پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن چگونه خودروهای برقی را به چالش می‌کشند؟

اگرچه این روزها صحبت از همه‌گیری خودروهای برقی است اما پیشرانه‌های درون‌سوز با سوخت هیدروژن نیز امیدواری‌های زیادی را ایجاد کرده‌اند.

خودروهای برقی همچنان با برخی مشکلات دست به گریبان هستند و بعضی خودروسازان به دنبال استفاده از تکنولوژی متفاوتی یعنی پیشرانه درون‌سوز هیدروژن HCE رفته‌اند. داستان هیدروژن به عنوان یک سوخت به قرن‌ها پیش بازمی‌گردد. در سال ۱۷۶۶ بود که هنری کاوندیش اولین بار هیدروژن را کشف و ایزوله کرد و به خواص منحصربه‌فرد آن پی برد. تا قرن ۱۹ و ۲۰ میلادی هیدروژن در صنایع مختلفی بکار رفت هرچند ظهور سوخت‌های فسیلی باعث کم‌رنگ شدن کاربردهای هیدروژن شد.

در دهه‌های اخیر نگرانی‌هایی درباره تغییرات آب و هوایی و البته کاهش ذخایر نفتی به وجود آمده که نتیجه آن علاقه برخی شرکت‌ها به هیدروژن به عنوان منبع سوخت پاک و پایدار بوده است. هیدروژن می‌تواند گزینه‌ای مطلوب به عنوان سوخت پاک حمل‌ونقل باشد. پیشرانه درون‌سوز هیدروژن یک روش متمایز برای استفاده از چنین ظرفیت‌هایی است. برخلاف خودروهای سلول سوخت هیدروژنی که از تکنولوژی پیچیده و گران‌قیمتی استفاده می‌کنند، HCE ها دارای زیرساخت تثبیت شده و اصول مهندسی مشخص پیشرانه‌های درون‌سوز هستند. این امر باعث شده پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژنی پتانسیل‌های بیشتری داشته باشند.

برخلاف خودروهای سلول سوخت برقی که از هیدروژن برای تولید الکتریسیته لازم برای موتور برقی استفاده می‌کند، پیشرانه درون‌سوز هیدروژن بر اساس اصول ساده‌تری کار خواهد کرد. این نوع پیشرانه‌ها هیدروژن را به‌صورت مستقیم در یک پیشرانه درون‌سوز اصلاح شده می‌سوزاند و تنها بخار آب از اگزوز خارج می‌شود. این امر می‌تواند یک چالش برای همه‌گیری خودروهای برقی باشد چراکه مزیت‌های منحصربه‌فردی دارد. اصول کلی کارکرد پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن مشابه نمونه‌های بنزینی است. هوا وارد سیلندرها شده و با سوخت هیدروژن تزریقی ترکیب و سپس شمع باعث احتراق این مخلوط می‌شود. نتیجه این امر تولید گرما و فشار است که پیستون‌ها را حرکت داده و نهایتاً خودرو به راه می‌افتد. البته تفاوت‌های مهمی هم وجود دارد. هیدروژن سبک‌ترین و فراوان‌ترین عنصر در طبیعت است و از سوختن آن تنها بخار آب حاصل می‌شود. این امر آلایندگی خودروهای درون‌سوز را به صفر می‌رساند و از نظر زیست‌محیطی مزیت بسیار خوبی دارد.

در این زمینه تویوتا پیشتاز توسعه پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن به شمار می‌رود و بیش از دو دهه است که به پیشرفت‌های زیادی دست یافته است. از ابتدای قرن ۲۱ تاکنون این خودروساز ژاپنی در زمینه استفاده از هیدروژن سرمایه‌گذاری کرده که نتیجه آن تولید برخی مدل‌های پیش‌تولیدی با تکنولوژی‌های جدید است. یکی از مثال‌های بارز در این زمینه هایلوکس هیدروژنی است که توانایی‌های شناخته شده خود را با سوخت هیدروژن به نمایش می‌گذارد. تولید این خودرو راه را برای پیشرفت‌های بیشتر در حمل‌ونقل پاک و پایدار همواره می‌کند.

همچنین پروتوتایپ هایس هیدروژنی نیز به عنوان یک ون محبوب با چنین سوختی تولید شده است. این خودروی کاری منعطف در صنایع گوناگونی بکار گرفته می‌شود و استفاده از پیشرانه درون‌سوز هیدروژن یک مزیت دیگر برای آن خواهد بود. تویوتا با این پروتوتایپ، مزیت‌های هیدروژن برای استفاده‌های تجاری را نشان داده است؛ اما جاه‌طلبی‌های تویوتا به این موارد محدود نمی‌شود چراکه از نظر پرفورمنس نیز مرزها را جابجا کرده است. خودروی مفهومی GR کرولا H2 نمونه‌ای از این برنامه‌هاست که جذابیت را در دنیای خودروهای سوخت هیدروژن نشان می‌دهد.

این هاچبک اسپرت و برگرفته از مسابقات رالی تعهد ژاپنی‌ها به پیشرفت تکنولوژی درون‌سوز هیدروژن و درعین‌حال ارائه محصولی جذاب و هیجان‌انگیز را نشان می‌دهد. البته تلاش‌های خودروساز موردبحث به تولید نمونه‌های آزمایشی ختم نشده و به دنبال حل مشکلات اصلی پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن نیز بوده است. یکی از این مشکلات داغ کردن پیشرانه است که ژاپنی‌ها طرح جدیدی را برای حل آن ثبت کرده‌اند. با این طرح گرما مؤثرتر دفع می‌شود و پیشرانه با راندمان و قابلیت اطمینان بالایی کار می‌کند.

یکی از نقاط ضعف اصلی خودروهای برقی امروزی زمانی شارژ آن‌هاست و حتی با وجود تکنولوژی شارژ سریع نیز باتری خودروها در طول چند ساعت شارژ کامل خواهد شد؛ اما خودروهای درون‌سوز هیدروژن زمان سوخت‌گیری مشابهی با محصولات بنزینی دارند و تنها چند دقیقه طول می‌کشد تا تانک‌های هیدروژن پر شوند. این یک فاکتور تعیین کننده در مسافرت‌های طولانی و همچنین استفاده‌های سازمانی و ناوگانی از خودروهایی با سوخت هیدروژن خواهد بود. دیگر پتانسیل پیشرانه درون‌سوز هیدروژن به شعاع حرکتی‌اش مربوط می‌شود. تراکم انرژی بالای هیدروژن باعث می‌شود چنین خودروهایی شعاع حرکتی بیشتری نسبت به محصولات برقی داشته باشند. به همین خاطر میزان مراجعه به جایگاه‌های سوخت‌گیری کمتر خواهد شد و قطعاً افرادی که سبک زندگی ماجراجویانه دارند از تکنولوژی موردبحث استقبال خواهند کرد.

اگرچه خودروهای برقی در کاهش آلایندگی شهرها نقش دارند اما نگرانی‌های زیست‌محیطی درباره تولید باتری و دفع آن‌ها را نمی‌توان نادیده گرفت. استخراج مواد خام و فرایندهای ساخت متریال جدید نیز سؤالاتی را درباره میزان پاک بودن خودروهای برقی به وجود آورده است؛ اما خودروهای درون‌سوز هیدروژن جایگزین پاک‌تری هستند. اگرچه تولید هیدروژن می‌تواند انرژی زیادی را طلب کند اما پیشرفت‌های صورت گرفته در تکنولوژی‌های الکترولیز تجدید پذیر می‌تواند نویدبخش آینده‌ای پاک‌تر برای این سوخت باشد. همچنین نبود فلزات سنگین در ساختار و تولید بخار آب باعث می‌شود هیدروژن برای محیط‌زیست خطری نداشته باشد.

البته در این مسیر چالش‌هایی نیز وجود دارد. هرچند پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن جایگزین مناسبی برای محصولات برقی به نظر می‌رسند اما مسیر همه‌گیری آن‌ها پر از موانع گوناگون است. چالش‌های گسترش زیرساخت‌ها، هزینه‌های تولید و مشکلات فنی حتماً باید مرتفع شوند تا این دسته از خودروها یک رقیب واقعی به شمار روند. زیرساخت‌های محدود سوخت‌گیری هیدروژن یک مانع جدی به نظر می‌رسد. برخلاف شبکه گسترده سوخت‌رسانی بنزین، جایگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن اصلاً همه‌گیر نشده‌اند و همین موضوع باعث شده مسئله “مرغ و تخم‌مرغ” به وجود آید. رانندگان بدون وجود زیرساخت‌های لازم، پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن را انتخاب نخواهند کرد و نبود تقاضا از سمت خریداران هم باعث خواهد شد زیرساخت‌ها گسترش نیابند.

نکته دیگر به هزینه بالای تکنولوژی HCE در مقایسه با پیشرانه‌های بنزینی مرسوم مربوط می‌شود. این هزینه بالا به خاطر پیچیدگی بیشتر پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن مطرح می‌شود چراکه متریال و قطعات منحصربه‌فردی برای استفاده از هیدروژن لازم است. همچنین تا تجاری‌سازی و تولید انبوه این تکنولوژی راه نسبتاً زیادی باقی مانده که هزینه‌ها را همچنان بالا نگه می‌دارد. برای حل این مشکل باید پیشرفت‌های اساسی در فرایندهای طراحی و ساخت رخ دهد. علاوه بر محدودیت‌های مربوط به زیرساخت‌ها و قیمت بالا، مشکلات فنی نیز باید حل شوند. اگرچه هیدروژن تراکم انرژی بالایی دارد اما استفاده از تانک‌های ذخیره این سوخت باعث کاهش فضای کابین و بار خودروها خواهد شد. به همین خاطر باید پیشرفت‌های مهمی در زمینه استفاده از متریال جدید و نوع طراحی تانک‌ها رخ دهد.

قوانین و سیاست‌های دولتی هم نقش مهمی در پیشبرد اهداف هیدروژن بازی می‌کنند. قوانین آلایندگی سخت‌گیرانه و مشوق‌های لازم برای حمل‌ونقل پاک باعث می‌شود بازار بهتری برای پیشرانه‌های درون‌سوز هیدروژن وجود داشته باشد. در مقابل باید گفت عدم‌ حمایت دولت‌ها و یا سیاست‌گذاری نادرست باعث خواهد شد این تکنولوژی به‌صورت محدود باقی بماند. بی‌شک مسیر پیش روی تکنولوژی یاد شده چالش‌های زیادی دارد و غلبه بر آن‌ها نیازمند سرمایه‌گذاری مداوم، پیشرفت‌های فنی و حمایت‌های دولتی است. پیشرانه درون‌سوز هیدروژن جایگزین کاملی برای خودروهای برقی به شمار می‌رود و مشکلات مربوط به شعاع حرکتی و آلایندگی ناشی از تولید و دفع باتری را حل کرده است.