سیستم های تولید انرژی پاک و ایمن

توجه به انرژی های نو و پاک هر روز در حال افزایش است. از علت های اصلی این توجه می توان به نگرانی های زیست محیطی و رو به اتمام بودن منابع سوخت های فسیلی اشاره کرد. انرژی ناشی از هیدروژن یکی از این انرژی های نوظهور است که مورد توجه پژوهشگران و مهندسان قرار گرفته است. هیدروژن به عنوان فراوان ترین عنصر موجود در سطح زمین به روش های مختلف قابل تولید است. در یک طرح تأمین امن انرژی با حفظ محیط زیست تولید انرژی با استفاده از هیدروژن بسیار راهگشاست. هیدروژن را می توان با استفاده از روش های مختلفی تولید کرده و پس از ذخیره سازی و انتقال به محل های مصرف در بخش های متنوعی مانند تجهیزات الکترونیکی کوچک (مصرف در حد میلی وات)، صنعت حمل ونقل و صنایع نیروگاهی به کار گرفت. در این رویکرد بسیاری بر این باورند که سوخت نهایی بشر هیدروژن است و بشر در آینده ای نه چندان دور عصر هیدروژن را تجربه خواهد کرد. از جمله ویژگی هایی که هیدروژن را از سایر گزینه های مطرح سوختی متمایز می کند، می توان به فراوانی، انتشار بسیار ناچیز آلاینده ها، برگشت پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثرات گلخانه ای اشاره کرد. سیستم انرژی هیدروژنی، سیستمی دائمی، پایدار، فنانشدنی، فراگیر و تجدیدپذیر است. پیش بینی می شود در آینده ای نه چندان دور تولید و مصرف آن به عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت کرده و اقتصاد هیدروژنی تثبیت شود. البته نباید انتظار داشت در ابتدای این فرآیند، هیدروژن بتواند از نظر هزینه با سایر حامل های انرژی رقابت کند. پیل های سوختی و مزیت های آن پیل سوختی وسیله ای است که یک سوخت مصرفی را در یک واکنش الکتروشیمیایی به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می کند. این نحوه کارکرد برخلاف بیشتر سیستم های تولیدکننده الکتریسیته است که اساس کار استفاده از حرارت ناشی از احتراق سوخت است. در واقع پیل های سوختی از طریق هیدروژن به دست آمده از انواع سوخت ها و انواع روش ها به واسطه یک واکنش الکتروشیمیایی تولید الکتریسیته می کنند. دو محصول جانبی خروجی در این فرآیند، آب و گرما و در برخی موارد گاز دی اکسید کربن بوده که در بسیاری موارد نه تنها برای محیط زیست آسیبی ایجاد نمی کنند بلکه قابلیت استفاده را نیز دارند. پیل سوختی در گستره وسیعی از توان ها قابل استفاده بوده و کاربردهای متنوعی دارند. در میان انواع مزایای پرشمار پیل های سوختی می توان به موارد متعددی از جمله کاربرد خودرو، لوازم الکترونیکی همراه، صنایع دفاعی و نظامی اشاره کرد. برخلاف باتری، پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن تزریق شود قادر به کار خواهد بود. در صورتی که سوخت ورودی پیل هیدروژن باشد، می توان گفت که پیل سوختی یک سیستم تولید انرژی تمام سبز است. همچنین بازده پیل سوختی دو تا سه برابر سیستم های رایج مبتنی بر احتراق است. بازده بالا: پیل های سوختی بین 40 تا 90درصد بازده (با در نظرگیری تولید گرما) دارند انرژی پاک: تولید نشدن 2 CO با سوخت هیدروژن، تولید2 CO کمتر از 50درصد در سوخت هیدروکربن ها، تولید نشدن NOx و SO2 بدون صدا: سیستم های تولید انرژی مبتنی بر هیدروژن چون از تجهیزات متحرک و دوار استفاده نمی کنند، عملکردی بدون صدا داشته و نیاز کمتری به تعمیر و نگهداری دارد. مشکلات بهره گیری از پیل های سوختی استفاده از پیل های سوختی در جهان به طور چشمگیری در حال افزایش است به طوری که ارزش بازار پیل سوختی در جهان در سال 2013میلادی برای نخستین بار از یک میلیارد دلار عبور کرده و به 3/1میلیارد دلار رسید. حدود 35هزار سیستم پیل سوختی در جهان در سال 2013میلادی به فروش رفته که نشان دهنده رشدی معادل 26درصد نسبت به سال 2012میلادی و رشدی معادل 400درصد نسبت به سال 2008میلادی بوده است. با تمام مزایایی که پیل های سوختی از آن برخوردار هستند، مشکلاتی نیز در بکارگیری آنها وجود دارد که هرکدام به نوعی مانع از فراگیر شدن استفاده از پیل های سوختی می شود. به طورکلی در یک دسته بندی می توان مشکلات پیش روی صنعت پیل سوختی را به این شرح بیان کرد: نیاز به مواد گران قیمت نظیر پلاتین برای کاتالیست الکترودها ایجاد رسوب در الکترودها در صورت استفاده از سوخت هایی غیراز هیدروژن فرآیند هزینه بر تولید هیدروژن و ذخیره سازی دشوار هیدروژن کاهش عمر عملکردی پیل ها به دلیل خوردگی قطعات در پیل های سوختی دما بالا در این بین، می توان گفت مهم ترین مانع پیش روی فناوری و صنعت پیل سوختی، هزینه بالای آن است. در فرآیند ساخت و عملکرد یک پیل سوختی نیز بیشترین هزینه مربوط به کاتالیست های مورد نیاز برای انجام مناسب واکنش در الکترودهاست. در اغلب ساختارهای پیل های سوختی برای کاتالیست نیاز به مواد و فلزات گرانبهایی نظیر پلاتین است که هزینه را به طور چشمگیری افزایش می دهد؛ بنابراین رویکرد اصلی در اقتصادی شدن پیل های سوختی در بازار، بهینه سازی عملکرد کاتالیست ها و استفاده از مواد ارزان تر به عنوان کاتالیست مناسب است. اگرچه در طول سال های متمادی، هزینه کلی پیل های سوختی به طور چشمگیری کاهش یافته اما برای فراگیر شدن این فناوری به عنوان یک منبع انرژی، هنوز نیازمند توسعه در فناوری و کاهش قیمت هستیم. پژوهش های گسترده ای در طول دهه های گذشته روی بهبود عملکرد پیل های سوختی انجام شده که هرکدام به نحوی منجر به بهبود عملکرد پیل های سوختی شده اند اما همچنان پژوهش ها و سرمایه گذاری ها در زمینه پژوهش و توسعه این بخش ادامه دارد. نانوکاتالیست ها، راهکار فناوری نانو برای پیل های سوختی با انجام پژوهش های وسیع در نانوفناوری و استفاده از آن در الکترولیت، الکترود، غشا و سایر بخش ها، عملکرد پیل های سوختی بهبود یافته است. همان گونه که پیش تر گفته شد، وجود کاتالیست ها در پیل سوختی یکی از اصلی ترین ارکان عملکرد مناسب و تضمین کننده انجام واکنش در مسیر درست است اما در این زمینه مشکلاتی نیز همواره وجود داشته که عملکرد پیل سوختی را دچار اشکال کرده است. دو مشکل عمده در کاتالیست های رایج در پیل های سوختی عبارتند از: 1. قیمت بسیار بالای کاتالیست های مورد استفاده نظیر پلاتین 2. سمی و آلوده شدن کاتالیست به واسطه انجام واکنش توسط برخی محصولات واکنش این مشکلات در موارد گوناگونی با استفاده از انواع نانوکاتالیست ها تا حدودی رفع شده است. نانوکاتالیست ها مواد مهمی در فرآیندهای شیمیایی، تولید انرژی و صرفه جویی انرژی هستند. ویژگی کلیدی نانوکاتالیست ها افزایش نسبت مساحت سطح به حجم در آنهاست. اجسام کوچک تر مساحت سطح بزرگ تری نسبت به حجمشان در یک وزن ثابت دارند. یک کاتالیست می تواند سرعت یک واکنش را به 3 طریق افزایش دهد: 1) انرژی فعال سازی واکنش را کاهش دهد، 2) به عنوان یک تسهیل کننده عمل کند و 3) زمانی که دو یا چند محصول تشکیل می شود، بازده واکنش نسبت به یک جزء را افزایش دهد. نانوکاتالیست ها به دو دلیل مؤثرتر از کاتالیست های معمولی هستند؛ اول، اندازه فوق العاده کوچک آنها (10 تا 80 نانومتر) که منجر به نسبت زیاد مساحت سطح به حجم می شود؛ دوم اینکه وقتی مواد به اندازه های نانو درمی آیند به خواصی دست می یابند که این خواص در اندازه ماکروسکوپی وجود ندارد. به عنوان مثال، نانوذرات طلا خواص اپتیکی منحصر به فردی در مقایسه با ذرات طلای معمولی از خود نشان می دهند. استفاده با هدف کاهش قیمت الکترودهای کاتالیستی در پیل های سوختی از فلزات گرانبها و اغلب از پلاتین ساخته می شود. یک راهکار عمده در کاهش مصرف پلاتین و در نتیجه کاهش قیمت پیل سوختی، استفاده از نانوذرات پلاتین به جای حالت معمولی است که باعث افزایش بازده شده و مصرف پلاتین را کاهش می دهد. یک راهکار دیگر که نانوفناوری آن را ممکن می سازد، این است که نانوذرات پلاتین توسط سطوح متخلخلی مانند کربن فعال شده یا نانوساختارهایی مانند نانولوله های کربنی پشتیبانی شوند. این امر موجب می شود که سطوح پلاتین بیشتری در دسترس قرار گیرد و مواد فلزی مورد نیاز برای ساخت کاتالیست کاهش یابد که این موضوع منجر به کاهش قیمت می شود. می توان به وسیله اصلاح توسط نانولوله های کربنی در پلاتین پیل های سوختی قیمت پیل را کاهش داد. فناوری ساخت نانولوله های کربنی به سرعت در حال پیشرفت است. با توجه به اینکه پایه مواد خام نانولوله های کربنی ارزان و فراوان هستند با ساخت کاتالیست های مبتنی بر نانولوله های کربنی می توان از مصرف زیاد پلاتین جلوگیری کرده و به این ترتیب کسری از هزینه های تولید به وسیله این راهبرد کاهش داد. در حال حاضر حداقل 25درصد از هزینه های سلول سوختی تجاری را کاتالیست پلاتین تشکیل می دهد که با اضافه کردن نانولوله های کربنی قسمت عمده ای از هزینه ها حذف می شود. فعالیت الکتروکاتالیستی نانولوله های کربنی اصلاح شده با پلاتین می تواند برتر از پلاتین باشد. توان خروجی از یک پیل سوختی با استفاده از نانولوله های کربنی مساوی یا بیشتر از توان خروجی پیل سوختی با استفاده از پلاتین است. همچنین الکترودهای نانولوله کربنی قوی تر از پلاتین هستند و فعالیت کاتالیستی نانولوله های کربنی توسط مونواکسید کربن آسیبی نمی بیند.