موتور های هوای فشرده

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: استفاده از هوای فشرده به عنوان منبع انرژی، قدمتی بیش از یک قرن دارد. در دهة 1880، سیستم قطار شهری (تراموا) نیویورک با بهره‌گیری از اولین مدل موتور هوای فشرده جهان (که سیستم مِکارسکی نامیده می‌شد) ساخته شد. در حال حال حاضر، حدود 10% از انرژی مصرفی جهان به صورت هوای فشرده تولید و مصرف می شود. اهمیت هوای فشرده به حدی است که تولید کنندگان آن را به عنوان شرکتهای خدماتی نوع چهارم (بعد از برق، آب و گاز) برشمرده‌اند.
در این بررسی، قابلیتهای موتورهای هوای فشرده و سیستمهای ذخیره‌سازی کوچک مقیاس هوای فشرده بررسی شده و پتانسیل آنها به عنوان "فرصتی مهم برای سرمایه گذاری و پیشرفت ملی" بررسی شده است. امید است تا تصمیم‌گیرندگان حوزه‌های اقتصاد، انرژی و صنعت کشور، از این فرصت تاریخی برای بهبود رشد اقتصادی کشور، بهره‌برداری نمایند.


بررسی وضعیت فعلی موتوهای هوای فشرده در صنعت حمل و نقل

موتورهای هوای فشرده، موتورهایی با ساختار ساده، ایمن، با قابلیت اطمینان بالا و ارزان هستند. اولین خودروی با موتور هوای فشرده، در دهة 1990 و توسط مخترع فرانسوی با نام Guy Negre ، که بنیانگذار شرکت معروف Moteur Developpment International (MDI) در کشور لوگزامبورگ است، ساخته شد. به جز این شرکت، شرکتهای مهم و مستقل دیگر به نامهای Energine ، Energine Air ، K’Airmobiles ، Quasiturbine، Regusci ، Team Psycho-Active و ... نیز در همین حوزه مشغول فعالیت می‌باشند.
یکی از مهمترین مزایای موتورهای هوای فشرده، سادگی آنهاست؛ بگونه‌ای که برخلاف موتورهای احتراق داخلی، تولید آنها با امکانات و تجهیزات اندکی میسّر می‌شود. همین امر، مهمترین چالش پیش روی صنعت نوپای موتورهای هوای فشرده نیز محسوب می شود؛ زیرا سادگی بیش از حد این موتورها ممکن است باعث خارج شدن تعداد زیادی از غولهای خودردوسازی جهان از گردونة رقابت شود. به همین دلیل، شرکتهای بزرگ خودروسازی سعی میکنند تا حتی‌الامکان تجاری شدن چنیین خودروهایی را به تعویض بیاندازند (البته در سال 2015، درز یک خبر از شرکت خودروسازی پژوه مشخص نمود که شرکتهای خوروسازی بزرگ جهان نیز مشغول تحقیق و توسعه در این حوزه هستند، لیکن تحقیقات خود را تحت عناوین کلی نظیر Hybrid-Electric طبقه بندی نموده‌اند تا حداقل در ظاهر، از اهمیت این موتورها بکاهند).


با استناد به آنچه در سایت شرکت Zero Pollution Motors ذکر شده است، به نظر می‌رسد که اولین خودروی با موتور هوای فشرده توسط این شرکت و در سال 2017 تحویل مشتری شود. این شرکت پیشرو، هم اکنون در حال ثبت نام مشتریان از طریق وب سایت رسمی خود است.

یکی از نقاط اشتراک شرکتهای تولید کنندة موتورهای هوای فشرده آن است که همگی معتقدند هوای فشرده، انرژی غالب عصر آینده خواهد بود. برای مثال، در وب سایت شرکت خودرو سازی Zero Pollution Motors چنین آمده است :
"در حال حاضر مسجل شده است که بنزین سوخت عصر آتی بشر نیست. تحقیقات بر روی آنکه سوخت عصر آتی چه خواهد بود در جریان است. لیکن شرکت Zero Pollution Motors پیش بینی می‌کند که این سوخت، هوای فشرده خواهد بود."

یکی از مهمترین پیشرفتها در حوزة موتورهای فشرده، در اواسط سال جاری اتفاق افتاد. آنجلو دی پیترو، مدیر عامل و مدیر تحقیقات شرکت Energine Air در استرالیا، از تکنولوژی جدیدی برای تولید موتورهای هوای فشرده پرده‌برداری کرد که نیروی گردشی آن به طور مستقیم و با چرخش پیستون در سیلندر تولید می شود؛ بگونه ای که بازده موتور به بیش از 90% (شرکت Energine Air بازده دقیق موتور را 94.5 % عنوان نموده است) افزایش یافته است.
به طور خلاصه، مهمترین مزایای استفاده از موتورهای هوای فشرده را می‌توان به شرح زیر نام برد:
1- به لحاظ مکانیکی بسیار ساده بوده و صنایع ساخت موتور، میكروتوربین و خودرو را دچار تحول عظیمی خواهند نمود.
2- میزان بازده حاصل شده در آنها تا بیش از 90% گزارش شده است.
3- بسیار سبک بوده (از جنس آلومینیوم) و اضافه وزن ناشی از محفظة مورد نیاز ذخیره سازی هوای فشرده را جبران می‌کنند. البته در برخی مفاهیم جدید ارائه شده در خصوص "خودروهای خوداتکا"، هوای فشرده در خود خودرو تولید شده (با بالانس تولید و مصرف هوای فشرده) و دیگر نیاز به ذخیره سازی آن نخواهد بود.
4- منجر به حذف سیستمهای تهویة مطبوع، سرمایش موتور، شمع و استارتر، تعلیق و صدا‌گیر در خودروها می‌شود. این امر، علاوه بر کاهش قیمت خودرو و بهبود کیفیّت سیستم تهویه مطبوع، موجب کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز می‌شود. بویژه در نقاط گرمسیر، به دلیل استفاده مستقیم از سرمایش حاصله از منبسط شدن هوای فشرده، راندمان خودرو بهبود قابل توجهی خواهد یافت. از طرف دیگر، با استفاده از تکنولوژیهای بسیار ارزان قیمت، می‌توان در خودروها یخ تولید نمود (بدون استفاده از یخچال).
5- هزینة تعمیر و نگهداری و قیمت خودروها به شدت کاهش می‌یابد.
6- میزان انرژی قابل احیاء در حین ترمزها، بسیار بالا و تا حدود 60% گزارش شده است. بعلاوه، سیستم احیای انرژی ترمزی در این خودروها بسیار ساده و ارزان قیمت است. بویژه در اتوبوسها و سایر وسایط حمل و نقل عمومی، که تعداد توقفها بسیار بالاست، می‌توان با پیاده‌سازی این سیستمهای احیای انرژی ترمز، بازده استفاده از سوخت را افزایش چشمگیری داد. بدین ترتیب، بازدهی بخش حمل و نقل عمومی افزایش قابل توجهی یافته و به کاهش آلودگی کلانشهرها کمک شایانی خواهد شد.
7- با توجه به احتراقی نبودن موتور و ساختار مکانیکی بسیار سادة آن، انرژی تنها در هنگام فشردن پدال گاز تولید شده و لذا خودروهای با سوختی هوای فشرده درترافیکها و توقفهای متعدد پشت چراغ راهنمایی انرژی مصرف نمی‌کند.
8- بر خلاف تصور، کاهش وزن خودروهای هوای فشرده منجر به افزایش ایمنی آنها می‌شود.

یکی از نکاتی که ممکن است به صورت غیر مستقیم اهمیت موتورهای هوای فشرده و خودروهای مبتنی بر آن را نشان دهد، سرمایه‌گذاری گستردة کشور هند در این حوزه است. کشور هند، کشوری "خرد محور" است که در آن لابی‌گری محملی برای تأثیرگذاری بر سیاستهای بلند مدت ندارد. لذا، سرمایه‌گذاری گسترده کشور هند در زمینه ساخت موتور و خودروهای هوای فشرده را می‌توان به عنوان یک نشانه از اهمیّت قابل توجه موضوع در نظر گرفت.

البته کشور هند دارای ویژگیهایی خاصی هم است که استفاده از موتورهای هوای فشرده و خودروهای مبتنی بر آن را برای این کشور بسیار جذاب نموده است. جمعیت بالای هند، فقر عمومی و استقبال عمومی از خورروهای ارزان قیمت، ترافیک بسیار زیاد خیابانها و مقررات وضع شده در خصوص محدودیت سرعت در بیشتر آنها، ارزانی و منطبق بودن خودروهای هوای فشرده با مقررات زیست محیطی، منطبق بودن هوای گرم کشور هند با ویژگی تولید فرآیندی هوای خنك در موتورهای هوای فشرده و سیاستهای هند در توسعة سریع انرژیهای تجدید پذیر از جملة این ویژگیها می‌باشند.

توسعة خودروهای هوای فشرده، نیازمند زیرساختی مطمئن برای تأمین هوای فشرده است. به عبارت دیگر، باید شریان تآمین سوخت موتورهای هوای فشرده، گسترده و ارزان باشد. در قسمت دوم مقاله، بحث ذخیره‌سازی هوای فشرده و فرصتهای شغلی حاصله از آن برای ایجاد جایگاههای عرضه هوای فشرده، که ورودی آنها انرژیهای تجدید پذیر بوده و موجب حذف زیرساختهای پر هزینه ‌و آسیب‌پذیری چون لوله‌ها و تانکرهای انتقال سوخت می‌شوند، مطرح خواهد شد.

بخش دوم

یکی از کاربردهای قدیمی ذخیره‌سازی هوای فشرده، استفاده از انرژی آن برای تولید برق بوده است. در سال 1978، اولین سیستم ذخیره سازی هوای فشردة بزرگ مقیاس جهان، به منظور تولید برق در ساعات پیک، در Huntorf آلمان احداث شد که هنوز هم در حال کار است. در این سیستم که ذخیره سازی انرژی هوای فشرده در مقیاس بزرگ نامیده می شود، کپمرسورهای الکتریکی بزرگ در ساعات کم باری به کار افتاده و هوا را فشرده می‌کنند. هوای فشرده در غارهای زیر زمینی، گنبدهای نمکی، معادن متروکه، حفره‌های آهکی و یا حفره‌های موجود در صخره ها ذخیره می‌شود. سپس با استفاده از توربینهای گازی، هوای فشرده برای تولید برق در ساعات پیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

توربینهای مورد استفاده در این نیروگاه‌ها فاقد کمپرسور بوده و به همین لحاظ انرژی مصرفی آنها برای تولید برق، تقریباً یک سوم توربینهای گازی معمولی است. معمولاً به منظور بهبود بازدهی، در هنگام فشرده‌سازی هوا از سیستمهای بازیابی حرارت و در هنگام آزاد نمودن هوای فشرده، از سیستمهای بازیابی سرمایش استفاده می‌شود. در حال حاضر، یك نیروگاه بزرگ تولید برق از انرژی هوای فشرده در كشور آلمان و سه نیروگاه دیگر در كشور آمریكا در حال بهره‌برداری هستند و چندین نیروگاه بزرگ دیگر نیز در حال احداث هستند.

یکی از مهمترین معایب استفاده از انرژی هوای فشرده برای تولید برق، ذخیره سازی انرژی به صورت مکانیکی و سپس تبدیل مجدد آن به انرژی الکتریکی است؛ زیرا افزایش تعداد چرخه‌های تبدیل انرژی، منجر به کاهش بازده کل سیستم ذخیره‌سازی می‌شود. بعلاوه دو مشکل غیرفنی و مهم دیگر، احداث و توسعة سیستمهای ذخیره‌سازی هوای فشرده در مقیاس بزرگ را با محدودیتهایی زیادی مواجه نموده‌اند. این دو مشکل عبارتند از :

· نیاز به عوارض و ویژگیهای جغرافیایی خاص برای ذخیره سازی هوا در مقیاسهای بزرگ

· نیاز به سرمایه‌گذاری سنگین

با این حال، سیستمهای ذخیره سازی هوای فشرده مقیاس کوچک، مهمترین عیوب برشمرده برای سیستمهای ذخیره‌سازی هوای فشرده مقیاس بزرگ را برطرف نموده‌اند. بدین ترتیب که:

1- عمل ذخیره سازی انرژی در مخازن فشار بالای کوچک (که بدنة آنها از جنس فولاد یا الیاف کربن است) انجام گرفته و لذا پیاده سازی این سیستمها در هر نقطه و حتی در مساحتهای کوچک امکان پذیر است.

2- در حالت اخیر، هر چند هنوز هم بخش عمدة سرمایه گذاری اولیة مورد نیاز مربوط به مخازن ذخیره سازی هوای فشرده است ، لیکن با کاهش ابعاد ذخیره‌سازی، میزان سرمایه‌گذاری مورد نیاز به شدت کاهش می‌یابد.

3- كاركرد این سیستمها در كنار نیروگاه‌های تجدیدپذیر (مثل نیروگاه های خورشیدی کوچک)، در سناریوهای مختلف متصل به شبكه و ایزوله از شبكه منجر، به مزایای متنوع و مكمل هم منجر می‌شود.

4- توسعة بسیار سریع توربینها و موتورهایی که به طور مستقیم با هوای فشرده کار می‌کنند، مزایای بسیار زیادی را به همراه آورده و استراتژیهای متنوعی را برای بهبود محیط زیست، کاهش هزینه‌ها، افزایش بهره‌وری، ایجاد فرصتهای شغلی و ... در دسترس قرار داده است.

علاوه بر مزایایی که در خصوص کاربرد موتورهای هوای فشرده در صنعت حمل و نقل برشمرده شد، با استفاده از موتورهای هوای فشرده به عنوان موتور محرک پمپهای هوای فشرده، می‌توان بخش بزرگی از مصارف انرژی الكتریكی (مثل پمپهای آبیاری كشاورزی را كه برقرسانی به آنها هزینه‌های زیادی به همراه دارد) به حوزه کاربری مصارف هوای فشره منتقل نمود. از طرف دیگر، عملكرد این موتورها با هوای فشرده، منجر به حذف چرخة تبدیل انرژی هوای فشرده به برق شده و در نتیجه بازده كل سیستم افزایش می‌یابد.

مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که سیستمهای ذخیره‌سازی هوای فشرده در مقیاس بزرگ، تنها هنگامی دارای توجیه اقتصادی خواهند بود که بصورت چند هدفه مورد استفاده قرار گیرند. این در حالی است كه سیستمهای ذخیره‌سازی هوای فشرده مقیاس كوچك، به دلیل قابلیت استفاه مستقیم از هوای فشرده در موتورهای هوای فشرده، ایجاد سیستم ذخیره‌سازی ارزان قیمت، کمی تلفات نشتی، عمر طولانی (بر خلاف باتری که عمر مفید اندک و نشتی انرژی بالایی دارد)، فراهم آوردن قابلیت کنترلی برای نیروگاه‌های تجدیدپذیر و هچنین بستر‌سازی برای حضور سیستمهای تهویة مطبوع کارآمد، پاک و ارزان قیمت، ذاتاً چند منظوره خواهند بود.

با توسعة سیستمهای ذخیره‌سازی هوای فشرده ، می‌توان شبکة هوشمندی را پایه‌گذاری کرد كه نسبت به شبكه‌های هوشمند مبتنی بر خودروهای الكتریكی و هیبرید، دارای مزایای متعددی است. به نظر می‌‌رسد که خودروهای هوای فشرده تهدیدی بالقوه برای خوروهای الکتریکی و هایبرید الکتریکی باشند، زیرا چرخه تبدیل انرژی آنها بازده بسیار بالاتری دارد.

یکی از مهمترین موانع توسعة استفاده از هوای فشرده، مفروض دانستن انرژی الکتریسیته به عنوان انرژی برتر است. در حال حاضر، قسمت مهمی از نقشة راه شبکه‌های هوشمند برق در کشورهای مختلف جهان، بر پایة ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی در باتری خودروهای هایبرید الکتریکی (EHV) تدوین شده است.
با این وجود، در صورت تداوم روند پیشرفت و توسعة موتورها، توربینها و خودروهای مبتنی بر هوای فشرده و بر پایه دلایل عنوان شده در زیر (که خودروهای هایبرید الکتریکی و خودروهای هوای فشرده را مقایسه می‌کند)، می‌توان انتظار داشت که ذخیره‌سازی انرژی بصورت هوای فشرده و در مقیاس كوچك، بدون مشکل زیادی، جایگزین ذخیره‌سازی انرژی توسط باتری خودروهای هایبرید الکتریکی خواهد شد. بدین شكل، به نظر می‌رسد ویژگیها و مشخصه‌های شبكه‌های هوشمند نیز نیازمند بازنگری خواهد بود. مزایای شبکة هوشمند مبتنی بر خودروهای هوای فشرده بر شبکة هوشمند مبتنی بر خودروهای هایبرید الکتریکی به شرح زیر است :

1- شارژ مخازن هوای فشرده درمقایسه با شارژ باتری خودروهای هایبرید الکتریکی، بسیار سریعتر انجام می‌شود. با توجه به اینکه زمان، عامل بسیار مهمی در تصمیم‌گیریهای آتی خواهد بود، چنین مزیتی بسیار مهم تلقی می‌شود.

2- نرخ دشارژ خود به خود محفظه‌های هوای فشرده، بسیار کمتر از باتری است.

3- تاثیر شارژ باتریها بر کیفیت برق بسیار مخرب است، در صورتی که ذخیره‌سازی و استفاده مستقیم از هوای فشرده، تأثیر قابل توجهی بر کیفیت برق ندارد.

4- از دیدگاه زیست محیطی، برخلاف باتریهایی چون باتریهای پلیمری و باتریهای سرب-اسید که آلوده کنندة محیط زیست هستند، ذخیره سازی هوای فشردة کوچک مقیاس منجر به آلودگی محیط زیست نمی‌شود.

5- ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم مبتنی هوای فشرده بسیار بالاتر از سیستمهای مبتنی بر باتری است. در سالهای اخیر حوادث و آتش‌سوزیهای متعددی که علت آن استفاه از باتریها بوده، گزارش شده است.

6- هزینه تمام شدة مالکیت سیستمهای ذخیره‌سازهای هوای فشرده (دارای محفظه‌های ذخیره‌سازی هوا) به نسبت ذخیره سازهای انرژی الکتریکی (در شکل باتری)، بسیار ارزانتر است.

7- سیستمهای کوچک مقیاس ذخیره سازی انرژی، گزینه‌های متعدد و استراتژیهای متنوعی را برای کاهش تلفات و پیک در اختیار شرکتهای توزیع برق قرار خواهد گرفت.

به طور کلی، مزایای بکارگیری ترکیبط سیستمهای ذخیرة هوای کوچک مقیاس و خودروهای دارای موتورهای عمل کننده با هوای فشرده، به شرح زیر است :

1- منجر به توسعة اشتغال و کسب و کارهای مبتنی بر ذخیره سازی هوای فشرده می‌شود. دهوای فشرده در ساعات آف پیک تولید شده و پس از ذخیره سازی، به عنوان سوخت مناسب برای خودروهای هوای فشرده و در جایگاه‌های مربوطه عرضه می‌شود. زیر ساخت مورد نیاز ذخیره‌سازی هوای فشرده در بیشتر کارخانجات صنعتی موجود بوده و لذا امکان بهینه‌سازی سیستمهای تولید و مصرف انرژی را به عنوان یک کسب و کار جانبی را برای آنها فراهم می‌آورد. بر اساس قانون Economy of Scope، افزایش حوزه های کسب و کار، منجر به سود بیشتر و پایداری اقتصادی بالاتر برای این کارخانجات خواهد شد.

2- منجر به توسعه و افزایش جذابیتهای استفاده از نیروگاههای کوچک مقیاس تجدید پذیر و کاهش هزینه ها و معایب استفاده از آنها بصورت متصل به شبکه می شود. بحثهایی چون کیفیت برق، نیاز به اینورتر، پیش بینی ناپذیری و کنترل ناپذیری و ... در چنین سیستمهایی یا حذف شده و یا کمرنگ خواهند شد.

3- تولید برق بصورت مستقیم از هوای فشره امكان پذیر شده و نیازمند وجود سوخت دیگری (گاز) نخواهد بود.

4- منجر به کاهش ارزش زمین در سرمایه گذاریهای اولیه می‌شود؛ زیرا بهترین محل برای احداث سیستمهای ذخیره‌سازی هوای فشرده و نیروگاه های تجدید پذیر مربوط به آنها، در بین راه‌های ارتباطی است که زمین قیمت چندانی ندارد. بدین ترتیب، مراکز تولید و مصرف انرژی الکتریکی نیز در کنار هم قرار گرفته و تدر نتیجه لفات توزیع انرژی کاهش خواهد یافت.

5- هزینه‌ها و مخاطرات حمل و نقل سوخت به پمپ بنزینها، خصوصا نقاط صعب العبور و دور دست کاهش می‌یابد و هزینه‌های احداث و تعمیر و نگهداری خطوط انتقال بنزین حذف خواهد شد.