس بر روی خودروی برقی خود Renault Master Van H2-TECH، یک پیل سوختی را ادغام کرده است.
در معماری رنو مستر ون H2-TECH، موتور ون برقی هیدروژنی از باتری لیتیوم یونی آن تامین می شود. در مورد پیل سوختی، ذخیره انرژی اضافی فراهم می‌کند که برد خودرو را افزایش می‌دهد (ایستادگی بیشتر و زمان شارژ کوتاه‌تر را فراهم می‌کند.) خودروهای هیدروژنی مزایای عملی و مالی نیروی برقی را به همراه مزایای ارائه شده در اختیار راننده قرار می‌دهند. توسط هیدروژن از نظر انعطاف پذیری و برد.
مزایای خودروهای هیدروژنی
به عنوان بخشی از رابطه مکمل بین پیل سوختی و باتری لیتیوم یونی، الکتریسیته تولید شده توسط پیل سوختی با استفاده از هیدروژن ذخیره شده به ظرفیت ذخیره سازی باتری اصلی آن اضافه می شود. به عنوان مثال، رنو مستر ون H2-TECH مجهز به یک باتری 33 کیلووات ساعتی همراه با ظرفیت ذخیره‌سازی هیدروژن روی برد معادل 30 کیلووات ساعت است. بنابراین برد آن از 230 کیلومتر به 400 کیلومتر افزایش می یابد. به این ترتیب، سیستم هیدروژن را می توان به عنوان یک "گسترش دهنده مسافت" مشاهده کرد.
نکته اصلی سرعت سوخت گیری است. علاوه بر شارژ مجدد در شبکه، حداکثر پنج دقیقه برای پر کردن مجدد مخزن هیدروژن به منظور تامین سلول سوختی کافی است - افزایش فوری مسافت طی شده خودرو.
و اینها تنها مزایا نیستند: وسیله نقلیه هیدروژنی تمام مزایای رانندگی یک وسیله نقلیه برقی را ارائه می‌کند، که از نبود صدای موتور، تجربه رانندگی لذت‌بخش و دسترسی به مناطق رانندگی محدود در مراکز شهر شروع می‌شود.
شارژ مجدد خودروی هیدروژنی
یک وسیله نقلیه برقی پیل سوختی هیدروژنی دقیقا چگونه شارژ می شود؟ پاسخ بین تولید کنندگان متفاوت است. در رنو دو راه برای بازگرداندن ذخایر انرژی خودرو وجود دارد. اولاً، شارژ مجدد از یک ترمینال برقی استاندارد برای تامین باتری لیتیوم یون (گزینه ای که با تعداد ایستگاه های شارژ قابل دسترسی تسهیل می شود.) ثانیاً، سوخت گیری در یک ایستگاه هیدروژن برای پر کردن مجدد مخزن گاز فقط چند دقیقه طول می کشد.
در حالی که اصطلاح "ماشین سلول سوختی" هنوز وارد زبان روزمره ما نشده است، نباید در مورد ایمنی نگرانی ایجاد کند. البته هیدروژن با فشار زیاد در مخزن آن عنصری فرار و قابل اشتعال است. در صورتی که پیل سوختی بیش از حد گرم شود یا خارج شود، هیدروژن در کمتر از یک دقیقه پراکنده و آزاد می شود.
برای بیش از بیست سال، فناوری‌هایی که از دی هیدروژن استفاده می‌کنند، در موارد متعدد، اغلب تحت شرایط شدید (مهندسی فضا، زیردریایی‌ها، ماشین‌آلات ساختمانی) آزمایش و تأیید شده‌اند.
امروز، گروه رنو از این هم فراتر می رود و اعلام می کند که یک سرمایه گذاری مشترک با رهبر مشهور جهان در سلول های سوختی، Plug، که تا به امروز بیش از 60000 سیستم پیل سوختی را راه اندازی کرده اند. مرکز نوآوری حاصل نه تنها شرکای خود را در لبه تحقیق و توسعه، تولید و تجاری سازی خودروهای هیدروژنی ، بلکه در خط مقدم خدمات مرتبط (زیرساخت های شارژ، تامین هیدروژن و غیره) قرار می دهد.
مقایسه ماشین هیدروژنی و ماشین باتری لیتیوم یون برقی
در حالی که این دو فناوری این تصور را ایجاد می کنند که کاملاً متضاد هستند، اما در واقع حالت های حرکتی مکمل هستند. سوال "هیدروژن یا ماشین برقی؟" بیشتر از همه به نوع استفاده و نوع وسیله نقلیه بستگی دارد. در خودروهای سبک با ظرفیت بارگیری بالا، هیدروژن بسیار جالب است. با وجود اینکه مخزن مورد استفاده برای ذخیره گاز بزرگ است، وزن آن معقول باقی می ماند. هیدروژن مخصوصاً برای استفاده فشرده از حلقه بسته که در آن سوخت‌گیری در مسیر خودرو یا حتی مستقیماً در محل شرکت به راحتی قابل مکان‌یابی و دسترسی است، مناسب است.
وسایل نقلیه برقی مجهز به باتری های لیتیوم یونی برای همه نوع راننده و استفاده در نظر گرفته شده اند، از سفرهای کوتاه در اطراف شهر تا سفرهای طولانی تر. اما وقتی باتری خالی است، تنها راه حل شارژ مجدد در شبکه برق است. این وسیله نقلیه فقط برقی نسبت به نمونه هیدروژنی خود زمان بیشتری برای شارژ دارد، اما ایستگاه های شارژ بیشتری هم در مکان های خصوصی و هم در مکان های عمومی وجود دارد. پارکینگ را می توان به راحتی با شارژ خودرو ترکیب کرد. بنابراین هر دو برقی و هیدروژن فن آوری های مکملی هستند که برای ارائه تحرک پایدار مناسب برای همه نوع استفاده طراحی شده اند.
خودروهای هیدروژنی در اروپا چقدر مستقر هستند؟
در سال 2020، ثبت نام جدید خودروهای پیل سوختی هیدروژنی بیشتر در آلمان و پس از آن هلند و فرانسه اتفاق افتاد. ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن به تدریج در سراسر اروپا در حال گسترش هستند. در فرانسه، در حال حاضر 23 ایستگاه در حال بهره برداری است که هدف آن 900 تا سال 2030 است. در آلمان، 109 ایستگاه در حال نصب هستند، با هدف 300 تا سال 2030، و 3 ایستگاه در اسپانیا برای 150 تا سال 2030. هلند دارای 12 ایستگاه در ورود اولین خودروهای برقی هیدروژنی تولید انبوه، از جمله خودروهای حرفه‌ای که در حال حاضر در محل شرکت سوخت‌گیری می‌شوند، به تسریع توسعه زیرساخت‌ها کمک می‌کند و آینده روشنی را برای فناوری هیدروژن نوید می‌دهد.