موتورهای اتانول سوز (EBDI)
6 فوریه 2009، ریكاردو، متخصص فناوری خودرو، نوعی موتور بنزین‌سوز را بهینه کرده است. این بهینه سازی برای سوخت ترکیبی اتانول-بنزین است. کارایی موتور طراحی‌شده از موتورهای بنزینی به مراتب بالاتر است. این فناوری با نام Ethanol Boosted Direct Injection (EBDI) به بازار خواهد آمد. این فناوری به‌منظور کاهش آسیب به محیط زیست از طریق کاهش مصرف سوخت فسیلی طراحی شده است. وی گفت: “ما بحث‌های نظری گذشته را تغییر داده‌ایم و درحال استفاده از فناوری انرژی تجدیدپذیر در دنیای واقعی هستیم. هدف اصلی بهینه‌سازی این موتور اسفاده از اتانول به عنوان سوخت جایگزین بنزین است.
موتور برای سوخت سبز
پروژه موتور EBDI نمونه‌ای بی‌نظیر است، زیرا استفاده از بنزین را بسیار محدود می‌کند. موتور EBDI به طور قابل‌توجهی بهره‌وری اتانول را بهبود می‌بخشد و در سطحی قابل مقایسه با موتور دیزل عمل می‌کند. نمونه اولیه EBDI یک موتور V6 3.2 لیتری است. که در نهایت می‌تواند به‌عنوان جایگزینی برای یک موتور بنزینی بزرگ یا توربو دیزل در حمل و نقل عمومی خدمت کند. تولید اولین نسخه از این موتور انجام شده است. به زودی این موتور در کامیون‌های سبک، موتورسیکلت ها و … نصب خواهند شد. پروژه EBDI با همکاری فنی با شرکت‌های بوهر، بوش، دلفی، GW Castings و Honeywell انجام شده است. این شرکت‌ها به پیشرفت و تجاری‌سازی این فناوری بسیار امیدوارند. کار روی این پروژه تحقیقاتی در پردیس فناوری دیترویت انجام شده است.
پیل‌های سوختی هیدروژنی
در سال 1839 اولین پیل سوختی توسط سِر‌ویلیام رابرت گروو، که یک قاضی، مخترع و فیزیکدان بود ساخته شد. او هیدروژن و اکسیژن را در حضور الکترولیت مخلوط کرد و حاصل این فرایند تولید آب و الکتریسیته بود. این اختراع که بعد‌ها به عنوان پیل سوختی شناخته شد در ابتدا به اندازه کافی الکتریسیته تولید نمی‌کرد.
اولین مراحل توسعه پیل‌های سوختی
عبارت “پیل سوختی” در سال 1889 توسط لودویگ موند و چارلز لنگر استفاده شد. آن‌ها در تلاش بودند یک پیل سوختی مناسب با استفاده از هوا و گاز زغال سنگ تولید کنند. ویلیام وایت ژاکس اولین محققی بود که از فسفوریک به عنوان الکترولیت در پیل‌های سوختی استفاده کرد. در دهه 20 قرن بیستم پژوهش‌هایی که حول پیل‌های سوختی در آلمان انجام شد، راه را برای توسعه پیل‌های سوختی کربناته و اکسید جامد هموار کرد. در سال 1932 مهندس فرانسیس بِیکن تحقیقات اساسی خود را برروی پیل‌های سوختی آغاز کرد.
در طرح‌های اولیه پیل سوختی عمدتا از پلاتین متخلخل برای الکترود و سولفوریک اسید به عنوان حلال الکترولیت استفاده می‌شد. مشکل اصلی در این پیل‌های سوختی خورندگی سولفوریک اسید و گران بودن پلاتین است. بِیکن با استفاده از الکترود‌های نیکلی ارزان و همچنین یک مایع آلکالی با قابلیت خوردنگی کمتر این مشکلات را برطرف کرد. برای بِیکن حدود ۲۸ سال طول کشید تا طرح پیل سوختی مدنظرش را توسعه دهد که نتیجه آن یک پیل سوختی با توان 5 کیلووات بود.
انواع پیل‌های سوختی
تاکنون انواع مختلفی از پیل‌های سوختی طراحی شده است. یکی از پرکاربرد ترین پیل‌های سوختی که مرکز توجه بسیاری از صنایع را به خود جلب کرده پیل‌های سوختی (PEM) است. PEM از یک غشا پلیمری جامد به عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. این پیل‌های سوختی از الکترود‌های کربنی به همراه ذرات پلاتین تشکیل شده است. انرژی تولید شده در این پیل سوختی توسط اکسیژن و هیدروژن تامین می‌شود. عمده کاربرد این مدل پیل‌های سوختی در حمل و نقل و خودروها است.
پیل‌های سوختی متانولی یکی دیگر از انواع متعدد ساخته شده هستند. در این پیل‌های سوختی متانول با آب مخلوط شده و به سمت سلول آنود هدایت می‌شود. متانول چگالی انرژی بیشتری نسبت به هیدروژن داشته اما همچنان از گازوییل و بنزین پایین‌تر است.
پیل‌های سوختی در ماشین‌ها
در اکتبر سال 1959 هری کارل آیریگ طرح یک تراکتور با توان 20 اسب بخار را برای شرکت Allis-Chalmers طراحی کرد. این تراکتور اولین ماشینی بود که از پیل سوختی در ساخت آن استفاده شد. در اوایل دهه 60 شرکت جنرال الکتریک برای کپسول‌های فضایی ناسا در پروژه‌های آپولو و جِمِنی، سیستم‌های الکتریکی مبتنی بر پیل‌های سوختی را تولید کرد. پایه طرح‌های شرکت جنرال الکتریک برای تولید پیل‌های سوختی، اصول استفاده شده در مدل بِیکن برای پیل‌های سوختی بود. امروزه در اکثر سیستم‌های هوافضا از پیل‌های سوختی برای تامین برق و حتی آب آشامیدنی استفاده می‌شود. در آینده از این پیل‌ها به عنوان سوخت جایگزین بنزین در خودروها استفاده خواهد شد.
پیل‌های سوختی در ماشین‌ها (ادامه)
استفاده از راکتور‌های هسته‌ای در سیستم‌های هوافضا ریسک بالایی دارد، استفاده از باتری و یا انرژی خورشیدی وزن بالایی خواهد داشت و فضای نسبتا زیادی هم اشغال می‌کند. به همین جهت ناسا حدود 200 پروژه تحقیقاتی برای توسعه تکنولوژی پیل‌های سوختی را تامین مالی کرد. اولین اتوبوس مبتنی بر پیل‌های سوختی در سال 1993 ساخته شد. در این اتوبوس از سوخت هیدروژن به عنوان جایگزین بنزین استفاده شده است. از آن پس پیشرفت خوبی در ساخت وسایل نقلیه با استفاده از پیل‌های سوختی حاصل شد و امروزه تعداد زیادی از ماشین‌ها در اروپا و ایالات متحده با پیل‌های سوختی کار می‌کنند.
نحوه عملکرد پیل‌های سوختی هیدروژنی
به‌طور کلی پیل‌های سوختی طی واکنش‌‌های الکتروشیمیایی انرژی پتانسیل شیمیایی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. در پیل‌های سوختی هیدروژنی، از اکسیژن و هیدروژن جهت انجام این واکنش‌ها استفاده می‌شود. تفاوت اصلی پیل‌های سوختی و باتری‌ها در این است که باتری، یک میزان مشخص از انرژی را در خود ذخیره می‌کند و هنگامی که این میزان انرژی تمام می‌شود باید آن را مجددا شارژ و یا تعویض کرد.اما در پیل‌های سوختی مثل هیدروژن، تا هنگامی که منبع تولید انرژی (هیدروژن و اکسیژن) به پیل سوختی برسد می‌تواند الکتریسیته تولید کند.
پیل‌های سوختی؛ منبع کافی برای تامین انرژی
شاید پاسخ به این سوال که “چه نکته مثبتی در استفاده از پیل‌های سوختی وجود دارد؟” باید به این صورت تغییر کند که “آلودگی، تغییرات اقلیمی و تمام شدن ذخایر طبیعی چه فایده ای برای ما دارند؟”. اکنون که وارد هزاره دیگری می‌شویم وقت آن رسیده که انرژی‌های تجدید پذیر و غیر مخرب برای محیط زیست را در اولین اولویت‌ها قرار دهیم. 150 سال است که از ساخت اولین پیل سوختی می‌گذرد و بعد از آن پیل‌های سوختی همیشه به عنوان یک منبع انرژی پایدار، امن و سالم دردسترس بوده اند. اما چرا تاکنون به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته اند؛ بیشتر به‌دلیل هزینه طراحی و ساخت آن‌ها است.
پیل‌های سوختی (ادامه)
به‌همین سبب دانشگاه‌ها و شرکت‌های بزرگ به دنبال ایجاد راه‌هایی برای تجاری سازی پیل‌های سوختی در مقیاس بزرگ هستند که تا حد چشم‌گیری هم پیشرفت کرده اند. ایالات متحده در 30 سال گذشته بالغ بر یک میلیارد دلار برروی تحقیق و توسعه پیل‌های سوختی هزینه کرده است. در سال 1998 ایسلند عنوان کرد که قصد دارد طی یک قرارداد 10 ساله با شرکت خودروسازی Daimler-Benz و Ballard Power Systems پیل‌های سوختی هیدروژنی را در تمام وسائل حمل و نقل اعم از کشتی‌های ماهیگیری جایگزین سوخت‌های فسیلی کند. به همین جهت هم یک شرکت مشترک از همه کمپانی‌های حاضر در قرارداد تشکیل شد تا این طرح را عملی کنند. هدف اصلی این شرکت‌ها استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر جایگزین بنزین است.
تاکنون روش‌های متعددی برای افزایش امنیت پیل‌های سوختی هیدروژنی، ظرفیت انرژی و بازدهی آن‌ها توسعه پیدا کرده است. با این حال برای مقیاس پذیری پیل‌های سوختی هیدروژنی و همچنین خطرات مرتبط با انفجار آن، شرکت‌های خودروسازی به طور گسترده از آن‌ها برای ماشین‌های خود استفاده نمی‌کنند. شرکت Greenpeace با توسعه روشی موفق شد تا یک پیل سوختی طراحی کند که در آن هیدروژن به‌طور تجدید پذیری تولید می‌شود. با این حال این پروژه توسط خودروسازهای بزرگ اروپایی رد شد به این دلیل که برای آن‌ها تولید خودرو‌های بسیار کم مصرف که در 100 کیلومتر تنها 3 لیتر بنزین مصرف می‌کند ارجحیت داشت.
Awesome post! Keep up the great work! 🙂