هدررفت ۶۰ درصدی انرژی از چاه تا چرخ: چرا خودروهای هیدروژنی در بهره‌وری از خودروهای برقی جا می‌مانند؟

خودروسازان و شرکت‌های انرژی اغلب خودروهای پیل سوختی هیدروژنی را به عنوان جانشین بدون آلایندگی موتورهای احتراقی تبلیغ می‌کنند و وعده سوخت‌گیری پنج دقیقه‌ای و اگزوزهایی را می‌دهند که فقط آب از آن‌ها خارج می‌شود. اما فیزیکِ انتقال انرژی از نیروگاه به چرخ‌های خودرو، با این ادعا در تضاد است. وقتی راننده‌ای خودروی تمام‌برقی خود را به برق می‌زند، حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد از برق اولیه به جاده می‌رسد. اما وقتی همان برق برای تولید، فشرده‌سازی و مصرف هیدروژن استفاده می‌شود، خودرو پیش از آنکه چرخ‌هایش به حرکت درآیند، حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد از انرژی را از دست می‌دهد.[1]

برای خریدار آینده‌نگری که در حال مقایسه تسلا مدل وای (Tesla Model Y) با تویوتا میرای (Toyota Mirai) است، این هدررفتِ ترکیبیِ انرژی یک مسئله انتزاعی مهندسی نیست؛ بلکه مستقیماً بودجه ماهانه خانوار را تعیین می‌کند. تحلیل سال ۲۰۱۸ دانشگاه کوئینزلند (University of Queensland) به صراحت توضیح می‌دهد که «چرا خودروهای باتری‌دار عملکرد بهتری نسبت به هیدروژنی‌ها دارند» و اشاره می‌کند که مراحل متعدد مورد نیاز برای فرآوری هیدروژن، ذاتاً باعث اتلاف انرژی می‌شود.

برای درک اینکه چرا پر کردن باک هیدروژن بسیار گران‌تر از یک نوبت شارژ خانگی تمام می‌شود، خریداران باید مسیر انرژی را از منبع آن دنبال کنند. این مسیر در صنعت خودرو با عنوان معیار بهره‌وری «از چاه تا چرخ» شناخته می‌شود.

در یک خودروی تمام‌برقی، این سفر ریاضیاتی بسیار سرراست است. برق از شبکه منطقه‌ای به تابلوی برق خانه، سپس به مجموعه باتری لیتیوم-یونی خودرو و در نهایت به موتور الکتریکی منتقل می‌شود. بررسی‌های مهندسی شرکت فلاکس پاور (Flux Power) نشان می‌دهد که تلفات انتقال شبکه و شارژ، تنها بخش نسبتاً ناچیز ۱۰ درصدی از این نیرو را مصرف می‌کند.[3]

اینورتر داخلی و موتور الکتریکی خودرو نیز در حین کار ۱۰ تا ۱۵ درصد دیگر را مصرف می‌کنند. در نهایت، بین ۷۰ تا ۸۰ درصد از انرژی اولیه شبکه مستقیماً خودرو را به جلو می‌راند. اگر یک صاحب‌خانه برای هر کیلووات‌ساعت ۱۵ سنت می‌پردازد، تقریباً تمام این ارزش مالی به نیروی محرکه فیزیکی روی آسفالت تبدیل می‌شود.[3]

خودروهای الکتریکی پیل سوختی هیدروژنی مسیر بسیار طولانی‌تر و طاقت‌فرساتری را طی می‌کنند. این فرآیند با الکترولیز آغاز می‌شود، جایی که از برق برای تجزیه مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود. بر اساس گزارش آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (National Renewable Energy Laboratory)، تنها در همین مرحله اولیه، حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد از انرژی منبع به صورت گرما هدر می‌رود.

پس از تولید گاز هیدروژن، این گاز باید تا فشار ۱۰,۰۰۰ پی‌اس‌آی (۷۰۰ بار) فشرده شود یا در دمای منفی ۲۵۳ درجه سانتی‌گراد به مایع تبدیل گردد تا بتواند در مخازن فیبر کربنی یک خودروی سواری جا بگیرد. تحلیل سال ۲۰۱۷ نشریه گرین کار ریپورتس (Green Car Reports) تاکید می‌کند که این فشرده‌سازی، سرمایش و حمل‌ونقل به جایگاه‌های سوخت‌گیری، ۱۰ تا ۲۰ درصد دیگر از انرژی اولیه را از بین می‌برد.[1]

این موانع لجستیکی باعث می‌شود که هیدروژن در مقایسه با ارسال ساده الکترون‌ها از طریق سیم‌های مسی موجود، ذاتاً انرژی‌برتر باشد. گرین کار ریپورتس نتیجه می‌گیرد که کل انرژی مصرفی برای هیدروژن «بیشتر از خودروهای برقی و حتی هیبریدی‌ها» است، زیرا هر بار که انرژی تغییر حالت می‌دهد، قوانین ترمودینامیک سهم خود را از آن کم می‌کنند.[1]

وقتی راننده در نهایت هیدروژن را وارد باک خودروی خود می‌کند، پیل سوختی باید فرآیند الکترولیز را معکوس کند. این پیل، هیدروژن ذخیره‌شده را با اکسیژن هوای محیط ترکیب می‌کند تا برقی را تولید کند که در واقع موتور را به حرکت درمی‌آورد.

این تبدیل شیمیایی درون خودرو، ناکارآمدترین مرحله در این زنجیره است. پژوهشگران خاطرنشان می‌کنند که خودِ پیل سوختی غشای تبادل پروتون، با بهره‌وری حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد کار می‌کند. نیمی از انرژی باقی‌مانده به صورت گرمای تلف‌شده هدر می‌رود که باید توسط رادیاتورهای بزرگ جلوی خودرو مدیریت شود.

تا زمانی که موتور الکتریکی چرخ‌ها را به حرکت درآورد، یک خودروی هیدروژنی تنها ۳۰ تا ۳۵ درصد از برق تجدیدپذیر اولیه را حفظ کرده است. یک خودروی تمام‌برقی با همان یک کیلووات‌ساعت اولیه تولیدشده توسط یک مزرعه خورشیدی یا توربین بادی، سه برابر مسافت بیشتری را طی می‌کند.[4]

یک تحلیل تطبیقی «از چاه تا چرخ» که در ریسرچ‌گیت (ResearchGate) منتشر شده، این اختلاف را تایید می‌کند و نشان می‌دهد که مسیرهای انرژی تجدیدپذیر برای خودروهای باتری‌دار، در حفظ کل انرژی بسیار بهتر از مسیرهای هیدروژنی عمل می‌کنند. برای یک اپراتور ناوگان یا فردی که هر روز با خودرو تردد می‌کند، این هدررفت ۶۰ درصدی مستقیماً به معنای قیمت بالاتر سوخت در جایگاه است که در بازارهایی مانند کالیفرنیا اغلب از ۳۰ دلار به ازای هر کیلوگرم فراتر می‌رود.[4]

نمودارهای انتشار گازهای گلخانه‌ای «از چاه تا چرخ» آژانس بین‌المللی انرژی (International Energy Agency)، خطرات زیست‌محیطی این موضوع را بیشتر روشن می‌کند. اگر برق مورد استفاده برای تولید هیدروژن از گاز طبیعی یا زغال‌سنگ تامین شود - که در حال حاضر ۹۵ درصد از تولید جهانی هیدروژن را تشکیل می‌دهد - مجموع آلایندگی یک خودروی پیل سوختی می‌تواند از یک خودروی بنزینی هیبریدی استاندارد هم بیشتر شود.[2]

مطالعه‌ای در ساینس‌دایرکت (ScienceDirect) با تمرکز بر دیدگاه منطقه اقیانوسیه، این یافته را تایید می‌کند. پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که مگر در صورتی که شبکه برق کاملاً تجدیدپذیر باشد، تقاضای بالای انرژی برای تولید هیدروژن، در مقایسه با برقی‌سازی مستقیم، مزایای اقلیمی ناچیزی به همراه دارد.[5]

مدافعان هیدروژن استدلال می‌کنند که بهره‌وری انرژی تنها معیار مهم نیست. برای کامیون‌های سنگین، هوانوردی یا رانندگانی که به شارژ خانگی دسترسی ندارند، چگالی انرژی هیدروژن و زمان سوخت‌گیری سریع آن، کارایی‌هایی را ارائه می‌دهد که باتری‌های سنگین لیتیوم-یونی در حال حاضر نمی‌توانند با آن رقابت کنند.

با این حال، برای بازار خودروهای سواری، زیرساخت‌ها بازتاب‌دهنده فیزیکِ نهفته در این فرآیند هستند. ساخت یک جایگاه سوخت‌گیری هیدروژن بیش از ۲ میلیون دلار هزینه دارد، در حالی که هزینه راه‌اندازی مجموعه‌ای از شارژرهای سریع DC تنها کسری از این مبلغ است. حجم عظیم برق مورد نیاز برای حفظ یک ناوگان هیدروژنی، توسعه این سوخت را برای شهرداری‌های محلی از نظر اقتصادی به شدت زیان‌بار می‌کند.

تصمیم‌گیری برای خریدار به این بستگی دارد که آیا حاضر است برای راحتیِ یک سوخت‌گیری پنج دقیقه‌ای، هزینه گزافی بپردازد یا خیر. تا زمانی که فرآیند تبدیل فیزیکی برای ریختن هیدروژن در باک نیازمند قربانی کردن ۶۰ درصد از انرژی باشد، خودروهای تمام‌برقی مزیت قیمتی دائمی خود را برای ترددهای روزانه حفظ خواهند کرد.