ویژگی‌های هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی منحصر به فرد

هیدروژن سبک، قابل ذخیره، واکنش‌پذیر، دارای محتوای انرژی بالا در واحد جرم و به‌راحتی قابل تولید در مقیاس صنعتی است. این گاز بدون بو و بدون رنگ است. امکان استفاده از هیدروژن بدون انتشار آلاینده و امکان تولید آن با طیف وسیعی از منابع (به‌خصوص کم‌کربن) دو ویژگی اصلی هیدروژن است که استفاده از آن را در سیستم‌های انرژی پاک جذاب نموده است. ذکر این نکته ضروری است که کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در هنگام تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی در صورت استفاده از سیستم‌های جذب کربن در هنگام استخراج، عرضه و اصلاح این سوخت‌ها امکان‌پذیر است. سایر ویژگی‌های هیدروژن در جدول زیر به‌صورت خلاصه نشان داده شده است. گرچه انرژی در واحد جرم این ماده نسبت به بنزین یا گاز طبیعی بالاتر است اما به‌دلیل سبک بودن (سبک‌ترین عنصر)، چگالی انرژی در واحد حجم کمی دارد. درنتیجه، حجم بیشتری از هیدروژن برای برآوردن نیازهای انرژی مشابه در مقایسه با سایر سوخت‌ها باید جابجا شود. در نتیجه نیاز به خط لوله یا مخازن بزرگ‌تر دارد. راه‌کار‌های دیگری که در حال استفاده هستند شامل فشرده‌سازی و تبدیل به مایع است که با مصرف انرژی همراه هستند.

مولکول هیدروژن به‌حدی کوچک است که می‌تواند در برخی مواد مانند لوله‌های فولادی و آهن پخش شود و احتمال خرابی آن‌ها را افزایش دهد. هم‌چنین از طریق مهر و موم و اتصالات به‌راحتی فرار می‌کند. از سویی دیگر، هیدروژن یک گاز غیرسمی است اما سرعت شعله زیاد، محدوده اشتعال گسترده و انرژی اشتعال کم، آن را بسیار قابل اشتعال می‌کند. این امر تا حدی با نفوذپذیری بالای هیدروژن و سرعت پراکندگی آن تلطیف می‌شود. هیدروژن دارای شعله‌ای است که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست و بی‌رنگ و بی‌بو است و تشخیص آتش و نشت را برای افراد دشوار می‌کند. در حال حاضر چندین دهه تجربه استفاده صنعتی از آن از جمله در خطوط لوله توزیع اختصاصی بزرگ وجود دارد. پروتکل‌هایی برای مدیریت ایمن در این سایت‌ها در حال حاضر وجود دارد. هم‌چنین برای زیرساخت‌های سوخت‌گیری هیدروژن نیز موجود است. هرچند تجربه استفاده از هیدروژن وجود دارد اما استفاده گسترده از آن در سیستم انرژی، چالش‌های جدیدی را به‌همراه خواهد داشت.

هیدروژن و آینده انرژی پایدار

هیدروژن به دو صورت عمده در آینده انرژی پایدار نقش اساسی خواهد داشت: 1) کاربردهای کنونی می‌تواند از هیدروژن تولید شده از روش‌های پاک‌تر و از مجموعه متنوع‌تری از منابع انرژی استفاده کند و 2) هیدروژن در طیف وسیعی از کاربردهای جدید به‌عنوان جایگزینی برای سوخت‌های فعلی یا به‌عنوان مکمل برای استفاده بیشتر از برق در این کاربردها قابلیت استفاده دارد. به‌عنوان مثال در حمل و نقل، گرمایش، تولید فولاد و تولید برق می‌توان هم از هیدروژن در شکل خالص استفاده نمود و هم می‌توان آن را به سوخت‌هایی مانند متان مصنوعی، سوخت‌های مایع مصنوعی، آمونیاک و متانول برای استفاده تبدیل نمود. در هر دو حالت، هیدروژن امکان اتصال و تقویت بخش‌های مختلف انرژی را خواهد داشت.

هیدروژن در مقایسه با سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی مزایای منحصر به‌فردی را ارائه می‌دهد زیرا می‌توان آن را از نظر اقتصادی در مقادیر زیاد برای مدت طولانی و با حداقل اتلاف انرژی ذخیره کرد ، بنابراین می‌توان تولید قابل توجه تجدیدپذیر را در طول زمان تا سطح فصلی جابجا کرد. در شکل زیر ذخیره‌سازی هیدروژن با سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی شامل هوای فشرده، هیدروپمپ، باتری، ابرخازن و چرخ طیار از منظر طول زمان تخلیه انرژی و توان تخلیه انرژی مقایسه شده است. در یافتن بازه گونه‌های مختلف تکنولوژی مد نظر قرار گرفته است. به‌عنوان مثال، باتری‌ها انواع مختلف باتری از نو لیتیوم یون تا سرب اسید را در نظر گرفته است.

موج‌های توجه به هیدروژن

هیدروژن چندین موج مورد توجه را در تاریخ مشاهده کرده است اما هیچ کدام به سرمایه‌گذاری رو به رشد و پایدار تبدیل نشد. بررسی این موج‌ها نشان می‌دهد که این عدم افزایش سرمایه‌گذاری ناشی از دو دلیل اصلی بوده است: افزایش مقیاس هیدروژن در گذشته تا حد زیادی به قیمت نفت و گاز وابسته بوده است و تنها به یک بخش از کاربران نهایی (یعنی حمل و نقل) متمرکز بوده است.

علاقه به هیدروژن در دهه 1970 با شوک‌های قیمت نفت، کمبود نفت و با توجه به آلودگی هوا و باران‌های اسیدی افزایش یافت. پیش‌بینی‌ها نشان می‌داد که هیدروژن تولید شده از زغال‌سنگ یا برق هسته‌ای نقشی کلیدی در تامین انرژی آینده به‌ویژه برای حمل و نقل در طولانی مدت ایفا خواهد نمود. در سال 1976 مجله بین‌المللی انرژی هیدروژنی راه‌اندازی شد و برنامه فناوری هیدروژن و پیل سوختی آژانس بین‌المللی انرژی در سال 1977 تاسیس شد. علاقه به هیدروژن با فراوانی منابع نفت و گاز کاهش یافت و اقدامات کنترلی مشکلات آلودگی هوا را برطرف کرد.

در دهه 1990 نگرانی از تغییرات آب و هوایی مطالعات بیشتری را با تمرکز ویژه به جذب و ذخیره کربن، انرژی تجدیدپذیر و حمل و نقل به سمت هیدروژن معطوف نمود. در سال 1993 ژاپن اختصاص مبلغ 4.5 میلیارد یورو برای چهار سال اول برنامه بلندمدت خود برای تجارت بین‌المللی هیدروژن براساس انرژی تجدیدپذیر را اعلام کرد. کمیسین اروپا و دولت کبک حدود 33 میلیون دلار کانادا را به‌منظور بررسی طیف وسیعی از موارد ذخیره‌سازی و استفاده از هیدروژن از جمله ارسال بین‌المللی آن اختصاص دادند. بسیاری از خودروسازان بزرگ از خودروهای هیدروژنی در نمایشگاه‌های دهه 1990 به‌دلیل پیشرفت سریع در فناوری پیل سوختی رونمایی کردند. با این وجود، قیمت نفت در نیمه دوم دهه پایین ماند و حمایت‌ها را که می‌توانست پروژه‌ها را به جریان اصلی نزدیک کند، خنثی نمود.

بار دیگر در اوایل دهه 2000 نگرانی در مورد تغییرات آب و هوایی تبدیل به اقدام جدیدی برای سیاست‌گذاری در بخش حمل و نقل شد و نگرانی‌ها در مورد اوج‌گیری قیمت نفت دوباره ظاهر شد. اگر چه انرژی هسته‌ای مورد استقبال همگانی قرار نگرفت اما امید به نسل جدید نیروگاه‌های هسته‌ای ارزان‌تر و شکافت حرارتی آب در بسیاری از تخمین‌های هزینه پایین تولید هیدروژن نقش اساسی داشت. در سال 2003 ایالات متحده مشارکت بین‌المللی هیدروژن و پیل‌های سوختی در اقتصاد را تشکیل داد. استقرار بیشتر وسایل نقلیه هیدروژنی نیاز به توسعه زیرساخت و توسعه وسایل نقلیه به‌صورت هم‌زمان داشت. تا سال 2010، انتظارات از هیدروژن با کاهش قیمت نفت، عدم اطمینان در مورد قدرت تحولات سیاست‌های آب و هوایی و پیشرفت در خودروهای برقی با باتری (که نیازهای زیربنایی کم‌تری نسبت به خودروهای هیدروژنی دارند) کاهش یافت.

ائتلاف امروز طرفداران هیدروژن شامل تامین‌کنندگان برق تجدیدپذیر، تولیدکنندگان صنعتی گاز، تاسیسات برق و گاز، خودروسازان، شرکت‌های نفت و گاز، شرکت‌های مهندسی بزرگ و دولت‌های اکثر اقتصادهای بزرگ جهان هستند. شورای هیدروژن برای گرد هم آوردن بازیگران بخش خصوصی مربوط به هیدروژن در سال 2017 تشکیل شد. گروه رهبری آن در حال حاضر دارای 33 عضو در سطح مدیرعامل و رئیس و 21 عضو حمایتی است. این احتمال که این ذینفعان برای اطمینان از اجرای پروژه‌ها و توسعه بازار با یکدیگر همکاری کنند، نشانگر مهمی است که هیدروژن از حمایت مورد نیاز برای آینده برخوردار است.

مراجع

ResearchGate