وضعیت رشد و گسترش وسایل نقلیه

با وجودی که CNG سهم بازار بیشتری در میان خودروها دارد، رویکرد جدیدی به سمت وسایل الکتریکی که با پیل سوختی هیدروژن کار می کنند (FCVs; Fuel Cell-powered electric Vehicles) به وجود آمده است (شکل ۳).

اگر فرض کنیم که پیش بینی های گذشته مدیران دولتی و بازاریان در دهه پیش درباره قابلیت عرضه چنین سیستم هایی در بازار درست بوده باشد، اکنون باید بیش از ۵ میلیون FCVs در حال استفاده باشد. در سال ۲۰۱۳ تعداد واقعی پیل های سوختی در سیستم حمل و نقل که به مشتریان تحویل داده شده است با کاهش روبرو بوده و از ۲۷۰۰ واحد در سال ۲۰۱۲ به ۲۲۰۰ واحد رسیده است. در سال ۲۰۱۴ تعداد FCVs در جهان به ۱۵۰۰۰ واحد رسیده است. که شامل اتوبوس ها، کامیون ها و جرثقیل در بنگاه تجاری است، ولی این وضعیت در حال تغییر است. از سال ۲۰۰۷ سیزده نوع خودروی مختلف FCV به نمایش در آمده اند. این FCVs شامل شورولت Equinox هوندا FCX Clarity، هیوندای ix35 و مرسدس بنز کلاس B است. همچنین به نظر می آید در سال ۲۰۱۵ شرکت تویوتا در ژاپن اولین شرکت تولید کننده FCV تجاری باشد. فروش این وسایل نقلیه از آوریل ۲۰۱۵ در ژاپن شروع شده و در ماه های بعدی به اروپا و آمریکا ارسال می شود. البته این شرکت تنها نیست و شرکت هیوندا به دنبال آن آمده و شرکتهای هوندا، نیسان، فورد، BMW و سایرین تصمیم دارند که تا سال ۲۰۱۷ به این جمع بپیوندند. این شرکت های تولید وسایل نقلیه سواری، اتوبوس ها و تعداد محدودی کامیون های تجاری، آماده تحقق بخشیدن به وسایل نقلیه هیدروژنی هستند.

تعداد کل ایستگاه های سوخت گیری مورد نیاز برای این وسایل در جهان تقریباً ۳۲۵ ایستگاه است که تنها ۲۵ ایستگاه از این تعداد در سال ۲۰۱۳ اضافه شده است. تعداد این ایستگاه ها در ژاپن، آلمان، انگلستان و کالیفرنیا به سرعت در حال افزایش است. طی دو سال گذشته ژاپن و کالیفرنیا ایجاد ۱۰۰ ایستگاه جدید برای سوخت گیری هیدروژن را در برنامه خود قرار داده اند. آلمان می خواهد تا سال ۲۰۲۳ تعداد ۴۰۰ ایستگاه جدید به وجود آورد. بنابراین اگر به این ترتیب باشد تا سال ۲۰۲۳ تعداد حداقل ۲۵۰۰ ایستگاه سوخت گیری در سراسر جهان قابل استفاده خواهد بود. با استفاده از صنعت CNG به عنوان مدل، این ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن قابلیت تأمین سوخت ۱۰ تا ۲۰ میلیون وسیله نقلیه را خواهند داشت.

بر این اساس انتظار می رود که تعداد FCVs جدید در سال ۲۰۱۴ نسبت به سال ۲۰۱۳ دو برابر شود، یعنی حدود ۴۰۰۰ وسیله نقلیه. با وجودی که این تعداد برای نقطه شروع نسبتاً کم هستند احتمال رشد سالیانه تا حدود ۲۰۰ هزار وسیله نقلیه در هر سال تا سال ۲۰۲۳ وجود دارد. به این ترتیب تقاضای زیادی برای مخازن ذخیره هیدروژن با فشار بالا به وجود خواهد آمد (مخازن CNG نوع III، IV، V). علاوه بر آن، اجباری بیرونی نیز وجود دارد. تعدادی شرکت کوچک وجود دارند که با ارایه محصولات و فناوری های مورد نیاز، به کاربران فعلی کامیون ها کمک می کنند تا موتورهای دیزلی خود را به شکلی تبدیل کنند که از گاز طبیعی یا سوخت هیدروژن استفاده کند. در واقع به رانندگان کامیون، سیستم هایی ارائه می شود که دارای تزریق سوخت جدید، ذخیره سوخت و سیستم تهویه و واحدهای کنترل الکترونیکی جدید هستند. بنابراین پذیرش چنین جعبه بروز رسانی شده ای (retrofit kits) صاحبان ۳۱۰ میلیون کامیون سنگین و متوسط فعلی را قادر به رعایت قوانین سختگیرانه برای مواد منتشر شده از سوخت ها می کند.

 معرفی انواع مخازن CNG و مقایسه آنها

در حال حاضر در بازار مخازن تحت فشار در دنیا تعدادی طراحی مورد رقابت از مخازن CNG وجود دارد که در میان آنها تعداد کمی مخازن CNG نوع V وجود دارد که فاقد لاینر داخلی است و اخیراً استفاده از آن در وسایل نقلیه مورد پذیرش قرار گرفته است. شرح مختصری از پنج نوع طراحی که در حال حاضر برای مخازن CNG وجود دارد در ادامه آمده است (شکل۴):

CNG نوع I: به طور کامل از فلز معمولاً فولاد ساخته شده است.
CNG نوع II: اغلب از فولاد یا آلومینیوم با پوشش رویی از پلیمر تقویت شده با الیاف (شیشه، کربن یا بازالت) ساخته شده و بار اعمالی توسط هر دو بخش تحمل می شود.
CNG نوع III: از آستری فلزی (معمولاً آلومینیوم) با پوشش کامل از کامپوزیت الیاف کربن ساخته شده و در این نوع کامپوزیت، بار اعمالی را تحمل می کند.
CNG نوع IV: ساختار فاقد فلز است. کامپوزیت الیاف کربن یا هیبرید الیاف کربن و شیشه روی آستری از جنس پلیمری ترموپلاستیک (معمولاً HDPE یا پلی آمید) رشته پیچی شده است. در این نوع نیز کامپوزیت، بار اعمالی را تحمل می کند.
CNG نوع V: ساختار به طور کامل از کامپوزیت ساخته شده است. مخزن فاقد آستری است و کامپوزیت الیاف کربن یا هیبرید الیاف کربن و شیشه روی مندرلی فدا شونده رشته پیچی شده است. در این نوع نیز تنها کامپوزیت، بار اعمالی را تحمل می کند.
هر یک از انواع مخازن تحت فشار مزایا و معایبی دارند. مخزن CNG نوع I کمترین قیمت را دارد و هزینه تولید آن به ازای هر لیتر از حجم مخزن حدود ۵ دلار تخمین زده شده است. برای تولید این نوع مخزن، نیاز به تجهیزات و مهارت کار با فلزات است که به میزان وسیعی به طور بین المللی در دسترس است. عیب مخازن نوع I این است که نسبت به بقیه انواع، سنگین تر است (هر لیتر ۴/۱ کیلوگرم). مخازن CNG نوع II نسبت به نوع I حدود ۵۰ درصد هزینه ساخت بیشتری دارند ولی وزن محفظه ذخیره ۳۰ تا ۴۰ درصد کمتر است. مخازن نوع III و IV حتی وزن کمتری دارند (هر لیتر بین ۳/۰ تا ۴۵/۰ کیلوگرم). ولی هزینه ساخت این دو نوع مخزن تقریباً دو برابر مخزن نوع II و ۵/۳ برابر مخزن نوع I است. شکل ۵ کاهش وزن همراه با افزایش قیمت انواع مخازن را نشان می دهد.

مخازن نوع III و IV به سه دلیل از عوامل اصلی رشد و توسعه مخازن تحت فشار هستند؛
اول اینکه ساخت تمام یا بخشی از مخازن تحت فشار از کامپوزیت ها، وزن سیستم سوخت رسانی و در نتیجه وزن وسیله نقلیه ر کاهش می دهد. برای مثال استفاده از مخازن نوع III و IV در اتوبوس ترانزیت یا کامیون های تجاری موجب کاهش بیش از ۴۵۴ کیلوگرم از وزن سیستم گازی می شود.
این کاهش وزن نه تنها موجب بهبود وضعیت اقتصادی سوخت می شود بلکه ظرفیت حمل بار را نیز افزایش می دهد و مزایای عملکردی دیگری را ایجاد می کند که امکان خرید مخازن گرانتر را فراهم می کند.
دوم اینکه مخازن کامپوزیتی حد عملیاتی برای فشار گاز بالاتری دارند و امکان دانسیته ذخیره انرژی بهتری را فراهم می کنند. در بسیاری کاربردهای فشار بالا که نیاز به سیلندرهایی با تحمل فشار ۷/۳۴۴ بار (psi 5000) یا بیشتر است، مخازن نوع III و IV در عمل بهترین راه حل هستند.
سوم آنکه مواد کامپوزیتی به میزان قابل توجهی مقاومت خوردگی و ایمنی کلی مخزن تحت فشار را افزایش می دهند. در مخازن کامپوزیتی که از الیاف کربن به عنوان تقویت کننده استفاده شده است، مقاومت خستگی عالی این نوع الیاف، عمر استفاده مخزن را نیز افزایش می دهد. مخازن تحت فشار نوع III و IV که با الیاف کربن تقویت شده اند ۳۰ سال عمر می کنند که دو برابر عمر مخازن نوع I و II است.
جدیدترین نوع مخزن CNG نوع V است که در سال ۲۰۱۳ مورد تأیید واقع شده و بهترین نسبت وزن به فشار قابل تحمل را دارد. مطابق گزارش شرکت Composite Technology Development و شرکت Clean NG این نوع مخزن، ۱۰ تا ۲۰ درصد سبک وزن تر از مخزن CNG نوع IV است. مخزن نوع V نسبت به نوع III و IV ارزان ترین گزینه است زیرا از لایه گذاری ساده ای (Simplified Laminate) استفاده می شود. امید است که این موضوع علی رغم قیمت بالاتر مواد مورد استفاده در این نوع مخزن درست باشد زیرا سیستم های رزین اپوکسی چقرمه و نانو کامپوزیت ها در غیاب آستری نیاز به ممانعت نشت گاز دارند.
فشار بازار بر ساخت مخازن تحت فشار موجب فشار بر تولید کنونی شده است. البته افزایش حجم تولید به تنهایی برای تأمین تقاضای آینده کافی نیست و به موازات آن، تمرکز بر بهبود فناوری تولید مهم است. مخازن تحت فشار کامپوزیتی اغلب با استفاده از فرآیند رشته پیچی مرطوب (wet filament winding) و با استفاده از الیاف شیشه یا کربن آغشته به رزین اپوکسییا دیگر رزین ها تولید می شوند (شکل ۶). گستره وسیع ویسکوزیته، خواص گرمایی مکانیکی عالی و زمان عمل (working time) دلایل انتخاب بیشتر رزین اپوکسی برای تولید این مخازن است.

همان طور که در شکل ۶ به صورت شماتیک دیده می شود، در این فرآیند ابتدا الیاف از روی قرقره باز شده و پس از قرار گیری بر روی قلاب از fiber guides عبور میکنند. الیاف با عبور از آنها در کنار هم قرار داده میشوند. تعداد الیافی که کنار هم قرار داده می شوند تعیین کننده ضخامت رشته الیاف است. این رشته وارد حمام رزین حاوی سخت کننده شده و پس از آغشته سازی به آن، روی غلتک یا سیستم رزین گیر کشیده می شوند تا مقدار رزین به میزان مطلوب برسد. سپس محصول به دست آمده از نورد متحرکی عبور کرده و روی محور چرخانی پیچیده می شود. پس از پایان رشته پیچی، معمولاً مخزن طی فرآیند گرمادهی پخت می-شود تا ساخت آن کامل شود.