آنچه در ادامه خواهید خواند!
مقدمه
امروزه بیش از 85 درصد از سیستم انرژی جهان مبتنی بر استفاده از سوختهای فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی و زغالسنگ است، اما انتظار میرود که این سوختها تا قرن حاضر تمام شوند. علاوه بر این، اقتصاد کشورهای نوظهور قیمت سوخت فسیلی را در آینده بی ثباتتر می کند. از این رو لازم است وابستگی به سوخت های فسیلی محدود شود و منابع انرژی جایگزین یافت شود. چنین سناریویی در آینده صنعت هوافضا را تحت تاثیر قرار خواهد داد. امروزه یکی دیگر از مسائل تصمیم گیری آلودگی است. احتراق سوخت های فسیلی معمولی با ترکیباتی مشخص میشود که ممکن است باعث آلودگی محیطی و تغییرات آب و هوایی شود، مانند: دی اکسید کربن، بخار آب، ، هیدروکربن نسوخته (Unburnt HydroCarbon) (UHC)، مونوکسیدکربن، ذرات وSOx . در حال حاضر، سهم ترافیک هوایی غیرنظامی حدود 3 درصد برای NOx و 2.6 درصد برای CO2است. این مقادیر ممکن است به دلیل رشد مورد انتظار ترافیک هوایی جهانی در آینده نزدیک تغییر کند.
این مقاله به بررسی جامع کاربردهای هیدروژن در صنعت هوافضا، از جمله تاریخچه استفاده از آن، روشهای تولید و ذخیرهسازی، چالشهای طراحی و ایمنی، و همچنین نقش آن در ایجاد یک اقتصاد پایدار در هوانوردی میپردازد.
در بخشهای ابتدایی، تاریخچه استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت پیشرانه در صنعت هوافضا مرور میشود و کاربردهای آن در پروژههای مختلف هوایی و فضایی بررسی میگردد. سپس، فناوریهای تولید و ذخیرهسازی هیدروژن با تأکید بر روشهای نوین و چالشهای مرتبط با ذخیرهسازی این عنصر سبک و پرانرژی مورد تحلیل قرار میگیرد. در ادامه، نقش هیدروژن در ایجاد یک اقتصاد پایدار در صنعت هوانوردی بررسی میشود و مزایای زیستمحیطی و اقتصادی آن در مقایسه با سوختهای فسیلی مورد بحث قرار میگیرد.
ایمنی استفاده از هیدروژن در هواپیماها نیز یکی از موضوعات کلیدی است که در این مقاله به آن پرداخته میشود. با توجه به ویژگیهای شیمیایی خاص هیدروژن، چالشهای ایمنی مرتبط با ذخیرهسازی و استفاده از آن در هواپیماها بررسی شده و راهحلهای ممکن برای کاهش خطرات ارائه میشود. علاوه بر این، چالشهای طراحی هواپیماهای هیدروژنی، از جمله نیاز به مخازن بزرگ و عایقبندی شده، مورد تحلیل قرار میگیرد.
در نهایت، این مقاله به بررسی پتانسیل هیدروژن و سلولهای سوختی در هوانوردی میپردازد و نمونههای موفق از هواپیماهای هیدروژنی که تاکنون طراحی و آزمایش شدهاند، معرفی میشوند. با توجه به پیشرفتهای اخیر در فناوریهای مرتبط با هیدروژن، این مقاله نشان میدهد که چگونه این سوخت میتواند به عنوان یک جایگزین پایدار و کارآمد برای سوختهای فسیلی در صنعت هوانوردی مطرح شود. این مقاله با ارائه تحلیل هزینهها و بررسی چالشهای ذخیرهسازی و ایمنی، راه را برای توسعه بیشتر فناوریهای هیدروژنی در صنعت هوانوردی هموار میکند و نشان میدهد که چگونه هیدروژن میتواند به عنوان یک سوخت آیندهنگر، نقش کلیدی در کاهش آلودگی و افزایش پایداری در صنعت هوانوردی ایفا کند.
تاریخچه استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت پیشرانه در صنعت هوافضا
این بخش به طور خلاصه به کاربردهای هیدروژن در صنعت هوافضا میپردازد و مراحل مهم آن از زمان کشف تا امروز را بررسی میکند.
کاربردهای هوانوردی
در سال 1766، هیدروژن به عنوان یک عنصر مجزا توسط دانشمند بریتانیایی هنری کاوندیش از طریق واکنش بین فلز روی و اسید هیدروکلریک شناسایی شد. شیمیدان فرانسوی آنتوان لاوازیه (Antoine Lavoisier) نام هیدروژن را از کلمات یونانی “هیدرو” به معنی “آب” و “جن” به معنی “زاده شده از” انتخاب کرد. در سال 1783، ژاک الکساندر سزار چارلز (Jacques Alexander Cesar Charles) ، فیزیکدان فرانسوی، اولین پرواز بالون هیدروژنی را با بالونی به نام شارلییر (Charliere) انجام داد که به ارتفاع 3 کیلومتر رسید. در سال 1900، اولین پرواز کشتی هوایی سخت معروف به زپلین (Zeppelin) که با هیدروژن پرواز میکرد، در آلمان انجام شد. در سال 1937، هانس فون اوهین یک نمونه توربین گازی ساده تولید کرد که با گاز هیدروژن کار میکرد. این توربین به نام هینکل استراهلتریبورک (Heinkel-Strahltriebwerk) (HeS) شناخته شد و قدرت 250 پوند تراست داشت. در پاییز 1955، آزمایشگاه نیروگاه رایت فیلد آزمایشی برای تعیین قابلیت پرواز یک هواپیما با سوخت هیدروژن مایع ترتیب داد. هواپیمای انتخاب شده برای این پروژه یک بمبافکن دو موتوره B-57B بود. پس از رسیدن به پرواز پایدار در ارتفاع حدود 16400 متر، سوخت یکی از موتورها از JP-4 به هیدروژن تغییر داده شد. مخزن سوخت هیدروژن در بال چپ هواپیما 6.2 متر طول و 1.7 متر مکعب حجم داشت و از فولاد ضد زنگ ساخته شده بود. در بال دیگر، منبع هلیوم شامل 24 کره فیبرگلاس با فشار 200 اتمسفر بود. از هلیوم برای فشار دادن به مخزن هیدروژن و پاکسازی استفاده میشد. سیستم هیدروژن شامل یک مبدل حرارتی برای تبخیر هیدروژن مایع، یک تنظیمکننده جریان و یک منیفلد برای تغذیه هیدروژن گازی به موتور بود. از آن زمان، ایالات متحده چندین پروژه دیگر مانند هواپیمای CL-400 را آغاز کرده است. در سال 1988، اتحاد جماهیر شوروی توانست یک هواپیمای تجاری TU-154 با 164 مسافر را به گونهای تغییر دهد که یکی از سه موتور آن با هیدروژن مایع کار کند. در سال 1991، دو پروژه طراحی برای هواپیماهای کریوپلین سابسونیک (Subsonic Cryoplane) توسط مرکز تحقیقاتی ناسا-لانگلی (NASA-Langley)) و همکاری روسیه-آلمان توسعه یافت. در سال 2000، کمیسیون اروپا پروژه CRYOPLANE را با شرکت 35 شریک از بخش هوایی تأسیس کرد. در 14 سپتامبر 2013، بوئینگ موفق به تکمیل پرواز پنجم دموستراتور Phantom Eye با نیروی هیدروژن مایع شد.
در حال حاضر، ایرباس برنامهریزی میکند تا سیستمی را برای کاهش مصرف سوخت هواپیماها تست کند که در آن سیستمهای غیرموتوری با سلول سوخت هیدروژنی تغذیه میشوند. این طرح باعث کاهش بار موتورهای هواپیما میشود و به موتورهای هواپیما اجازه میدهد مدت طولانیتری در زمین خاموش بمانند. توسعه وسایل نقلیه پرواز فراصوت (بیش از 5 ماخ) نیاز به سیستمهای پیشرانه کارآمد دارد و هیدروژن مایع به عنوان سوخت در این زمینه هیچ رقیبی ندارد. یکی از آزمایشهای موفقیتآمیز اخیر در زمینه پیشرانههای هیدروژنی، آزمایش پروازی X-43A است که در 27 مارس 2004 انجام شد.
یکی دیگر از آزمایشهای اخیر با سوخت هیدروژن، پروژه HyShot در استرالیا است. هدف این پروژه تحقیقاتی، اثبات قابلیت اشتعال و نگهداری احتراق مافوق صوت در شرایط پروازی واقعی بود. همچنین اتحادیه اروپا پروژه LAPCAT II را برای مطالعه امکانسنجی حمل و نقل تجاری فراصوت بلندبرد با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت، تأمین مالی کرد [1].
تولید و ذخیره هیدروژن
با وجود اینکه هیدروژن را می توان به عنوان سوخت بدون کربن در نظر گرفت، انتشار گازهای گلخانه ای تولید شده در حین تولید آن ممکن است بر اساس روش تولید بسیار بالا باشد. بنابراین، مزایای کامل زیست محیطی استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت برای کاربرد آن در صنایع هوانوردی و هوافضا مستلزم تولید هیدروژن با استفاده از منابع پاک و تجدیدپذیر است. همچنین، با چگالی حجمی کم، ذخیره هیدروژن در هواپیما یک چالش بزرگ برای هواپیمای هیدروژنی است.
مروری بر فناوریهای تولید هیدروژن
هیدروژن رایجترین عنصر روی زمین است و معمولاً با جدا کردن آن از دیگر عناصر تولید میشود. این عنصر میتواند از سوختهای فسیلی مانند زغالسنگ و گاز طبیعی یا منابع تجدیدپذیر مانند آب و زیستتوده استخراج شود. حدود ۹۰ درصد از تولید جهانی هیدروژن از سوختهای فسیلی، عمدتاً از طریق فرایند رفرمینگ (Reforming) بخار و اکسیداسیون جزئی گاز طبیعی، به دست میآید. در فرایند رفرمینگ بخار، متان و بخار آب با هم واکنش میدهند تا مونوکسید کربن و هیدروژن تولید کنند. در روش اکسیداسیون جزئی، متان با اکسیژن واکنش داده و مونوکسید کربن، هیدروژن و گرما تولید میکند. همچنین میتوان از گازرسانی به زغالسنگ برای تولید هیدروژن استفاده کرد که در این فرایند مونوکسید کربن و هیدروژن تولید میشود. تولید هیدروژن از سوختهای فسیلی با انتشار CO و CO2 همراه است که برای محیط زیست مضر هستند.
منابع تجدیدپذیر مانند آب و زیستتوده برای تولید هیدروژن پاکتر توسعه یافتهاند. الکترولیز یکی از روشهای اصلی برای استخراج هیدروژن از آب است که با استفاده از انرژی الکتریکی آب را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل میکند. انواع مختلف الکترولایزرها شامل الکترولایزرهای دما پایین (قلیایی و غشاء تبادل پروتون) و الکترولایزرهای دما بالا (اکسید جامد) هستند. گازرسانی به زیستتوده، که شامل استفاده از گرما، بخار و اکسیژن بدون احتراق است، نیز یکی دیگر از روشهای تولید هیدروژن از مواد آلی است. علاوه بر این، فرآیندهای تقسیم آب با استفاده از انرژی گرمایی خورشید یا انرژی هستهای نیز برای تولید هیدروژن از آب به کار میروند [2].
مروری بر فناوریهای ذخیرهسازی هیدروژن
علیرغم مزایای بالقوه استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در صنعت هوانوردی، چگالی کم آن (حدود 0.089 کیلوگرم بر متر مکعب در دما و فشار استاندارد) و مشکلات ذخیرهسازی مرتبط، زمینهای جذاب برای تحقیقات و توسعه باقی میماند. با توجه به محدودیتهای وزن و حجم هواپیما، ذخیرهسازی، تولید و استفاده از هیدروژن بهطور کارآمد در هواپیما چالشبرانگیز است.
هیدروژن را میتوان به صورت فیزیکی یا شیمیایی ذخیره کرد. ذخیرهسازی فیزیکی شامل ذخیرهسازی هیدروژن به صورت گاز فشرده، مایع کرایوژنیک (Cryogenic) یا در حالت جامد به همراه دیگر مواد مانند هیدریدهای فلزی و مواد کربنی است. ذخیرهسازی هیدروژن به صورت گازی رایجترین و سادهترین روش است که معمولاً هیدروژن فشردهشده در فشارهای بین 35 تا 70 مگاپاسکال نگهداری میشود. اما این روش مشکلاتی مانند افزایش دما در طول پرکردن سوخت دارد.
تانکهای ذخیرهسازی هیدروژن مایع (LH2) نیز وجود دارند که نیازمند سرمایش به دمای 253- درجه سانتیگراد هستند و این فرایند تا 40 درصد از انرژی شیمیایی هیدروژن را مصرف میکند. این تانکها از تکنیکهای عایقبندی پیچیده استفاده میکنند تا دمای پایین را حفظ کنند، اما نگهداری طولانیمدت LH2 به دلیل تبخیر تا 3 درصد در روز چالشبرانگیز است.
روش نهایی ذخیرهسازی هیدروژن به صورت شیمیایی در حالت جامد است، مانند هیدریدهای فلزی یا هیدریدهای شیمیایی. در این روش، هیدروژن بهطور برگشتپذیر توسط ترکیبات جامد جذب میشود و در صورت نیاز با افزایش دما یا کاهش فشار آزاد میشود. بهطور کلی، برای کاربردهای هوانوردی، تانکهای کرایوژنیک که میتوانند LH2 را ذخیره کنند، بهدلیل محتوای بالای هیدروژن و وزن و حجم مناسب، همچنان جذابترین روش ذخیرهسازی هستند [2].
نقش فناوری هیدروژن در اقتصاد هوانوردی پایدار
فرودگاههای سراسر جهان با چالشهای متعددی از جمله کیفیت هوا، آلودگی صوتی و بهرهوری انرژی مواجه هستند. علاوه بر این، فرودگاهها باید روزانه هزاران مسافر و هواپیما را مدیریت کنند که این تعادل بین عملیات سنگین و تاثیرات زیستمحیطی را پیچیدهتر کرده است. سهم صنعت هوانوردی در انتشار CO2 جهانی در دو دهه گذشته توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. هدف اصلی صنعت هوانوردی در سراسر جهان کاهش 50 درصدی انتشار خالص CO2 تا سال 2050 نسبت به سطح سال 2005 است. برای دستیابی به این هدف بلندپروازانه، باید منابع انرژی پایدارتر و فناوریهایی مانند بیوفیولهای (Biofuels) جت، سیستمهای نیروی پیشرانه هیبریدی و انرژی هیدروژنی مورد استفاده قرار گیرند. هیدروژن به عنوان سوخت جت دارای مزایای بسیاری نسبت به نفتکوره است از جمله انرژی خاص بالاتر، هزینههای عملیاتی و نگهداری موتور کمتر، انتشار صفر CO2 و انتشار کمتر NOx.
استفاده از فناوری سلول سوختی برای تامین نیروی وسایل نقلیه و تجهیزات فرودگاهی نیز تاثیرات آلودگی را کاهش داده و کیفیت هوای اطراف فرودگاهها را بهبود میبخشد. در حال حاضر، هیدروژن به صورت اقتصادی تنها از طریق فرآیند اصلاح گاز طبیعی تولید میشود و این مسأله نمیتواند به طور کامل مسائل آلودگی هوا و پایداری را حل کند. برای تامین نیازهای اقتصادی و زیستمحیطی استفاده از هیدروژن در صنعت هوانوردی، هیدروژن باید از منابع انرژی پاک تولید شود و بدون نیاز به شبکه طولانی خطوط لوله از محلهای تولید به مراکز مصرف انتقال یابد. این امر با تولید هیدروژن در نزدیکی فرودگاهها با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی زیستی، باد، زمینگرمایی، خورشیدی و دریایی قابل دستیابی است.
سه نوع اصلی مراکز تولید هیدروژن پاک که میتوانند از منابع انرژی تجدیدپذیر مختلف استفاده کنند عبارتند از: مراکز هیدروژن ساحلی (Coastal Hydrogen Centres) (CHCs)، مراکز هیدروژن دریایی (Off-shore Hydrogen Centres) (OHCs) و مراکز هیدروژن داخلی (Inland Hydrogen Centres)(IHCs). این مراکز از موج، باد و یا جریان جزر و مد برای تولید برق استفاده میکنند که سپس میتواند در الکترولایزرها برای تولید هیدروژن از آب دریا استفاده شود. فرودگاههایی که به مناطق ساحلی نزدیک هستند، ممکن است از انرژی موج و باد برای تولید هیدروژن استفاده کنند، در حالی که فرودگاههای داخلی میتوانند بیشتر به انرژی خورشیدی و زیستی متکی باشند. در حال حاضر، بسیاری از فرودگاههای جهان ایستگاههای سوختگیری هیدروژن برای وسایل نقلیه سلول سوختی احداث کردهاند، مانند فرودگاههای برلین، اسلو، اورلی پاریس و فرودگاه بینالمللی ناریتا. تأسیسات هیدروژن فرودگاه برلین نیز هیدروژن را به کمک الکترولیز و با استفاده از انرژی خورشیدی و باد در محل تولید میکند [2].
ایمنی
به دلیل ویژگیهای شیمیایی خاص هیدروژن، آتشسوزی هیدروژن مایع در مقایسه با آتشسوزی نفت سفید برای مدت کوتاهتری طول میکشد. بنابراین، در صورت بروز آتشسوزی در هواپیما، هواپیمای سوخت هیدروژنی کمتر از هواپیمای سوخت نفت سفید آسیب میبیند. برای یک هواپیمای بزرگ سوخت هیدروژنی، آتشسوزی فقط تا 15-25 ثانیه طول میکشد. در عین حال، شدت گرمای ناشی از آتشسوزی نفت سفید بسیار بیشتر است. از اینرو، در صورت بروز آتشسوزی طولانی در هواپیمای سوخت نفت سفید، احتمال فروپاشی بدنه هواپیما وجود دارد، در حالی که در هواپیمای سوخت هیدروژنی، بدنه هواپیما سالم میماند. علاوه بر این، شعاع آتشسوزی هیدروژن در مقایسه با آتشسوزی نفت سفید کوچکتر است.
بزرگترین مسئله ایمنی هیدروژن، تشخیص و به حداقل رساندن نشتی هیدروژن است. همچنین، هیدروژن گازی بدون بو و رنگ است و نمیتوان آن را با حواس انسانی تشخیص داد. بنابراین، نیاز به نظارت پیوسته در طول سیستم ذخیرهسازی هیدروژن برای تشخیص نشتیها یا تجمع هیدروژن وجود دارد. هیدروژن مایع برای ذخیرهسازی، حمل و نقل و تشخیص نیاز به سیستمهای کریوژنیک دارد. سیستم کریوژنیک، سیستمی است که دماهای بسیار پایین (معمولاً زیر ۱۵۰- درجه سانتیگراد) را مدیریت میکند تا مواد را در حالت مایع نگه دارد. این به این معنی است که ذخیرهسازی و حمل و نقل هیدروژن مایع پیچیدهتر از هیدروژن گازی است، زیرا نیاز به تجهیزات خاصی برای نگه داشتن دما و همچنین تشخیص نشتی در شرایط بسیار سرد دارد [3].
چالشهای طراحی
تراکم هیدروژن مایع بسیار کمتر از نفت سفید است. تراکم هیدروژن مایع 70.85 کیلوگرم بر متر مکعب است، در حالی که تراکم نفت سفید 810 کیلوگرم بر متر مکعب است. بنابراین، برای همان همان میزان انرژی، هواپیمای سوخت هیدروژن به حدود ۴ برابر حجم سوخت هواپیمای نفت سفید نیاز دارد. ترکیبی از نیاز به حجم بزرگ، عایق کریوژنیک و طراحی بهینه مخزن فشار، نیروی محرکه اصلی در طراحی پیکربندی هواپیمای هیدروژن مایع هستند و تاثیر زیادی در شکل و ساختار هواپیما دارند. به دلیل ضخامت مورد نیاز مخزن سوخت، دیگر نمیتوان آن را در بالها ذخیره کرد و بنابراین باید بخشی از بدنه هواپیما باشد. ترکیب اندازه بسیار بزرگتر بدنه و بالهای با همان اندازه قبلی یا کوچکتر، باعث میشود هواپیما نسبت به هواپیماهای نفت سفید معمولی، با نسبت بسیار بزرگتر مساحت سطح بدنه (که با هوا در تماس است) به مساحت سطح بال (که با هوا در تماس است) باشد. این امر باعث افزایش کشش اصطکاک سطح و کشش فشاری کل هواپیما میشود و در نتیجه نسبت لیفت به درگ (L/D) هواپیما کاهش مییابد. عایق اضافی نیز منجر به افزایش وزن خالی هواپیما (Empty Weight Fraction) میشود. به طور خلاصه، عایق اضافی مخزن منجر به کاهش نسبت L/D هواپیما و افزایش کسری وزن خالی هواپیما (EWF) میشود. این باعث نیاز به انرژی اضافی برای هواپیمای سوخت نفت سفید میشود، اما با وزن بسیار کمتر سوخت هیدروژن مایع جبران میشود [3].
هیدروژن و سلولهای سوختی در هوانوردی
مطالعاتی در گذشته استفاده از هیدروژن به عنوان منبع اصلی انرژی برای هواپیماها را بررسی کردهاند. در حالی که برخی از این پروژهها به عنوان مطالعات مفهومی باقی ماندهاند، تعدادی از هواپیماهای سوخت هیدروژنی واقعاً ساخته و آزمایش شدهاند. بوئینگ در سال 2008 امکانپذیری یک هواپیمای سوخت هیدروژنی را اثبات کرد و نمونهای از یک گلایدر موتوردار دو نفره را به نمایش گذاشت که تنها توسط سلولهای سوختی غشای تبادل پروتون (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)(PEMFC) نیرو میگرفت.
در سال 2010، دانشگاه Politecnico di Torino هواپیمای Rapid 200-FC را که یک بازتولید از هواپیمای فوق سبک Rapid 200 بود، معرفی کرد که به یک پروانه 40 کیلوواتی الکتریکی مجهز بود و سرعت کروز حداکثر 135 کیلومتر در ساعت داشت [4].
در سال 2012،Kim و همکارانش [5] یک وسیله نقلیه کوچک بدون سرنشین با سوخت سلول سوختی طراحی و آزمایش کردند. مرکز فضایی آلمان و شرکت H2Fly هواپیمای HY4 را ساختند که دارای طراحی دو بدنه و فضای برای چهار مسافر است و در سال 2016 اولین پرواز خود را انجام داد.
شرکت ZeroAvia نیز قصد دارد تا سال 2024 یک هواپیمای تجاری هیدروژنی-الکتریکی بسازد. مطالعات بیشتری برای بررسی پتانسیل هواپیماهای بزرگ حمل و نقل با سوخت هیدروژن و سلول سوختی نسبت به استفاده از نفت سفید انجام شده است.
خواص هیدروژن و پیل سوختی
با توجه به اهمیت وزن در هوانوردی، هیدروژن به عنوان سوخت هواپیما پتانسیل مناسبی نشان میدهد، زیرا دارای چگالی انرژی گرانشی بالایی به میزان 33.3 کیلووات ساعت بر کیلوگرم است، در حالی که چگالی انرژی AvGas 100LL، یک سوخت رایج در هوانوردی، 12.14 کیلووات ساعت بر کیلوگرم است. با این حال، چگالی انرژی حجمی سوخت هواپیما نیز اهمیت بالایی دارد و بالاترین چگالی انرژی حجمی هیدروژن با مایعسازی به دست میآید که از طریق خنک کردن هیدروژن به 21.15 کلوین حاصل میشود. با این حال، چگالی انرژی حجمی هیدروژن مایع همچنان تنها حدود یک چهارم چگالی انرژی حجمی AvGas 100LL است. بنابراین، هواپیمای سوخت هیدروژنی مایع نیاز به سیستمهای ذخیره سوخت بسیار بزرگتر و کریوژنیک دارد.
یکی از چالشهای ذخیرهسازی هیدروژن مایع، تبخیر آن است. علیرغم عایقبندی، ورود حرارت محیط به طور کامل قابل جلوگیری نیست و بنابراین، تبخیر حدود 0.3 تا 3 درصد هیدروژن در هر روز را باعث میشود. با این حال، در هوانوردی این اتلاف قابل تحمل است، زیرا بیشتر هواپیماها در عملیات بدون زمانهای توقف طولانی فعالیت میکنند.
سلولهای سوختی برای سوختن هیدروژن یا گازهای دیگر استفاده میشوند که هم انرژی حرارتی و هم انرژی الکتریکی تولید میکنند. در این مطالعه به سلولهای سوختی غشای تبادل پروتون (Proton-Exchange Membrane Fuel Cell) (PEMFC) که رایجترین نوع هستند، اشاره شده است.
موتورهای الکتریکی که پروانهها را به حرکت در میآورند، مزایای زیادی نسبت به موتورهای جت سوختی دارند. این موتورها وزن و حجم کمتری دارند، باعث کاهش وزن کلی هواپیما و مساحت سطح کمتر میشوند و همچنین ارتعاشات را کاهش میدهند [6].
هیدروژن به عنوان یک سوخت جایگزین در هوانوردی
برای کاهش آلودگی و افزایش پایداری در هوانوردی، سوختهای فسیلی با منابع انرژی تجدیدپذیر جایگزین میشوند. هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک شناخته میشود، زیرا میتوان آن را بدون آلودگی هوا مصرف کرد. هیدروژن خالص به راحتی در دسترس نیست و باید استخراج یا تولید شود. بنابراین، فرآیندهای مختلفی برای تولید سوخت هیدروژن وجود دارد که با کاهش انتشار کربن همراه هستند، اما به طور کامل عاری از آلودگی نیستند. تنها هیدروژن سبز، هیدروژن کربنخنثی است، زیرا در طول فرآیند تولید و مصرف سوخت هیچ کربنی تولید نمیشود. هیدروژن خاکستری در فرآیند استخراج/تولید کربن ایجاد میکند. نسخه بهبودیافته هیدروژن خاکستری، هیدروژن آبی است که کربن تولید شده در طول فرآیند تولید آن به دام افتاده و ذخیره میشود. منابع انرژی تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن سبز استفاده میشوند. سه چالش اصلی برای استخراج و استفاده از هیدروژن وجود دارد: فرآیند تولید، هزینه ها و ذخیره سازی، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است [7].
تولید
چهار روش برای تولید هیدروژن عبارتند از ترمولیز، الکترولیز (الکتریکی)، فوتولیز (فوتونی) و بیولیز (بیوانرژی). روشهای دیگر مربوط به منابع انرژی ترکیبی هستند. بسیاری از محققان تمایل دارند که با استفاده از انرژی افزوده مانند کاتالیز، بهرهوری فرآیند را افزایش دهند.
فناوری اصلاح بخار متان (Steam Methane Reforming) (SMR) روش استاندارد برای تولید هیدروژن است. این روش شامل دو واکنش مانند معادله 1 است و از یک فرآیند شیمیایی چند مرحلهای برای تولید هیدروژن خاکستری پیروی میکند:
توسعه صنعت هیدروژن برای هوانوردی تجاری میتواند به سه زمینه زیر تقسیم شود:
- کاربرد در فرودگاه: جایی که سلولهای سوختی هیدروژن فعالیتهای فرودگاه مانند پشتیبانی زمینی و حمل و نقل را تأمین میکنند.
- زیرساختهای موجود: جایی که هواپیماها یا برنامههای پلتفرمی نیازی به تغییر ندارند و میتوانند از سوختهای الکتریکی به عنوان سوخت جت جایگزین استفاده کنند که با مخلوط کردن CO2 با هیدروژن تولید میشود.
- زیرساختهای نوظهور: جایی که هواپیماها برای پذیرش سوخت هیدروژنی بازطراحی یا اصلاح میشوند.
چندین راه برای تولید هیدروژن وجود دارد. یکی از این روشها تولید هیدروژن از سوختهای فسیلی است. این فرآیند به نام ترموشیمیایی شناخته میشود (مثلاً با استفاده از اصلاح بخار متان و جذب و ذخیره کربن هیدروژن تولید میشود). روش دوم الکتروشیمیایی است (مثلاً با استفاده از الکترولیز قلیایی و غشای الکترولیت پلیمری هیدروژن تولید میشود) که با استفاده از برق، اکسیژن و هیدروژن را از آب جدا میکند. برقی که در این فرآیند استفاده میشود باید بدون یا با حداقل انتشار کربن باشد [7].
تحلیل هزینه
بسیار مهم است که هزینههای تولید، ذخیرهسازی، حمل و نقل، ایستگاههای سوختگیری، تولید، تبدیل موتور و عملیات و نیروی انسانی هیدروژن را بررسی و تحلیل کنیم. از اولین پرواز 12 ثانیهای ویلبر(Wilbur) و اورویل رایت (Orville Wright’s) در سال 1903 در کیتی هاوک (Kitty Hawk) ، تعداد هواپیماهای عملیاتی تا ابتدای سال 2019 حدود 22,680 عدد بوده است. شرکتهای بزرگ هواپیمایی ایرباس و بوئینگ پیشبینی میکنند که تا سال 2039 حدود 48,000 هواپیمای عملیاتی وجود خواهد داشت. این افزایش تعداد هواپیما تأثیر مثبتی بر صنعت هوانوردی جهانی خواهد داشت و نیاز به 2.08 میلیون نفر نیروی کار در صنعت هوانوردی از جمله خلبانان، خدمه کابین و تکنسینهای نگهداری تا سال 2039 خواهد داشت. این افزایش همچنین بر نقشها و خدمات دیگر در صنایع مرتبط مانند گردشگری، تجارت و لجستیک که به خدمات هوانوردی وابسته هستند، تأثیر خواهد گذاشت.
با وجود این که افزایش تعداد پروازها و عملیات هوایی میتواند به طور بالقوه باعث افزایش آلودگی محیطزیست شود، اما این مسئله صنعت هواپیمایی را تحت فشار قرار میدهد تا راهحلهای زیستمحیطی و پایدارتر را زودتر به کار بگیرد و به اهداف پایداری زیستمحیطی دست یابد. پیشبینیهای فعلی برای هیدروژن سبز به عنوان سوخت جایگزین بر اساس کاهش عرضه سوختهای فسیلی و منحنی هزینه سرمایه است. همچنین، اولین گام برای آمادهسازی هیدروژن برای کاربردهای بازار برداشته شده است. استفاده از هیدروژن سبز برای کاهش انتشار بخشی از سیاستهای کاهش کربن بسیاری از کشورها مانند کشورهای عضو اتحادیه اروپا، ژاپن، کره و چین است. تولید اقتصادی هیدروژن در صورت افزایش تقاضا امکانپذیر است و بلومبرگ تخمین میزند که تولید هیدروژن نیاز به 150 میلیارد دلار یارانه دارد تا تولید آن مقیاسپذیر شود و با گاز طبیعی برابری کند.
استفاده از سوخت هیدروژن در بازار استرالیا ناچیز است. در استرالیا حدود 650 کیلو تن در سال هیدروژن از طریق اصلاح بخار متان تولید میشود که 65 درصد آن برای تولید آمونیاک و 35 درصد برای پالایش نفت خام استفاده میشود. تا زمانی که سوختهای پایدار به اندازه کافی رقابتی نشوند، صنعت هوانوردی همچنان به قیمت نفت خام وابسته خواهد بود. هیدروژن مایع نسبت به Jet-A سبز و Jet-A پالایشگاهی رقابتیتر خواهد شد [7].
ذخیرهسازی و ایمنی
هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است، اما جمعآوری و ذخیرهسازی آن برای استفاده با چالشهایی همراه است. چگالی انرژی گرانشی هیدروژن مایع سه برابر بیشتر از LNG و دیزل است. برخلاف سوختهای فسیلی، تقریباً هیچ گاز گلخانهای از سلول سوختی هیدروژن تولید نمیشود و میتوان آن را در پنج دقیقه شارژ کرد، در حالی که خودروی الکتریکی بیش از 30 دقیقه زمان نیاز دارد.
دو راه برای استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در هواپیما وجود دارد: استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت هواپیمایی برای جایگزینی نفت سفید در هواپیماهای بزرگ و استفاده از سلولهای سوختی هیدروژن به عنوان منبع قدرت در هواپیماهای کوچک پروانهای به جای موتورهای بنزینی. با این حال، تانکهای ذخیره تقویتشده برای نگهداری سوخت نیاز است.
چالشهایی از جمله نیاز به دمای بسیار پایین برای ذخیرهسازی نیز در مورد نگهداری هیدروژن مایع وجود دارد. همچنین، سلولهای سوختی هیدروژن در بخشهای مختلف هوانوردی، از جمله APU، GSE ، UAVها و فضا کاربرد دارند.
علاوه بر این، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت نیاز به تغییراتی در طراحی هواپیما و موتورها دارد. به عنوان مثال، تانکهای سوخت باید در نقاط خاصی از هواپیما قرار گیرند تا تعادل هواپیما حفظ شود. این تانکها میتوانند در پشت کابین مسافران یا در قسمتهای دیگر قرار گیرند.
در نهایت، یکی از جنبههای ایمنی سوخت هیدروژن دمای اشتعال بالای آن است که حدود 858 کلوین است، که بسیار بالاتر از دمای اشتعال بنزین (530 کلوین) است. این امر همراه با سبکی هیدروژن نسبت به هوا، باعث افزایش ایمنی آن میشود [7].
منابع:
[1] Cecere, D., Giacomazzi, E., & Ingenito, A. (2014). A review on hydrogen industrial aerospace applications. International journal of hydrogen energy, 39(20), 10731-10747.
[2] Baroutaji, A., Wilberforce, T., Ramadan, M., & Olabi, A. G. (2019). Comprehensive investigation on hydrogen and fuel cell technology in the aviation and aerospace sectors. Renewable and sustainable energy reviews, 106, 31-40.
[3] Harsha, S. (2014). Liquid hydrogen as aviation fuel and its relative performance with commercial aircraft fuel. Int. J. Mech. Eng. Robot. Res, 1, 73-77.
[4] Romeo, G., Borello, F., Correa, G., & Cestino, E. (2013). ENFICA-FC: Design of transport aircraft powered by fuel cell & flight test of zero emission 2-seater aircraft powered by fuel cells fueled by hydrogen. International journal of hydrogen energy, 38(1), 469-479.
[5] Kim, T., & Kwon, S. (2012). Design and development of a fuel cell-powered small unmanned aircraft. International Journal of Hydrogen Energy, 37(1), 615-622.
[6] Nicolay, S., Karpuk, S., Liu, Y., & Elham, A. (2021). Conceptual design and optimization of a general aviation aircraft with fuel cells and hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 46(64), 32676-32694.
[7] Yusaf, T., Fernandes, L., Abu Talib, A. R., Altarazi, Y. S., Alrefae, W., Kadirgama, K., … & Laimon, M. (2022). Sustainable aviation—Hydrogen is the future. Sustainability, 14(1), 548.
