تاریخچه خودروهای هیدروژنی؛ مزایا، معایب و هر آنچه باید بدانید

درست در نقطه مقابل تفکرات برخی افراد، تکنولوژی قوای محرکه هیدروژنی تاریخچه‌ای خواندنی و قدیمی دارد. اگر ما بپذیریم که بنز پتنت موتور واگن 1885 اولین خودروی بنزینی و جاده‌ای دنیاست، پس سابقه تولید اولین خودروی هیدروژنی به حدود 80 سال قبل از آن خودرو می‌رسد. چند صد سال است که مخترعان ظرفیت‌های زیادی در هیدروژن می‌بینند چراکه فراوان‌ترین منبع طبیعی دنیاست و تبدیل آن به یک منبع حمل‌ونقل می‌تواند تغییراتی بنیادین ایجاد کند. ما می‌خواهیم نگاهی به تاریخچه این تکنولوژی و همچنین مزایا و معایب آن داشته باشید.

در حال حاضر خودروهای هیدروژنی هنوز هم سهم چندانی از بازار در اختیار ندارند اما محصولاتی مانند تویوتا میرای، هیوندای نکسو و بی ام و iX5 نشان داده‌اند که اگر زیرساخت‌ها و برخی مشکلات دیگر بهبود یابند هیدروژن منبعی رقابتی خواهد بود. باید دانست خودروهای برقی تنها راه‌حل رفع مشکلات زیست‌محیطی و آلودگی هوا نیست و برای اطمینان از سبد محصولاتی گسترده در آینده باید به دنبال سایر انواع قوای محرکه نیز بود.

ما قبلاً مقالات زیادی درباره تکنولوژی هیدروژنی منتشر کرده‌ایم اما می‌خواهیم تاریخچه این تکنولوژی را بررسی اجمالی‌اش شروع کنیم. اولین نکته‌ای باید بدانید این است که هیدروژن به عنوان منبع قدرت وسایل نقلیه می‌تواند به دو روش مورد استفاده قرار گیرد. از این سوخت می‌توان در پیشرانه درون‌سوز استفاده کرد یا اینکه از آن برای ایجاد واکنش‌های شیمیایی در سلول‌های سوختی بهره برد. سوزاندن هیدروژن عمری به اندازه پیشرانه‌های بنزینی و دیزلی دارد و برای این کار هیدروژن با هوا ترکیب شده و سپس با جرقه می‌سوزد.

از آنجایی که هیدروژن تراکم انرژی بسیار بالایی دارد بنابراین راندمان گرمایی بهتری نسبت به بنزین خواهد داشت و از این نظر شبیه گازوئیل خواهد بود. البته مهم‌ترین مزیت هیدروژن این است که تنها آلایندگی‌اش آب خواهد بود. تکنولوژی سلول سوختی هیدروژن به عنوان منبع قدرت خودروهای برقی بکار می‌رود و قدرت لازم برای این خودروها از واکنش شیمیایی مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن به دست می‌آید. انرژی الکتریکی حاصل از این واکنش‌ها به سمت باتری کوچکی فرستاده شده و نهایتاً به موتورهای برقی می‌رسد و خودرو در نهایت به حرکت درمی‌آید.

مزایای مهم خودروهای هیدروژنی این است که درست همانند مدل‌های بنزینی در عرض چند دقیقه فرایند سوخت‌گیری انجام می‌شود و نکته دیگر هم به راندمان انرژی استثنایی آن مربوط می‌شود که به دلیل نبود تلفات قوای محرکه است. همچنین تنها آلایندگی هیدروژن آب است که بی‌شک آن را به یکی از بهترین گزینه‌های مناسب برای محیط‌زیست تبدیل می‌کند؛ اما در روی کاغذ هر دو تکنولوژی یاد شده یک راه‌حل بالقوه برای مشکلات جهان به نظر می‌رسند اما دلیلی وجود دارد که سهم خودروهای هیدروژنی از بازار بسیار کم است. فرایند کنونی استحصال هیدروژن هزینه‌بر است و باعث آلایندگی زیاد هوا می‌شود. همچنین ذخیره و حمل هیدروژن مایع یک مشکل بزرگ به شمار می‌رود. نکته بعدی کمبود قابل‌توجه زیرساخت‌های سوخت‌گیری هیدروژن است و دولت‌ها نیز حمایت چندانی از این مهم به عمل نمی‌آورند.

اولین نوآوری‌ها در زمینه خودروهای هیدروژنی را می‌توان با سوزاندن هیدروژن همگام دانست. این تکنولوژی به حدی قدیمی است که بحث را به زمان ناپلئون بناپارت می‌رساند. در سال 1806 مخترعی سوئیسی به نام فرانسیس ایزاک ریواز اولین پیشرانه درون‌سوز را با ترکیب گاز هیدروژن و اکسیژن ساخت. یک سال بعد او این پیشرانه را در یک وسیله نقلیه بکار گرفت، وسیله نقلیه‌ای که می‌توانست برای مسافتی کوتاه حرکت کند. این تست موفقیت‌آمیز باعث شد عنوان اولین خودروی هیدروژنی دنیا به او اختصاص یابد اما مهم‌تر اینکه ریواز ادعا کرد اولین پیشرانه درون‌سوز تاریخ را ساخته که البته این موضوع با شک و تردیدهایی همراه است.

تقریباً 50 سال گذشت تا خودروی موفق بعدی ساخته شود. این یکی را اتین لنویر فرانسوی در سال 1860 ساخت. او چندین سال روی یک پیشرانه تک سیلندر دو زمانه کوچک کار می‌کرد و از نظر ترکیب کردن سوخت کار خود را بسیار عالی انجام داده بود. لنویر معمولاً می‌گفت هیپوموبیل اولین خودروی هیدروژنی است اما گزارش‌ها دراین‌باره ضدونقیض هستند. علیرغم وجود نظرات گوناگون در این زمینه، این اولین باری بود که وسیله نقلیه‌ای از الکترولیز برای ایجاد هیدروژن موردنیاز استفاده می‌کند و همین نوآوری سنگ بنای پیشرفت‌های بعدی را بنا نهاد.

علیرغم نوآوری‌های ذکر شده، بنزین به عنوان منبع سوخت اصلی مطرح شد و توجه بیشتری را به خود جلب کرد. به همین خاطر پیشرفت‌های هیدروژن در نیمه اول قرن بیستم محدود بوده است. دانشمندان شوروی در خلال جنگ جهانی دوم و به دلیل کمبودهای زنجیره تأمین دویست کامیون را به قوای محرکه هیدروژنی مجهز کردند. در آمریکا نیز فردی به نام راجر بیلینگز خودروی مدل A پدر خود را به نمونه‌ای هیدروژنی تبدیل کرد اما اطلاعات زیادی از این پروژه در دست نیست. البته در سال 1966 جنرال موتورز نیز پروژه هیدروژنی سطح بالایی را کلید زد. این شرکت از الکترو ون به عنوان اولین خودروی سلول سوختی هیدروژن تاریخ رونمایی کرد.

مدیر این پروژه دکتر کرینگ مارکس و برخی مهندسان ارتش آمریکا بودند که دو سال زمان را صرف توسعه سیستم پیچیده‌ای برای استفاده در ون جی ام سی کردند. سلول سوخت این خودرو از هیدروژن مایع و اکسیژن تشکیل شده بود و این عناصر در دو تانک بزرگ قرار می‌گرفتند. پس از آزمون‌وخطاهای بسیار، سرانجام این ون به دنیا معرفی شد. علیرغم وزن بالا این خودرو می‌توانست شعاع حرکتی حدود 190 تا 240 کیلومتری داشته باشد و حتی به سرعت 112 کیلومتر در ساعت برسد. در نگاه اول به نظر می‌رسید این پروژه موفقیت‌آمیز بوده اما هزینه‌های بالا و نبود زیرساخت‌های سوخت‌گیری هیدروژن باعث شد جنرال موتورز آن را متوقف کند.

از دهه 70 میلادی به بعد خودروهای هیدروژنی بیشتری ظاهر شدند. بیلینگز در یک نوآوری دیگر با تیمی از مهندسان یک سوپر بیتل جدید را معرفی کرد که توانست مقام اول رقابت طراحی خودروی شهری 1972 در بخش آلایندگی را کسب کند. ظاهراً آلایندگی این خودرو کمتر از هوای اطراف بود. چند سال بعد او از تجربه خود در این زمینه برای تولید کادیلاک سویل هیدروژنی استفاده کرد. این خودرو در رژه سالانه جیمی کارتر رئیس‌جمهور آمریکا در سال 1977 به نمایش درآمد. آمریکایی‌ها تنها کشور پیشرو در زمینه تکنولوژی هیدروژنی زمان خود نبودند و ژرمن‌ها و ژاپنی‌ها نیز چندین پروژه را به سرانجام رسانده بودند. بی ام و در سال 1979 خودروی 520h را تولید کرد، خودرویی که از پیشرانه 3.5 لیتری تزریق مستقیم با سوخت هیدروژن مایع یا بنزین استفاده می‌کرد. در سال 1984 هم مرسدس خودروهای 280TE واگن و TN310 را معرفی کرد. این دو خودرو می‌توانستند از سوخت هیدروژن فشرده شده استفاده کنند و قدرتی فراتر از 100 اسب بخار داشته باشند.

تکنولوژی هیدروژنی در ژاپن به مدد تلاش‌های موسسه تکنولوژی موساشی توکیو پیشرفت‌هایی داشت. این موسسه چندین پروتوتایپ کاربردی را طی سال‌های 1974 تا 1997 رونمایی کرد. این پروتوتایپ ها اولین وسایل نقلیه هیدروژنی ژاپن بودند و همگی از قوای محرکه سوخت هیدروژن استفاده می‌کردند. قوای محرکه یاد شده در خودروهای سواری کوچک و استیشن‌ها نصب شده بودند و باعث شدند که خودروسازان شناخته شده‌ای همچون تویوتا و مزدا به تکنولوژی هیدروژنی توجه کنند. در اواخر دهه 90 میلادی نیز علاوه بر برندهای ژاپنی شرکت‌هایی همچون اوپل و رنو نیز کانسپت هایی را معرفی کردند.

تولید پروتوتایپ های هیدروژنی در قرن 21 شدت گرفت اما مشخص بود که اکثر برندها به دنبال استفاده از سلول سوخت هیدروژن هستند که دلیل آن بررسی نقاط قوت و ضعف دو نوع سیستم یاد شده و همچنین پیشرفت‌های صورت گرفته در موتورهای برقی، باتری‌ها و نصب تجهیزات قوای محرکه هیدروژنی بود. اولین ثمرات این پیشرفت‌ها منجر به معرفی تویوتا FCHV و هوندا FCX سلول سوخت هیدروژنی در سال 2022 شد. این خودروها در آمریکا و ژاپن قابل سفارش بودند و برای اولین بار شاهد صدور تأییدیه‌های دولتی برای خودروهای سلول سوخت هیدروژن بودیم که یک دستاورد مهم برای این تکنولوژی محسوب می‌شود.

در چند سال بعدی تویوتا، هوندا و هیوندای در این زمینه تلاش‌های زیادی داشتند و هوندا ابتدا خودروی FCX کلاریتی را در سال 2008 عرضه کرد و گفت این محصول اولین خودروی سلول سوخت هیدروژنی دنیاست که از صفر و به‌صورت انبوه تولید شده است. هیوندای در سال 2013 خودروی توسان FCEV را معرفی کرد و مدعی گفته‌های قبلی هوندا شد هرچند میزان فروش این خودرو اصلاً درخور توجه نبود. تویوتا یک سال بعد از میرای پرده‌برداری کرد و اظهار داشت میرای اولین خودروی سلول سوختی تولید انبوه ویژه است که البته هنوز هم تولید آن ادامه دارد.

تکنولوژی موردبحث راه پر فراز و نشیبی را طی کرده اما آنچه واقعا اهمیت دارد این است که مشتریان برای اولین بار می‌توانند یک خودروی هیدروژنی را به دیگر محصولات ترجیح دهند. کلاریتی تا سال 2021 در بازار دوام آورد و پس از آن راهی موزه شد اما امروز امکان خرید تویوتا میرای و هیوندای نکسو وجود دارد. بین این دو خودرو میرای تکنولوژی مدرن‌تری دارد و برای مدل سال 2022 خود کاملاً بازنگری شده است. جدای از ظاهری به‌روزتر، میرای قدرت 182 اسب بخاری را از طریق موتور برقی به چرخ‌های عقب می‌فرستد. این خودرو در نسخه فول خود شعاع حرکتی قابل‌توجه 647 کیلومتری دارد. میرای همچنین از ویژگی‌های پیشرفته و لوکس زیادی بهره می‌برد و قیمت 50 هزار دلاری دارد.

هیوندای نکسو در سال 2019 معرفی ‌شده و به دلیل بدنه کراس اور خود فضای داخلی بیشتری دارد. این خودرو قدرت 161 اسب بخار و شعاع حرکتی 611 کیلومتری دارد. نکسو از کابین مناسبی برخوردار است اما قیمت 60 هزار دلاری آن اما و اگرهای زیادی را به همراه خواهد داشت. مزیت این دو خودرو به کمک هزینه 15 هزار دلاری سوخت در سه سال اول پس از خرید مربوط می‌شود که باعث کاهش قابل‌توجه قیمت هر دوی آن‌ها می‌شود اما به دلیل محدودیت شدید زیرساخت‌ها فکر نمی‌کنیم افراد زیادی جذب میرای و نکسو شوند.

آینده هیدروژن روشن به نظر می‌رسد. میرای و نکسو تنها نوک قله‌ای بزرگ هستند و بسیاری از خودروسازان برنامه‌های خود برای به‌کارگیری این تکنولوژی در آینده را اعلام کرده‌اند. برای مثال بی ام و هم‌اکنون مشغول تست شاسی بلندهای سلول سوخت هیدروژن iX5 در سخت‌ترین شرایط آب و هوایی است. همچنین از آنجایی که دو دهه گذشته از نظر پیشرفت این تکنولوژی بسیار درخشان بوده بنابراین در آینده شاهد رفع مشکلات آن خواهیم بود. باید دانست تویوتا با خودروی کرولا GR سوخت هیدروژن در مسابقات سوپر تاکیو حضور یافته و موفقیت بسیار خوبی به دست آورده که دلیل آن بهبود مستمر تکنولوژی هیدروژنی در سال‌های اخیر است.

تویوتا با پیشرفت‌های صورت گرفته در این زمینه پیشرانه سوخت هیدروژن آب‌خنک را در آمریکا ثبت کرده و شاید در آینده نزدیک شاهد تولید یک خودروی پرفورمنس باشیم. پس از این برند به شرکت‌هایی همچون پینین فارینا و AVL می‌رسیم که هر دو اعلام کرده‌اند پیشرانه سوخت هیدروژن جدیدی را می‌سازند. خوشبختانه شاسی‌بلند NamX طراحی شده توسط پینین فارینا علاوه بر قوای محرکه هیدروژنی از طراحی زیبای نیز سود می‌برد. هم‌اکنون نوآوری‌های متنوعی وجود دارد اما این به معنی آمادگی صددرصدی جهت همه‌گیری خودروهای هیدروژنی نیست. ما اساساً در زمینه این تکنولوژی در جایگاهی قرار داریم که خودروهای برقی ده سال پیش قرار داشتند و برای پیشبرد اهداف در این زمینه به حمایت‌های دولتی و بهبود زیرساخت‌ها نیاز است.