هیدروژنی یا برقی؛ آینده صنعت خودرو از آن کدام است؟

مجله دانشمند - خشایار مریدپور: در آستانه ورود تسلا به حوزه تولید انبوه با مدل ۳، شاهد تکاپوی سازندگان شناخته شده برای نماندن زیر آوار این زلزله بزرگ هستیم. کافی است نگاهی به آخرین محصول سواری تسلا، یعنی رودستر نسل بعد داشته باشید تا متوجه فاصله فناوری بین خودروهای الکتریکی و بنزینی شوید. این رودستر که همین چند ماه پیش در مراسمی همراه با کامیون تمام الکتریک تسلا رونمایی شد، می تواند فقط در ۱.۹ ثانیه به سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت برسد و با هر بار شارژ حدود ۱۰۰۰ کیلومتر را بپیماید.

یک بار دیگر این اعداد و ارقام را مرور کنید تا صدای ناقوس مرگ موتورهای درون سوز را بهتر بشنوید. اما آیا استفاده از باتری و موتورهای الکتریکی بهترین راه حل ممکن است و آینده تنها از آن خودروهای برقی خواهد بود؟ شاید هم نه! خودروی لوکس اسپرت تازه تسلا، بی صدا است و می تواند به نهایت سرعت ۴۰۳ کیلومتر بر ساعت برسد و از جدیدترین فناوری های رانندگی خودکار و هوش مصنوعی اختصاصی تسلا بهره خواهد برد. جالب آن که با وجود تمام این توانایی های این خودرو حدود ۲۰۰ هزار دلار قیمت گذاری شده که در قیاس با ۳ میلیون دلار برای بوگاتی کایرون (که از نظر برد و شتاب عملکرد ضعیف تری هم دارد)، تقریبا مجانی است؛

خودروی هایپر اسپرت الکتریکی Rimac

دیگر محصول این شرکت یعنی کامیون جدید تسلا هم برای رقبای دیزلی اش حسابی گرد و خاک کرده است و با داشتن رکوردهایی مثل صفر تا 100 کیلومتر بر ساعت در 5 ثانیه (با 36 تن بار حدود 20 ثانیه!) و برد 800 کیلومتری در شرایط جاده ای و با بار کامل رقابت را برای کشنده های موجود در بازار بسیار سخت خواهد کرد. به این موارد می توانید ده ها شرکت استارت آپی خودروی الکتریکی، تغییر جهت سازندگان بزرگ، برقراری سیاست های منع تولید تا 20 سال آینده در برخی از کشورهای پیشرفته و خودروهای مفهومی جدیدی که در حال اشباع نمایشگاه های خودرو هستند، را اضافه کنید تا وضعیت خودروها در سال های آینده را دریابید.

همه رقیبان تسلا

از همان سال 2012 و با مشاهده عملکرد بسیار خوب خودروی رودستر تسلا، بازیگران بزرگ صنعت خودرو به تکاپوی تولید خودروهای تمام الکتریک افتادند. برای مثال پارسال شرکت مرسدس بنز از یک کشنده الکتریکی شهری رونمایی کرد که می تواند بارهایی تا حد 26 تن را در مسیرهای کوتاه جابه جا کند و برد آن در حدود 300 کیلومتر اعلام شده است. این محصول که چند ماه پیش از کشنده تسلا معرفی شد، نه تنها در هیچ معیاری قادر به رقابت با کشنده آمریکایی ها نیست. بلکه نشان دهنده فاصله ای است که بین خودروسازان سنتی و شرکت های فناورانه و نوپایی مثل تسلا به وجود آمده است.

راه حل میان مدت بسیاری از این سازنده ها هم ارائه محصولات هیبرید و گسترش مدل های مبنی بر این فناوری، تمرکز روی کاهش آلاینده ها و ایجاد زیرساخت های لازم برای رقابت در بازار خودروهای تمام الکتریک بوده است. در این بین شرکت های مستقل فراوانی هم وجود دارند که بسیاری از آنها هنوز قابلیت عرضه محصولات مستقل یا به شکل انبوه را ندارند و بیشتر به صورت پروژه های بهینه سازی خودروهای حمل و نقل سنگین به منظور کاهش مصرف سوخت و آلاینده ها در بازار حضور دارند. البته در بخش خودروهای لوکس اسپرت رقابت سنگین تر است، چرا که می توانید روی فروش تعداد معدود از محصولات بسیار گران قیمت حساب کنید.

خودروی مفهومی FF91

برای مثال می توانیم به شرکت های Faraday Future و Rimac اشاره کنیم که هردو در سال های قبل توانسته اند با ارائه خودروهای مفهومی چشم گیر برای تسلا چنگ و دندان نشان دهند. شرکت Faraday Future توانست با ارائه خودروی مفهومی ۱۰۰۰ اسب بخاری هوشمند خود در نمایشگاه ۲۰۱۷ CES توجه ها را به خود جلب کرده و سرمایه فراوانی جذب کند. قرار است از این خودروی کراس اوور فوق هوشمند و لوکس تنها ۳۰۰ دستگاه تولید شود و اعلام شده اولین مشتریان می توانند از چند ماه دیگر خودروهای خود را در اختیار داشته باشند.

Rimac هم یک شرکت کروات است که با خودروی مفهومی Concept-One معروف شد و اعلام کرد ممکن است تا سال آینده رودستر تمام الکتریک خود را به بازار عرضه کند. خودروی تمام الکتریک این شرکت قدرت خارق العاده ای معادل ۱۲۲۴ اسب بخار و ۲۵۵۰ نیوتن متر گشتاور تولید می کند و می تواند در کمتر از ۲.۵ ثانیه به سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت برسد. البته از نظر برد انتقالی، نمی توان از چنین هیولایی انتظار زیادی داشت و با توجه به سطح عملکرد و کلاس اسپرتی آن، برد ۳۵۰ کیلومتری آن معقول به نظر می رسد.

البته تولید یک خودروی مفهومی با قابلیت عرضه انبوه تفاوت دارد و بسیاری از این شرکت های استارت آپی از حد معرفی همین نمونه های نمایشگاهی فراتر نمی روند. مشکلات مالی و مسائل فنی که در زمان تولید و عرضه محصولات خود را نشان می دهند، در کنار موقعیت انحصاری شرکت تسلا در زمینه تولید باتری و فاصله فراوان آن با نزدیک ترین رقبا باعث می شود تا در زمینه خودروهای الکتریکی نتوانیم رقیب جدی برای آن متصور باشیم. اما آیا این به آن معنی است که موتورهای الکتریکی قرار است برای همیشه جایگزین موتورهای درون سوز شوند. با فناوری های دیگری هم وجود دارند که قرار است آینده صنعت خودرو را متحول کنند؟

هیدروژن، کلید آینده؟

بالا رفتن دائمی قیمت سوخت های فسیلی، چالش های زیست محیطی و گرمایش کره زمین و مسائلی مثل آلودگی شدید شهرهای بزرگ، نگاه ما را به سمت فناوری های جایگزین برای تامین انرژی پاک و ایمن برای خودروها برگرداند. اما تنها راه تولید خودروهایی که بدون تولید آلاینده بتوانند مسافت های طولانی را طی کنند و همچنین استفاده از آنها صرفه اقتصادی داشته باشد، استفاده از باتری و موتورهای الکتریکی نیست. فناوری پیل های سوختی هیدروژنی مدت ها است به عنوان یک روش جایگزین مناسب مطرح است و سازندگانی مثل تویوتا و BMW از چند دهه قبل در حال امکان سنجی تولید انبوه خودروهای مجهز به این پیل های سوختی بوده اند.

پیل های سوختی هیدروژنی، مانند باتری ها بدون استفاده از قطعات متحرک و په صورت مستقیم انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل می کند. بازدهی این پیل های سوختی بسیار بالاست و می توان آن ها را دو برابر کاراتر از موتورهای درون سوز معمول دانست که به معنی برد بیشتر با مقدار سوخت برابر است. همچنین سوخت گیری این خودروها بسیار مشابه سوخت گیری خودروهای کنونی است و سرعت آن در قیاس با شارژ باتری بسیار بسیار کمتر است. همچنین نبود قطعات متحرک در پیل به معنی نداشتن نیاز به تعمیر و نگهداری و هزینه عملیاتی بسیار کمتر نسبت به خودروهای متعارف است. خودروهای مجهز به پیل سوختی، سال ها است که از حد پروژه های تحقیاتی فراتر رفته اند و به نظر می رسد توان صنعتی لازم برای تولید آنها وجود داشته باشد.

برای مثال هم اکنون نیز در ایالت کالیفرنیای آمریکا، خودروی هیدروژنی Clarity شرکت هوندا با برد 500 کیلومتری در حال تردد است و تویوتا هم چند سالی است که مدلی اختصاصی به نام Mira را در این ایالت به فروش می رساند. اگرچه نبود ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن در بیرون کالیفرنیا، حضور این خودروها را به این ایالت محدود کرده است، اما به نظر می رسد با پیشرفت فناوری در سال های اخیر، زمینه برای حضور واقعی این خودروها در جاده ها در حال فراهم شدن است. شرکت تویوتا چند ماه پیش، از یک نمونه کشنده سبک مجهز به فناوری پیل سوختی رونمایی کرد که قرار است به صورت آزمایشی در آمریکا فعالیت کند.

یک نمونه دیگر را هم باید شرکت دانش بنیان Nikola Motor بدانیم که سال گذشته با اعلام ساخت یک کشنده سنگین با فناوری پیل سوختی هیدروژنی به نام Nikola One خبرساز شد. کشنده این شرکت، طبق ادعای سازندگانش، بیش از 1000 اسب بخار قدرت و بیش از 2700 نیوتن متر گشتاور تولید خواهد کرد و از این نظر با قدرتمندترین کشنده های دیزلی و حتی کشنده تسلا قابل مقایسه است. اما نقطه قوت اصلی این خودرو، که از فناوری پیل سوختی هیدروژنی در کنار سلول های باتری با قدرت 320 کیلووات ساعت استفاده می کند، برد بسیار زیاد آن است که با یک باک پر به 1300 کیلومتر می رسد. همچنین سوخت گیری کامل این کشنده تنها 15 دقیقه زمان می برد

که نسبت به زمان حداقلی یک ساعته لازم برای شارژ کامل کامیون تسلا با شارژرهای صنعتی مخصوص هم کمتر است. همان طور که گفتیم مشکل اساسی این خودروها، نبود زیرساخت لازم برای تهیه و عرضه سوخت مناسب است که به خصوص برای کشنده های بین شهری از اهمیت بسیاری برخوردار است. به همین دلیل هم شرکت Nikola Motor اعلام کرد قصد دارد همزمان با عرضه خودروی کشنده خود در سال ۲۰۲۰، بیشتر از ۳۵۰ جایگاه سوخت گیری هیدروژنی را در آمریکا تاسیس کند. البته تاسیس این تعداد جایگاه سوخت گیری می تواند بزرگ ترین چالش پیش روی این شرکت باشد چرا که موفقیت کشنده این شرکت تا حد زیادی وابسته به وجود شبکه مناسب تامین و عرضه سوخت است.

کشنده Nikola One

البته فناوری پیل سوختی هیدروژنی خالی از اشکال هم نیست و نقاط ضعف مشهودی هم می توان برای آن بر شمرد. برای مثال، برخلاف خودروهای الکتریکی که حتی می توان آنها را با استفاده از خروجی برق خانگی هم شارژ کرد، خودروهای هیدروژنی نیازمند سوخت گیری در جایگاه های پیشرفته ای هستند که ساخت هریک از آنها حداقل ۱۰ میلیون دلار هزینه دارد. همچنین هیدروژن خود یک منبع انرژی نیست و حامل انرژی محسوب می شود و برای تولید آن نیازمند مصرف انرژی (حرارتی، سوخت های فسیلی یا الکتریسیته) برای استخراج هیدروژن از آب دریا با روش های دیگر هستیم. در نتیجه نمی توان این فناوری را از نظر تاثیرگذاری بر محیط زیست با انرژی های پاکی مثل انرژی الکتریکی که از منابع تجدید پذیر مثل باد یا نور خورشید قابل تولید است، مقایسه کرد.

کشنده Nikola One

باید گفت که فناوری پیل سوختی هیدروژنی به دلیل مزیت هایی مثل داشتن منبع سوختی نسبتا ارزان، نداشتن آلایندگی، کارایی بهتر نسبت به موتورهای درون سوز و زمان سوختگیری کوتاه تر، مورد توجه جدی خودروسازان بزرگ و البته شرکت های دانش بنیان قرار گرفته است در صورتی که مشکل ایجاد زیرساخت های لازم برای زنجیره تامین و عرضه سوخت هیدروژن فراهم شود، که با توجه به سرمایه گذاری خودروسازهای بزرگ چندان هم بعید نیست آینده ممکن است در دستان خودروهای هیدروژنی باشد.

چند نکته درباره پیل سوختی هیدروژنی

* هیدروژن فراوان ترین عنصر در جهان است. هیدروژن یک حامل انرژی با محتوای انرژی بسیار بالاست که در مقادیر انبوه به شکل آب دریاها، هیدروکربن ها و دیگر مواد آلی روی کره زمین وجود دارد. هیدروژن را می توان با فرآیندهای مختلف از منابع متفاوت از جمله پالایش سوخت های فسیلی و الکترولیز آب استخراج کرد. میزان تاثیر زیست محیطی و بهره وری هیدروژن به عنوان یک سوخت به روش تولید آن بستگی دارد.

* پیل های سوختی هیدروژنی کاربردهای بسیاری دارند: از تامین الکتریسیته ساختمان ها، خودروها و کامیون ها تا کاربرد به عنوان سیستم تامین انرژی اضطراری و حتی باتری دستگاه های الکترونیکی قابل حمل. از آن جا که پیل های سوختی می توانند بدون نیاز به اتصال به شبکه، انرژی الکتریکی تولید کنند، انتخاب مناسبی برای پروژه های پرمصرف مثل دیتاسنترها و برج های مخابراتی، تامین انرژی اضطراری بیمارستان ها و ساختمان های دولتی و حتی کاربردهای نظامی هستند.

* پیل های سوختی هیدروژنی آلایندگی ندارند. پیل های سوختی مثل باتری ها بدون احتراق سوخت یا تولید آلاينده، انرژی الکتریکی تولید می کنند. اما برخلاف باتری ها پیل های سوختی به مرور زمان ضعیف نمی شوند و نیاز به شارژ مجدد ندارند. در واقع این پیل ها تا وقتی هیدروژن و اکسیژن مورد نیاز را در دسترس داشته باشند، می توانند انرژی تولید کنند، درست مثل موتورهای درون سوز،

اما حتی اگر برای تولید هیدروژن از گاز طبیعی هم استفاده کنیم، خودروهای هیدروژنی در نهایت نصف خودروهای بنزینی آلودگی تولید می کنند. البته اگر از انرژی های تجدیدپذیر مثل انرژی خورشیدی برای تولید هیدروژن استفاده کنیم، این کاهش آلایندگی به 90 درصد می رسد که واقعا می تواند برای کره زمین و زندگی ما سرنوشت ساز باشد. همچنین خروجی اگزوز خودروهای مجهز به پیل سوختی هیدروژنی تنها بخار آب است!

* درست مثل خودروهای بنزینی، خودروهای پیل سوختی هم با یک باک پر حدود ۵۰۰ کیلومتر مسافت را طی می کنند و سوخت گیری آنها تنها چند دقیقه طول می کشد. از آنجا که پیل سوختی هیچ قطعه متحرکی ندارد. نیازی به تعویض روغن و نگهداری دائمی از موتور نیست و این هزینه های نگهداری طولانی مدت خودرو را به شدت کاهش می دهد. همچنین محتوای انرژی بیشتر هیدروژن به این معنی است که با یک مقدار سوخت مسافت بیشتری را نسبت به خودروهای بنزینی طی می کند که به این معنی است که نه تنها مصرف سوخت تقریبا نصف می شود، بلکه بهره وری آن هم دوبرابر خواهد بود.