سوخت هيدروژن
- توضیحات
- دسته: مجموعه شماره 1
- منتشر شده در دوشنبه, 18 دی 1391 11:21
- نوشته شده توسط Mehdi Jahanbakhsh
سوخت هيدروژن
با اين كه تاكنون هيچ سامانه حمل و نقل و توزيع مناسبي براي هيدروژن وجود نداشته، اما توانايي توليد اين سوخت از مجموعه متنوعي از منابع و خصوصيت پاك سوز بودن آن، هيدروژن را به سوخت جانشين مناسبي تبديل كرده است.
هيدروژن يکي از ساده‌ترين و سبك‌ترين سوخت هاي گازي است که در فشار اتمسفري و دماي جوي حالت گاز دارد. سوخت هيدروژن همان گاز خالص هيدروژن نيست، بلكه مقدار كمي اكسيژن و ديگر مواد را نيز با خود دارد. منابع توليد سوخت هيدروژن شامل گاز طبيعي ، زغال سنگ ، بنزين و الكل متيليك هستند. فرآيند فتوسنتز در باكتري ها يا جلبك ها و يا شكافتن آب به دو عنصر هيدروژن و اكسيژن به كمك جريان الكتريسيته يا نور مستقيم خورشيد از آب، روش هاي ديگري براي توليد هيدروژن هستند.
در صنعت و آزمايشگاه هاي شيمي، توليد هيدروژن به طور معمول با استفاده از دو روش شدني است:
1- الكتروليز
2- توليد گاز مصنوعي از بازسازي بخار يا اكسيداسيون ناقص
در روش الكتروليز با استفاده از انرژي الكتريكي، مولكول‌هاي آب به هيدروژن و اكسيژن تجزيه مي‌شوند. انرژي الكتريكي را مي‌توان از هر منبع توليد الكتريسيته كه شامل سوخت هاي تجديد پذير نيز مي‌شوند، به دست آورد. وزارت نيروي آمريكا به اين نتيجه رسيده است كه استفاده از روش الكتروليز براي توليد مقادير زياد هيدروژن در آينده مناسب نخواهد بود.
روش ديگر براي توليد گاز مصنوعي، بازسازي بخار گاز طبيعي است. در اين روش، مي‌توان از هيدروكربن‌هاي ديگر نيز به عنوان ذخاير تامين مواد استفاده كرد. براي نمونه، مي‌توان زغال سنگ و ديگر مواد آلي (بيوماس) را به حالت گازي درآورد و آن را در فرآيند بازسازي بخار براي توليد هيدروژن به كار برد. از طرفي چون هيدروکربن هاي فسيلي محدود و رو به اتمام هستند، پس بهتر است ديد خود را به سمت استفاده از منابع تجديد شونده معطوف کنيم.
گاز هيدروژن مي تواند هم از منابع اوليه تجديد پذير و هم از منابع تجديد ناپذير توليد شود. امروزه توليد گاز هيدروژن از منابع تجديد پذير به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را مي پيمايد. اين در حالي است که توليد گاز هيدروژن از منابع تجديد ناپذير به ويژه منابع فسيلي به علت محدود بودن اين منابع روز به روز کاهش مي يابد.
گاز هيدروژن در اثر واکنش هاي تخميري ميکروارگانيسم هاي زنده، به ويژه باکتري ها و مخمرها روي بيوماس، توليد مي‌شود. بيوماس از منابع اوليه تجديد پذير است که از موادي مانند علوفه، ضايعات گياهان و فضولات حيوانات به دست مي آيد. در روند توليد گاز هيدروژن، باکتري هاي بي هوازي با استفاده از پديده تخمير، مواد آلي و آب را به گاز هيدروژن تبديل مي کنند.
براي توليد هيدروژن به وسيله باکتري ها دو نوع تخمير وجود دارد: يک نوع تخمير نوري است که در آن به منبع نور نياز است و نوع ديگر، تخمير در تاريکي است که نيازي به نور ندارد. در اين واکنش ها منابع کربني زيادي استفاده مي شود که همگي از بيوماس تامين مي شوند.
در طبيعت ميکروارگانيسم هاي بي هوازي در غياب اکسيژن و با استفاده از پديده تخمير، گاز هيدروژن توليد مي کنند، ولي مقدار اين گاز از نظر کمي پايين است و از نظر اقتصادي براي مصارف صنعتي و خانگي و ... قابل توجيه نيست؛ از اين رو بايد با استفاده از روش هايي، بازده توليد گاز هيدروژن را افزايش داد. يکي از روش هايي که مي توان بازده توليد گاز هيدروژن را بالا برد، تغييرات ژنتيک در ژنوم اين باکتري ها با استفاده از روش هاي مهندسي ژنتيک و بيوتکنولوژي است. روش ديگر، استفاده از ترکيبي از باکتري هاي هوازي و بي هوازي در کنار هم است. در اين روش چون باکتري هاي بي هوازي در فرآيند تخمير توليد اسيد هاي آلي مي کنند، رفته رفته محيط واکنش اسيدي مي شود و PH پايين مي آيد؛ از اين رو توليد هيدروژن کاهش مي يابد. ولي هنگامي که باکتري هاي هوازي در محيط باشند، از اسيد هاي آلي استفاده و آنها از محيط خارج مي کنند؛ در نتيجه راندمان توليد گاز هيدروژن بالا مي رود.
تحقيق و توسعه
وزارت نيروي آمريكا براي توسعه استفاده از هيدروژن دو برنامه اصلي را دنبال مي‌كند که يکي برنامه هيدروژن وزارت نيرو و ديگري شبكه اطلاعاتي تكنولوژي‌هاي هيدروژن است. هيدروژن، سومين انرژي فراوان بر روي سطح زمين است. همان طور كه به صورت ابتدايي در آب و تركيبات آلي يافت مي شود. هيدروژن از هيدروكربن ها يا آب به دست مي آيد و هنگامي كه به عنوان سوخت مصرف مي شود، يا براي توليد الكتريسيته از آن استفاده مي شود و يا با تركيب مجدد با اكسيژن توليد آب مي كند. از اين رو و با توجه به قابليت بالاي توليد انرژي در اين سوخت اخيراً تلاش هاي زيادي براي جانشين کردن اين سوخت صورت مي گيرد.
مسائل ايمني
هيدروژن از ديدگاه ايمني نيز مطمئن و مطلوب است و براي حمل ونقل ، نگهداري و استفاده، خطرناك تر از سوخت هاي رايج ديگر نيست. به هر صورت مسائل ايمني همچنان به عنوان يكي از اساسي‌ترين مقوله ها در استفاده از انرژي هيدروژن باقي مي ماند.استانداردهاي متداول دنيا امنيت استفاده از آن را با سختگيري در طراحي و انجام آزمايش هاي متعدد فراهم مي آورد. همچنين در حوزة نگهداري و حمل آن، استانداردهاي بسياري براي تمام تجهيزات مرتبط تدوين شده است.
اقتصاد هيدروژن
براي هيدروژن به عنوان يك سوخت، سيستم توزيعي مناسبي وجود ندارد. با اين كه معمولاً انتقال از طريق خط لوله با صرفه‌ترين راه انتقال سوخت‌هاي گازي است، اما در حال حاضر سيستم خط لوله مناسبي موجود نيست. انتقال هيدروژن به طور خاص از طريق مخزن و تانكرهاي گاز صورت مي‌گيرد. استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت به يك زير ساختار براي حمل ونقل و نگهداري و با توجه به مسائل ايمني و اقتصادي نياز دارد.
ديدگاه ايجاد يك زير ساختار كه هيدروژن را به عنوان منبع انرژي مورد استفاده قرار مي‌دهد، مفهوم اقتصادي بودن اين طرح را پديد آورده كه بهترين راه جهت ايجاد تقاضاي بيشتر براي توليد و مصرف اين انرژي است، زيرا منابع توليد هيدروژن بسيار ارزان و دردسترس هستند. هيدروژن قابليت بالايي براي توليد انرژي دارد و ميزان آلودگي ناشي از مصرف اين سوخت در محيط زيست بسيار کم است. اين سوخت به عنوان منبعي تجديدپذير، پاک و فراوان تر از سوخت فسيلي مي تواند کاربرد زيادي براي نيروگاه ها و بخش حمل و نقل داشته باشد.
موتورهاي هيدروژني
طراحان بهترين موتور هيدروژني
خودرو هيدروژني بي.ام.و به وسيله شركت تكنوسنتز - از شركت‌هاي زيرمجموعه بي.ام.و - ساخته شده است.
يورگن كوبلر از مهندسان خبره آلماني و مدير پروژه H2R، اعتقاد دارد كه در كوتاه‌ترين زمان، بهترين خودرو هيدروژني جهان ساخته شده است.
وي مدت ساخت نمونه بي.ام. و را تنها 10 ماه مي‌داند و مي‌گويد: "اين كار سخت تنها با استفاده از سيستم‌هاي شبيه‌ساز رايانه‌اي CAP قابل اجرا بود؛ به طوري كه با استفاده از اين روش در هزينه و وقت صرفه‌جويي بسيار شده است."
همچنين مهندسان بي.ام.و با استفاده از سيستم‌هاي فنربندي و تعليق رايج بي.ام.و زمان طراحي را كاهش داده‌اند. موتور جذاب H2R بر مبناي مدرن‌ترين و بزرگترين قواي محركه بي.ام.و شكل گرفته است. اين موتور چيزي نيست جز يك موتور 12 سيلندر V شكل شش ليتري كه اولين موتور احتراق داخل تجاري هيدروژني را پايه‌گذاري كرده است. مهم‌ترين تغييراتي كه در اجزاي ساختماني اين موتور به نظر مي‌رسد، نوع تزريق سوخت هيدروژن است. البته نوع فولادي كه براي محفظه احتراق ساخته شده هم بسيار جالب است. آلياژهاي به كار رفته در اين موتور از اسرار بي.ام.و است.
تفاوت احتراق بنزين و هيدروژن
به گزارش ايسنا، مهم‌ترين تفاوت بين موتور احتراق داخلي بنزين‌سوز و هيدروژني در ذات اين دو سوخت است. هيدروژن تحت فشار هواي طبيعي سريع‌تر از سوخت معمولي مشتعل مي‌شود، اما دماي احتراق آن اندكي كمتر از بنزين است. در داخل موتور سرعت احتراق بالاي مخلوط هيدروژن و هوا دماي بيشتري در مقايسه با يك موتور بنزيني توليد مي‌كند. بنابراين، بايد زمانبندي سوخت بنزين تغيير كند و جرقه بايد زماني زده شود كه بهترين فشار در نقطه مرگ بالاي پيستون شكل گيرد. يكي از مزاياي قابل توجه فشار احتراق بالاتر از مخلوط هيدروژن و هوا، توليد قدرت بيشتر از مقدار انرژي است كه در يك موتور بنزيني مصرف مي‌شود و اين يعني موتور هيدروژني بازده و كارايي بيشتري دارد.
سوخت‌رساني فوق مدرن
سوخت هيدروژن همان اندازه كه پاك است، خطرناك نيز هست و به همان اندازه ذخيره آن پيچيده است. به همين دليل، مهندسان بي.ام.و براي ساخت يك خودرو هيدروژني با سد بزرگي رو به رو بوده‌اند.
در خودرو H2R بيش از 11 كيلوگرم هيدروژن مايع در يك مخزن عايق‌بندي شده ذخيره مي‌شود. در مجموع براي حفظ ايمني ساخت در تمام شرايط، سه عدد سوپاپ مخصوص روي مخزن سوخت قرار گرفته است. يكي از اين سوپاپ‌ها با رسيدن فشار هيدروژن به ميزان 4.5 بار باز مي‌شود و دو سوپاپ ديگر نيز براي جلوگيري از خطر نشت هيدروژن از مخزن به بيرون در نظر گرفته شده است و دماي آن نيز پائين نگه داشته مي‌شود. جالب اين كه هيدروژن به سختي مايع مي‌شود و بايد اين گاز را در حرارت 150 درجه زير صفر با فشار بالا قرار داد تا بتوان آن را مايع كرد؛ پس نوع مخزن ذخيره‌سازي هيدروژن هم بسيار پيچيده خواهد بود. حفظ ايمني اين مخزن پيچيده‌تر است، زيرا در صورت انفجار، به راحتي محله‌اي را به هوا خواهد برد.
سوپاپ‌هاي اضافي فشار گاز در لوله‌هاي سوخت‌رساني به موتور و ميزان جابه‌جايي هيدروژن از داخل مخزن به سمت بيرون را كنترل مي‌كنند. با مشاهده كوچكترين نشت، فشار هيدروژن به 0.4 بار كاهش يافته و سوپاپ‌هاي تامين سوخت به طور خودكار جريان هيدروژن را قطع مي‌كنند.
براي حفظ فشار مناسب در سوپاپ‌هاي تزريق، سيستم مديريت موتور، فشار هيدروژن در لوله‌هاي مربوطه را به 1.2 بار كاهش مي‌دهد. چهار سنسور نيز در نقاط خطرناك و حساس نصب شده و پس از هرگونه نشت در سيستم اخطار مي‌دهند.
فناوري سوپاپ‌هاي پيشرفته
در موتور جديد هيدروژني بي.ام.و از فناوري والوترينك بهره‌گيري شده است. اين سيستم كه نام تجاري آن VANOS است دو مزيت دارد: تغيير زمانبندي سوپاپ‌ها و ميزان بلند شدن و برخاستن سوپاپ‌ها. اين سيستم منحصر به فرد براي متخصصان بي.ام.و براي كنترل عملكرد سوپاپ‌ها است و ميزان بلند شدن سوپاپ‌ها را نيز مشخص مي‌كند. اين كار از طريق يك اهرم واسط بين ميل سوپاپ و دو سوپاپ ورودي روي هر سيلندر انجام مي‌شود و يك ميله خارج از مركز نيز به وسيله يك موتور برق به حركت درمي‌آيد.
آينده منتظر هيدروژن
به گزارش ايسنا، استفاده از سوخت‌هاي فسيلي احتمالا در 100 سال آينده، اندك اندك كنار گذاشته خواهد شد. آلودگي اين سوخت‌ها مشكل‌ساز هستند و اگر مهندسان بتوانند از هيدروژن در موتور خودروها استفاده كنند، مشكل انرژي و آلودگي حل خواهد شد؛ چرا كه تنها نتيجه سوختن هيدروژن با اكسيژن، آب است، اما هنوز راه زيادي باقي است. شايد بعيد به نظر برسد؛ عنصر هيدروژن كه به گفته بسياري از دانشمندان دومين عنصر طبيعت از نظر فراواني است، به سختي تهيه و سخت‌تر از آن ذخيره مي‌شود؛ حال بايد ديد دانشمندان چگونه از هيدروژن استفاده مي‌كنند و چگونه كليد استفاده از معدن هيدروژن در خودروها پيدا خواهد شد.
