با تغییرات چشمگیر در عرصه انرژی و صنعت، اقتصاد هیدروژن در آستانه گسترش پایدار قرار دارد. زنجیره ارزش هیدروژن شامل تولید، ذخیره‌سازی و زیرساخت توزیع است که از طیف وسیعی از کاربردها پشتیبانی می‌کند؛ از فعالیت‌های صنعتی (مانند پالایش، فولاد و پتروشیمی) گرفته تا انواع حمل و نقل (از جمله کشتیرانی). در حالی که برق‌رسانی همچنان مسیر اصلی کاهش کربن در بخش‌های مختلف به شمار می‌آید، هیدروژن به عنوان یک گزینه اساسی برای صنایع دشواری که کاهش کربن در آن‌ها چالش‌برانگیز است، عمل می‌کند.
پیشبرد همزمان زنجیره ارزش هیدروژن و دامنه وسیع کاربردهای آن ضروری است. هر صنعت چالش‌ها و فرصت‌های خاص خود را برای رشد دارد، اما همه آن‌ها نیاز فوری به کاهش کربن را تأکید می‌کنند. اگرچه هیدروژن یک راه‌حل یکسان برای همه نیست، اما به عنوان یک وسیله انعطاف‌پذیر و عملی برای حرکت به سمت یک چشم‌انداز صنعتی و انرژی پایدارتر عمل می‌کند.
نیاز به ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی
با افزایش ضرورت جهانی برای گذار از سوخت‌های فسیلی، نیاز به راه‌حل‌های جدید برای تضمین امنیت و پایداری انرژی احساس می‌شود. این موضوع به ویژه در مناطقی مانند اروپا که اخیراً با بحران‌های گازی مواجه بوده‌اند، مشهود است و آسیب‌پذیری ناشی از وابستگی به منابع انرژی سنتی را نشان می‌دهد. این نگرانی‌ها درباره امنیت انرژی، نیاز به گزینه‌های مقاوم‌تر و پایدارتر را افزایش داده است که هیدروژن می‌تواند بخشی مهم از آن باشد.
علاوه بر این، افزایش پذیرش فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر، مانند انرژی بادی و خورشیدی، مسئله‌ای دیگر را نمایان کرده است: ناپایداری. تولید برق از مزارع بادی و خورشیدی بسته به شرایط جوی، زمان روز و فصل متغیر است. این ناپایداری چالش‌هایی برای حفظ تأمین پایدار انرژی ایجاد می‌کند و موجب افزایش علاقه به راه‌حل‌های ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی شده است. در اینجا هیدروژن می‌تواند نقش کلیدی ایفا کند: کاربردهای بالقوه آن در ذخیره‌سازی فصلی و روزانه انرژی می‌تواند به عنوان یک حائل برای انرژی‌های تجدیدپذیر عمل کند و با ذخیره انرژی اضافی برای استفاده بعدی، تعادل بین عرضه و تقاضا را برقرار کند.
علاوه بر این، ذخیره‌سازی انرژی خارج از شبکه در مناطق دورافتاده یا ایزوله در محیط‌های مسکونی و صنعتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. برای مثال، سایت‌های معدنی دورافتاده و سکوهای نفت و گاز دریایی نمونه‌هایی از این محیط‌ها هستند. هیدروژن به دلیل چگالی بالای انرژی و قابلیت ذخیره‌سازی انرژی برای مدت زمان طولانی بدون افت قابل توجه، گزینه‌ای جذاب در این سناریوها محسوب می‌شود، مشروط بر اینکه سیستم به طور صحیح مهر و موم شده باشد.
استفاده از هیدروژن برای ذخیره‌سازی انرژی
در ارزیابی نقش هیدروژن در ذخیره‌سازی انرژی، ابتدا باید زیرساخت‌هایی که هیدروژن برای متعادل کردن نوسانات ذاتی در تولید و مصرف انرژی نیاز دارد، مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال، در ساعات غیر اوج مصرف، الکترولیزورهای طراحی شده برای عملکرد دینامیک، عمدتاً از نوع غشای تبادل پروتون (PEM)، می‌توانند از قدرت اضافی برای تولید هیدروژن سبز استفاده کنند. این هیدروژن سپس می‌تواند با استفاده از فناوری‌های مختلفی مانند ذخیره‌سازی گاز فشرده در بسته‌های لوله‌ای یا در اشکال حالت جامد مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی هیدرید فلزی ذخیره شود. همچنین غارهای نمکی گزینه‌ای زیرزمینی برای حجم‌های بسیار بزرگ هیدروژن ارائه می‌دهند.
این زیرساخت‌ها نه تنها برای ذخیره‌سازی مؤثر هیدروژن ضروری هستند بلکه به ایجاد یک شبکه پایدارتر و مقاوم‌تر در برابر نوسانات انرژی کمک می‌کنند. با توجه به چالش‌های موجود در زمینه تغییرات اقلیمی و نیاز به کاهش کربن، سرمایه‌گذاری در توسعه این زیرساخت‌ها و فناوری‌ها اهمیت بسیاری دارد.
در مواقعی که تقاضای انرژی به اوج خود می‌رسد، هیدروژن ذخیره‌شده می‌تواند به دو روش استفاده شود: در سیستم‌های پیل سوختی PEM یا در نیروگاه‌های توربین گازی. گزینه اول این امکان را فراهم می‌کند که سایت‌های تولید انرژی تجدیدپذیر، کارخانه‌های الکترولیز، سایت‌های ذخیره‌سازی هیدروژن و تأسیسات پیل سوختی در یک مکان قرار گیرند. در گزینه دوم، نیاز به اتصال یک خط لوله از سایت ذخیره‌سازی به یک نیروگاه گازسوز وجود دارد. همچنین، نیروگاه‌های گازسوز موجود می‌توانند به گونه‌ای بازسازی شوند که بتوانند هیدروژن را بسوزانند. تأمین‌کنندگان فناوری توربین مانند Siemens Energy، GE Gas Power و Mitsubishi Power در حال توسعه چنین راه‌حل‌هایی هستند.
پروژه‌های در حال توسعه در زمینه انرژی هیدروژنی
پروژه‌های در حال توسعه نشان‌دهنده کاربردهای رو به رشد هیدروژن در بخش انرژی هستند. به عنوان مثال، پروژه Advanced Clean Energy Storage (ACES) در دلتای یوتا، یک همکاری مشترک بین Mitsubishi Power Americas و Magnum Development (که توسط بخش انرژی‌های نوین Chevron خریداری شده است) است. هدف ACES تولید سالانه ۱۵۰,۰۰۰ تن هیدروژن سبز با استفاده از انرژی تجدیدپذیر و ذخیره‌سازی آن در غارهای نمکی زیرزمینی است که ظرفیت ذخیره‌سازی بالقوه‌ای معادل ۳۰۰ GWh انرژی دارد. این هیدروژن برای تأمین سوخت پروژه Intermountain Power، یک نیروگاه گاز ترکیبی ۸۴۰ مگاواتی که در حال ساخت است، استفاده خواهد شد. این نیروگاه قرار است در سال ۲۰۲۵ با ۳۰ درصد هیدروژن آغاز به کار کند و برنامه‌ریزی‌هایی برای دستیابی به ۱۰۰ درصد هیدروژن تا سال ۲۰۴۵ دارد. همچنین Chevron بر این باور است که فرصت‌هایی برای تأمین هیدروژن برای بخش‌های حمل و نقل و صنعتی نیز وجود خواهد داشت.
در مثالی دیگر، Battolyser Systems، یک شرکت فرعی از دانشگاه دلفت و Proton Ventures، راه‌حل نوآورانه‌ای ارائه می‌دهد: یک باتری که هنگام شارژ کامل به الکترولیزر تبدیل می‌شود. این سیستم با استفاده از الکترودهای آهن و نیکل با کیفیت پایین، هدف دارد که در طول عمر ۲۰ ساله خود به کارایی ۸۵ درصد دست یابد. این فناوری راهی جذاب برای ذخیره‌سازی همزمان انرژی و تولید هیدروژن فراهم می‌کند.
کاربردهای خارج از شبکه
در زمینه ذخیره‌سازی انرژی خارج از شبکه، فناوری‌های هیدروژنی به عنوان یک راه‌حل چندمنظوره ظاهر شده‌اند. به عنوان مثال، پروژه GKN Hydrogen در هتل Arieshof در ایتالیا از خط تولید HY2MEDI خود استفاده می‌کند که شامل یک سیستم ذخیره‌سازی هیدروژن با هیدرید فلزی حالت جامد است. این سیستم به طور یکپارچه با الکترولیزرها و پیل‌های سوختی در یک راه‌حل کانتینری ادغام شده و هم برق و هم گرما را تأمین می‌کند و چندمنظور بودن هیدروژن را برای کاربردهای خارج از شبکه نشان می‌دهد.
نمونه دیگری از این پیشرفت‌ها، واحد قدرت هیدروژنی (HPU) شرکت GeoPura است که یک راه‌حل کانتینری ۲۵۰ کیلوواتی است و در ایستگاه زیرساخت National Grid در مرکز نوآوری دیساید (بریتانیا) و سایت ساخت HS2 در لندن آزمایش می‌شود. HPU شامل یک مجموعه پیل سوختی، سیستم باتری و سیستم‌های کنترل مختلف برای تعادل عرضه و تقاضا است. این سیستم همچنین قادر است آب گرم (۶۰ درجه سانتی‌گراد) را از طریق مبدل حرارتی (حرارت تولید شده از پیل سوختی) تأمین کند که کاربرد آن را در محیط‌های خارج از شبکه افزایش می‌دهد.
این پروژه‌ها نشان می‌دهند که فناوری‌های هیدروژنی می‌توانند نقش‌های متنوعی ایفا کنند، از تعادل عرضه و تقاضای انرژی گرفته تا تولید گرما، و به عنوان یک راه‌حل انرژی امیدوارکننده برای مناطق خارج از شبکه مطرح می‌شوند. با توجه به پیشرفت‌های مداوم در این زمینه، انتظار می‌رود که هیدروژن نقش کلیدی‌تری در آینده سیستم‌های انرژی پایدار ایفا کند.
موانع و فرصت‌های رشد اقتصاد هیدروژنی
استفاده از هیدروژن در ذخیره‌سازی انرژی، هرچند هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، اما نویدبخش پتانسیل‌های قابل توجهی برای تلاش‌های گسترده‌تر در راستای کاهش کربن است. با وجود ناکارآمدی‌ها در تبدیل انرژی در چرخه‌های بازگشتی، هیدروژن به عنوان یک راه‌حل جالب برای متعادل‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و ذخیره‌سازی انرژی برای کاربردهای خارج از شبکه (off-grid) مطرح می‌شود. با این حال، پذیرش وسیع‌تر هیدروژن در کاربردهای الکتریکی نیازمند مدل‌های تجاری پیشرفته‌تری است تا به قابلیت تجاری دست یابد.
یکی از موانع اصلی برای پذیرش گسترده هیدروژن، هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری (capex) مرتبط با توسعه تأسیسات تولید هیدروژن آبی و سبز و زیرساخت‌های لوله‌کشی است. علاوه بر این، چالش‌های مربوط به زمان‌های طولانی برای توسعه غارهای نمکی، ریسک‌های مالی در پروژه‌های هیدروژنی و تجدیدپذیر، و نیاز به مدل‌های تجاری قوی برای فروش انرژی مبتنی بر هیدروژن وجود دارد. این چالش‌های چندوجهی شک و تردیدهایی را درباره قابلیت عملیاتی هیدروژن در ذخیره‌سازی انرژی در کوتاه‌مدت تا میان‌مدت ایجاد می‌کند. شرکت Siemens Energy پیش‌بینی کرده است که تولید برق در مقیاس بزرگ از هیدروژن قبل از سال 2035 محتمل نیست.
با وجود این موانع، ابتکارات تجاری جاری ممکن است به دلیل تغییرات مثبت در مقررات، محدودیت‌های انتشار آلاینده‌ها و یارانه‌ها شتاب بگیرد. دامنه وسیعی از شرکت‌ها فرصت‌های رو به رشدی را در ذخیره‌سازی انرژی هیدروژنی مشاهده می‌کنند، از تأمین‌کنندگان الکترولیزر گرفته تا تولیدکنندگان سیستم‌های ذخیره‌سازی هیدروژن. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی هیدروژنی مدولار هم‌اکنون وارد بازار شده‌اند. علاوه بر این، بازیگران بزرگ‌تر مانند توسعه‌دهندگان نیروگاه و تأمین‌کنندگان توربین به طور فزاینده‌ای در حال بررسی فرصت‌ها در این زمینه هستند. پروژه‌ها و تحولات فناوری جاری نشان می‌دهد که سهم هیدروژن در ذخیره‌سازی انرژی به طور فزاینده‌ای در دسترس قرار دارد.
با ادامه رشد انرژی‌های تجدیدپذیر و افزایش سهم آن‌ها در ترکیب تولید انرژی، انتظار می‌رود که پذیرش راه‌حل‌های ذخیره‌سازی هیدروژن شتاب بیشتری بگیرد. با این حال، این روند هنوز تنها در بلندمدت، احتمالاً پس از سال 2035، پیش‌بینی می‌شود که شامل بررسی عمیق‌تری از زنجیره ارزش هیدروژن خواهد بود. این بررسی‌ها می‌تواند شامل تحلیل‌های اقتصادی، تکنولوژیکی و زیست‌محیطی باشد که به بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌ها کمک کند.
