بخشی از مقاله
چکیده
پیلهاي سوختی فناوري جدیدي براي تولید انرژي هستند که بدون ایجاد آلودگیهاي زیست محیطی و صوتی، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژي الکتریکی با بازدهی بالا تولید میکنند. تولید مستقیم الکتریسیته جایگزینی براي چرخه کارنو جهت تبدیل انرژي شیمیایی حاصل از سوخت به انرژي گرمایی و مکانیکی و در نهایت الکتریسیته میباشد که اتلاف انرژي را به حداقل ممکن میرساند و به بازدة تئوري دست پیدا می کنیم.
سیاست گذاري هاي جهانی در زمینه مدیریت انرژي نشان میدهد پیلهاي سوختی نقش مهمی در فرآیند به کارگیري انرژيهاي جایگزین سوختهاي فسیلی خواهند داشت. لیکن در مرحله اول، مسأله ورود به بازار با توجه به لزوم سرمایههاي هنگفت اولیه و مقاومتهاي اجتماعی مشکلی است که در راه صنعتی شدن این فنآوري وجود دارد. در این نوشتار با برآورد هزینه تهیه آن، معیاري براي تحلیل اقتصادي اجراي پیل سوختی در نیروگاه هاي کشور ارائه شده است و راهکارهاي ممکن جهت اجراي آن در سطح کلان بررسی میشود.
-1 مقدمه
پیلهاي سوختی از حدود دو دهه پیش به عنوان حاملهاي انرژي جدید در مراکز تحقیقاتی جهان مورد توجه قرار گرفتهاند و هم اکنون سرمایه گذاريهاي هنگفتی از سوي دولتها براي رشد و صنعتی کردن آن صورت میگیرد. در کنار کاربردهاي سیار، پیلهاي سوختی نیروگاهی نیز به شدت در حال توسعه هستند. از این میان پیل سوختی غشاي تبادل پروتون از مزایاي متعددي برخوردار است و به همین دلیل جایگاه متمایزي نسبت به سایر انواع دارد. البته این نوع پیل که از سوخت هیدروژنی براي کارکرد استفاده مینماید با مسائلی مانند تولید، نگهداري و انتقال هیدروژن و هزینه نسبتاً بالاي سرمایهگذاري دست به گریبان است.
در این میان نکات امیدبخش شایسته توجهی نیز وجود دارد. یکی از آنها تولید آسان سوخت هیدروژن به وسیله انرژي الکتریکی است. این موضوع سبب میشود پیل سوختی را بتوان به عنوان یک حامل انرژي در نظر گرفت که با ذخیره انرژي در موقع در دسترس بودن مولد برق و پس دادن آن در موقع نیاز، به بهبود مشخصه تولید برق کمک نماید. به علاوه از این ویژگی میتوان براي همپوشانی نیازها و خصوصیات پیلهاي سوختی هیدروژنی با منابع تجدیدپذیر استفاده نمود؛ طوري که در صورت کارکرد این دو در کنار هم مشکلات کاربردي آنها برطرف شده این مجموعه، به عنوان منبع انرژي قابل اتکایی درخواهد آمد. در نوشتار حاضر ابتدا پیل سوختی غشاي تبادل پروتون به عنوان کاربردیترین پیل سوختی معرفی میشود. سپس به طور خلاصه به برنامه کشورهاي مختلف در اقتصادي کردن آن اشارهاي میشود.
در ادامه بحثی در ارتباط با فنĤوريهاي کلیدي مرتبط با تولید و بهرهبرداري از آن به عمل میآید. به این ترتیب زمینه براي ارائه راهکاري عملی در به کارگیري این فنآوري براي تقویت صنعت برق ایران فراهم می شود. این بحث با انجام یک برآورد اقتصادي تکمیل میشود.
-2 تاریخچه پیلهاي سوختی
تاریخچه این پیلها به دو دوره متمایز تقسیم میشود : دوره اول که حدود صد سال طول کشید، از سال 1839 با ساخت اولین پیل سوختی با الکترولیت اسید سولفوریک توسط آقاي گرو آغاز گردید.
با تلاش دانشمندان بزرگی مانند جکس، هابر، مون و همکاران و شاگردان آنها منجر به درك علمی از پیل سوختی و شناخت تنگناهاي این فناوري تا سال 1940 گردید.
دوره دوم از سال 1940 آغاز میشود که بین سالهاي 1950 تا 1960 نمونههاي تحقیقاتی متعددي از پیلهاي سوختی توسط شرکتهاي بزرگی مانند جنرال الکتریک با ظرفیت0/2 وات الی 15 وات ساخته شد. اما هنوز این ظرفیت براي کاربردهاي فنی و صنعتی مورد نظر، کافی و قابل قبول نبود. تا اینکه درسال 1965 یک واحد پیل سوختی با ظرفیت یک کیلووات توسط شرکت جنرال الکتریک به منظور استفاده در ماهواره گمینی5، ساخته شد و توجه دانشمندان را به خود جلب نمود
این پیل سوختی با ولتاژ 25 ولت و شدت جریان خروجی 40A آمپر توانست در طول 7 پرتاب ماهوارة گمینی ، انرژي برابر با 519 کیلووات ساعت طی بیش از 840 ساعت پرواز را تامین کند. بدین ترتیب معلوم گردید که پیلهاي سوختی میتوانند براي بسیاري از مقاصد هوا - فضا مناسب بوده و انرژي مورد نیاز آنها را به صورت پیوسته و پایدار تامین کنند. این امر موجب گردید تا در سراسر جهان روي توسعه دانش فنی و تکنولوژي ساخت پیلهاي سوختی سرمایه گذاريهاي بزرگی صورت گیرد.
امروزه نیز تحقیقات وسیعی در جهت ارتقاء ظرفیت، کاهش هزینههاي ساخت و بهره برداري و توسعه ویژگیهاي کاربردي پیلهاي سوختی در جریان میباشد. برق خروجی از پیلهاي سوختی جریان مستقیم - هخ - است. بنابراین براي مصرف کنندههاي جریان متناوب از مبدلهاي هخ به هA استفاده میکنند. از پیل هاي سوختی میتوان براي تامین انرژي الکتریکی مورد نیاز در مناطقی که دور از شبکههاي سراسري انتقال و توزیع برق هستند و نیز در ایستگاههاي ماهوارهاي و مخابراتی وغیره نیز به طور رضایتبخشی استفاده نمود .
-3 برنامه کشورهاي مختلف
ایالات متحده آمریکا این کشور با 25ی مصرف نفت دنیا، 25ی مصرف گاز طبیعی دنیا،مصرف زغال سنگ دنیا به عنوان بزرگترین مصرف کننده انرژي شناخته میشود. در آمریکا توجه ویژهاي به توسعه پیل سوختی صورت گرفته است که در این میان میتوان به اعلام هیدروژن به عنوان یکی از اولویتهاي مهم ملی در سال 2001، اختصاص 1/2 میلیارد دلار به برنامه اقتصاد هیدروژنی اشاره نمود.
اتحادیه اروپا اتحادیه اروپا نیز برنامه توسعه پیلهاي سوختی را از اواخر دهه 90 در دستور کار خود قرار داده است. در سال 2005 مجموع بودجه اختصاص یافته در زمینه هیدروژن و پیل سوختی 275 میلیون یورو بود که در این میان کشورهاي آلمان، ایتالیا، فرانسه و هلند به ترتیب بیشترین سرمایه گذاري را داشتهاند. علاوه بر این آلمان بودجه جداگانهاي معادل 500 میلیون یورو براي 2006-2015 در این امر اختصاص داده است. طبق چشم انداز 2020 اروپا، پیلهاي سوختی با کاربري در لوازم الکترونیکی در مقیاس صنعتی وارد بازار خواهند شد و در پی آن نیروگاه هاي هً در بازار اروپا قدم میگذارند.
ژاپن ژاپن نیز از کشورهاي پیشرو در توسعه صنعت پیل سوختی به شمار میرود. مطابق پروژه هًدپ، دولت این کشور در سال 2005 بودجه 4َ35 میلیارد ینی را براي فن آوري هاي هیدروژن و پیل سوختی در نظر گرفته است. ژاپن توجه نسبت به کاربردهاي نیروگاهی توجه ویژهاي به پیلهاي سوختی نموده است. تا قبل از سال 2007، 480 دستگاه نیروگاه خانگی در این کشور نصب و بهره برداري شده و بود که در طی سال 2007 میلادي، 780 دستگاه دیگر اضافه گردید. به تبعیت از توسعه صنعت پیل سوختی در آمریکا، اتحادیه اروپا و ژاپن سایر مناطق دنیا نیز با قدري تأخیر این صنعت را نهادینه خواهد نمود.
-4 هیدروژن و پیل سوختی
دو مرحله اصلی تولید برق در مقیاس کلی عبارت است از -1 تولید، انتقال و ذخیره سازي هیدروژن و -2 تولید برق از هیدروژن.
هیدروژن در حالت آزاد در زمین وجود ندارد و باید توجه داشت که در حقیقت یک حامل انرژي است نه منبع انرژي. چگالی انرژي بر واحد جرم هیدروژن بسیار زیاد است ولی در عین حال چگالی انرژي بر واحد حجم بسیار کمی دارد.
پیل سوختی به هیدروژن با خلوص % 99/999 نیاز دارد. چرا که در غیر این صورت با افت کارآیی مواجه شده، دچار فرسودگی زودرس میشود.
هم اکنون هیدروژن به دلیل کاربردهایی که در صنایع مختلف دارد در مقیاس صنعتی تولید میشود که بخش ناچیزي از آن به پیل سوختی اختصاص مییابد. در حال حاضر تنها حدود %4 از تولید هیدروژن جهان به روش الکترولیز صورت میگیرد. 48 درصد از تولید هیدروژن جهان با استفاده از گاز طبیعی با مبدل گاز طبیعی - بخار آب صورت می گیرد و مابقی تولید با استفاده از مواد اولیه نفت خام و زغال سنگ با به ترتیب % 30 و % 18 از سهم تولید صورت میگیرد. تولید هیدروژن با زیست-توده متان نیز روش دیگري با چشمانداز خوب است که فعلاً زیاد عملیاتی نشده است.
در هر حال، هزینه جهانی متوسط تولید هیدروژن بر واحد جرم 0/7 دلار بر واحد جرم در حالت گازي و 2/2 تا 3/1 دلار بر واحد جرم در حالت مایع است.
-5 راهکار عملی به کارگیري پیل سوختی در صنعت
ایران موانعی که در سر راه به کارگیري پیلهاي سوختی در مقیاس صنعتی وجود دارد، به طور عمده به فراهم نبودن زیرساختها و قیمت تمام شده بالا برمیگردد. سرمایهگذاري براي ایجاد زیرساخت زمانی مقرون به صرفه است که بازار مصرف کننده وجود داشته باشد. از طرفی مصرف کننده نیز نیاز به زیرساختهایی مانند جایگاه تأمین هیدروژن، سرویس، تعمیرات و قطعات یدکی دارد. در واقع تمثیل مرغ و تخم مرغ در این موضوع مطرح است. در کنار این مسائل اینرسی افکار عمومی، سرمایه داران و سیاست گذاران را نیز به خصوص در کاربردهاي خانگی نباید از نظر دور داشت.
-1-5معرفی راهکار
در ایران استفاده از پیل سوختی براي منابع سیار با موانعی بزرگتر از کشورهاي صنعتی مواجه است؛ ولی در کاربردهاي نیروگاهی، اتفاقاً انگیزههاي بالایی براي توسعه پیل سوختی وجود دارد. این انگیزهها در دو زمینه قويتر به نظر میرسد: اول کاربرد پیل سوختی در کنار سیستم مولد تجدیدپذیر و دوم کاربرد پیل سوختی به عنوان مولد ذخیرهاي-جبرانی. مورد اول تا زمانی که بسترهاي مصرف هیدروژن به عنوان مولد انرژي ایجاد نشده باشد قابل طرح نخواهد بود، اما به صورت هیبرید با مورد دوم گزینهاي است که با شرایط و مسائل کشور سازگاري داشته و میتواند در سیاستگذاريهاي کلان مورد توجه قرار گیرد.
پیل سوختی پیشنهاد شده از لحاظ محل مصرف در دو حالت قابل ارائه است: حالت موضعی که در آن سیستم پیل سوختی در موقع نیاز قسمتی از مصارف ساختمان را تأمین میکند و حالت شبکهاي که در آن پیل سوختی به عنوان یک نیروگاه وارد شبکه میشود. از لحاظ منبع انرژي پیل سوختی، سه انتخاب قابل طرح است: سادهترین انتخاب، استفاده از شبکه برق سراسري براي شارژ کردن منبع هیدروژن است.
این حالت سرمایه اولیه کمتري نیاز دارد ولی بازدهی انرژي آن کمتر است. گزینه بعدي استفاده از گاز طبیعی براي تولید هیدروژن با ریفرمر است. با توجه به وجود منابع گاز وسیع در کشور، منبع انرژي این نیروگاهها فراهم است ولی هیدروژن به دست آمده از ریفرمر خلوص پایینی دارد و اغلب به استفاده از سیستمهاي افزایش خلوص نیاز است.
به عنوان انتخابی دیگر، میتوان نیروگاه پیل سوختی را در کنار یک مولد انرژي تجدید شونده قرار داد. وجود منابع گسترده و متنوع انرژي خورشیدي و بادي در کشور این گزینه را مورد توجه بیشتري قرار میدهد. چنین نیروگاهی در صورتی که منبع انرژي در دسترس باشد - وجود آفتاب یا وزش باد با سرعت بالاتر از حد - cut-off تولید هیدروژن نموده و با ذخیره سازي آن، در موقع نبود منبع انرژي به شبکه برق تحویل میدهد.
پیل سوختی به عنوان حامل ذخیرهاي-جبرانی :
از مشکلاتی که در صنعت برق کشور وجود دارد، نسبت بالاي حداکثر مصرف به متوسط مصرف در شبانه روز است. تنها بخشی از این مشکل با فرهنگ مصرف وسایل برقی قابل حل است و به هر حال وجود منبع کمکی که در پیک مصرف به سرعت وارد مدار شود بسیار مفید خواهد بود.
در اینجا یک سیستم پیل سوختی پیشنهاد میشود که در زمان کاهش مصرف برق عمومی از یک منبع خارجی که میتواند برق شبکه، گاز طبیعی یا انرژي خورشیدي باشد استفاده نموده با عمل الکترولیز تولید هیدروژن نماید. هیدروژن به دست آمده ذخیره شده و در پیک مصرف سیستم پیل سوختی را براي تولید برق تغذیه مینماید.در بخش بعد صرف نظر از منبع تأمین انرژي، یک تحلیل اقتصادي بر سیستم پیل سوختی به عنوان نیروگاه جبرانی صورت میگیرد.
