هیدروژن، سوخت آینده

مقاله هیدروژن، سوخت آینده را در نشریه اقتصاد انرژی به آدرس زیر ببینید:

http://www.ensani.ir/storage/Files/20101119001942-eqe039pdf32.pdf

 

مواد غیرفلزی پیشرفته در صنعت

مقاله  "مواد غیرفلزی پیشرفته در صنعت" در نشريه صنعت خودرو، شماره ۱۵۷، دی ماه ۱۳۹۰ منتشر شده است.

چشم انداز سیستم انرژی هیدروژنی در جایگزینی سوخت های فسیلی

                                                                                          

مقدمه

امروزه يك چهارم مردم دنيا كه در كشورهاي صنعتي زندگي مي كنند، تقريبا سه چهارم انرژي جهان را مصرف مي نمايند. در حال حاضر جمعيت دنيا كمي بيش از شش ميليارد نفر است كه با نرخ 8/1 درصد در سال رشد مي كند، در حالي كه تقاضا براي انرژي با نرخ بيشتري  (10 – 8 در صد در سال ) روبروست.  اكنون سوختهاي فسيلي نظير زغال سنگ، نفت و گاز طبيعي قسمت اعظم اين نياز را برطرف مي سازند، اما خطر زوال آنها را تهديد مي كند.  مهمترين مسآله در مورد سوختهاي فسيلي رايج، پايان پذيري و تجديد ناپذيري آنهاست.  طبيعت ميليونها سال براي پديد آوردن آنها وقت گذارده و بشر در يك قرن يا بيشتر آن را مصرف مي كند.  به همين دليل است كه امكان استفاده از منابع انرژي غير متداول مانند خورشيد، باد، امواج و . . . مورد توجه واقع شده است.  

حقيقت اين است كه درمقايسه منابع مورد استفاده فعلي سوخت، هيچيك كيفيت و كارايي مطلوب نفت و گاز طبيعي را ندارد ولي محدوديتها و معايب اين منابع نيز، دست يابي به يك شكل واسطه يا مصنوعي از انرژي را ضروري ساخته است.  بسياري از دانشمندان بر اين باور هستند كه “ سيستم انرژي هيدروژني ” بخوبي مي تواند حلقه اتصال منابع جديد انرژي و مراكز مصرف را تشكيل دهد.

 سيستم انرژي هيدروژني

محدوديتها و مضرات و مسائل منابع انرژي فسيلي و غير فسيلي، نياز روز افزون به استفاده از يك سيستم انرژي واسطه را شدت بخشيده است.  اين سيستم انرژي نه تنها بايد معايب و مشكلات منابع انرژي فسيلي و غير فسيلي را نداشته باشد، بلكه لازم است جاذبه هاي ارزشمندي در رفع احتياجات بشر از خود بروز دهد :  قابل حمل و نقل و نگهداري و ذخيره باشد، آلودگي زا نباشد، قابل تجديد باشد، تهيه آن به صرفه باشد، به منابع انرژي اوليه غير فسيلي كه با زمان و مكان تغيير مي كند وابسته نباشد تا دست نخورده باقي بماند و . . . .   تمام سوختهاي مصنوعي نظير هيدورژن، متان، متانول، آمونياك، هيدرازين مدعي جايگزيني هستند، اما در اين ميان هيدروژن بهتر و بيشتر از بقيه، نيازهاي فوق را برآورده مي سازد. 

در زمينه سيستم انرژي هيدورژني، بيشترين تحقيقات بر روي راههاي موثر تهيه و توليد اقتصادي هيدروژن متمركز شده است.  هيدروژن را مي توان از طريق تبديل كاتاليزوري هيدروكربورها، الكتروليز آب، روشهاي الكتروليتي، حرارتي، حرارتي – شيميايي، فتوليتي يا تركيبي از اينها بدست آورد.

  روشهاي نگهداري و ذخيره هيدروژن

هيدروژن را بعد از توليد بايد انبار كرد.  براي ذخيره سازي هيدورژن در مقياس كوچك دو راه عمده وجود دارد:

الف – ذخيره سازي به صورت هيدروهاي فلزي

ب – ذخيره سازي به صورت مايع و گاز تحت فشار

روش توصيه شده براي نگهداري هيدروژن در مقياس كوچك - مثل خانه هاي شخصي - كه در آن با استفاده از انرژي خورشيد يا باد، هيدروژن توليد مي شود، ذخيره هيدروژن در فلزات يا آلياژهاي هيدروري است. در اثر واكنش هيدروژن با يك فلز يا آلياژ، هيدرو تشكيل مي شود.  اين واكنش گرمازاست.  به عكس، فرآيند دفع گرما گير است، يعني براي آزاد شدن هيدرون از هيدرور بايد به آن حرارت داد.  اگر فشار هيدروژن ثابت بماند هيدرور مجددا" مي تواند با كم شدن درجه حرارت، شارژ (جذب) شود.  براي يك فلز يا آلياژ مشخص، فشار تجزيه تابعي از درجه حرارت است.

 فرآيند جذب  : M + xH₂      =     MH_2x+ گرما

فرآيند دفع  : MH_2x + گرما      =      M + xH₂

M  نشان دهنده مواد هيدروري  (فلز يا آلياژ) است.  سرعت اين واكنشها با افزايش سطح تماس افزايش مي يابد.  بنابراين عمدتا" از مواد هيدروري به شكل پودري و دانه أي جهت تسريع واكنش استفاده مي شود.  با استفاده از خواص اين مواد هيدروژني مي توان هيدروژن را در يك تانك نگهدارنده در خانه ها ذخيره كرد.  امروزه رايج ترين هيدرورها در فشار يك اتمسفر و دماي محيط CaNi5, FeTi  و LaNi5    هستند.

 نگهداري هيدروژن به صورت گاز فشرده نيز يك راه عملي در ذخيره هيدروژن است.  هيدروژن به صورت تجاري در سيلندر هايي با قطر 22 سانتي متر و طول 3/1 متر، محتوي 472/0 كيلوگرم گاز كه تحت فشار psi 2265 قراردارد نگهداري وتوزيع مي شود. وزن خالي سيلندر 54 كيلوگرم است.  معادل 25 عدد از اين سيلندرها لازم است تا سوخت مورد نياز حركت يك اتومبيل در مسافت 500 كيلومتر را فراهم كند.        

وزن زياد هيدروژن در دو حالت هيدرور و تحت فشار باعث شده تا روش مايع كردن هيدروژن در جهت استفاده در وسايل نقليه و كاربردهاي ديگر ترجيح يابد.  تكنولوژي مايع سازي هيدروژن بخوبي پيش رفته است.  ظروف و مخازن نگهداري هيدروژن مايع بايد به نحوي باشد كه از نشت آن جلوگيري به عمل آورد، گو اينكه سبكي و سرعت نفوذ بالاي هيدروژن، به هر حال باعث نشت مقداري از آن مي شود.   مهم آن است كه اين مقدار از نقطه نظر اقتصادي قابل قبول باشد.  ذكر اين نكته بجاست كه در صورت استفاده از هيدروژن مايع در وسايل نقليه، نشت آن در محيطهاي سربسته مثل گاراژ، در زمانهاي طولاني، خطر انفجار را به همراه دارد.  تحقيقات انجام يافته، عبور گاز از يك محفظه كاتاليزور اكسيدان يا يك بستر هيدروژني را براي حل اين مشكل مطرح ساخته است.

 چگالي كم هيدروژن مايع ايجاب مي كند كه در شرايط مساوي، به حجم اين سوخت 5/3 برابر بنزين باشد، گر چه مجموع وزن سوخت و مخزن براي حركت يك اتومبيل در محدوده 500 كيلومتر براي بنزين و هيدروژن مايع يكسان است.  هيدروژن مايع، به ويژه در موتورهاي جت و موشكهاي فضايي بسيار كاربرد دارد.  سازمان فضايي امريكا ( ناسا ) بزرگترين مصرف كننده هيدروژن در جهان است.

 استفاده از سيستم انرژي هيدروژني در مصارف بشري

كاربرد سيستم انرژي هيدروژني در بسياري از مصارف زندگي روزمره شهري توسعه يافته است، از حمل و نقل و سرما سازي براي نگهداري مواد غذايي تا روشنايي و برق و پخت و پز و تهويه مطبوع و . . . هيدروژن مناسب ترين سوخت براي توليد الكتريسيته است.  هيدروژن مي تواند با بازدهي بيشتري نسبت به بقيه سوختها در باطريهاي سوخت، كه در معرض محدوديتهاي سيكل كارنو نيستند، به الكتريسيته تبديل شود.  امروزه باطريهاي خانگي با قدرت KW 40 و بازده 80 درصد مورد مصرف قرار گرفته است.  يك باطري سوخت قادر است كليه نيازهاي برقي خانه را تامين نمايد، در نتيجه به سيستمهاي پيچيده و گران و سنگين حمل و توزيع الكتريسته احتياجي نيست.  با توليد الكتريسيته از باطريهاي سوخت يا طرحهاي ديگر، مي توان از آن در گرم كردن گرمكنهاي مقاومتي برقي و سرد كردن سيستمهاي معمولي تصفيه هوا و گرم و سرد كردن سيستمهاي تهويه مطبوع بهره جست.

 استفاده از سيستم انرژي هيدروژني در وسايل نقليه

هيدروژن يك سوخت تميز و كارآ براي تهيه نيروي مكانيكي از موتورهاي درون سوز به شمار   مي آيد.  تحقيقات بسياري در مورد استفاده از موتورهاي درون سوز با سوخت هيدروژن در ماشينها، اتوبوسها، تراكتورها و . . . صورت گرفته است. در اين تحقيقات روشهاي مختلف نگهداري هيدروژن نظير گاز تحت فشار، هيدروژن مايع و هيدرورهاي فلزي مورد توجه واقع شده است.  اما نبايد فراموش كرد كه در جانشين سازي هيدروژن بجاري بنزين يا سوخت ديزلي در خودروها، تراكتورها يا هواپيماها مسايل مختلفي را بايد مورد نظر قرار داد.  با توجه به اينكه هيدروژن مي تواند در شرايط مخلوط فقير سوخت – هوا  بخوبي مخلوط غني بسوزد، در اتومبيل راني شهري كه توقف و حركت زياد است، در مقايسه با سوختهاي فسيلي كه تنها مي تواند در مخلوط غني بسوزد، برتر مي نمايد،  شكل 5 يك خودرو سواري با سوخت مايع و سيستم نگهداري هيدروژن آن را نشان مي دهد. در شكل 6 نيز يك ميني بوس با سيستم ذخيره      هيدرو فلزي نشان داده شده است.  هيدروژن، به عنوان سوخت در سه محفظه مجزاي هيدروفلزي ذخيره مي شود :

1 – محفظه نگهدارنده هيدرور در دماي بالا( مثل Mg ‌ ).  حرارت واكنش به وسيله گازهاي خروجي فراهم مي شود و نيز حرارت لازم براي تهويه مطبوع را تامين مي كند.

2 – محفظه نگهدارنده هيدرور در دماي پايين ( مثل FeTiMn ).  حرارت واكنش ازگازهاي خروجي تامين مي شود كه ممكن است تا زير دمايي كه براي تقطير آب مورد نياز است سرد شود.  حرارت واكنش از موتور آب سرد كن  تامين  مي شود و قدرت خنك كنندگي جهت تهويه هوا فراهم مي آيد.

3 – محفظه نگهدارنده هيدرو در دماي پايين ( مثل FeTiMn  ). 

بسترهاي FeTiMn  در تانكهاي 2 و 3 هيدروژن را در فشار يك اتمسفر و دماي محيط فراهم    مي آورند و تانك 1 كه از Mg يا Mg – Mg₂ Ni  پر شده، به عنوان ماده نگهدارنده هيدروژن عمل مي كند و به وسيله گاز خروجي تا 300⁰ C  گرم مي شود.  مزاياي استفاده از MgNiH₄  و FeTiH₄  در خودروها به عنوان ماده هيدروژني در پژوهشهاي اخير آمده است.

براي توليد هيدروژن از Mg₂NiH₄  و FeTiH₄  در فشار يك اتمسفر به ترتيب نياز به دماهاي بالاتر از 100⁰C  و 0⁰ C است.  دماي تجزيه هيدرور Fe-Ti كمتر است و لذا بكارگيري گازهاي خروجي موتور را براي آزاد سازي هيدروژن از هيدرور آسان مي سازد.  شكل 7 يك تراكتور را كه با سوخت هيدروژني حركت مي كند به همراه طرح سيستم هيدروژن آن نشان مي دهد.

 مزاياي استفاده از سوخت هيدروژني

چشم انداز استفاده از سوخت هيدروژني بجاي سوخت فسيلي در امور حمل و نقل را دو عامل تعيين مي كند:

1 – برتري نسبي خواص هيدروژن در مقايسه با سوختهاي فسيلي

2 – تلاش و تحقيق روز افزون براي رفع معايب و مسايل سيستم انرژي هيدروژني

وزن هيدروژن در مقايسه با سوختهاي فسيلي –  براي بدست آوردن مقدار معيني انرژي - تقريبا يك سوم اما حجيم تر است.  براي يك مقدار معين انرژي، هيدروژن در شكل مايع، 8/3 برابر بنزين و در حالت گازي 6/3 برابر گاز طبيعي، حجم اشغال مي كند.  گرچه در عمل اين اضافه حجم 25-20 درصد كمتر است، زيرا هيدروژن بسيار مؤثرتر از سوختهاي فسيلي به ساير اشكال انرژي مصرفي تبديل مي شود.  سرعت زياد شعله و محدوده وسيع احتراق، آن را سوخت مناسبي براي موتورهاي درون سوز، توربينهاي گازي و موتورهاي جت مي سازد.  هيدروژن در موتورهاي درون سوز با بازدهي 20-12 در صد بيش از سوختهاي فسيلي مي تواند به انرژي مكانيكي تبديل شود.  علاوه بر آن، سبكي بيشتر هيدروژن نسبت به سوخت جت – بخصوص هيدروژن مايع نسبت به واحد وزن، در مقايسه با سوخت جت – همراه با محتواي انرژي بيشتري است و همين مسآله به هنگام استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت در هواپيما، وزن نشستن هواپيما و در نتيجه مصرف سوخت را كاهش مي دهد و براي هواپيماهاي مسافربري برتري دارد.  از پژوهشها برمي آيد كه استفاده از هيدروژن مايع در موتور هواپيماهاي مسافربري معمولي، 19 درصد مصرف انرژي را نسبت به سوخت جت با پايه فسيلي كاهش مي دهد.  در هواپيماهاي مافوق صوت، اين برتري به 38 درصد و در خودروهاي درون سوز به 60-20 درصد مي رسد.

 در تبديل سوختها به انرژي حرارتي در بعضي مصارف صنعتي، تجاري يا خانگي، بازده هيدروژن بيش از ساير سوختهاست.  جدول 1 به صورت مقايسه اي اين مزايا را ارايه داده است.  ملاحظه مي شود كه 736 واحد انرژي هيدروژني كافي است تا كار 1000 واحد انرژي سوخت فسيلي انجام گيرد.  به عبارت ديگر اگر كاربرد تمامي موارد مطرح باشد، هيدروژن 20درصد بيش از سوختهاي فسيلي مؤثر است.

از لحاظ مسايل ايمني و آلودگي نيز، هيدروژن يكي از تميزترين و ايمن ترين سوختهاست.  موتورهاي با سوخت هيدروژن به طرحهاي مربوط به كنترل آلودگي نياز ندارند چرا كه محصول احتراق آنها بخار آب است كه خطري براي لايه ازن ندارد. در مقابل، از نقايص عمده سوختهاي فسيلي، آلودگي زايي محصولات احتراق آنهاست. در حاليكه محصول احتراق هيدروژن ( بخار آب ) سمي و آلودگي زا نيست.  تنفس آن نيز ضرري ندارد و همين مسآله استفاده از آن را در مصارف خانگي مناسب مي سازد.  از لحاظ ايمني نيز آتش هيدروژن خطر كمتري از آتش سوختهاي فسيلي دارد، چرا كه درخشش شعله و تشعشع حرارتي آن كمتر است.

در مورد هيدروژن تنها يك مسآله وجود دارد.  هيدروژن سبك ترين عناصر است و بهمين دليل بسيار ساده تر و سريعتر از بنزين و گاز طبيعي نشت ميكند، گرچه پيشرفت دانش فني در زمينه سيستم انرژي هيدروژني روز به روز بشر را به احاطه كامل بر اين سيستم نو رهنمون مي شود.

 Referencess:

1.T.N.Veziroglu, “ International Journal of Hydrogen Energy “ , Vol.12,No.2,1987.

2.C.Marchetti, “The Future of Hydrogen “ , Vol.12,No.2,1987.

3.H.Wenzl, “ International Metals Review “ , Vol.27,No.3,1982.

•    اين مقاله در نشريه صنعت خودرو شماره ۴۶، مهر ماه ۱۳۸۰ به چاپ رسيده است.

هيدروژن، سوخت آينده

  چكيده  

وجه مثبت و مفيد هيدروژن تنها در حدود سه دهه است كه آشكار گشته است.  آنچه اين جنبه را شاخص ساخته، قابليت هيدروژن در جايگزيني منابع سوختي فسيلي و غير فسيلي است.  در دهه هاي آينده، هيدروژن به عنوان يك سيستم انرژي، جاي واقعي خود را پيدا خواهد كرد.  معايب و محدوديتها و مسايلي كه در مورد سوختهاي فسيلي وجود دارد باعث گرايش بشر به سمت استفاده از اين سوخت ثانوي و واسطه شده است.  نگراني از اتمام منابع سوختهاي فسيلي، مشكلات و معضلات آلودگي هوا و محيط زيست ناشي از محصولات احتراق آنها و حتي توزيع غير يكنواخت اين منابع – مثل نفت – كه تنشهاي سياسي و اقتصادي جهاني را دامن مي زند، همگي جاذبه هاي مؤثر تلاش براي تحقق ايده جديد “ سيستم انرژي هيدروژني‌ ” به شمار مي رود.  افزايش سهم هيدروژن در توليد انرژي جهاني در سالهاي اخير، از گامهاي عملي در اين زمينه محسوب مي شود. كارايي هيدروژن در جايگزيني منابع سوختي رايج، حيطه وسيعي از نيازهاي بشر را در زمينه هاي مصارف صنعتي، شهري و خانگي نظير توليد الكتريسيته، حمل و نقل، سرماسازي براي نگهداري مواد غذايي، پخت و پز، تهويه مطبوع، گرم كردن و پمپاژ آب و . . . در بر مي گيرد.  در اين مقاله فن آوري هيدروژن در اين حوزه ها بررسي شده است.

مقدمه

گرچه امروزه حدود 80 درصد نياز بشر به انرژي از طريق سوختهاي فسيلي برآورده مي شود، اما بر اساس تخمينهاي قابل اعتماد، ذخيره سوختهاي فسيلي به زودي رو به كاهش مي رود.  بدين جهت سرعت توليد سوختهاي فسيلي در دنيا رو به افول دارد، بگونه اي كه انتظار مي رود اين كاهش، تاثيرات خود را از سال 2030 ميلادي به شدت نشان دهد. بنابر اين مهمترين مسآله در مورد سوختهاي فسيلي پايان پذيري و تجديد ناپذيري آنهاست.  طبيعت ميليونها سال براي تهيه آن وقت گذرانده و بشر در يك قرن يا بيشتر آن را مصرف مي كند.علاوه برآن آلودگي زايي محصولات احتراق فسيلي معضل بزرگ اجتماع امروز بشري است

محدوديتها و مضرات ومسايل منابع انرژي فسيلي و غير فسيلي، نياز روز افزون به استفاده از يك سيستم انرژي واسطه براي تشكيل حلقه اتصال اين قبيل منابع با مراكز مصرف را شدت بخشيده است.  اين سيستم انرژي نه تنها بايد معايب و مشكلات منابع انرژي فسيلي و غير فسيلي را نداشته باشد، بلكه بايد جاذبه هاي ارزشمندي در رفع احتياجات بشر از خود بروز دهد :  قابل حمل و نگهداري و ذخيره باشد، آلودگي زدا نباشد، قابل تجديد باشد، تهيه آن به صرفه باشد، به منابع انرژي اوليه غير فسيلي كه با زمان و مكان تغيير مي كند  وابسته نباشد تا دست نخورده باقي بماند و . . .  .  در ميان سوختهاي مصنوعي مدعي در اين حوزه، هيدروژن بهتر و بيشتر از بقيه نيازهاي فوق را برآورده مي سازد و پاسخگوي احتياجات بشري در زمينه مصارف شهري و خانگي است.

توليد الكتريسيته

هيدروژن مناسب ترين سوخت براي توليد الكتريسيته است كه مي تواند با بازدهي بيش از ساير سوختها در باطريهاي سوخت به الكتريسيته تبديل شود.  با استفاده از دو روش مي توان عمل نمود.  روش اول بكارگيري يك باطري سوخت هيدروژني است . اين باطري داراي دو الكترود است كه توسط يك الكتروليت از يكديگر جدا مي شوند.  الكتروليت ممكن است يك محلول بازي ( مثل هيدروكسيد پتاسيم يا سديم ) يا يك محصول اسيدي ( مثل اسيد سولفوريك )، سراميك جامد يا پليمرهاي جامد باشد كه جريان الكتريكي را به شكل يونهاي هيدروژن يا هيدروكسيل حمل مي كند.  واكنش گاز هيدروژن در آند به توليد يونهاي مثبت هيدروژن و الكترونها منجر مي گردد.  الكترونها از مدار خارجي رانده مي شوند و برق DC  توليد مي شود.  واكنش هيدروژن دركاتد با اكسيژن-از هوا يا يك منبع اكسيژن و ا لكتروليت، يونهاي منفي هيدروكسيل OH^-  را  توليد مي نمايد.  در الكتروليت نيز يونهاي هيدروكسيل و يونهاي هيدروژن، آب خالص توليد مي كند كه از باطري تخليه مي شود.  از آب خالص به عنوان محصول جانبي  مي توان نيازهاي آب نوشيدني و مصارف پخت و پز را تامين كرد.

امروزه باطريهاي خانگي با قدرت KW   40 و بازده 80 درصد مورد مصرف قرار  گرفته اند.  يك باطري سوخت قادر است كليه نيازهاي برقي خانه را تامين نمايد و بنابر اين به سيستمهاي پيچيده و گران و سنگين حمل و توزيع الكتريسيته احتياجي نيست.

روش ديگر توليد الكتريسيته با استفاده از هيدروژن، بهره گيري از خواص هيدروري آن، به ضميمه يك منبع حرارتي نظير حرارت خورشيد است.  حركت هيدروژن از يك تانك هيدرور به تانك ديگر، اگر با عبور از درون يك توربين يا موتور انبساطي همراه باشد، نيروي الكتريكي و مكانيكي توليد مي كند.

تهويه مطبوع

با توليد الكتريسيته از باطريهاي سوخت يا طرحهاي ديگر، مي توان از آن در گرم كردن گرمكن هاي مقاومتي و سرد كردن سيستمهاي معمولي تصفيه هوا و گرم و سرد كردن سيستمهاي تهويه مطبوع بهره جست.  راه ديگر، استفاده از هيدروژن بجاي گاز طبيعي در اين قبيل سيستمهاست.  تنها بايد مشعلها را بطور مناسب و مطلوب تنظيم نمود.  براي تهيه بخار در گردش از طريق ديگهاي بخار براي گرم كردن فضا، مي توان هيدروژن را بجاي گاز طبيعي بكارگرفت.  با استفاده از نوع خاصي از ژنراتور بخار، هيدروژن با اكسيژن مي سوزد و در دماهاي بسيار بالا، بخار خالص توليد مي كند.  به منظور حفاظت از مواد ديگ، لوله و اتصالات، با افزودن مقدار مناسبي آب به بخار آب، دماي آن را كاهش مي دهند.  اين يك راه مؤثر براي توليد بخار آب است چرا كه گازهاي شعله با نرفتن به دودكش، از هدر رفتن 35-25 درصد حرارت جلوگيري به عمل مي آورد.

راه ديگر گرم كردن فضا، استفاده از محفظه هاي احتراق كاتاليزوري هيدروژن است  كه در آن هيدروژن با اكسيژن در حضور يك كاتاليزور – مثل پالاديم يا پلاتين   - در طي يك واكنش گرمازاي بدون شعله تركيب مي شود.  در اين حالت، يك قسمت نقش پخش كننده گاز را به عهده دارد و ديگري بستر كاتاليزوري است.  عبور يك جريان تنظيم شده هيدروژن به وسيله جابجايي اجباري از كنار دو صفحه، باعث انجام واكنش در يك لايه مشخص از سطح خارجي صفحه با اتمسفر اكسيژن مي شود.  گرماي واكنش از طريق تشعشع و جابجايي به محيط اطراف انتقال مي يابد.  سرعت احتراق در دماي حاصله به سطح فعال كاتاليزور و سرعت اعمال هيدروژن بستگي دارد.  بازده حرارتي كاتاليزور تا حدود 100 درصد هم مي رسد.

پمپاژ آب

يكي از مبرم ترين نيازهاي زندگي بشر، آب است.  اگر آب شهري موجود نباشد، معمولا از آب زير زميني استفاده مي شود.  هيدروژن را به طرق مختلف در پمپ كردن آب زير زميني به بيرون بكار مي گيرند.  يك راه، استفاده از آن براي توليد برق با يك پمپ آب معمولي است.  راه ديگر يك زوج پمپ معمولي براي موتور درون سوز هيدروژني است.  اگر گرماي خورشيد مناسب باشد، يك سيستم هيدروژن – هيدرور را مي توان براي پمپاژ آب بكار برد.

آب گرم تهيه شده به وسيله گرماي خورشيد و آب سرد بدست آمده از چاه متناوبا به وسيله شيرهايي به يك مبدل حرارتي در يك بستر فلز – هيدرور اعمال مي شود.   گاز هيدروژن آزاد شده   در طي فاز حرارتي سيكل، يك بادكنك لاستيكي را در چاه متورم مي كند و آب از شير كنترل بالايي خارج مي شود.  آب زير زميني پس از عبور از شير كنترل پاييني به داخل چاه جريان مي يابد و بادكنك را متورم مي سازد و در طي فاز سرد شدن با فشار، هيدروژن را به بستر هيدرور برمي گرداند و سيستم به حالت اوليه بر مي گردد.

پخت و پز

براي تهيه انرژي مورد نياز در اين زمينه با بكارگيري هيدروژن، سه راه ممكن وجود دارد :

روش اول استفاده از هيدروژن بجاي گاز طبيعي در وسايل پخت و پز گازي معمولي است.  در مشعلهاي چنين وسايلي تمام هواي مورد نياز جهت احتراق از محيط گرفته مي شود و هيدروژن در فشار نسبتا پايين اعمال مي شود و گاز هيدروژن با عبور از درون يك سوراخ، شتاب مي گيرد.  وقتي هيدروژن به لوله مخلوط كننده وارد مي شود هوا را از يك سري سوراخهاي نزديك پايه مشعل مي گيرد و پس از اختلاط از روزنه هاي مشعل عبور مي دهد.  با خروج گاز مخلوط شده از روزنه، احتراق صورت مي گيرد و شعله ظاهر مي شود.

روش ديگر استفاده از مشعلهاي اتمسفري هيدروژني است . با مسدود كردن تمام هواي اوليه، از اختلاط هوا – هيدروژن جلوگيري شده و سپس يك شبكه سيمي فولاد ضد زنگ اطراف روزنه هاي مشعل جاسازي مي شود.  جاسازي مناسب اين شبكه سيمي، به مخلوط هيدروژن و هوا اجازه گذر تدريجي از مشعلها را مي دهد.  يك منطقه غني از هيدروژن در مجاورت مشعل وجود دارد كه با دور شدن از آن، غلظت اكسيژن افزايش مي يابد.  اگر جنس فولاد ضدزنگ درست انتخاب شود، در اطراف دهانه مشعل يك منطقه دربرگيرنده غلظت هيدروژن غير قابل اشتعال وجود خواهد داشت.  طراحي مناسب مشعل، منطقه محدود غير قابل اشتعال را همواره در خارج از محيط فولاد ضد زنگ نگاه مي دارد.  در دماي بالا، فولاد ضد زنگ يك كاتاليزور عالي براي احتراق هيدروژن محسوب مي شود.

سومين روش استفاده از احتراق كاتاليزوري هيدروژن در تهيه انرژي حرارتي براي پخت و پز است.  فايده اوليه احتراق كاتاليزوري آن است كه مي تواند بدون شعله انجام پذيرد.  در اين حالت محدوده دما وسيعتر است و مي توان يكنواخت تر آن را در سطح مشعل تنظيم نمود و از اين راه حرارت بيشتري را به غذا منتقل كرد.  بازده محفظه هاي احتراق كاتاليزوري هيدروژني ( 85 درصد ) بيش از مشعلهاي شعله اي ( 60 درصد ) است.

وسايل نقليه

هيدروژن يك سوخت تميز و كارآ براي تهيه نيروي مكانيكي از موتورهاي درون سوز بشمار مي آيد. تحقيقات بسياري در مورد استفاده از موتورهاي درون سوز با سوخت هيدروژن در ماشينها، اتوبوسها، تراكتورها و . . . صورت گرفته است.  در اين تحقيقات روشهاي مختلف نگهداري هيدروژن نظير گاز تحت فشار، هيدروژن مايع و هيدرورهاي فلزي مورد توجه واقع شده است.

با توجه به اينكه هيدروژن مي تواند در شرايط مخلوط فقير سوخت – هوا بخوبي مخلوط غني بسوزد، در  اتومبيل راني شهري كه توقف و حركت زياد است، در مقايسه با سوختهاي فسيلي كه تنها مي تواند در مخلوط غني بسوزد برتر مي نمايد. 

علاوه بر بازده بالاتر هيدروژن در موتورهاي درون سوز نسبت به سوختهاي فسيلي، سبكي هيدروژن نسبت به سوخت جت، چشم انداز استفاده از آن را به عنوان سوخت در هواپيما روز به روز اميدوار كننده تر كرده است.  كاهش مصرف انرژي در هواپيماهاي مسافربري به 19 درصد و در هواپيماهاي مافوق صوت به 38 درصد مي رسد.

آلودگي و ايمني

در مقايسه هيدروژن و ساير سوختها، ترديدي باقي نمي ماند كه هيدروژن يكي از تميزترين و ايمن ترين سوختهاست.  موتورهاي با سوخت هيدروژن به طرحهاي مربوط به كنترل آلودگي نياز ندارند چرا كه محصول احتراق آنها بخار آب است كه خطري براي لايه ازن ندارد.  در مقابل، از نقايص عمده سوختهاي فسيلي، آلودگي زايي محصولات احتراق آنهاست. سالانه ميليونها تن NO_x, SO₂, CO, CO₂، دوده و خاكستر از اين طريق وارد اتمسفر مي شود اما محصول احتراق هيدروژن يعني بخار آب، سمي و آلودگي زا نيست، تنفس آن نيز ضرري ندارد و همين مساله استفاده از آن را در مصارف خانگي مناسب مي سازد.

از نظر مسايل ايمني نيز، آتش هيدروژن خطر كمتري از آتش سوختهاي فسيلي دارد، چرا كه درخشش شعله و تشعشع حرارتي آن كمتر است و بنابر اين اشيايي كه بسيار نزديك شعله سوختهاي فسيلي باشند به شدت مي سوزند و صدمه مي بينند.  دماي شروع احتراق هيدروژن نيز بالاست.  در مورد هيدروژن تنها يك مساله وجود دارد.  هيدروژن سبك ترين عناصر است و بهمين خاطر بسيار ساده تر و سريعتر از بنزين و گاز طبيعي نشت مي كند، گرچه پيشرفت فناوري در زمينه سيستم انرژي هيدروژني روز به روز بشر را به احاطه كامل بر اين سيستم نو رهنمون  مي شود.

  نتيجه گيري

با توجه به وضعيت و موقعيت سوختهاي فسيلي و مسايل و مشكلاتي كه در زمينه مصرف اين نوع سوختها وجود دارد، بدون ترديد در آينده اي نه چندان دور تحول چشمگيري در عرصه شناخت و مصرف آنها بروز خواهد كرد.  بسياري از محققين بر اين باور هستند كه سيستم انرژي هيدروژني بخوبي مي تواند حلقه اتصال منابع جديد انرژي و مراكز مصرف را تشكيل دهد.  دامنه استفاده از اين سيستم به مصارف صنعتي محدود نمي ماند و از هم اكنون زمينه هاي متعددي را در مصارف شهري و خانگي نظير توليد الكتريسيته، تهويه مطبوع، پمپاژ آب، پخت و پز، وسايل نقليه و . . . در حوزه نفوذ خود در آورده است.  گرچه هنوز محدوديتهايي در بكارگيري فراگير اين سيستم وجود دارد اما پيشرفت فناوري در باره انرژي هيدروژني روز به روز بشر را به احاطه كامل بر اين سيستم رهنمون خواهد شد.

 منابع :

1 – “ 4 th. International Conference of Hydrogen and Materials, “ China, 1988.

2–T.N.Veziroglu, “ International Journal of Hydrogen & Energy “ , Vol.12, No. 2,1987.

3 – H.Wenzl, “International Metals Reviews “ , Vol.27, No. 3, 1982.

4–C.Marchetti,“International Journal of Hydrogen & Energy “ , Vol.12, No.2, 1987.

• این مقاله در مجموعه مقالات اولین همایش پیلهای سوختی در سال ۱۳۸۰ به چاپ رسیده است