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:
| منطقه | مقدار تولید
هیدروژن آبی |
مقدار تولید
هیدروژن سبز |
واحد
|
| آمریکای شمالی | 2091.6 | 19.4 | کیلو تُن |
| آمریکای جنوبی | 0 | 1.1 | کیلو تُن |
| آسیا و اقیانوسیه | 1929.7 | 93.6 | کیلو تُن |
| اروپا | 44.1 | 31.6 | کیلو تُن |
| غرب آسیا | 621.9 | 0.1 | کیلو تُن |
| آفریقا | 0 | 1.7 | کیلو تُن |
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