هیدروژن سبز یا انرژی به‌شدت پاک

 مقدمه:

به نظر می‌رسد که هیدروژن نقش بسیار مهمی در سبد انرژی آینده ایفا خواهد کرد. تولید برق‌ با توجه به روند برقی شدن خودروها قطعاً نقش بزرگ‌تری در آینده خواهد داشت. ارزیابی بسیاری از مفسران و سازمان‌های مرتبط با انرژی نیز این است که سهم برق در مصرف نهایی احتمالاً از 20درصد در سال 2020 به 50درصد تا سال 2050 افزایش خواهد یافت.

مشکل قدیمی در صنعت برق این بود که در مقیاس وسیع قابل ذخیره‌‏سازی نیست، هیدروژن سبز به‌عنوان روشی مقرون ‌به‌صرفه برای ذخیره‌‏سازی و انتقال انرژی در حجم زیاد در مقایسه با باتری‏‌ها مطرح‌شده است.

استفاده از هیدروژن به‌عنوان انرژی، حدود 150 سال قدمت دارد، اما موضوعی که جدید است مقرون ‌به‌صرفه شدن استحصال هیدروژن به روش الکترولیز آب با استفاده از برق تولیدشده از منابع تجدید پذیر خورشید، باد و آب در مناطق دوردست است. در حال حاضر بیشتر هیدروژن موردنیاز در صنایع به روش‏‌های غیر سبز و از سوخت‏‌های فسیلی استحصال می‏‌شود.

***   ***   ***

باتوجه به روند رو به رشد تولید انرژی‏‌های تجدید پذیر و دور افتاده بودن منابع آن، سرمایه‌‏گذاران این حوزه به‌هیدروژن سبز روی آورده‌‏اند. ازآنجایی‌که در سال‏‌های ابتدایی این صنعت قرار داریم و موقعیت جغرافیایی و ژئوپلیتیک ایران مستعد سرمایه‏‌گذاری در این حوزه است، برنامه‏‌ریزان بخش دولتی و خصوصی کشور از این بازار که در آینده نقش مهمی در تولید انرژی پاک جهان خواهد داشت نباید غافل شوند.

مناطقی از کره زمین که مستعد تولید انرژی پاک از خورشید، باد، و امواج دریا و… عموماً دارای طبیعت خشن و دورافتاده از مراکز جمعیت هستند، خورشید بیشترین شدت تابش خود را در صحراها و کویرها در شمال آفریقا و جنوب غرب آسیا و مناطق نزدیک به خط استوا دارد، همچنین بیشترین شدت وزش باد در مناطق مرتفع کوهستانی، اقیانوس‌‏ها، جزایر دورافتاده و سواحل اقیانوس‏‌ها در حد قابل‌توجه است. امواج دریا نیز در مدار بین خطوط استوا و قطب‌‏ها پر ارتفاع هستند که این مناطق عموماً با طبیعت خشن خود مناطق مناسبی برای سکونت و شکل‏‌گیری شهرها نیستند.

بنابراین مشکل اصلی تولید انرژی‏‌های پاک از منابع تجدید پذیر فاصله زیاد بین محل تولید و محل مصرف است. این فاصله طولانی موجب غیرممکن شدن و یا هدر رفت بخش زیادی از انرژی تولیدشده در مسیر خط انتقال می‏‌شود.

انرژی برق تولیدشده در مناطق دوردست یا باید به شکل مستقیم با خطوط انتقال به محل مصرف برسد و یا با ذخیره‌ساری به محل مصرف انتقال داده شود. ذخیره و انتقال انرژی به کمک هیدروژن راه‌حلی است که نظر کارشناسان این حوزه را به خود مشغول کرده است.

در این یادداشت با نگاه به تحولات آینده، سؤالات زیر پاسخ داده خواهد شد:

• هیدروژن سبز چیست؟
• چرا هیدروژن سبز مهم شده است؟
• بررسی بازار و روند سرمایه‏‌گذاری در جهان چگونه است؟
• پیشنهادها و راهبردها چیست؟

چندین روش‏ برای تولید هیدروژن در صنعت متداول است، روشی که از الکترولیز آب با استفاده از برق حاصل از منابع تجدید پذیر باشد، هیدروژن سبز گفته می‏‌شود.

پنج روش تولید هیدروژن و رنگ‏‌های نام‌گذاری شده:

• سبز: استحصال هیدروژن با الکترولیز آب، باانرژی برق تولیدی از منابع تجدید پذیر، بدون تولید گازکربنیک
• آبی: استحصال هیدروژن از گاز متان با تولید جانبی گازکربنیک و انجام کربن‌زدایی
• خاکستری: استحصال هیدروژن از گاز متان و رهاسازی گازکربنیک در هوا
• صورتی: استحصال هیدروژن با الکترولیز آب با استفاده از برق حاصل از انرژی هست‌ه‏ای بدون تولید گازکربنیک
• زرد: استحصال هیدروژن با الکترولیز آب، صرفاً با انرژی خورشیدی، بدون تولید گازکربنیک

به هیدروژن سبز از این جهت به‌‏شدت پاک اطلاق می‏‌کنیم که در فرآیند تولید نه‌تنها هوا را آلوده نمی‏‌کند بلکه اکسیژن نیز به جو آزاد می‌کند و در هنگام سوختن نه‌تنها دود تولید نمی‌کند بلکه تنها بخار آب به هوا آزاد می‌شود.

انواع مصارف هیدروژن:

• سوخت نیروگاه‏‌های تولید برق
• پیل سوختی برای موتور اتومبیل، تولید مجدد برق به‌طور مستقیم و تولید گرما
• ذخیره‌سازی و انتقال انرژی برق
• پیشران هسته‌‏ای در جو و فضا
• استفاده مستقیم به‌عنوان سوخت موتورهای درون‌سوز و جت و پیستونی
• جایگزین گاز به‌عنوان سوخت نیروگاه‏‌ها، صنایع و منازل
• استفاده به‌عنوان سبک‌ترین گاز در کشتی‏‌های هوایی، بالن‏های حمل‏ ونقل و هواشناسی
• صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
• صنایع فولاد و سایر صنایع

چند نکته:

•  هیدروژن سبز یک سوخت جایگزین بدون انتشار آلایندگی، با محتوای انرژی گرمایی ویژه بسیار بالا در حدود ۱۴۰.۴ مگاژول بر کیلوگرم است. انرژی حاصل از یک کیلوگرم هیدروژن برابر با انرژی حاصل از حدود چهار لیتر بنزین است.
• الکترولیز آب این پتانسیل را دارد که در میان‌مدت یک فرآیند موفق و پایدار در مقیاس بزرگ، نسبت به روش‌های دیگر، برای تولید هیدروژن باشد. راندمان الکترولیز آب، مطلوب و حدود 75درصد است اما هزینه تولید آن چندین برابر بیشتر از سوخت‌های فسیلی است. فرآیند تجزیه آب زمانی که با سوزاندن سوخت‌های فسیلی انجام می‌شود، منجر به انتشار عظیم دی‌اکسید کربن می‌شود.
• الکتریسیته حاصل از منابع تجدید پذیر مانند باد، خورشید و موج دریا، هیدروژن محلی تولید می‏کند و باید به مراکز مصرف به شکل مایع فشرده‌شده در کپسول منتقل شود.
• مخزن هیدروژن فشرده و هیدروژن مایع، دو روش محبوب ذخیره‌سازی هیدروژن برای مصارف صنعتی فعلی هستند. برای استفاده از آن‌ها در وسایل نقلیه هیدروژنی، چالش‌های مشابه‌ای مانند طراحی مخزن و نیازهای مواد، کاهش هزینه انرژی در فرآیند فشرده‌سازی و مایع‌سازی و در نتیجه کاهش هزینه کل وجود دارد.
• تقاضای هیدروژن در سال ۲۰۲۰ به ۹۰ میلیون تن رسید که عمده آن برای مصارف پالایشی و صنعتی است و به‌صورت انحصاری از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. تولید این ۹۰ میلیون تن، توأم با تولید ۹۰۰ میلیون تن دی‌اکسید کربن بوده است.
• در پنج سال گذشته، ظرفیت جهانی الکترولیز برای تولید هیدروژن دو برابر شده و تا اواسط سال ۲۰۲۱ به بیش از ۳۰۰ مگاوات رسیده است.
• تا سال ۲۰۳۰ با توجه به پروژه‌های تعریف‌شده، ظرفیت برق تخصیص‌یافته برای ۳۵۰ پروژه الکترولیز به ۵۴ گیگاوات خواهد رسید و ۴۰ پروژه با ظرفیت ۳۵ گیگاوات نیز در مراحل اولیه توسعه هستند. همه این‌ها در صورت تحقق، حدود ۸ میلیون تن هیدروژن تولید می‌کند که فاصله بسیار زیادی با ۸۰ میلیون تن ظرفیت مورد نیاز تا سال ۲۰۵۰ دارد.
• ۱۶ پروژه هیدروژن آبی برای تولید هیدروژن از سوخت فسیلی با CCUS[1]  عملیاتی شده که تولید سالانه‌اش میزان کم ۷۰۰ هزار تن است. ۵۰ پروژه در دست توسعه است، عموماً در آمریکا و کانادا هستند و تا سال ۲۰۳۰ به ظرفیت تولیدی ۹ میلیون تن می‌رسند.
• هزینه پیل‌های سوختی خودرو از سال ۲۰۰۸ به دلیل پیشرفت فناوری و فروش رو به رشد خودروهای الکتریکی با پیل سوختی حدود ۷۰ درصد کاهش‌یافته است و موجب مقرون به صرفه شدن آن شده است.

دلایل روی آوردن به هیدروژن سبز:

• حل مشکل انتقال انرژی تولیدشده از محل تولید در مناطق دورافتاده به محل مصرف
• با توجه به بازدهی 75درصدی الکترولیز[2]، ذخیره‌سازی انرژی برق در زمان حضیض مصرف و استفاده از آن به عنوان سوخت همان نیروگاه در اوج مصرف برای ایجاد تعادل و افزایش بازدهی نیروگاه‏‌ها
• مقرون‌به‌صرفه کردن تولید انرژی خورشیدی با حذف تجهیزات گران‌قیمت مبدل برق مستقیم به متناوب (اینورتورها و رگولاتورها)
• قابلیت تطبیق آسان‌تر با شرایط غیرقابل‌پیش‌بینی دقیقِ نوسانات سرعت باد، شدت تابش خورشید و شدت امواج دریا، گستره تطبیق پویا[3] وسیع‌تر
• امکان استفاده مستقیم انرژی مکانیکی آب و باد برای فشرده کردن گاز هیدروژن و اکسیژن در مخزن و حذف تلفات تبدیل انرژی به انرژی الکتریکی و…
• از رده خارج نشدن صنعت موتورهای درون‌سوز و هدر نرفتن سرمایه‌گذاری چند دهه‌‏ای جهانی
• امکان تولید هم‌زمان هیدروژن، اکسیژن و آب شیرین

هیدروژن سبز و اقتصاد دریا پایه

واضح است که بیشترین و شدیدترین منابع تجدید پذیر شامل خورشید، باد و امواج آب در خط استوا و سطح اقیانوس‏‌ها قرار دارد، بنابراین ورود به صنعت استحصال هیدروژن نیازمند توجه ویژه به نکات ذیل است.

• طراحی شناور‏های ارزان مخصوص استقرار تجهیزات تولید هیدروژن سبز باید مورد توجه قرار گیرد.
• دوگانه‌سوز کردن موتور کشتی‏‌ها و یا تولید موتورهای هیدروژن سوز
• امکان تولید برق روی شناور در اقیانوس‌‏ها و عرضه انرژی به شکل باطری‏های شارژ شده یا کپسول‏‌های هیدروژن به شناور‏های عبوری در محل
• تولید برق روی شناور در اقیانوس‏‌ها و عرضه خدمت یدک کشی به شناور‏های عبوری در محل

وضع فعلی تولید هیدروژن سبز و آبی در جهان:

در سال 1402 نسبت تولید هیدروژن سبز به هیدروژن آبی بسیار کم و لب رو به رشد پیدا کرده است. مقادیر آن، در مناطق اصلی جهان به شکل ذیل بوده است:

مزایا:

• منبع تجدید پذیر که ماده اولیه آن آب و خورشید است.
• چگال‌تر بودن نسبت به سوخت فسیلی (تقریباً 4 برابر)
• هیدروژن در هنگام سوختن آلودگی ایجاد نمی‏‌کند و تنها محصول جانبی آن آب است.
• با تلفات مکانیکی و انتقالی کمتری مهار می‏‌شود.
• با نوسانات منبع تجدید پذیر، با هزینه‏ به‌مراتب کمتری تطبیق پیدا می‏‌کند.

معایب:

• در حال حاضر هنوز هیدروژن به روش سبز کمتر تولید می‌شود.
• هیدروژن هنوز بسیار گران است و ذخیره آن در حجم‏‌های بزرگ دشوار است.
• زیرساخت‏های تولید و مصرف هیدروژن سبز هنوز فراهم نیست.
• خطرناک بودن به دلیل بسیار فرار و قابل اشتعال بود.

پیشنهادت:

• انجام مطالعات علمی در جهت کسب اطلاعات دقیق و تجربی
• تدوین استانداردها، اسناد، قوانین و مقررات
• شناسایی، حمایت و هدایت متخصصان و علاقه‌مندان داخلی
• انجام مطالعات طرح توجیهی برای توجیه سرمایه‌گذاران داخلی و خارجی
• ایجاد مشوق‏‌های سرمایه‏‌گذاری برای سرمایه‏‌گذاران
• توجه ویژه به بخش دریایی هیدروژن سبز، به لحاظ تقویت حضور در دریا‏ها و اقیانوس‏‌ها و تقویت اقتصاد دریا پایه
• ایجاد زیرساخت‏‌های لازم برای تولید و مصرف مانند تولید موتور‏های درون‌سوز هیدروژنی، پیل‏‌های سوختی، راکتورهای الکترولیز آب و…
• تعامل با کشورهای مستعد تولید انرژی‏‌های تجدید پذیر برای همکاری و هم‏‌افزایی

منابع:

• com/media
• https://iranergi.com
• blob.core.windows.net (Global Hydrogen Review 2024)
• ie.app/uploads (Principles and applications of hydrogen Energy Technology)
• com/en/industries/chemical/green-hydrogen
• kyon-energy.de/en/…

[1] CCUS: carbon capture, utilization and storage

[2]   راندمان باطری‌های لیتیوم- یونی بدون در نظر گرفتن تلفات اینورترها حدود 95 درصد است.

[3] Dynamic Range