S-2021 : مقایسه سوخت‌ فسیلی با انرژی باتری‌ها و منابع دیگر

S-2021 : مقایسه سوخت‌ فسیلی با انرژی باتری‌ها و منابع دیگر

Comparison of fossil fuel with energy from batteries and other sources

از همان ابتدای زندگی بشر، سوخت فسیلی مانند چوب به‌ عنوان سوختی مطرح بوده است که به آسانی در دسترس بشر قرار داشت؛ اما در دوران قرون وسطی، شاه هنری هشتم (۱۴۹۱ – ۱۵۴۷) نگران بود که انگلستان نتواند چوب کافی را برای گرمایش، پخت و پز و ساخت خانه‌ها تولید کند و از شهروندان خواست که در مصرف چوب صرفه‌جویی کنند. استخراج زغال سنگ در دهه ۱۷۰۰ این کمبود ظاهری را از میان برداشت و فراوانی این منبع انرژی جدید، به هسته انقلاب صنعتی بدل شد. اما خیلی زود سوزاندن حجم زیادی از زغال سنگ باعث شد که آسمان شهرها تیره شود و مشکلاتی برای سلامتی ایجاد گردد.

در سال ۱۸۵۹، مکتشفان نفت را ابتدا در پنسیلوانیا و بعد در تگزاس کشف کردند. در سال ۱۹۰۰، خاور میانه به عرضه کننده کلیدی نفت تبدیل شد و بعد از جنگ جهانی اول، مکزیک، ونزوئلا و ایران این انرژی مایع را در سطح جهان پمپاژ کردند. نفت ارزان و فراوان بود، حمل آسانی داشت، استفاده از آن امن بود و سوزاندن آن نسبتاً پاک بود؛ نفت خیلی زود به منبع انرژی برتر تبدیل شد.

همانطور که چوب به زغال سنگ و زغال سنگ به نفت تبدیل شد، اینبار دانشمندان به توان هسته‌ای روی آوردند تا سوختی را تولید کنند که منبع نامحدودی از انرژی با هزینه پایین به حساب می‌آمد. سوخت‌های هسته‌ای معمول عبارتند از اورانیم-۲۳۵ و پولوتونیم-۲۳۹، که از بین آن‌ها پلوتونیم-۲۳۹ بسیار قدرتمند است به‌گونه‌ای که ۱ کیلوگرم از آن می‌تواند نزدیک به ۱۰ میلیون کیلووات‌ساعت برق تولید کند. خبرنگار حوزه علمی، دیوید دایتز (۱۸۹۷ – ۱۹۸۴) زمانی اینطور نوشت که: «شما می‌توانید به جای پر کردن باک بنزین خودروی خود، دو یا سه بار در هفته، با داشتن یک قرص منبع انرژی اتمی به اندازه یک قرص ویتامین به مدت یکسال سفر کنید».

در دهه ۱۹۵۰، تولید برق از طریق نیروگاه‌های هسته‌ای آغاز شد و استفاده از زیردریایی‌ها و ناوهای هواپیمابر مبتنی بر سوخت هسته‌ای رواج یافتند. متمم‌هایی نوشته شد و قانون انرژی اتمی بخش خصوصی را به حوزه استخراج انرژی هسته‌ای دعوت کرد. این امر به منحنی یادگیری و بکارگیری با شیب زیاد ختم شد که نتیجه آن حواث و فجایع مختلفی بود. جدی‌ترین حوادث هسته‌ای در جزیره تری مایل ایالات متحده آمریکا، چرنوبیل اوکراین و فوکوشیمای ژاپن رخ دادند. عظمت خسارات ایجاد شده سرعت رشد انرژی هسته‌ای را کُند کرد و تا به امروز همچنان با مشکل تشعشعات و دفع باقیمانده‌های سوخت‌های مصرفی روبه‌رو هستیم.

دانشمندان هیدروژن را معجزه بعدی در حوزه انرژی عنوان کردند چون عرضه نامحدودی دارد و پاک است. خودروهایی که از پیل‌های سوختی هیدروژنی استفاده می‌کنند آنقدر پاک کار می‌کنند که می‌توان از آب داغ خروجی اگزوز خودرو برای صرف چای استفاده کرد. اما تولید هیدروژن گران است چون تولید آن همان مقدار انرژی می‌طلبد که این ماده در نهایت آن را تحویل خواهد داد. بعد از پیش‌بینی‌های فراوان، هیدروژن به امیدی دست‌نیافتنی تبدیل شد.

مقدار زیادی از انرژی مصرفی در سطح جهان حاصل سوزاندن هیدروکربن‌هایی به شکل نفت خام، گاز طبیعی و زغال سنگ است که باقیمانده‌های مواد زنده دوران‌های زمین‌شناختی گذشته هستند. خورشید که منبع حیات کل زمین است، این انرژی‌های بسته‌بندی شده را برای ما به ارمغان آورده است اما این منابع تجدیدپذیر نیستند. شکل ۱ سوخت‌های مورد استفاده برای تولید برق را نشان می‌دهد. زغال سنگ، متداول‌ترین نوع سوخت، بالاترین میزان دی‌اکسید کربن را تولید می‌کند؛ تولید دی‌اکسید کربن گاز طبیعی تقریباً نصف میزان تولیدی آن از طریق سوزاندن زغال سنگ است و نفت هم در جایگاهی بین این دو سوخت قرار می‌گیرد.

شکل ۱ –  تولید برق در سطح جهان به ‌وسیله سوخت‌های مختلف [۱] (آژانس بین‌المللی انرژی، ۲۰۱۴).

زغال سنگ ارزان است؛ اما حدود دو برابر گاز طبیعی دی‌اکسید کربن منتشر می‌کند. میزان انتشار دی‌اکسید کربن نفت بین زغال سنگ و گاز طبیعی قرار می‌گیرد.

جدول ۱ فهرست ارزش گرمایی خالص (NCV) و بازدهی منابع انرژی مختلف را بر حسب وات‌ساعت بر لیتر ارائه کرده است. گازوئیل و بنزین از نظر ارزش گرمایی خالص نسبت به هیدروژن و باتری یون لیتیوم بسیار بالاتر قرار دارند. هرگونه فاصله گرفتن از فرایند احتراق ساده برای استحصال انرژی منجر به هزینه‌های بالاتر برای تولید انرژی می‌شود؛ اما بهره حاصل از آن باید با مزیت تولید گازهای گلخانه‌ای (دی‌اکسید کربن) کمتر جبران شود.

جدول ۱- ارزش‌های گرمایی خالص

گازوئیل و بنزین فراتر از هیدروژن و باتری یون لیتیوم هستند. بازدهی تبدیل همان خروجی حرارتی است و شامل اصطکاک و مقاومت کششی نمی‌شود.

* CNG یا گاز طبیعی فشرده در فشار ۲۵۰ بار (۳۶۲۵ پاسکال).

** هیدروژن در فشار ۳۵۰ بار (۵۰۰۰ پاسکال).

جدول ۲ خلاصه‌ای از ارزش‌های گرمایی خالص سوخت‌های قدیمی و مدرن را بر حسب وزن (کیلوگرم) و حجم (لیتر) ارائه کرده است. از نظر وزنی، به جز هیدروژن، هیدروکربن‌ها بالاترین انرژی را بر حسب وزن ارائه می‌کنند.

جدول ۲- چگالی‌های انرژی سوخت‌های فسیلی و باتری‌ها

انرژی به ازای وزن سوخت‌های فسیلی در مقایسه با باتری یون-لیتیوم تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر است. این داده‌ها از منابع مختلفی به دست آمده‌اند. مقادیر ارائه شده تقریبی هستند.

* هیدروژن بالاترین نسبت انرژی به وزن (وات‌ساعت بر کیلوگرم) را دارد؛ اما مقدار انرژی بر حسب حجم (وات‌ساعت بر لیتر) تصویر دقیق‌تری از نظر ذخیره‌سازی و تحویل انرژی را به ما نشان می‌دهد. انرژی مخصوص گازوئیل بر حسب حجم نسبت به هیدروژن (۷۵۰ وات‌ساعت بر لیتر در فشار ۳۵۰ بار یا ۵۰۰۰ پاسکال) تقریباً ۱۴ برابر بیشتر است.

می‌توان نفت و گاز طبیعی را ارزان و با آماده‌سازی کم از زمین استخراج کرد. اما هیدروژن در مقایسه با آن به تولید انرژی نیاز دارد و ذخیره‌سازی آن دشوار است. زمان انتخاب سوخت برای کاربردهای گرمایشی و حمل و نقل، بحث‌های اقتصادی فاکتوری کلیدی به حساب می‌آیند. این امر باعث می‌شود که معضلات زیست‌محیطی اولویت کمتری پیدا کنند. سوخت‌های فسیلی جزء ارزان‌ترین، پربازده‌ترین و در دسترس‌ترین سوخت‌ها هستند اما زیان‌های اکولوژیکی ناشی از مصرف آن‌ها در مقیاس بزرگ توجه همگان را به این نوع سوخت‌ها جلب کرده است.

پیشنهاد : نحوه کارکردن سنسور سوخت باتری

منبع : باتری یونیورسیتی