سوخت مصنوعی چیست؟
با تشدید بحرانهای اقلیمی و تصویب قوانین سختگیرانه برای کاهش گازهای گلخانهای، صنعت خودرو با یکی از بزرگترین چالشهای تاریخ خود مواجه شده است. در سالهای اخیر، تمرکز اصلی خودروسازان و سیاستمداران بر برقیسازی کامل ناوگان حملونقل معطوف بوده و ضربالاجلهای متعددی برای ممنوعیت فروش خودروهای صفرکیلومتر درونسوز تعیین شده است. بااینحال، انتقال کامل به دنیای خودروهای برقی با چالشهای ساختاری عظیمی همچون تأمین مواد اولیه باتریها، توسعه شبکه شارژ و سرنوشت میلیونها خودروی بنزینی و دیزلی در حال حرکت همراه است. در این میان، ایده توسعه سوختهای مصنوعی بهعنوان یک راهکار انقلابی و نجاتبخش مطرح شده است. سرمایهگذاریهای سنگین روی این فناوری نوظهور به این دلیل است که سوخت مصنوعی میتواند بدون نیاز به اسقاط خودروهای فعلی یا تغییر در زیرساخت پمپ بنزینها، پیشرانههای درونسوز را به قطعاتی کاملاً پاک و سازگار با محیطزیست تبدیل کند و آنها را در عصر خودروهای برقی زنده نگه دارد.
تعریف سوخت مصنوعی
سوخت مصنوعی که در ادبیات مهندسی بیشتر با نام سوخت الکترونیکی یا e-Fuel شناخته میشود، یک ترکیب هیدروکربنی مایع یا گازی است که برخلاف سوختهای فسیلی سنتی، از اعماق زمین استخراج نمیشود بلکه ساختار شیمیایی آن بهصورت مصنوعی در آزمایشگاه یا کارخانههای صنعتی شبیهسازی و تولید میشود. هدف اصلی در فرآیند مهندسی این سوخت، بازآفرینی دقیق خواص شیمیایی و فیزیکی بنزین، گازوئیل یا سوخت جت مرسوم است بهطوریکه یک خودروی مجهز به موتور درونسوز بتواند بدون کوچکترین نیاز به تغییر در ساختار فنی خود، از آن استفاده کند. مبنای علمی تولید سوختهای مصنوعی مدرن بر پایه جذب دیاکسید کربن موجود در جو یا گازهای خروجی کارخانجات و ترکیب آن با هیدروژن بهدستآمده از تجزیه آب استوار است. هنگامیکه انرژی الکتریکی موردنیاز برای این فرآیند از منابع تجدیدپذیر مانند نیروگاههای بادی یا خورشیدی تأمین شود، چرخه تولید و مصرف این سوخت کاملاً کربنخنثی خواهد شد. به بیان سادهتر، میزان دیاکسید کربنی که در زمان سوزاندن این سوخت از اگزوز خودرو خارج میشود، دقیقاً معادل همان مقداری است که در زمان تولید سوخت از اتمسفر زمین جذب شده بود، بنابراین هیچ کربن جدیدی به چرخه طبیعت اضافه نخواهد شد.
انواع سوخت مصنوعی
سوختهای مصنوعی بر اساس منبع تأمین مواد اولیه و فرآیندهای شیمیایی مورداستفاده برای سنتز هیدروکربنها، به دستههای مختلفی تقسیم میشوند که هرکدام کاربری و زنجیره ارزش متفاوتی دارند.
سوختهای الکترونیکی خالص
این دسته که پیشرفتهترین و آیندهدارترین نوع سوخت مصنوعی به شمار میروند، منحصراً از هیدروژن سبز و دیاکسید کربن بازیافتی تولید میشوند. در گام نخست، آب با استفاده از دستگاههای الکترولیز و برق کاملاً پاک به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میشود. سپس با بهرهگیری از فناوریهای پیشرفته جذب مستقیم از هوا، کربن از اتمسفر استخراج شده و در فرآیندهایی نظیر متاناسیون یا تبدیل متانول به بنزین، هیدروکربنهای مایع نهایی تولید میشوند که جایگزین مستقیم بنزین و گازوئیل معمولی هستند.
سوختهای زیستی مصنوعی
سوخت زیستی مصنوعی از فرآوری مواد آلی غیرخوراکی، پسماندهای کشاورزی، زبالههای شهری و جلبکها به دست میآیند. برخلاف سوختهای زیستی نسل اول که از دانههای خوراکی مانند ذرت تولید میشدند و امنیت غذایی جهان را تهدید میکردند، سوختهای زیستی پیشرفته با استفاده از فرآیندهای حرارتی و شیمیایی پیچیده، گاز سنتز تولید کرده و سپس آن را به سوختهای مایع با کیفیت بسیار بالا تبدیل میکنند که کمترین میزان آلایندگی را به همراه دارد.
سوختهای خورشیدی
این گروه از سوختها با استفاده مستقیم از انرژی حرارتی یا نور خورشید بدون نیاز به تبدیل اولیه به الکتریسیته فرآوری میشوند. در این فناوری، رآکتورهای خورشیدی ویژه با تمرکز شدید نور آفتاب، دماهای بسیار بالایی ایجاد میکنند که قادر است پیوندهای شیمیایی آب و دیاکسید کربن را شکسته و آنها را مستقیماً به گاز سنتز (مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن) تبدیل کند تا در مراحل بعدی به سوخت مایع پایدار بدل شوند.
مزایای سوخت مصنوعی
توسعه و بهکارگیری سوختهای مصنوعی پنجره جدیدی را به روی بقای صنعت ترابری سنتی میگشاید و مزایای برجستهای را در ابعاد زیستمحیطی و زیرساختی ارائه میدهد.
کربنخنثی بودن و کاهش گازهای گلخانهای
اصلیترین مزیت این فناوری، پتانسیل بالای آن در مهار گرمایش زمین است. ازآنجاکه ساختار تولید این سوخت بر پایه بازیافت کربن موجود در هوا بنا شده، سوزاندن آن توازن کربنی اتمسفر را برهم نمیزند. با توسعه این فناوری، ردپای کربنی خودروهای درونسوز تا نزدیک به صفر درصد کاهش مییابد و اهداف پیمانهای اقلیمی بدون توقف کامل چرخ صنعت خودرو محقق میشود.
سازگاری با خودروهای معمولی
برای استفاده از سوختهای مصنوعی، نیازی به طراحی موتورهای جدید یا تعویض خودروهای فعلی نیست. این سوخت بهعنوان جایگزینی مستقیم و بدون نقص، در باک هر خودروی قدیمی یا مدرن ریخته میشود و قدیمیترین پیشرانهها نیز بدون افت بازدهی یا تغییر قطعات فنی، میتوانند از آن استفاده کنند.
بهرهگیری از زیرساختهای توزیع موجود
یکی از چالشهای بزرگ خودروهای برقی، نیاز به صدها میلیارد دلار بودجه برای ایجاد ایستگاههای شارژ جدید است اما سوخت مصنوعی نیازی به این هزینهها ندارد زیرا بهراحتی میتوان آن را از طریق خطوط لوله، تانکرهای حمل سوخت و پمپبنزینهای موجود در سراسر جهان جابهجا و توزیع کرد.
چگالی انرژی بسیار بالا
باتری خودروهای الکتریکی برای پیمایشهای طولانی سنگین و حجیم هستند که این امر استفاده از آنها را در خودروهای تجاری سنگین، کشتیها و هواپیماها با محدودیت شدید روبرو میکند اما سوختهای مصنوعی مایع، چگالی انرژی فوقالعاده بالایی دارند و بهترین و منطقیترین گزینه برای پاکسازی بخش ناوبری هوایی و ترابری دریایی محسوب میشوند.
چالشهای سوخت مصنوعی
علیرغم تمام مزایای یادشده، سوختهای مصنوعی هنوز نتوانستهاند به تولید انبوه تجاری برسند و فراگیر شوند زیرا مسیر توسعه آنها با موانع جدی روبرو است.
هزینه تولید بسیار بالا
در حال حاضر، فرآیند صنعتی استخراج دیاکسید کربن از هوا و تولید هیدروژن سبز فوقالعاده گرانقیمت است. قیمت تمامشده هر لیتر سوخت مصنوعی در شرایط کنونی چندین برابر بنزین است و تا زمانی که این هزینهها با مقیاسپذیری تولید کاهش نیابد، توانایی رقابت در بازار مصرف عمومی را نخواهد داشت.
راندمان پایین انرژی در کل چرخه
یکی از نقدهای جدی مهندسان به سوخت مصنوعی، اتلاف زیاد انرژی در فرآیند تولید آن است. برای تبدیل برق تجدیدپذیر به هیدروژن، سپس ترکیب آن با کربن و تبدیل به مایع و درنهایت سوزاندن آن در یک موتور درونسوز با بازدهی حرارتی محدود، بخش زیادی از انرژی اولیه هدر میرود. درواقع میزان برقی که برای تولید سوخت مصنوعی یک خودرو مصرف میشود، میتواند مسافت بسیار بیشتری را در صورت تزریق مستقیم به باتری یک خودروی برقی پوشش دهد.
نیاز به منابع انرژی تجدیدپذیر
برای اینکه سوختهای مصنوعی کاملاً پاک باشند، کل زنجیره تولید آنها باید با برق سبز کار کند. حجم برق موردنیاز برای تولید انبوه این سوخت بهقدری کلان است که در حال حاضر شبکه نیروگاههای بادی و خورشیدی جهان پاسخگوی این نیاز نیستند و ساخت چنین ظرفیت عظیمی از انرژیهای تجدیدپذیر سالها زمان میبرد.
شرکتهایی که روی توسعه سوخت مصنوعی کار میکنند
صنعت خودروسازی و بخش انرژی بهخوبی به پتانسیل این سوخت واقف هستند و چندین غول صنعتی پیشگام این مسیر شدهاند. شرکت خودروسازی پورشه را میتوان پرچمدار این حرکت دانست. پورشه با سرمایهگذاریهای کلان و همکاری با شرکت شیلیایی HIF و شرکت زیمنس انرژی، یک کارخانه آزمایشی بزرگ را در کشور شیلی راهاندازی کرده است. این منطقه به دلیل بادهای مداوم و شدید، بهترین بستر برای تأمین برق بادی ارزان جهت تولید هیدروژن و سوخت مصنوعی کربنخنثی است و پورشه هماکنون از این سوخت در خودروهای مسابقهای خود استفاده میکند. علاوه بر پورشه، شرکتهای بزرگ نفتی نظیر اکسانموبیل و آرامکو نیز بهشدت روی تحقیق و توسعه این سوختها متمرکز شدهاند. آرامکو در حال ساخت کارخانههای آزمایشی در عربستان و اروپا است تا فرمولاسیونهای بهینهای برای پیشرانههای نسل جدید بیابد. همچنین فدراسیون بینالمللی اتومبیلرانی (FIA) متعهد شده است که مسابقات فرمول یک را بهطور کامل به سمت استفاده از سوختهای صد درصد پایدار و مصنوعی هدایت کند تا این ورزش مهیج، به آزمایشگاهی پویا برای تجاریسازی هرچه سریعتر سوختهای آینده تبدیل شود.
