بخشی از مقاله
تحليل اقتصادي و زيست محيطي توسعه فناوري پيل سوختي به عنوان سيستم محرکه سبک در صنعت حمل و نقل
چکيده
با توجه به اينکه مسائل و مشکلات زيست محيطي و ميزان مصرف انرژيهاي فسيلي ، در آينده نه چندان دور از چالشهاي اصلي تمام کشورهاي جهان در ابعادي نظير اجتماعي و اقتصادي خواهند بود، لذا بحث جايگزيني تکنولوژيهايي جديد، سوختهاي پاک و در دسترس و منابع نوين در صنايع مختلف چون حمل و نقل در اولويتهاي اصلي برنامه بيشتر کشورها مي باشد. با تکيه به اين مطلب ، در اين مقاله ضمن بيان نتايج حاصل از تحقيق و بررسي در زمينه سرمايه گذاري تکنولوژيهاي موجود در ارتباط با توسعه فناوري پيل سوختي به عنوان سيستم محرکه سبک در صنعت حمل و نقل ، به ارائه روش و نتايج ارزيابي و تحليل گزينه هاي مطرح در مورد سيستم محرکه خودرو توسط دو رويکرد تاپسيس (TOPSIS) و اي اچ پي (AHP) پرداخته شده است . در رويکرد تاپسيس معيارهايي نظير ميزان آلايندگيها (گازهاي منتشر شده و آلايندگي صوتي )، قيمت تمام شده، قيمت سوخت ، بازدهي ، مدت زمان شارژ، برد با يکبار سوخت گيري و مدت زمان راه اندازي به عنوان معيارهاي کمي تصميم گيري لحاظ شده اند. در اين رويکرد با توجه به اينکه گزينه هاي پيل سوختي و هيبريد پيل سوختي از ميان سيستمهاي محرکه سبک، داراي کمترين ميزان آلايندگي هستند و گزينه هاي غالب اين جنبه مي باشند، اما بر اساس تحليل اقتصادي و زيست محيطي ، سهم و راهکار زمينه هاي توسعه و بهبود از ديد ساير معيارها نظير قيمت سوخت ، قيمت تمام شده، مدت زمان سوخت گيري و ... در اين گزينه ها بدست مي آيد و در رويکردي ديگر نيز هفت معيار اصلي و کلان اقتصادي، زيست محيطي ، فناوري، سوخت ، عملکرد و کارايي ، بازار جهاني و فرهنگي سياسي اجتماعي جهت تصميم گيري بررسي مي شوند و راهکارهاي توجيه اقتصادي گزينه پيل سوختي که از گزينه هاي مطرح در دنيا مي باشد حاصل مي شود. تلاش نهايي مقاله بر اين است تا با تحليل لازم بر پايه توان علمي و فني در کشور، جهت ارجحيت استفاده از سيستمهاي محرکه پيل سوختي و هيبريد پيل سوختي ، راهکارهاي اجرايي جهت پيشرفت قابل قبولي در معيارهاي اقتصادي، فناوري و عملکرد ايجاد نمايد.
واژه هاي کليدي: فناوري پيل سوختي ، سيستم محرکه ، تحليل اقتصادي و زيست محيطي ، معيار کمي و کيفي
١- مقدمه
پيل سوختي براي اولين بار در چهل سال پيش در خودروها مورد استفاده قرار گرفت . با گذشت زمان پيشرفت هاي قابل ملاحظه اي در خودروها بوجود آمده است . تا اواسط دهه نود ميلادي ، تنها تعدادي انگشت شمار خودروي پيل سوختي وجود داشت ولي اکنون تعداد خودروهاي سبک به دويست عدد رسيده است که شامل وانت ، خودروهاي دو سرنشين ، خودروهاي خدماتي و خودروهاي کوچکي مانند خودروي گلف مي باشد. فعاليت در اين بخش در چند سال اخير رشد شتاباني گرفته است .
اکثر خودروسازان نمونه هاي اوليه خودروي پيل سوختي خود را ارائه و تست نموده و ناوگانهاي کوچکي را ايجاد کرده اند.
خودروهاي پيل سوختي با سوخت هيدروژن مولکولي با خودروهاي بنزيني با سيستم احتراق داخلي ، خودروهاي رايج کنوني يا خودروهاي برقي هيبريدي رقابت مي کنند. در مقايسة گزينه هاي مختلف سيستم هاي محرکة مطرح خودرو در آينده، در ابتدا لازم است تا شناخت کلي از اين گزينه ها ايجاد گردد. اين شناخت کمک خواهد کرد که در مراحل بعدي معيارهاي مناسب ارزيابي انتخاب گردند. با مطالعاتي انجام پذيرفته بعد از آشنايي با گزينه ها و معيارهاي مختلف تعداد مطرح براي ارزيابي انتخاب مي شوند و به دلايل حذف ديگر معيارها و گزينه ها اشاره مي شود. بعد از نهايي شدن گزينه ها و معيارهاي تصميم گيري براي ارزيابي در قدم اول، هفت معيار فن آوري، زيست محيطي ، اقتصادي، فرهنگي سياسي اجتماعي ، عملکرد، سوخت و بازار جهاني براي انجام ارزيابيها در نظر گرفته مي شود.
٢- ويژگيهاي ذاتي فناوري پيل سوختي
توسعه دهندگان فناوري پيل سوختي ، به دليل وجود چهار ويژگي اصلي ، در مسير توسعه اين فناوري با مشکلاتي مواجهند. اين ويژگيها عبارتند از:
نياز به طيف وسيعي از دانش ها و قابليت هاي موجود و جديد
وجود عدم اطمينانهاي فني ، اقتصادي و مالي زياد موجب تاخير ورود گسترده اين تکنولوژي به بازار
احتمال زمان گذار بسيار طولاني تا هنگام امکان تأمين سوخت اين تکنولوژي با شبکه گسترده انرژي هيدورژن
رقابت معدودي از شرکت هاي بزرگ براي يادگيري هاي عملي ١ هر چه بيشتر و پس از آن کسب سهم بازار
تا اواخر دهه ١٩٨٠، گرايش زيادي براي توسعه پيلهاي سوختي جهت به کارگيري در سيستم محرکه خودروهاي سبک و سنگين وجود داشته است . نياز به وجود خودروهاي سواري، کاميون و اتوبوسهاي پاک و با راندمان بالا که بتوانند از سوخت هاي متداول (گازوئيل و بنزين ) و نيز سوخت هاي جايگزين (هيدروژن، متانول، اتانول، گازطبيعي و ساير هيدروکربن ها) استفاده کنند، عامل اصلي اين گرايش بوده است . در صورت استفاده از ساير سوخت هاي قابل استفاده بر روي خودرو، سيستم پيل سوختي که به مبدل سوخت مناسب جهت تبديل سوخت به هيدروژن مجهز شده است ، توان مورد نياز خودرو را با بازده بالا و سطح آلايندگي بسيار پايين تامين مي کند، به علاوه به دليل کاهش قطعات متحرک، اين خودرو ها از مزاياي سيستم محرکه الکتريکي و تعميرات و نگهداري کمتري بهره مند هستند. مزاياي خودروهاي پيل سوختي را به اختصار مي توان اينگونه بر شمرد:
عدم آلودگي هوا
راندمان سوخت بالا (پيل سوختي بازده اي معادل ٣٠% تا ٥٥% را از خود نشان مي دهد که در مقايسه با بازده کمتر از
١٧% در خودروهاي احتراق داخلي ، بيانگر افزايش بيش از صد در صد راندمان در اين خودروها مي باشد.)
طول عمر بسيار بالا
قابل رقابت از جنبه قيمت و هزينه ها
عدم وجود قطعات و قسمت هاي متحرک در پيل سوختي
آلودگي صوتي ناچيز
کاهش مصرف سوخت و استفاده از منابع تجديد پذير جهت توليد هيدروژن و يا متانول (يک خودروي پيل سوختي معادل يا کمتر از ٣ ليتر بنزين در هر ١٠٠ کيلومتر مصرف ميکند.)
در اين مقاله مقايسه و ارزيابي تکنولوژي پيل سوختي به عنوان يک سيستم محرکه با ساير تکنولوژيهاي رقيب در صنعت خودرو انجام مي شود هر چند که در مجموع به دليل رويکرد تحليلي استفاده شده، تمامي تکنولوژيهاي مطرح سيستمهاي محرکه خودرو مورد مقايسه و ارزيابي قرار گرفته است . در اين فرآيند، بر مبناي رويکرد فرايند تصميم گيري عقلايي در ابتدا معيارهاي تصميم گيري و سيستم هاي محرکه مطرح خودرو آينده کشور شناسايي و انتخاب شده اند. سپس بر پايه استفاده از روشهاي تصميم گيري شامل روش تاپسيس (TOPSIS) ،ماکسي مين ، ماکسي ماکس و تحليل سلسله مراتبي ، گزينه ها نسبت اين معيارها سنجيده و رتبه بندي شده است و در ادامه راهکارهاي اجرايي توسعه فناوري پيل سوختي به عنوان سيستم محرکه سبک در صنعت حمل و نقل بدست آمده است .
٢- فنون رياضي ارزيابي معيارها و گزينه ها براساس تصميم گيري چند معياره
٢-١- روش TOPSIS
در اين روش علاوه بر در نظر گرفتن فاصله يک گزينه از نقطه ايدآل، فاصله آن از نقطه ايده آل منفي هم در نظر گرفته مي شود. بدان معني که گزينه انتخابي بايد داراي کمترين فاصله از راه حل ايدآل بوده و در عين حال داراي دورترين فاصله از راه حل ايده آل منفي باشد. اصول اين روش عبارتند از:
مطولبيت هر شاخص بايد به طور يکنواخت افزايشي (يا کاهشي ) که بدان صورت بهترين ارزش موجود از يک شاخص نشان دهنده ايدآل آن بوده و بدترين ارزش موجود از آن مشخص کننده ايدآل ـ منفي براي آن خواهد بود.
فاصله يک گزينه از ايده آل (يا از ايده آل منفي ) ممکن است بصورت فاصله اقليدسي (از توان دوم) و يا به صورت مجموع قدر مطلق از فواصل خطي (معروف به فواصل بلوکي ) محاسبه گردد، که اين امر بستگي به نرخ تبادل و جايگزيني در بين شاخص ها دارد.
٢-٢- روشهاي ماکسي مين و ماکسي ماکس
ماکسي مين به معناي ماکزيمم کردن حداقل سودآوري ممکن و معمولاً در موقعيتي از تصميم گيري به کار گرفته مي شود که با يک تصميم گيرنده محتاط روبرو باشيم . در مقابل روش ماکسي مين مي توان از روش ماکسي ماکس (يعني ماکزيمم کردن ماکزيمم سودآوري ممکن ) استفاده نمود که براي يک تصميم گيرنده خوش بين مناسب است .
شايان ذکر است که در اين گونه روشها فقط بخشي از اطلاعات ماتريس تصميم گيري مورد استفاده واقع مي شود (يعني فقط يک شاخص به ازاي هر گزينه )، بدين طريق گزينه اي که براي کليه شاخص ها داراي امتياز بالايي است به استثناي يک شاخص مي تواند تحت تسلط گزينه ديگري واقع شود که در کليه شاخص ها متوسط بوده به استثناي در آن يک شاخص خاص که امتياز بالايي را گرفته باشد. اين نقطه ضعف منجر به محدود شدن کاربرد اين روشها گرديده و فقط در موارد خاصي همچو بدبيني کامل و خوش بيني کامل مورد استفاده واقع مي شوند.
٢-٣- فرآيند تحليل سلسله مراتبي
فرايند تحليل سلسله مراتبي يک روش تصميم گيري در مورد مسائلي از نوع MADM با تشکيل درخت سلسله مراتب تصميم است که سطح يک آن، هدف و سطح آخر آن، گزينه هاي رقيب خواهد بود. سطح مياني نيز شامل عوامل موثر است .
روش AHP بر مبناي الگوريتمي است که مقايسات زوجي به عنوان اساس آن مي باشد و پس از تشکيل درخت سلسله مراتب تصميم ، عوامل و عناصر موجود در هر سطح نسبت به تک تک عوامل و عناصر موجود در سطوح بالاتر به صورت دو به دو توسط تصميم گيرنده يا کارشناس٣ مورد مقايسه قرار مي گيرند و جدولهاي مقايسه اي ايجاد مي گردند. در کاربرد اين روش، کارشناس موظف است اولاً عوامل يا معيارها را نسبت به يکديگر برتري دو به دو دهد. (مانند اينکه عامل قيمت سه برابر عامل گارانتي اهميت دارد) و ثانياً گزينه ها را دو به دو در يک عامل مقايسه نمايد. (مانند اينکه شرکت X از لحاظ خدمات پس از فروش نسبت به شرکت Z دو برابر اهميت دارد) با تکميل نظرات کارشناسان، تحليل نهايي توسط روش انجام مي شود.. [١]
٣- انتخاب گزينه هاي مطرح سيستم هاي محرکه خودرو و معيارهاي تصميم گيري
٣-١- گزينه هاي سيستم هاي محرکه خودرو
با مدنظر قراردادن سوختهاي مصرفي سيستم هاي محرکه خودرو، مجموعاً مي توان ٣٩ گزينه متفاوت در حوزه سيستم
محرکه خودرو تعريف مي شود. اما در بيشتر حالات نوع سوخت مصرفي ، تغيير چنداني را در تکنولوژي ايجاد نخواهد کرد.
بنابراين مي توان تعداد سوخت هاي مختلف مورد استفاده در يک سيستم محرکه را به عنوان قابليت تطبيق و تنوع پذيري گزينه در استفاده از سوختهاي مختلف در نظر گرفته و گزينه هاي کمتري را براي مقايسه انتخاب نمود. به عنوان مثال اختلاف موجود سيستم محرکة پيل سوختي با سوخت هيدروژن با ديگر سوخت هاي مورد استفاده در پيل سوختي در مقايسه با گزينه هاي مستقل ديگر نظير سيستم محرکه الکتريکي و احتراق داخلي ، قابل اغماض و چشم پوشي است . به اين ترتيب و با اين دسته بندي تعداد گزينه ها به ٩ گزينه تقليل مي يابد. از سوي ديگر با توجه به اينکه سهم عمدة مصرف انرژي و سوخت بخش حمل و نقل در کشور و همچنين ميزان آلايندگي ايجاد شده، ناشي از خودروهاي سبک مي باشد و از سوي ديگر سيست هاي محرکه خودروهاي سنگين اشتراکات زيادي با سيستم هاي محرکه خودروي سبک دارد، مي توان در مجموع، شش گزينه زير را انتخاب
نمود که بدون اشاره به ساير گزينه هاي حذف شده، اين شش گزينه عبارتند از:
١) سيستم محرکه پيل سوختي (با سوخت هيدروژن از گاز طبيعي در ايستگاه )
٢) سيستم محرکه هيبريد پيل سوختي و باتري (با سوخت هيدروژن از گاز طبيعي در ايستگاه )
٣) سيستم محرکه موتور احتراق داخلي اشتعال جرقه اي پيشرفته با سوخت جايگزين (با سوخت CNG)
٤) سيستم محرکه موتور احتراق داخلي اشتعال تراکمي پيشرفته (با سوخت گازوئيل )
٥) سيستم محرکه هيبريد موتور احتراق داخلي و باتري (با سوخت بنزين )
٦) سيستم محرکه الکتريکي (با باتري شارژ شونده )
٢ مدلهاي تصمي گيري چند معياره
٣-٢- تعريف فاکتورهاي مطلوبيت انتخاب سيستم محرکة مناسب
براي اين منظور، ابتدا، فهرستي اوليه از معيارهاي اصلي تصميم گيري و زيرمعيارها توسط کارشناسان آماده گرديد. سپس
اين فهرست در اختيار مديران ارشد صنعت خودرو و کارشناسان ارشد سازمان ها و شرکت هاي مرتبط با خودرو قرار گرفت .
معيارهايي که در ادامه تعريف و ارائه مي شوند، با جمعبندي نظرات کارشناسان بدست آمده است .
٣-٣- معيارهاي تصميم گيري اصلي و زير معيارهاي کيفي و کمي
٣-٣-١- معيارهاي تصميم گيري اصلي و کلان
مطابق دسته بندي انجام شده، هفت معيار اصلي و کلان شناسايي شده عبارتند از:
فناوري؛ شامل زير معيارهاي کيفي و کمي شامل ميزان تسلط به دانش فني ، امکان دستيابي به تکنولوژي، تنوع و فراواني عرضه کنندگان، ريسک ارتباطي ، پيچيدگي ، چرخه عمر، وابستگي به مواد و فناوري ها، کاربرد در ساير صنايع (گستردگي کاربرد)، انعطافپذيري در به روز شدن
زيست محيطي ؛ شامل زير معيارهاي کيفي و کمي شامل گازهاي سمي ، گازهاي گلخانه اي، ذرات معلق در هوا، آلايندگي صوت، عدم امکان بازيافت
اقتصادي؛ شامل زير معيارهاي کيفي و کمي شامل قيمت تمام شده سيستم محرکه خودرو، حجم سرماي گذاري براي توليد انبوه سيستم محرکه خودرو، قيمت سوخت به ازاي ١٠٠ کيلومتر مسافت طي شده ، امکان صادرات، هزينة ايجاد زيرساخت توزيع سوخت ،اشتغالزايي ، مقاومت در برابر تغيير (پذيرش عمومي )، قدرت سياسي و ارزش استراتژيک
عملکرد و کارايي ؛ شامل زير معيارهاي کيفي و کمي شامل بازدهي ، تعمير و نگهداري، نياز به نگهداري، نياز به تعميرات، مدت زمان شارژ يا سوخت گيري، برد با يکبار سوخت گيري
گشتاور؛ شامل زير معيارهاي کيفي و کمي شامل طول عمر، زمان راه اندازي، چگالي قدرت، قابليت کار در دما و شرايط محيطي مختلف ، ايمني
سوخت ؛ شامل زير معيارهاي کيفي و کمي شامل تجديد پذير بودن، پتانسيل يا ذخاير قابل استحصال، وجود زيرساخت توليد، وجود زيرساخت توزيع
بازار جهاني ؛ شامل زير معيارهاي کيفي و کمي به شامل ميزان رشد بازار، حجم بازار
٣-٣-٢- زير معيارهاي تصميم گيري کمي
معيار هاي اصلي و کلان، از زير معيارهاي کمي و کيفي تشکيل شده که زيرمعيارهاي کمي استفاده شده در اين مقاله از مجموع هفت معيار اصلي و کلان که با در دست بودن اطلاعات و آمار، قابل تحليل در روشهاي تصميم گيري رياضي بوده اند،
به اختصار عبارتند از:
