دانلود مقاله سوخت پاک
مقدمه
در حال حاضر شش میلیارد و ۴۰۰ میلیون انسان بر روی کره زمین زندگی می‌کنند و این آمار تا سال ۲۰۲۰ به هفت میلیارد و ۵۰۰ میلیون نفر خواهد رسید. در همین حال پیش‌بینی می‌شود، در مدت زمان فوق شمار افرادی که صاحب خودرو می‌شوند ۱۲ تا ۱۵ درصد رشد داشته باشد و این بدان معنی است که تعداد خودروها که در حال حاضر در حدود ۷۷۵ میلیون دستگاه برآورد شده
است، تا سال ۲۰۲۰ به بیش از یک میلیارد و ۱۰۰ میلیون دستگاه خواهد رسید. بنابراین کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های محیط زیست اهمیت بسیار زیادی پیدا می‌کند که در این میان شرکت خودروسازی جنرال موتورز آمریکا با معرفی تکنولوژی پیل سوختی هیدروژنی توانسته است امید به جابجایی بدون آلودگی رادر آینده افزایش دهد.
لذا توسعه خودروهای پیل سوختی به سرعت در جهان در حال رشد است، به طوری که در حال حاضر شرکت‌های خودروسازی جنرال موتورز و اوپل بیش از یک میلیارد دلار صرف تحقیقات در این تکنولوژی کرده‌اند.
“هیدروژن ۳ اوپل” ثابت کرده است که رانندگی با خودروهای متفاوت، مسیر خود را از آزمایشگاه به جاده هموار کرده است و نمونه اولیه آن در حال حاضر با همکاری شرکت سازنده مبلمان ایکیا (IKEA) در حال گذراندن آزمایشهای متفاوت است و سکوئل (Seqel) جنرال موتورز به تولید خودروهای با پیل سوختی نزدیک‌تر شده است.
“هیدروژن ۳ اوپل”؛ دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالی “هیدروژن ۳ اوپل” جانشین نمونه اولیه هیدروژنی است که در بهار سال ۲۰۰۰ معرفی شد و از روی طرح خودرو زافیرا اوپل ساخته شده بود.
نیروی برق این خودرو توسط ۲۰۰ قطعه پیل سوختی که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند، تولید می‌شود. این پیل‌ها نیروی موتور برقی ۸۲ اسب بخار بر ۶۰ کیلووات هیدروژن ۳ را تامین می‌کند. این نیروگاه که حداکثر ۲۱۵NM گشتاور توسعه می‌دهد، حداکثر سرعتی برابر با ۱۶۰ کیلومتر بر ساعت تولید می‌کند و در کمتر از ۱۶ ثانیه از صفر تا ۱۰۰ کیلومتر در ساعت شتاب می‌گیرد که در حالتی کاملا بی‌صداست.
در مسابقات ماراتن تابستان سال ۲۰۰۴، هیدروژن ۳ اوپل توانست بدون هیچ مشکلی ۹ هزار و ۶۹۶ کیلومتر را در ۱۴ کشور مختلف اروپایی طی کند. در آوریل سال ۲۰۰۵ نیز این خودرو توانست جایزه مسابقات رالی مونت کارلو را برای وسایل نقلیه دارای پیل سوختی از آن خود کند.
شرکت خودروسازی اوپل اکنون در حال گسترش تکنولوژی آزمایشهای پیل سوختی با همکاری شرکت سوئدی ایکیا میباشد. وسایل نقلیه پیل سوختی هیدروژن ۳ که عاری از آلاینده‌های زیست محیطی میباشد از اوایل
تابستان سال گذشته تحویل کالاها به مشتریان ایکیا را در برلین آغاز کرده است. سوخت این وسایل نقلیه با هیدروژن مایع تامین می‌شود.
آزمایشهای این خودروها تحت نظارت پروژه همکاری انرژی پاک دولت آلمان انجام می‌شود که عملکرد انرژی ۱۷ خودرو با سوخت هیدروژنی را تحت شرایط خاص آزمایش می‌کند.
بزرگترین جایگاه سوخت گاز هیدروژنی جهان در پاییز سال ۲۰۰۴ در پایتخت آلمان آغاز به کار کرد و قرار است علاوه بر گاز هیدروژن و هیدروژن مایع، بنزین و گازوئیل نیز به مردم ارایه کند.
سکوئل جنرال موتورز
خودروی سکوئل جنرال موتورز محصولی است که تمامی نتایج تحقیقات فشرده که طی چند سال اخیر از سوی بزرگترین خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه‌ای که جنرال موتورز بیش از یک میلیارد دلار در آن سرمایه‌گذاری کرده است. این خودرو جادار به گونه‌ای طراحی شده است که کمترین آلایندگی محیط زیست را دارد. در این خودرو سه منبع با فشار بالا تعبیه شده است که موقعیت آنها در میانه شاسی باعث بهبود مرکز ثقل خودرو می‌شود. این خودروها که از اصلاحات فنی بسیار زیادی نیز بهره‌مند می‌باشند منحصر به فرد هستند.
خودروی سکوئل جنرال موتورز به دلیل افزایش ۲۵ درصدی نیرو توسط تکنولوژی جدید میتواند سرعت صفر تا ۱۰۰ کیلومتر را در کمتر از ۱۰ ثانیه به دست آورد.
اجزای پیل سوختی شامل توده پیل سوختی، دستگاه فرعی هیدروژن و فرآوری هوا، سیستم خنک کننده و سیستم توزیع ولتاژ بالا میباشد.
آلودگی هوا چیست؟
آلودگى هوا به معناى مخلوط شدن هوا با گازها،قطرات و ذراتى است که کیفیت هوا را کاهش مى‌دهند
در شهرها، ماشین‌ها و اتوبوس‌ها، هواپیماها و نیز صنایع و ساختمان‌سازى ممکن است باعث آلودگى هوا شوند.
در خارج از شهرها غبار حاصل از شخم زدن زمین به وسیله تراکتورها، ماشین‌ها و کامیون‌هایى که در
جاده‌هاى شنى یا خاکى مى‌رانند، ریزش کوه و دود حاصل از آتش سوزى بیشه‌ها و مزارع باعث آلودگی‌هوا
می‌شود.
یک عامل مهم دیگر آلودگى هوا در اغلب شهرهاى بزرگ گاز ازن در سطح زمین است. ازن در سطح زمین
هنگامی تشکیل می‌شود که گازهاى آلاینده حاصل از اتومبیل‌ها و سایر وسائلى که سوخت مصرف مى‌‌کنند با
نور خورشید واکنش مى‌کند؛ در نتیجه گاز ازنی به وجود میآید که براى انسان سمى است.
این گاز ازن در شرایط ساکن بودن هوا، درخشندگى نور خورشید و آب‌وهوای گرم بیشتر به وجود میآید. این
ازن در سطح زمین را نبایدبا “ازن خوب” که کیلومترها بالاتر در قسمت فوقانى جو زمین قرار دارد و اشعه
ماوراء بنفش مضر خورشید را جذب می‌کند اشتباه گرفت.
اگزوز اتومبیل در شهرها آلاینده‌های متعددى را از خود خارج مى‌کند از جمله مونوکسیدکربن، دی اکسید
نیتروژن، دى‌اکسید گوگرد، ذرات معلق از جمله ذرات کوچکتر ١٠ میکرومتر،بنزن، فرمالدئید، هیدروکربن‌های
چندحلقه‌ای.
آلودگى هوا چه علائمى در فرد ایجاد مى‌کند؟
آلودگی هوا میتواند باعث تحریک چشم و گلو و ریه‌ها شود. سوزش چشم سرفه و احساس سنگینى در سینه در
هنگام قرار گرفتن در معرض آلودگى شدید شایع است.
افراد مختلف واکنش‌های متفاوتى به آلودگى هوا نشان می‌دهند.برخى ممکن است از احساس سنگینى در قفسه
سینه و سرفه شدیداً ناراحت باشند و برخى دیگر ممکن است هیچ واکنشى نشان ندهند و متوجه آلودگى هوا نباشند.
با توجه به اینکه ورزش و فعالیت جسمى نیاز به تنفس سریع‌تر و عمیق‌تر دارد، ممکن است باعث تشدید علائم
فوق شود. بیمارانى که مبتلا به بیمارى قلبى مانند آنژین صدری، بیمارى هاى ریوى مانند آسم یا آمفیزم هستند،
معمولاً حساسیت بیشترى به آلودگى هوا دارند و زود تر از دیگران متوجه آن مى‌شوند.
تاثیر آلودگى هوا بر سلامتی
خوشبختانه در اغلب افراد سالم با برطرف شدن آلودگى هوا علائم ناشى از آن هم برطرف مى‌شود. اما برخى
افراد حساسیت بیشترى به اثرات آلودگى هوا نشان دهند.
ریه‌هاى کودکان ممکن است با میزان کمتر آلودگى هوا احساس ناراحتى کنند. کودکان در مناطق داراى هواى
آلوده بیشتر دچار برونشیت و گوش‌درد مى شوند.
مبتلایان به بیمارى قلبى یا ریوى با شدت بیشترى به هواى آلوده واکنش نشان مى‌دهند.این افراد در طول دوره
آلودگى شدید هوا باید فعالیت‌هاى خود را در بیرون خانه محدود کنند و مراقبت‌هاى پزشکى بیشترى را
خواستار شوند.
به غیر از مرگ و میرهاى ناشى از آلودگى بسیار شدید هوا در کوتاه مدت، هر روز بیشتر و بیشتر مشخص
می‌شود که آلودگى هوا به مقدار کم در درازمدت میتواند اثرات زیان‌‌آوری بر روی انسان‌ها داشته باشد.
{خطرات آلودگی هوا}
خودروسازان جهان به دنبال ماشین‌های پاک‌تر
بزرگترین شرکت‌های خودروسازی جهان، جنرال موتوروز و تویوتا، می‌گویند مسیرهای متفاوتی را برای تولید
وسائل نقلیه پاک‌تر برگزیده‌اند، اما موافق هستند که راه واحدی برای این کار وجود ندارد.
در حالیکه یکی از بزرگترین نمایشگاه‌های اتومبیل جهان در فرانکفورت آغاز به کار کرده است، شرکت تویوتا
“درحال تحقیق بیشتر در مورد سوخت‌های زیستی ؛ و همچنین تحقیق بر روی پیل‌های سوختی هستند که از
هیدروژن برای تولید برق استفاده کنند.”
تویوتا سابقه ۱۰ ساله تجربه دراین زمینه را با ماشین هیبرید “پریوس”دارد که یک موتور بنزینی و یک موتور
الکتریک را با هم ترکیب می‌کند و از پیشگامان این حوزه به حساب میآید.
در مقابل جنرال موتورز ماشین‌هایی که از بنزین مخلوط‌‌شده با الکل به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، یا به
اصطلاح ماشین‌های دارای قابلیت E-85 را ساخته است، اما هر دوی این شرکت‌ها اکنون سخت در حال کار
کردن بر روی تکنولوژی‌های متعددی در این زمینه هستند و گزینه‌های‌شان را در نمایشگاه فرانکفورت عرضه
کرده‌اند.
سوخت‌های جایگزین باید نقش مهم‌تری را به همراه الکتریسته ایفا کنند، زیرا تولید برق دست کم در خارج
ماشین نسبتا ارزان است.
الکل اتانول به عنوان سوخت برای آنچه ماشین‌های با موتور انعطاف‌پذیر خوانده می‌شود، مورد استفاده قرار
می‌گیرد که می‌توانند آمیزه‌های حاوی تا حداکثر ۸۵ درصد اتانول را بسوزانند و برای همین عنوان E-85 را به
آنها می‌دهند. این موتورها بسیار شبیه موتورهای بنزینی هستند.
برزیل در حال حاضر بزرگنرین تولیدکننده اتانول است و تکنولوژی موتورهای انعطاف‌پذیر به سرعت در آنجا
در حال گسترش است. جنرال موتورز تا سال ۲۰۱۲ پنجاه درصد تولیدات ماشین این شرکت در آمریکا توانایی
E-85 را خواهند داشت.
مقامات تویوتا می‌گویند اکنون زمان ساختن ماشین‌هایی مناسب برای یک مکان در یک زمان مناسب است و
آنچه برای یک بازار مناسب است، ممکن است لزوما برای بازار دیگر مناسب نباشد.
و یک چالش مهم مسئله قیمت است. بر اساس برخی از تخمین‌ها، تکنولوژی “ماشین پاک” تا حدود ۲۰۰۰ یورو
به قیمت یک ماشین بنزینی می‌افزاید.
یک چالش دیگر استانداردهای کمیسیون اروپایی است که بر مبنای آن تا سال ۲۰۱۲ خروجی گاز دی‌اکسیدکربن
ماشین‌ها باید به ۱۳۰ گرم در هر ۱۰۰ کیلومتر برسد، هدفی که کارخانه‌‌های ماشین‌سازی تحقق آن را بسیار
مشکل می‌دانند.
با این حال تویوتا و سایر اعضای انجمن خودورسازان ژاپنی قصد دارند تا سال ۲۰۰۹ به طور داوطلبانه این
مقدار را به ۱۴۰ گرم برسانند.
خودروهایی از جنس آب
یخ‌های قطبی در حال آب شدنند و زمین هر روز گرمتر می‌شود. آلودگی محیط‌زیست به شدت در حال افزایش و
منابع انرژی فسیلی دنیا در حال تمام شدن است.
از طرفی قیمت نفت هر روز بیش از گذشته افزایش می‌یابد ولی جالب‌تر آنکه تقاضای خودرو نیز سالانه در
جهان رو به افزایش است به گونه‌ای که تولید خودرو به عدد سالانه۷۰ میلیون دستگاه نزدیک می‌شود.
با این وجود، خودرو این موجود آهنین از متهمان اصلی گرم شدن زمین است و این سؤال مطرح می‌شود که
چگونه می‌توان به معادله چندمجهولی سوخت آینده که بتواند تمام این مشکلات را حل کند پاسخ مناسبی داد و کلید
حل تمام این مشکلات چیست.
هیدوژن، پاسخی برای آینده
هیدروژن، یکی از فراوان‌ترین عناصر در طبیعت است. سوختن هیدروژن با انرژی زیاد، تنها خروجی آب را
در پی دارد؛ پس آیا هیدروژن میتواند تمام مشکلات گذشته را حل کند؟ البته تکنولوژی چنین موتوری بسیار
پیچیده‌تر است و در حال حاضر، تاسیسات سوخت‌رسانی چنین خودرویی نیز بسیار گران‌قیمت هستند، ولی
هم‌اکنون دو راه برای استفاده از هیدروژن در خودروها پیشنهاد شده است که یکی استفاده از پیل سوختی و
دیگری استفاده از موتورهای درون‌سوز هیدروژنی است.
پیل سوختی، روش خودروسازان آمریکایی
استفاده از پیل سوختی در بسیاری از خودروسازان به صورت آزمایشی آغاز شده است اما استفاده از آن در
آمریکا گستردگی بیشتری دارد چرا که کاخ سفید به خوردسازانش (فورد، جنرال موتورز، کرایسلر) که معروف
به سه تفنگدار هستند، دستور داده است با تمام توان روی سوخت جایگزین و استفاده از هیدروژن کار کنند.
برهمین اساس شرکت جنرال موتورز تا سال ۲۰۱۰ اولین مدلهای تجاری این خودرو را وارد بازار خواهد کرد.
خودروهای پیل سوختی در واحد پیل خود از واکنش هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می‌کنند و از برق تولیدی
نیز برای به حرکت درآوردن چهار الکتروموتور استفاده می‌شود که خروجی سیستم نیز به دلیل اینکه واکنش
اکسیژن و هیدروژن سبب به وجود آمدن آب می‌شود، تنها آب است.
در بعضی موارد نیروی محرکه خودرو از یک باتری یو‌لیتیوم تامین می‌شود که شارژ آن توسط مولد پیل سوختی
انجام می‌شود. سوخت مولد پیل سوختی هم یا از تبدیل گاز طبیعی به هیدروژن تامین می‌شود یا با تجزیه آب در
ایستگاه‌های سوخت‌رسانی تهیه و به خودرو تزریق می‌شود.
موتورهای درون‌سوز هیدروژنی بی.ام.و راهی دیگر
مهندسان بی.ام.و که در جهان اتومبیل به مهندسان تکنولوژی معروف هستند، رویای سوخت هیدروژنی را به
واقعیت نزدیک کرده‌اند اما این خودروساز برخلاف روش خودروسازان آمریکایی روش دیگری را انتخاب کرده
و هیدروژن را مانند بنزین در موتورهای پیستونی که شباهت بسیاری به موتورهای بنزینی کنونی دارد، تزریق
می‌کند.
متخصصان این شرکت هم‌اکنون مدل سری هفت خود را به موتور احتراق داخلی با سوخت هیدروژنی مجهز
کرده‌اند و در گام بعدی، خودرویی را با شکل مسابقه‌ای به موتور هیدروژنی تبدیل کرده‌اند.
مهندسان بی.ام.و هیدروژنی را با موتور H2R ساخته‌اند که با آرایش خورجینی و با ۱۲سیلندر و به کارگیری
سوخت هیدروژن، ۲۸۵ اسب بخار قدرت تولید می‌کند.
خودرو جدید بی.ام.و در آخرین رکوردگیری توانسته رکورد ۳۰۲ کیلومتر بر ساعت را به دست آورد.حال
بی.ام.و قصد دارد براساس تجربیات به دست آمده در مدل H2R، خودرویی بسازد که توانایی کارکرد با
هیدروژن و بنزین را داشته باشد.
سوخت خطرناک
سوخت هیدروژن همان اندازه که پاک است، خطرناک نیز هست و به همان اندازه ذخیره آن پیچیده است. به همین
دلیل، مهندسان بی.ام.و برای ساخت یک خودرو هیدروژنی با سد بزرگی روبه‌رو بوده‌اند.
در خودرو H2R بیش از ۱۱کیلوگرم هیدروژن مایع در یک مخزن عایق‌بندی شده ذخیره می‌شود. در مجموع
برای حفظ ایمنی ساخت در تمام شرایط، سه عدد سوپاپ مخصوص روی مخزن سوخت قرار گرفته است.
اما به هر حال حفظ ایمنی این مخزن پیچیده است و هنوز بزرگترین سؤال برای افکار عمومی در استفاده از این
خودروها به غیر از تکنولوژی پیچیده موتور و چگونگی ذخیره سازی مناسب، ایمنی این خودروهاست زیرا در
صورت انفجار مخزن این خودروها، به راحتی محله‌ای به هوا خواهد رفت.
آینده منتظر هیدروژن
استفاده از سوخت‌های فسیلی احتمالاً در ۵۰ سال آینده، اندک اندک کنار گذاشته خواهد شد.
براساس پیش‌بینی‌های انجام شده توسط مراکز تحقیقات موتور آلمان تا سال۲۰۲۰ به آرامی خودروهای هیبریدی
که ترکیبی از خودروهای برقی و بنزینی است، جایگزین خودروهای کنونی می‌شود و از سال ۲۰۲۰ استفاده از
موتورهای هیدروژنی، جایگزین موتورهای قدیمی خواهد شد البته هنوز راه درازی تا آن سال‌ها باقی مانده است
ولی در صورت موفقیت مهندسان، مشکل انرژی و آلودگی حل خواهد شد؛ چرا که نتیجه سوختن هیدروژن با
اکسیژن تنها آب است، اما هنوز راه زیادی باقی است.
شاید بعید به نظر برسد؛ عنصر هیدروژن که به گفته بسیاری از دانشمندان دومین عنصر طبیعت از نظر فراوانی
است، به سختی تهیه و سخت‌تر از آن ذخیره می‌شود. حال باید دید دانشمندان چگونه از هیدروژن استفاده می‌کنند
و چگونه کلید استفاده از معدن هیدروژن در خودروها پیدا خواهد شد.
آیا هیدروژن سوخت ایده‌آل ماشین‌هاست؟
افراد بسیاری از ساخت ماشین‌های دارای سلول‌های سوختی هیدروژنی که محیط زیست را آلوده نمی‌کنند، حمایت
می‌کنند.
همه آنها توان بالقوه این سلول‌های سوخت هیدروژنی را که تنها حاصل احتراق درآنها اندکی آب است،
می‌ستایند.
اما در این میان مشکلی وجود دارد. گرچه هیدروژن در واقع فراوان‌ترین عنصر در جهان است، نمی‌توان به
سادگی از آن به عنوان سوخت استفاده کرد، زیرا هیدروژن محکم به سایر عناصر به صورت مولکول‌های
ترکیبی چسبیده است.
هیدروژن خالص اغلب با کاربرد حرارت بالا (که مقدار زیادی انرژی باید صرف آن کرد( بر گاز طبیعی (یعنی
یک سوخت فسیلی) و گاهی با حرارت دادن بنزین یا زغال‌‌سنگ ( که باز هم سوخت‌های فسیلی هستند) به دست
میآید.
از این بدتر اینکه در این فرآیند دی‌اکسیدکربن آزاد می‌شود که خود یک گاز گلخا نه ای است.
استفاده از سوخت هیدروژن در وسایل نقلیه و تولید برق افزایش می یابد
صدها ماشین با سوخت هیدروژنی در جاده های دنیا حرکت می کنند و درخواست برای آن رو به افزایش
است.
واشنگتن – هیدروژن به عنوان منبع سوخت و انرژی– بیشترین عنصری که در کره زمین یافت می شود– آغاز به
حرکت از مباحث علمی تخیلی و تحقیقات پایه به دنیای کارگاه ها، فرودگاه ها، برج های تلفن همراه و بزرگراه ها
نموده است.
هیدروژن از با قابلیت ترین منابع انرژی تجدید شونده است – یک سوخت جهانی که می تواند در یک وسیله نقلیه
بسوزد و یا در سیستم سلول سوخت ساختمان و منازل، مجتمع های تولید برق و هر چیز دیگری که برق مصرف
می کنند، تلفیق گردد.
کارآئی سوخت هیدروژن، هنگامی که در یک موتور می سوزد، ۳۰ درصد بیشتر از سوخت بنزین است. وقتی
سلول سوخت برای تولید نیرو در یک وسیله نقلیه به کار می رود، سلول سوخت ۲۰۰-۱۰۰ در صد بیش از بنزین
کارآئی دارد. موتورهائی که با سوخت هیدروژن کار می کنند، گاز کربن دو اکسید متصاعد نمی کنند و آب پاکیزه
تنها تولید جانبی سلول های سوختی است.
در یک سلول سوخت، هیدروژن به جای آنکه سوخت باشد یک حامل انرژی است. حامل انرژی یک ماده و یا
سیستمی است که انرژی را به شکل قابل استفاده از یک مکان به مکانی دیگر حرکت می دهد. برق، یکی از
بهترین حامل های انرژی شناخته شده است که انرژی ذخیره شده در زغال سنگ، اورانیم و دیگر منابع را به
نیروگاه ها منتقل می کند و از آنجا نیروی تبدیل شده به منازل و واحدهای فعالیتی انتقال می یابد.