نقش هیدروژن سبز در تحولات صنعتی و اقتصادی: کاربردها، چالش‌ها و فرصت‌ها

هیدروژن سبز، به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، در مسیر گذار به آینده‌ای بدون کربن، نقش کلیدی ایفا می‌کند. این ماده به دلیل توانایی بالقوه‌اش در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و سازگاری با محیط‌ زیست، می‌تواند تحولات عمده‌ای در صنایع مختلف از جمله کشاورزی، انرژی، پتروشیمی، فولاد و حمل‌ونقل و شاخص‌های کلان اقتصادی به وجود آورد. با وجود کاربردهای بالقوه متعدد هیدروژن سبز، هنوز مشخص نیست که هیدروژن در کدام یک از این حوزه‌ها جایگاه بیشتری خواهد داشت، چرا که هزینه و کارایی این ماده در مقایسه با منابع فسیلی همچنان یک چالش عمده به شمار می‌آید. (برای مطالعه مقاله “هیدروژن در گذار انرژی‌: تحلیل سناریوهای تقاضای جهانی و گذار هیدروژنی” اینجا کلیک کنید)

کاربردهای هیدروژن سبز

هیدروژن سبز به عنوان یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر، پتانسیل بالایی برای کمک به اقتصاد جهانی در گذار به آینده‌ای بدون کربن دارد. کاربردهای هیدروژن سبز می‌تواند در بخش‌های مختلفی از جمله کشاورزی، تجاری، انرژی، صنعتی و حمل و نقل و متصور باشد. اما هنوز مشخص نیست که هیدروژن در کدام یک از این حوزه‌ها جایگاه بیشتری خواهد داشت. این امر به میزان رقابت‌پذیری هیدروژن از لحاظ هزینه و کارایی در مقایسه با سایر بستگی دارد. شکل زیر، کاربردهای مختلف هیدروژن را در پنج بخش کشاورزی، تجاری و مسکونی، انرژی، صنعتی و حمل و نقل نشان می‌دهد.

بخش کشاورزی

در بخش کشاورزی، دو کاربرد بالقوه برای هیدروژن سبز شناسایی شده است: استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در وسایل نقلیه سنگین کشاورزی و همچنین تولید آمونیاک، اوره و سایر کودهای نیتراته. با این حال، استفاده از هیدروژن در تولید کودهای نیتراته بسیار امیدوارکننده و به نوعی اجتناب‌ناپذیر به نظر می‌رسد. در حال حاضر، کودهای مبتنی بر آمونیاک که مبتنی بر هیدروژن تولید شده از منابع فسیلی از جمله گاز طبیعی و ذغال سنگ است حدود نیمی از مصرف جهانی کود را تشکیل می‌دهد. برای مثال، میانگین مصرف کود در آفریقا تنها 15 کیلوگرم در هر هکتار است، در حالی که این مقدار در در اروپا و جنوب شرق آسیا به ترتیب 52 و 61 کیلوگرم در هر هکتار است، که چهار برابر بیشتر است. در سال 2020 تقاضای جهانی کود‌های نیتراته به 152 میلیون تن بوده است که با رشد جمعیت و توسعه اقتصادی، این تقاضا به سرعت افزایش خواهد یافت.

بخش تجاری و مسکونی

در کشورهای با درآمد کم و متوسط، هیدروژن می‌تواند به عنوان جایگزینی برای سوخت‌های سنتی در بخش خانگی مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، همچنان نگرانی‌هایی درباره ایمنی این کاربرد وجود دارد که نیازمند تحقیقات بیشتر برای رفع این چالش‌ها است. هنوز مشخص نیست که چگونه می‌توان این مشکلات ایمنی را در صورت تصمیم دولت‌ها برای استفاده از هیدروژن در مصارف خانگی مانند پخت‌وپز، حل کرد. همچنین هنوز روشن نیست که آیا فناوری‌های دیگر در مقایسه با هیدروژن از نظر اقتصادی و عملکردی رقابت‌پذیرتر خواهند بود یا خیر. تا زمانی که استراتژی‌های مناسبی برای تضمین ایمنی در محیط‌های مختلف به خوبی تحقیق و آزمایش نشده باشد، ارزیابی تقاضا، تحلیل اقتصادی این کاربردها و اتخاذ تصمیمات آگاهانه سیاسی همچنان چالش‌برانگیز خواهد بود.

بخش انرژی

در بخش انرژی، هیدروژن سبز یا آمونیاک می‌تواند به عنوان یک منبع بلندمدت ذخیره‌سازی انرژی مورد استفاده قرار گیرد. هیدروژن در مقیاس بزرگ می‌تواند به راحتی در غارهای نمکی یا مخازن زیرزمینی ذخیره شود و زمانی که نیاز باشد، در توربین‌های گازی یا سلول‌های سوختی استفاده گردد.

با وجود اینکه هنوز توربین‌های هیدروژنی در حال توسعه هستند، سلول‌های سوختی به دلیل مقیاس‌پذیری و هزینه‌های پایین‌تر، گزینه‌ای جذاب برای تولید برق در مناطق دورافتاده و نیروگاه‌های پشتیبان به حساب می‌آیند. البته باید توجه داشت که مسیر تبدیل برق به هیدرژون و هیدروژن به برق بازدهی حدود 45 درصدی دارد و مشکلاتی مانند چگالی پایین هیدروژن در توزیع آن وجود دارد. برای غلبه بر این مشکل، هیدروژن می‌تواند فشرده یا مایع شود که هر دو فرایند پرهزینه و انرژی‌بر هستند. در چنین مواردی، تبدیل هیدروژن به آمونیاک یک گزینه جذاب به شمار می‌رود.

بخش حمل و نقل

در حالی که خودروهای برقی با باتری به سرعت جایگاه خود را در بازار پیدا کرده‌اند، خودروهای هیدروژنی هنوز در ابتدای راه هستند. اگرچه پتانسیل بالایی برای توسعه و کسب سهم بازار حمل و نقل وجود دارد، اما این خودروها هنوز از نظر هزینه و بازدهی در مقایسه با خودروهای برقی رقابتی نیستند. پتانسیل بازار برای وسایل نقلیه شهری بسیار زیاد است و پیش‌بینی می‌شود که در دهه آینده در کشورهای کم‌درآمد و متوسط، تعداد این خودروها بیش از 600 میلیون دستگاه افزایش یابد. در حال حاضر، خودروهای هیدروژنی به‌ مراتب گران‌تر از خودروهای برقی با باتری هستند و بازدهی کلی کمتری نیز دارند. این مسئله تنها به خودروهای سواری محدود نمی‌شود، بلکه شامل تمام وسایل نقلیه سبک مانند موتورسیکلت‌ها، سه‌چرخه‌ها، مینی‌بوس‌ها و قطارهای شهری نیز می‌شود. با این حال، در مناطق دورافتاده که زیرساخت‌های کمتری وجود دارد، خودروهای هیدروژنی مزیت‌هایی همچون توان بالاتر و وابستگی کمتر به دسترسی به برق دارند. شرکت‌های Ballard و Siemens در حال کار بر روی جایگزینی قطارهای دیزلی منطقه‌ای و محلی با قطارهای مجهز به سلول سوختی هیدروژنی هستند که می‌توانند فواصل مشابهی را طی کنند و زمان سوخت‌گیری مشابهی داشته باشند.

بخش دریانوردی نیز تقریباً به طور کامل به سوخت‌های نفتی وابسته است که که 5 درصد از تقاضای جهانی نفت و 5_/2 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با انرژی را به خود اختصاص می‌دهند. از آنجایی که آمونیاک از قبل در بازارهای جهانی معامله می‌شود و زیرساخت‌های لازم برای توزیع آن وجود دارد. به همین دلیل مجمع جهانی دریانوردی، آمونیاک را به عنوان سوخت اصلی برای کاهش کربن در بخش دریایی برای دستیابی به هدف سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO) در کاهش 50 درصدی انتشار گازهای گلخانه‌ای تا سال 2050 معرفی کرده است. پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030، 6 درصد از تمام کشتی‌های اقیانوس‌پیما از سوخت هیدروژنی پاک (آمونیاک) استفاده کنند.

همانند بخش دریانوردی، بخش هوانوردی نیز با افزایش تقاضای سوخت و انتشار قابل توجه کربن دی اکسید مواجه است. بخش عمده‌ای از این انتشار به دلیل پروازهای طولانی‌مدت (بیش از 1500 کیلومتر) است که کربن‌زدایی این مسیرها را چالش‌برانگیز می‌کند. این در حالی است که برای پروازهای کوتاه‌مدت، نیروی محرکه الکتریکی مزایایی از جمله کاهش نیاز به تعمیرات را فراهم می‌کند. راه‌حل‌های بالقوه شامل استفاده از سوخت‌های زیستی مشتق‌شده از بیومس یا سوخت‌های مصنوعی هیدروژنی (مانند کروزن مصنوعی) هستند. هر دو فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارند، تولید آنها محدود و بسیار هزینه بر است.

در سال جاری، شرکت ایرباس به صورت عمومی اعلام کرد که قصد دارد هیدروژن را به عنوان سوخت هوانوردی به کار گیرد، و استارتاپ‌هایی نیز در این زمینه در حال ظهور هستند. با این حال، تردیدهایی درباره امکان استفاده از هیدروژن برای برآوردن نیازهای پروازهای طولانی‌مدت وجود دارد. تراکم انرژی پایین هیدروژن یک چالش خاص به شمار می‌رود و نیاز به تحقیقات بیشتری برای رفع این چالش است.

بخش صنعتی

در بخش صنعتی، هیدروژن کاربردهای زیادی دارد و نقش مهمی در فرایندهای تولیدی مانند متانول، آمونیاک و پالایش نفت ایفا می‌کند. یکی از بزرگ‌ترین کاربردهای هیدروژن در پالایش نفت، در فرایندهای گوگردزدایی و هیدروکراکینگ است که در سال 2020 حدود 40 میلیون تن هیدروژن در این بخش مصرف شده است.

یکی دیگر از کاربردهای هیدروژن در صنعت، استفاده از وسایل نقلیه صنعتی مجهز به سلول‌های سوختی مانند کامیون‌های معدنی، بیل‌های مکانیکی و لیفتراک‌ها است. اما یکی از چالش‌برانگیزترین بحث‌ها، تامین حرارت صنعتی با استفاده از هیدروژن است. این حرارت به دو دسته تقسیم می‌شود: حرارت دما متوسط (تا 400 درجه سانتی‌گراد) و حرارت دما بالا (بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد). در حال حاضر این نیازها عمدتاً با سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ و گاز تامین می‌شود، اما هیدروژن می‌تواند جایگزینی پاک و کارآمد برای این فرایندها باشد، به ویژه در حرارت‌های دمای بالا که نقش حیاتی در کاهش انتشار کربن ایفا می‌کنند.

یکی از دیگر کاربردهای امیدوارکننده هیدروژن سبز، در فرایند تولید فولاد است. در سال 2016، تقاضای جهانی برای فولاد حدود 1600 میلیون تن بود که 400 میلیون تن آن از فولاد بازیافتی تامین می‌شد. پیش‌بینی می‌شود که این تقاضا تا سال 2050 به 2800 میلیون تن برسد، در حالی که نیمی از آن فولاد بازیافتی خواهد بود.

شرکت سوئدی HYBRIT در حال توسعه یک فرایند بدون انتشار است که در آن از هیدروژن به عنوان عامل احیا در تولید فولاد استفاده می‌شود. در این فرایند، هیدروژن با سنگ آهن واکنش داده و به جای کربن دی‌اکسید، آب تولید می‌شود. هرچند این فناوری هنوز در مرحله توسعه قرار دارد، اما این شرکت برنامه‌ریزی کرده است تا سال 2025 آزمایش‌های اولیه خود را آغاز کند.

علاوه بر کاربردهای ذکر شده، هیدروژن سبز در صنایع دیگری نیز به کار می‌رود. به عنوان مثال، می‌توان از هیدروژن به عنوان عامل تولید نیمه‌هادی‌ها، شیشه، خنک‌کننده ژنراتورهای صنعتی و حتی در فرایند هیدروژناسیون چربی‌ها استفاده کرد. با این حال، برای بسیاری از این کاربردها، به خصوص مواردی که هیدروژن در تولید کالاهای صنعتی با حاشیه سود کم استفاده می‌شود، عدم قطعیت‌های اقتصادی زیادی در مقایسه با مواد اولیه فعلی وجود دارد. این چالش‌ها نیازمند تحقیقات بیشتری هستند تا اطمینان حاصل شود که استفاده از هیدروژن به لحاظ اقتصادی و عملی در این صنایع منطقی است.

 مقایسه هزینه‌ها برای جایگزینی هیدروژن سبز

در حال حاضر، هیدروژن سبز به طور کلی از نظر اقتصادی در مقایسه با جایگزین‌های فسیلی رقابتی نیست. برای مثال، با توجه به قیمت فعلی برق تجاری (حدود 50 دلار برای هر مگاوات ساعت)، هزینه تولید هیدروژن سبز حدود 5_/4 دلار به ازای هر کیلوگرم و هزینه تولید آمونیاک سبز حدود 650 دلار به ازای هر تن است. این قیمت‌ها بسیار بالاتر از سطح رقابتی با سوخت‌های فسیلی، به ویژه در غیاب قوانین سخت‌گیرانه مرتبط با قیمت‌گذاری کربن هستند.

مقایسه هزینه‌ها بین هیدروژن یا مشتقات آن در شکل زیر نمایش داده شده است. این ارزیابی‌ها بر اساس فرضیات ساده‌ای از قیمت سوخت‌های فعلی و آینده انجام شده است. در حالی که ممکن است قیمت‌های هیدروژن سبز بر اساس مناطق جغرافیایی متفاوت باشد، اما در این ارزیابی میانگین قیمت‌ها برای هر کاربرد در نظر گرفته شده است. همچنین در این تصویر قیمت‌های مختلفی برای کربن دی‌اکسید به منظور نشان دادن تأثیر قیمت‌گذاری کربن بر هزینه تولید ارائه شده است.

این شکل نمایانگر این است که تا به امروز، هیدروژن سبز به طور کلی در مقایسه با جایگزین‌های فسیلی خود از نظر اقتصادی رقابتی نبوده است. طبق نمودار، تا سال 2030 احتمالاً هزینه آمونیاک سبز برای کاربردهایی مانند کود و سوخت کشتی‌ها به قیمت نزدیک به آمونیاک خاکستری خواهد رسید. دیگر موارد استفاده از هیدروژن سبز در این بازه زمانی همچنان با چالش‌هایی مواجه خواهند بود، اما با اعمال مالیات کربن حدود 100 دلار به ازای هر تن کربن دی اکسید، هیدروژن سبز و آمونیاک در بیشتر کاربردها از نظر اقتصادی رقابتی خواهند بود، یا حتی برتری خواهند یافت .قیمت‌گذاری کربن می‌تواند به طور قابل توجهی اقتصاد هیدروژن سبز و آمونیاک را تغییر دهد و به تغییر به سمت این سوخت‌های پاک کمک کند.

جمع‌بندی

با وجود پتانسیل بالای هیدروژن سبز در صنایع مختلف، همچنان چالش‌های اقتصادی قابل توجهی برای رقابت با سوخت‌های فسیلی وجود دارد. هزینه‌های تولید هیدروژن سبز در شرایط فعلی نسبت به جایگزین‌های فسیلی بسیار بالاست و بدون اعمال قیمت‌گذاری کربن (مالیات کربن) یا مشوق‌های اقتصادی، نمی‌توان انتظار داشت که هیدروژن به‌ طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، در صورت اجرای سیاست‌های حمایتی نظیر مالیات بر کربن، هیدروژن سبز می‌تواند تا سال 2030 به یک گزینه رقابتی و حتی برتر در برخی از کاربردهای کلیدی نظیر تولید فولاد، سوخت کشتی‌ها و کودهای نیتراته تبدیل شود.

تحولات آینده در حوزه هیدروژن سبز نیازمند تحقیق و توسعه بیشتر در زمینه بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های تولید است تا بتواند نقش تعیین‌کننده‌ای در گذار به اقتصاد بدون کربن ایفا کند.