قطار هیبریدی؛ محاسن و معایب

حمل ونقل ریلی یکی از ارکان اصلی جابه‌جایی بار و مسافر در سراسر جهان است و به دلیل بهره‌وری انرژی بالا و ظرفیت حمل زیاد همواره گزینه‌ای مقرون به صرفه و پایدار محسوب می‌شود. با این حال، بخش قابل توجهی از خطوط ریلی در بسیاری از کشورها همچنان فاقد زیرساخت برقی هستند و برای تردد قطارها، به موتورهای دیزلی وابسته‌اند. این وابستگی به سوخت‌های فسیلی موجب افزایش آلودگی هوا و انتشار گازهای گلخانه‌ای شده است و چالش‌های محیط‌زیستی و اقتصادی متعددی را به همراه دارد. علاوه بر این، هزینه‌های مربوط به نگهداری و تامین سوخت قطارهای دیزلی نیز یکی از دغدغه‌های اصلی در بهره‌برداری از این ناوگان به شمار می‌رود. یکی از راهکارهای نوین برای حل این مشکل استفاده از قطارهای هیبریدی است. این قطارها ترکیبی از موتورهای دیزلی و سیستم‌های الکتریکی را به کار می‌گیرند و می‌توانند بدون نیاز به برق‌رسانی سراسری، بخشی از نیروی محرکه‌ خود را از طریق منابع الکتریکی تامین کنند؛ به عبارت دیگر، قطارهای هیبریدی می‌توانند مصرف سوخت فسیلی را کاهش دهند و وابستگی به موتورهای دیزلی را کمتر کنند.

 این ویژگی باعث خواهد شد که قطارهای هیبریدی گزینه‌ای جذاب برای مسیرهای غیربرقی باشند، چراکه بدون نیاز به سرمایه‌گذاری‌های کلان در زیرساخت‌های برقی می‌توان مصرف سوخت و میزان انتشار آلاینده‌ها را کاهش داد. از سوی دیگر، قطار هیبریدی مجهز به سیستم شارژ خارجی می‌تواند در ایستگاه‌های مشخصی به برق متصل شده و باتری‌های خود را شارژ کند، در حالی که قطار هیبریدی بدون سیستم شارژ خارجی می‌تواند به‌طور مستقل عمل کرده و به ایستگاه شارژ برق متصل نمی‌شود.

هدف این مقاله، سنجش تاثیر واقعی فناوری هیبریدی بر کاهش آلودگی و بهینه‌سازی مصرف سوخت در مسیرهای فاقد زیرساخت برقی است.

فناوری قطارهای دیزلی و مشکلات آن

قطارهای دیزلی سال‌ها گزینه‌ اصلی برای حمل‌ونقل ریلی در مسیرهای غیربرقی بوده‌اند. این قطارها با استفاده از سوخت‌های فسیلی، انرژی لازم برای حرکت را تامین می‌کنند. البته برخی مستقیماً از موتورهای دیزلی برای حرکت بهره می‌برند، در حالی که برخی دیگر با تولید برق از ژنراتورهای دیزلی این انرژی را به موتورهای الکتریکی منتقل می‌کنند.

با این حال، اگرچه قطارهای دیزلی استقلال بالایی داشته و برای حرکت به زیرساخت برقی نیازی ندارند، اما چالش‌های متعددی را نیز به همراه دارند که در ادامه بررسی می‌شود:

۱- آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی: موتورهای دیزلی با سوزاندن گازوئیل، مقادیر زیادی دی‌اکسید کربن (CO2)، اکسیدهای نیتروژن (NO) و ذرات معلق تولید می‌کنند. این آلاینده‌ها نه‌تنها به تشدید تغییرات اقلیمی کمک می‌کنند بلکه تاثیر مستقیمی بر کیفیت هوای مناطق اطراف خطوط ریلی دارند و می‌توانند موجب بروز مشکلات تنفسی و قلبی در انسان‌ها شوند.

۲- کاهش راندمان انرژی: یکی از معایب اصلی قطارهای دیزلی اتلاف بالای انرژی است. در این قطارها مقدار زیادی از انرژی تولیدشده در هنگام حرکت به‌ویژه در زمان ترمزگیری و کاهش سرعت هدر می‌رود؛ این در حالی است که در سیستم‌های جدیدتر مانند قطارهای هیبریدی بخشی از این انرژی قابل بازیابی و استفاده مجدد است.

۳- طول عمر و هزینه‌های تعمیر و نگهداری: بررسی‌ها نشان داده است که عمر مفید موتورهای دیزلی در مقایسه با سیستم‌های برقی کمتر است؛ برای مثال، برخی مطالعات تخمین زده‌اند که یک موتور دیزل به‌طور میانگین ۷/۳ سال قبل از نیاز به تعمیر اساسی کار می‌کند که در مقایسه با سیستم‌های الکتریکی عدد پایینی محسوب می‌شود. این میزان استهلاک، هزینه‌های عملیاتی را افزایش داده و باعث کاهش بهره‌وری اقتصادی قطارهای دیزلی می‌شود.

۴- محدودیت‌های قانونی و  محیط‌زیستی: بسیاری از کشورها قوانین سختگیرانه‌ای را برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلاینده‌های محیط‌زیستی وضع کرده‌اند. این مسئله باعث شده که قطارهای دیزلی در برخی مسیرها با محدودیت‌های عملیاتی مواجه شوند و فشار بیشتری برای جایگزینی آنها با فناوری‌های، پاک‌تر مانند قطارهای الکتریکی و هیبریدی وجود داشته باشد.

با توجه به این مشکلات، حرکت به سوی فناوری‌های جایگزین مثل سیستم‌های هیبریدی که بتوانند از ترکیب انرژی‌های مختلف استفاده کنند، یکی از گزینه‌های مطلوب برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و بهبود بهره‌وری انرژی محسوب می‌شود.

قطارهای هیبریدی و انواع آن

قطارهای هیبریدی یکی از نوآوری‌های مهم در حمل‌ونقل ریلی محسوب می‌شوند که با ترکیب دو یا چند منبع انرژی، کارایی بیشتری نسبت به قطارهای سنتی دارند. این قطارها می‌توانند بسته به نوع طراحی از ترکیب موتورهای دیزلی، باتری‌های الکتریکی یا حتی سلول‌های سوختی استفاده کنند.

الف) ساختار کلی قطارهای هیبریدی

موتور دیزلی: این بخش اصلی‌ترین منبع تامین توان در قطارهای هیبریدی است. موتور دیزلی می‌تواند مستقیماً نیروی محرکه را تامین یا برق لازم را از طریق یک ژنراتور برای شارژ باتری‌ها و تغذیه موتورهای الکتریکی تولید کند. در مسیرهای غیربرقی این سیستم تضمین‌کننده حرکت پایدار قطار است.

ژنراتور: برق مورد نیاز برای تغذیه موتورهای الکتریکی یا شارژ باتری‌ها را تولید می‌کند. این بخش نقش کلیدی در تبدیل انرژی مکانیکی موتور دیزلی به انرژی الکتریکی ایفا کرده است و به کاهش وابستگی به مصرف سوخت کمک می‌کند.

موتورهای الکتریکی: نیروی محرکه قطار را تامین و بسته به نوع سیستم، انرژی خود را از باتری‌ها، ژنراتور یا شبکه برق (در مدل‌های مجهز به RS) دریافت می‌کنند. استفاده از این موتورها باعث کاهش انتشار آلاینده‌ها و بهبود راندمان سیستم می‌شود.

باتری‌های الکتریکی: این باتری‌ها، انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و در هنگام نیاز برای تامین توان قطار استفاده می‌شوند. همچنین بخشی از انرژی بازیافتی سیستم ترمز احیاشونده در این باتری‌ها ذخیره می‌شود تا به کاهش مصرف سوخت و افزایش بهره‌وری انرژی کمک کند.

سیستم مدیریت: انرژی این سیستم جریان انرژی را بین موتوردیزلی، ژنراتور باتری‌ها و موتورهای الکتریکی تنظیم می‌کند و وظیفه آن بهینه‌سازی مصرف سوخت و کاهش انتشار آلاینده‌ها است.

سیستم شارژ (RS): قطارهای هیبریدی بررسی شده در این مقاله بر اساس نحوه تامین انرژی و استفاده از شبکه برق به دو دسته زیر دسته‌بندی می‌شوند:

قطارهای هیبریدی با سیستم شارژ خارجی (RS): این قطارها دارای قابلیت اتصال به شبکه برق در ایستگاه‌های مشخص هستند و می‌توانند باتری‌های خود را از طریق این شبکه شارژ کنند. در این مدل وابستگی به موتور دیزلی کاهش می‌یابد، زیرا بخش زیادی از انرژی مورد نیاز از برق شبکه تامین می‌شود. این ویژگی باعث کاهش مصرف سوخت، انتشار آلاینده‌ها و افزایش بهره‌وری انرژی می‌شود.

قطارهای هیبریدی بدون سیستم شارژ خارجی (RS): این نوع از قطارهای هیبریدی فاقد امکان اتصال به شبکه برق هستند و تمام انرژی مورد نیاز خود را از ترکیب موتور دیزلی و باتری‌های داخلی تامین می‌کنند. باتری‌ها عمدتاً از طریق ژنراتور متصل به موتور دیزلی و همچنین انرژی بازیافتی از ترمز شارژ می‌شوند. این مدل برای مسیرهایی که زیرساخت برقی ندارند یا امکان نصب ایستگاه‌های شارژ وجود ندارد مناسب است، اما به دلیل وابستگی بیشتر به موتور دیزلی مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌های آن نسبت به مدل‌های دارای RS بیشتر است.

این دو نوع قطار هیبریدی بسته به شرایط عملیاتی و نیازهای مسیر هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و انتخاب آنها بر اساس عوامل مختلفی مانند زیرساخت‌های موجود، هزینه‌های عملیاتی و میزان آلایندگی انجام می‌شود.

تاثیر محیط‌زیستی قطار دیزل و هیبریدی

برای بررسی تاثیرات محیط‌زیستی قطارهای دیزلی و هیبریدی از روش تحلیل چرخه عمر (LCA) در یک بازه زمانی ۱۵ ساله استفاده شده است. این روش یک ارزیابی جامع از کل چرخه حیات یک سیستم ارائه می‌دهد که شامل مراحل استخراج مواد اولیه تولید، بهره‌برداری، تعمیر و نگهداری و در نهایت بازیافت یا دفع می‌شود.

هدف از این ارزیابی، تعیین میزان اثرات محیط‌زیستی قطارهای مختلف و مقایسه آنها از منظر پایداری و آلودگی است. برای انجام این تحلیل از نرم‌افزار SimaPro استفاده شده است که یکی از پیشرفته‌ترین و پرکاربردترین ابزارها در زمینه تحلیل چرخه عمر محسوب می‌شود. این نرم‌افزار به کمک بانک‌های اطلاعاتی گسترده و مدل‌سازی دقیق، میزان آلاینده‌های مختلف را در هر مرحله از چرخه عمر یک محصول یا سیستم محاسبه کرده و تاثیرات آن را در دو دسته کلی زیر ارائه می‌دهد:

شاخص‌های میانی (Midpoint): این شاخص‌ها اثرات مستقیم و جزئی را بررسی می‌کنند، مانند میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای آلودگی منابع آبی مصرف، فلزات و انتشار ذرات معلق در هوا.

شاخص‌های نهایی (Endpoint): این شاخص‌ها تاثیرات گسترده‌تر را بر سلامت انسان، اکوسیستم‌ها و منابع طبیعی بررسی کرده و نشان می‌دهند که تغییرات زیست‌محیطی چگونه بر زندگی انسان و طبیعت تاثیر می‌گذارند.

ارزیابی تاثیرات محیط‌زیستی طبق شاخص Midpoint نشان می‌دهد که از نظر تغییرات اقلیمی، قطار هیبریدی به دلیل استفاده از سیستم‌های الکتریکی در کنار موتورهای دیزلی سوخت کمتری مصرف می‌کنند و این باعث کاهش میزان گازهای گلخانه‌ای در مقایسه با قطار دیزلی می‌شود.

 از سوی دیگر، تفاوت بین دو مدل هیبریدی مورداشاره (با شارژ خارجی یا بدون شارژ خارجی) ناچیز است، زیرا وجود ایستگاه شارژ تاثیر زیادی روی مجموع مصرف سوخت ندارد. از نظر کاهش لایه ازون نیز کاهش این شاخص در قطارهای هیبریدی نشان‌دهنده انتشار کمتر ترکیبات مخرب لایه ازون مانند CFCها است. دلیل این کاهش مصرف کمتر سوخت فسیلی در قطارهای هیبریدی و جایگزینی بخشی از انرژی مورد نیاز با برق است؛ در نتیجه، قطارهای هیبریدی به‌ویژه نوع مجهز به RS، تاثیر کمتری بر تخریب لایه ازون دارند.

از حیث اسیدی شدن محیط هم (این معیار میزان آلاینده‌های اسیدی مانند SO2 را نشان می‌دهد) نتایج تحقیقات نشان داده که چون اغلب در قطارهای هیبریدی به جای موتور دیزلی از نیروی الکتریکی استفاده می‌شود، کاهش انتشار دی‌اکسید گوگرد (SO2) را به دنبال دارد.

از سوی دیگر، از آنجا که ذرات معلق (PM) عمدتاً از احتراق سوخت‌های فسیلی تولید می‌شوند، اما قطارهای هیبریدی زمان کمتری در حالت احتراق کامل هستند، میزان تولید این ذرات هم کاهش پیدا می‌کند این موضوع برای مناطق شهری و صنعتی که کیفیت هوا اهمیت زیادی دارد، بسیار مفید است. در عین حال، از نظر آلودگی آب‌های شیرین (Freshwater Eutrophication) برخلاف سایر شاخص‌ها، قطار هیبریدی عملکرد بدتری دارند. علت این مسئله این است که تولید و بازیافت باتری‌های مورد استفاده در قطارهای هیبریدی شامل موادی است که می‌توانند به منابع آب وارد شده و باعث باعث افزایش جلبک‌ها و کاهش اکسیژن شوند.

علاوه بر این، انتشار نیتروژن عمدتاً از طریق پساب صنعتی و تولید انرژی الکتریکی رخ می‌دهد و چون قطارهای هیبریدی برای تولید برق مورد نیاز خود به ایستگاه‌های شارژ وابسته‌اند که این ایستگاه‌ها در برخی موارد از منابع فسیلی برای تولید برق استفاده می‌کنند، در نتیجه قطارهای هیبریدی با ایستگاه شارژ تاثیر مخرب‌تری بر محیط‌های دریایی دارند.

دلیل دیگری که باعث می‌شود قطارهای هیبریدی بیشتر برای سلامت انسان‌ها مضر تشخیص داده شوند، وابستگی آنها به مواد شیمیایی در تولید و بازیافت باتری‌ها است. استخراج تولید و دفع باتری‌های لیتیوم یونی شامل مواد سمی و خطرناک است که به‌صورت غیرمستقیم روی سلامت انسان اثر می‌گذارند، بنابراین باید روی مدیریت پسماند باتری‌ها منابع آب و مصرف انرژی الکتریکی توجه بیشتری شود.

همان طور که گفته شد، برخلاف شاخص‌های میانی (Mid point) که روی اثرات جزئی مانند میزان انتشار یک گاز یا مصرف یک فلز تمرکز دارند، شاخص‌های نهایی (Endpoint) دید وسیع‌تری داشته و نشان می‌دهند که این آلاینده‌ها چگونه بر زندگی انسان، طبیعت و مصرف کلی منابع تاثیر می‌گذارند. در چنین شاخص‌هایی نیز قطارهای هیبریدی وضعیت بهتری نسبت به دیزلی دارد، اما به دلیل استفاده از باتری‌ها و وابستگی جزئی به سوخت‌های فسیلی هنوز مقداری آلودگی ایجاد می‌کنند، بنابراین استفاده از قطارهای هیبریدی باعث کاهش تاثیرات منفی بر سلامت انسان‌ها خواهد شد، اما همچنان آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین ناشی از باتری‌ها و فرآیندهای استخراج مواد معدنی می‌توانند اثرات مخربی داشته باشند.

از نظر تاثیر بر اکوسیستم‌ها نیز قطارهای هیبریدی به دلیل مصرف کمتر سوخت‌های فسیلی آلودگی هوا و خاک را کاهش داده‌اند، اما مشکل بزرگی که هنوز باقی است، تاثیرات استخراج مواد معدنی برای تولید باتری‌ها و دفع زباله‌های الکترونیکی است که می‌تواند موجب آلودگی آب و خاک شود.

شاخص مصرف منابع طبیعی بررسی می‌کند که هر نوع قطار چقدر از منابع طبیعی غیرقابل تجدید مانند نفت، گاز، فلزات سنگین و سایر مواد معدنی استفاده کرده است. به بیان ساده‌تر این شاخص نشان می‌دهد که هر قطار چقدر از منابع ارزشمند زمین مصرف می‌کند و تا چه حد باعث کاهش این منابع برای نسل‌های آینده می‌شود.

نتایج تحقیقات باز هم نشان می‌دهد که استفاده از قطارهای هیبریدی باعث کاهش مصرف منابع طبیعی شده است، اما همچنان تولید باتری‌ها و استخراج فلزات مورد نیاز برای آنها چالشی جدی است.

با توجه به نتایج به دست آمده از ارزیابی‌های محیط‌زیستی می‌توان نتیجه گرفت که قطارهای دیزلی بیشترین اثر منفی را بر محیط زیست دارند. این قطارها به دلیل وابستگی کامل به سوخت‌های فسیلی موجب تولید گازهای آلاینده زیادی می‌شوند که هم به سلامت انسان آسیب می‌زنند و هم باعث تخریب اکوسیستم‌ها و افزایش مصرف منابع طبیعی می‌گردند.

در مقابل، قطارهای هیبریدی به‌ویژه نوعی که به ایستگاه شارژ مجهز است توانسته‌اند تاثیرات محیط‌زیستی را کاهش دهند. استفاده از ترکیب برق و موتور دیزل در این قطارها باعث شده مصرف سوخت کاهش یافته و در نتیجه میزان آلودگی و انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتر شود.

البته این نکته نیز حائز اهمیت است که قطارهای هیبریدی به دلیل بهره‌گیری از باتری، همچنان با چالش‌هایی در زمینه تامین تولید و بازیافت این تجهیزات مواجه هستند؛ چرا که عناصر به کار رفته در باتری‌ها نظیر لیتیوم و کبالت می‌توانند آثار محیط‌زیستی خاص خود را داشته باشند. با این حال در مجموع عملکرد محیط‌زیستی قطارهای هیبریدی نسبت به دیزلی بسیار مطلوب‌تر است و می‌توان آنها را به‌عنوان گزینه‌ای مناسب‌تر برای آینده پایدار حمل‌ونقل ریلی در نظر گرفت.

بررسی‌های صورت گرفته در این پژوهش به وضوح نشان می‌دهد که به‌کارگیری فناوری‌های هیبریدی در قطارهای غیربرقی، قادر است تاثیری چشمگیر در کاهش آسیب‌های محیط‌زیستی ایفا کند و در قیاس با قطارهای دیزلی که به‌طور سنتی در بخش وسیعی از مسیرهای ریلی به کار می‌روند قطارهای هیبریدی توانسته‌اند در اغلب شاخص‌های مورد ارزیابی عملکردی برتر ارائه دهند و از انتشار گازهای گلخانه‌ای و آسیب به اکوسیستم تا حد قابل توجهی ممانعت به عمل آورند. نکته درخور توجه آن است که حتی دو نوع سیستم هیبریدی متفاوت نیز در این ارزیابی مورد مقایسه قرار گرفتند و آشکار گردید که هر دو نسبت به مدل دیزلی، مرسوم گزینه‌های به‌مراتب پایدارتری محسوب می‌شوند.

با این حال نباید از نظر دور داشت که در سیستم‌های هیبریدی همچنان مصرف انرژی الکتریکی وجود دارد و این مصرف، چنانچه برق از منابع فسیلی تامین گردد، خود می‌تواند منبع جدیدی از آلودگی محسوب شود؛ اما این امر به‌طور کامل به نوع شبکه برق کشور وابسته است برای، نمونه در آلمان بخش قابل‌توجهی از انرژی الکتریکی مورد نیاز راه آهن این کشور از منابع پاک نظیر باد و خورشید تامین می‌گردد.

چنانچه چنین شرایطی در سایر کشورها نیز فراهم آید، می‌توان انتظار داشت که این قطارها نه‌تنها جایگزینی برتر برای مدل‌های دیزلی، بلکه به‌عنوان یکی از پاک‌ترین گزینه‌های حمل ریلی شناخته شوند.