هیدروژن پاک به‌عنوان یک عنصر کلیدی در روند جهانی انتقال به انرژی‌های پاک و کاهش گازهای گلخانه‌ای شناخته می‌شود. هیدوژن پاک می‌تواند به روند کربن‌زدایی در صنایع سنگین، حمل‌ونقل و تولید برق کمک کند و ظرفیت بالایی برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و کاهش انتشار کربن دی‌اکسید دارد. با این حال، هزینههای بالای تولید هیدروژن پاک و تجدیدپذیر همچنان مانع اصلی در مسیر استفاده گسترده از این فناوری است. در این مقاله روش‌های اصلی تولید هیدروژن (مبتنی بر منابع فسیلی و تجدیدپذیر)، مقایسه هزینههای تولید و چالش‌های پیشرو در کاهش هزینههای تولید هیدروژن مبتنی بر منابع تجدید پذیر تا سال ۲۰۳۰ مورد بررسی قرار می گیرد.
روش‌ها و منابع تولید هیدروژن
روش‌های تولید هیدروژن به دو دسته کلی: فرایند‌های مبتنی بر سوخت‌های فسیلی و تجدیدپذیر تقسیم می‌شوند که در ادامه به صورت مختصر شرح داده شده است.
تولید هیدروژن مبتنی بر منابع فسیلی
اصلاح بخار متان (SMR [1])
در حال حاضر فرایند اصلاح (ریفرمینگ) متان همراه با بخار آب در راکتور‌های بستر ثابت کاتالیستی، متداول‌ترین روش صنعتی تولید هیدروژن (گاز سنتز) در جهان است که نزدیک نیمی از هیدروژن مصرفی جهان به این روش تولید می‌شود. ارزان بودن خوراک گازی (به خصوص در منطقه خاورمیانه) این فرایند، این روش را نسبت به دیگر روش‌های تولید هیدروژن به صرفه‌تر کرده است. چالش‌های اصلی فرایند SMR شامل؛ مصرف انرژی بالا به دلیل گرماگیر بودن واکنش‌ها، غیر فعال شدن کاتالیست و همچنین تولید آلایند محیط زیستی از جمله گاز کربن دی اکسید به است. (برای مطالعه مقاله “مروری بر فرایند‌های تولید گاز سنتز از گاز طبیعی” اینجا کلیک کنید)
گازی‌سازی [2] زغال‌سنگ
فرآیندی است که در آن زغال‌سنگ در دماهای بالا در مجاورت هوا و بخار آبتجزیه و به گازهای هیدروژن، کربن مونواکسید، کربن‌دی‌اکسید تولید می‌شود. این روش نسبت به فرایند ریفرمینگ گاز طبیعی از شاخص‌های اقتصادی ضعیف‌تری برخوردار است و اغلب در کشورهایی با دسترسی فراوان به زغال‌سنگ، مانند چین، به کار گرفته می‌شود. فرایند گازی سازی زغال سنگ جز فرایند‌های تولید هیدروژن با بیشترین میزان آلایندگی زیست محیط محسوب می‌شود.
با توجه انتشار کربن دی‌اکسید در فرایند‌های تولید هیدروژن مبتنی بر منابع فسیلی، توسعه و به‌گارگیری فناوری CCUS با هدف کاهش اثرات زیست محیطی این فرایند‌ها در سال‌های گذشته مورد توجه ویژه‌ایی قرار گرفته است. اما همچنین توجیه پذیر اقتصادی در به‌گارگیری فناوری CCUS یکی از چالش‌های اساسی است که در این راستا طی سال‌های گذشته در کشور‌های مختلف سعی بر آن شده با اعمال قوانین و مشوق‌های مالی و همچنین توسعه تکنولوژی جذابیت استفاده از فناوری CCUS گسترش پیدا کند.
تولید هیدروژن مبتنی بر منابع تجدیدپذیر
الکترولیز آب
در این روش آب با استفاده از برق تجدیدپذیر (باد و خورشید) طی فرایند الکترولیز آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. هیدرژن تولید شده در این روش که به عنوان هیدروژن سبز شناخته می‌شود، کاملاً بدون کربن است. با این حال، هزینه بالای تولید به دلیل نیاز به برق تجدیدپذیر و پیچیدگی فناوری، مانع اصلی توسعه گسترده این فرایند جهت کسب سهم بازار هیدروژن است. بر اساس پیش بینی‌های انجام شده انتظار می‌رود با بهبود فناوری‌های الکترولیز و افزایش دسترسی به منابع تجدیدپذیر، هزینههای تولید هیدروژن سبز تا سال ۲۰۳۰ به طور چشمگیری کاهش یابد. (برای مطالعه مقاله “مروری بر فناوری‌های الکترولیز آب برای تولید هیدروژن” اینجا کلیک کنید)
تولید هیدروژن از منابع زیستی
تولید هیدروژن از زیست‌توده با استفاده از فرآیندهای ترموشیمیایی (گازی‌سازی و پیرولیز) و بیولوژیکی (تخمیر و هضم بی‌هوازی) انجام می‌شود. این روش در مقایسه با سایر روش‌ها بازدهی کمتری داردو طی فرایند‌های گازی سازی و بیولوژیکی از مواد تجدیدپذیر و پسماندهای زیستی استفاده می‌شود. (برای مطالعه مقاله “بررسی انواع روش‌های بیولوژیکی تولید هیدروژن زیستی” اینجا کلیک کنید)
مقایسه هزینههای تولید هیدروژن
هزینههای تولید هیدروژن به دو عامل اصلی؛ منابع انرژی و خوراک دریافتی و فناوری مورد استفاده وابسته است. به‌طور کلی، تولید هیدروژن مبتنی بر گاز طبیعی بدون استفاده از فناوری CCUS ارزان‌ترین روش تولید هیدروژن به‌شمار می‌آید، اما استفاده از فناوری CCUS برای کاهش انتشار، هزینههای تولید و همچنین سرمایه گذاری را افزایش می‌دهد. در مقابل، هزینه تولید هیدروژن از الکترولیز آب با منابع تجدیدپذیر به دلیل هزینه بالای برق تجدیدپذیر و همچنین هزینههای سرمایه گذاری تامین فناوری و اقتصاد مقایس بودن پایین هنوز با فرایند‌های تولید هیدروژن فسیلی قابل رقابت نیست.
در سال ۲۰۲۳، هزینه تولید هیدروژن با استفاده از منابع تجدیدپذیر همچنان بالاتر از منابع فسیلی بود. برای مثال، هزینه تولید برق از پنل‌های خورشیدی بین ۲۰ تا ۱۲۰ دلار به ازای هر مگاوات ساعت (متناسب با منطقه و نوع برق تجدید پذیر تولید شده) بود که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰ به ۱۴ تا ۹۰ دلار کاهش یابد. به‌طور مشابه، هزینه برق تولیدی از باد دریایی از ۵۵ تا ۲۳۰ دلار در سال ۲۰۲۳ به ۳۶ تا ۱۴۵ دلار تا سال ۲۰۳۰ کاهش می‌یابد. با وجود این، انتظار می‌رود هزینه تولید هیدروژن سبز تا سال ۲۰۳۰ به حدود ۲ تا ۴ دلار به ازای هر کیلوگرم برسد.
راهکارهای کاهش هزینههای تولید هیدروژن
برای کاهش هزینههای تولید هیدروژن به‌ویژه در روش‌های تجدیدپذیر، راهکارهایی پیشنهاد شده است:
- بهبود فناوری‌های الکترولیز: کاهش هزینههای سرمایه گذاری و هزینههای تولیدبا توسعه الکترولیزرهای جدید با بازده بالاتر و نیاز کمتر به منابع انرژی.
- سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌ها: ایجاد زیرساخت‌های لازم برای تولید و توزیع برق تجدیدپذیر و هیدروژن به‌عنوان منبع انرژی پایدار.
- حمایت‌های دولتی و سیاست‌های تشویقی: ارائه یارانه‌ها و سیاست‌های حمایتی برای کاهش هزینههای تولید و افزایش رقابت‌پذیری هیدروژن سبز.
- فناوریCCUS : استفاده از این فناوری در فرآیندهای فسیلی مانند SMR و گازی‌سازی زغال‌سنگ می‌تواند به کاهش انتشار کربن دی‌اکسید کمک کند، اما نیازمند سرمایه‌گذاری اولیه است.
نتیجه‌گیری
تولید هیدروژن از منابع فسیلی و تجدیدپذیر هر دو راهکارهایی برای دستیابی به اهداف کاهش کربن هستند. در حال حاضر، هزینه تولید هیدروژن تجدیدپذیر بالاست اما پیش‌بینی می‌شود که با پیشرفت فناوری‌ها و سیاست‌های حمایتی، تا سال ۲۰۳۰ هزینه‌ها به میزان قابل توجهی کاهش یابد. این امر می‌تواند هیدروژن سبز را به‌عنوان یک راه‌حل پایدار و رقابت‌پذیرتر مطرح کند. برای تحقق این هدف، سرمایه‌گذاری‌های بیشتر در زیرساخت‌ها و اعمال سیاست‌های حمایتی ضروری است.
مراجع
[1] Steam Methane Reforming
[2] Gasification
