با پیشرفت‌های سریع در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر، ذخیره‌سازی انرژی به یکی از مسائل کلیدی تبدیل شده است. هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی، به دلیل قابلیت‌های منحصر به فردش، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. در این مقاله، به بررسی روش‌های مختلف ذخیره‌سازی هیدروژن و چالش‌های مربوط به هر یک می‌پردازیم.
مزایا و چالش‌های هیدروژن
هیدروژن به دلیل اینکه می‌تواند از انرژی‌های تجدیدپذیر اضافی تولید شود و به مدت طولانی ذخیره شود، به عنوان یک گزینه ایده‌آل برای ذخیره‌سازی انرژی شناخته می‌شود. بر خلاف باتری‌ها که برای ذخیره‌سازی مقادیر بزرگ انرژی به مدت طولانی مناسب نیستند، هیدروژن می‌تواند در مقادیر زیاد و برای مدت طولانی ذخیره شود.
در حالی که هیدروژن می‌تواند به عنوان یک مکمل به باتری‌ها در بخش حمل‌ونقل عمل کند، ترکیب هیدروژن و باتری‌ها می‌تواند بهینه‌ترین سیستم ذخیره‌سازی انرژی برای وسایل نقلیه باشد. در این حالت، هیدروژن ذخیره‌سازی اصلی انرژی را فراهم می‌کند و باتری‌ها به عنوان ذخیره‌سازی موقت و همچنین برای مدیریت تغییرات بار و تقاضا عمل می‌کنند. مثال بارز این ترکیب، خودرو هیدروژنی FCX Clarity از هوندا است که در مقیاس محدود تجاری در دسترس است.
روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن
هیدروژن به روش‌های مختلفی قابل ذخیره‌سازی است که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند:
ذخیره‌سازی فیزیکی
- فشرده‌سازی: هیدروژن را می‌توان تحت فشار بالا در سیلندر‌های ویژه ذخیره کرد. این روش انرژی زیادی را نیاز دارد، اما حجم ذخیره‌سازی را کاهش می‌دهد.
- مایع‌سازی: هیدروژن می‌تواند به حالت مایع ذخیره شود، که دارای انرژی‌چگالی بالاتری نسبت به هیدروژن گازی است. این روش به دما‌های بسیار پایین (حدود 253- درجه سانتی‌گراد) نیاز دارد و هزینه‌های بالایی را به دنبال دارد.
ذخیره‌سازی سرد و فوق‌فشرده
- فشار سرد و فوق‌فشرده: این روش شامل ترکیب فشرده‌سازی و خنک‌کردن هیدروژن است. این نوع ذخیره‌سازی، چگالی انرژی بالاتری نسبت به فشرده‌سازی تنها دارد، اما نیاز به انرژی اضافی برای خنک‌سازی دارد.
ذخیره‌سازی مبتنی بر مواد
- سیستم‌های هیدرید: هیدروژن با فلزات واکنش داده و به صورت هیدرید ذخیره می‌شود. این روش در حال حاضر در حال توسعه است و هنوز هزینه‌های بالا و محدودیت‌هایی در چگالی ذخیره‌سازی دارد.
- حامل‌های هیدروژن مایع آلی: این روش شامل استفاده از ترکیبات شیمیایی با ظرفیت بالای جذب هیدروژن است. این ترکیبات شامل مشتقات کاربازول و تولوئن هستند.
- سیستم‌های سطحی (سوربنت‌ها): هیدروژن می‌تواند بر روی مواد با مساحت سطح بالا جذب شود، مانند MOFs، زئولیت‌ها و نانولوله‌های کربنی.
ذخیره‌سازی زیرزمینی
- غار‌های نمکی و میادین نفت و گاز: این روش شامل استفاده از فضا‌های زیرزمینی برای ذخیره‌سازی هیدروژن است. این روش از نظر اقتصادی گران‌تر است، اما برای ذخیره‌سازی مقادیر بزرگ هیدروژن مناسب است و تجربیات عملی محدودی در اروپا و ایالات متحده دارد.
شبکه انتقال گاز
- ادغام هیدروژن با شبکه گاز طبیعی: هیدروژن می‌تواند به شبکه گاز طبیعی وارد شود و به عنوان گاز غنی‌شده با هیدروژن (HENG) مورد استفاده قرار گیرد. کشور‌های مختلف در حال بررسی روش‌های افزودن هیدروژن به شبکه‌های گاز طبیعی خود هستند. در ایالات متحده، افزودن مقادیر بین 5 تا 15 درصد هیدروژن به شبکه گاز بدون تأثیر منفی قابل‌پذیرش است. در آلمان، حد مجاز تا 10 درصد تعیین شده است.
چالش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن
ذخیره‌سازی هیدروژن، علی‌رغم پتانسیل بالای آن، با چالش‌های قابل توجهی روبروست که به ویژه در کاربرد‌های حمل‌ونقلی و سایر زمینه‌ها مورد توجه قرار دارد.
چگالی انرژی حجمی پایین
- گاز هیدروژن: هیدروژن به ازای هر واحد جرم، انرژی بالایی دارد (120 MJ/kg)، اما چگالی انرژی آن به ازای هر واحد حجم بسیار پایین است. به عنوان مثال، چگالی انرژی هیدروژن مایع تنها MJ/L 8 است، در حالی که بنزین دارای چگالی انرژی MJ/L 32 می‌باشد. این امر به معنای نیاز به حجم زیاد برای ذخیره‌سازی مقادیر معنادار هیدروژن است.
حجم بزرگ مخازن مورد نیاز
- وسایل نقلیه: برای دستیابی به برد بیش از 300 مایل در خودرو‌های سلول سوختی هیدروژنی، نیاز به حجم بالای هیدروژن است. این نیاز به مخازن تحت فشار بالا و بزرگ منجر به چالش‌های طراحی و هزینه‌های زیاد برای وسایل نقلیه سبک می‌شود. در حال حاضر، برخی از این وسایل نقلیه از مخازن فشرده‌سازی شده استفاده می‌کنند که به فشار‌های بالا و حجم‌های بزرگ نیاز دارند.
توازن بین چگالی انرژی و فضای ذخیره‌سازی
برای پاسخگویی به نیاز‌های کاربرد‌های مختلف، ذخیره‌سازی هیدروژن باید بین چگالی انرژی بالا و حجم کم بهینه شود. در حال حاضر، انتخاب‌های موجود برای ذخیره‌سازی هیدروژن شامل استفاده از مخازن تحت فشار بالا یا حالت‌های مایع هستند که هر یک دارای مزایا و معایب خاص خود هستند.
جمع بندی
با توجه به تنوع روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن و مزایای منحصر به فرد هر یک، این فناوری می‌تواند نقشی کلیدی در انتقال انرژی و کاهش وابستگی به منابع فسیلی ایفا کند. انتخاب روش مناسب ذخیره‌سازی هیدروژن بستگی به نیاز‌های خاص کاربردی، هزینه و قابلیت‌های فنی هر روش دارد. با پیشرفت‌های ادامه‌دار در این زمینه، هیدروژن می‌تواند به یکی از اجزای اصلی سیستم‌های انرژی پایدار در آینده تبدیل شود.
