ذخیره‌سازی هیدروژن به دلیل خصوصیات چگالی انرژی حجمی و وزنی، به‌ویژه در کاربردهای خودرویی و متحرک، بسیار حائز اهمیت است. سوخت‌هایی مانند بنزین و گازوئیل دارای چگالی انرژی بالایی هستند که در بازار رایج است: حدود ۳۸ درصد وزنی و ۳۵ مگاژول در هر لیتر. این اعداد معیاری برای مقایسه هیدروژن محسوب می‌شوند. هیدروژن در شرایط دمایی و فشاری محیط می‌تواند تا ۱۲۰ مگاژول انرژی در هر کیلوگرم فراهم کند، اما تنها ۰.۰۱ مگاژول انرژی در هر لیتر دارد، که نشان از چگالی پایین حجمی آن دارد. بنابراین، بهره گیری از روش‌های مختلف ذخیره‌سازی هیدروژن و توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی کارآمد برای استفاده از هیدروژن در مقیاس‌های مختلف، ضروری است.
یکی دیگر از عوامل کلیدی در ذخیره‌سازی هیدروژن، سرعت کنتیک یا همان نرخ آزادسازی و توقف آن است. این فاکتور به‌ویژه در کاربردهای خودرویی، اهمیت زیادی دارد؛ چرا که باید با نیازهای شتاب و ترمز خودرو منطبق باشد. از طرفی، ایمنی در ذخیره‌سازی هیدروژن نیز بسیار مهم است. برای استفاده عمومی، روش‌های ذخیره‌سازی باید به گونه‌ای باشد که خطرات سمی بودن، اشتعال‌پذیری و خطر انفجار را به حداقل برسانند و همچنین از روش‌های نیازمند انرژی بالا برای بازیابی هیدروژن اجتناب شود. علاوه بر این، روش انتخابی باید از لحاظ اقتصادی نیز مقرون‌به‌صرفه باشد تا بتواند جایگاه خود را در بازار به‌دست آورد.
چالش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن در مقیاس‌های مختلف
در حال حاضر، هیدروژن عمدتاً به‌صورت گاز یا مایع در مخازن برای کاربردهای کوچک ذخیره می‌شود. اما آینده‌ای که نیازمند مقیاس‌های بزرگ‌تر و زنجیره‌های ارزش هیدروژنی بین‌المللی است، به روش‌های متنوع‌تر و پیشرفته‌تری نیاز دارد. به عنوان مثال، در پایانه‌های صادراتی، هیدروژن ممکن است برای مدت کوتاهی قبل از حمل و نقل نیاز به ذخیره‌سازی داشته باشد، در حالی که ایستگاه‌های سوخت‌گیری خودرو نیازمند ذخیره‌سازی چند ساعته هستند. در مواردی که هیدروژن برای تامین انرژی فصلی یا انعطاف‌پذیری سیستم برق به‌کار می‌رود، ذخیره‌سازی طولانی‌مدت و در مقیاس بزرگ لازم است. بهترین گزینه برای ذخیره‌سازی در مقیاس بزرگ، استفاده از سازه‌های زمین‌شناسی است، در حالی که برای ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت و مقیاس کوچک‌تر، مخازن مناسب‌تر هستند.
راه‌حل‌ها و پیشرفت‌ها در ذخیره‌سازی هیدروژن
تلاش برای یافتن راه‌حل‌های اقتصادی و کارآمد برای ذخیره‌سازی هیدروژن همچنان ادامه دارد. از آنجایی که چگالی انرژی هیدروژن برای حمل‌ونقل و رقابت با حامل‌های انرژی دیگر باید بالاتر باشد، دانشمندان به دنبال روش‌های جدید و نوآورانه هستند. به‌عنوان نمونه، هیدروژن می‌تواند به سه روش گاز فشرده، هیدروژن مایع و ذخیره در مواد نگهداری شود.
- گاز فشرده: هیدروژن به صورت فشرده در مخازن تحت فشار بالا ذخیره‌سازی می‌شود.
- هیدروژن مایع: با کاهش دما، هیدروژن به حالت مایع در می‌آید و برای حفظ این حالت باید مخازن به‌خوبی عایق‌بندی شوند. مایع‌سازی هیدروژن در دمای حدود ۲۰ کلوین انجام می‌شود.
- ذخیره‌سازی در مواد: هیدروژن می‌تواند در مواد مختلف در شرایط متفاوت دما و فشار ذخیره شود. روش‌های جذب فیزیکی و ذخیره‌سازی شیمیایی از جمله اصلی‌ترین روش‌ها در این حوزه هستند. در این روش‌ها، هیدروژن به شکل مولکولی یا یونی در سطوح مناسب با استفاده از تغییرات فشار، دما و پتانسیل الکتروشیمیایی جذب می‌شود.
مقرون‌به‌صرفه بودن ذخیره‌سازی هیدروژن همچنان یکی از چالش‌های مهم است. برای رقابت با سایر منابع انرژی، هیدروژن باید متراکم‌تر و کارآمدتر شود. اما خوشبختانه، پیشرفت‌های چشم‌گیری در این زمینه در حال انجام است و محققان به دنبال روش‌های خلاقانه برای بهبود این فرآیند هستند.
در بخش‌های بعدی مقاله، به بررسی روش‌های جدید و نوآورانه در این زمینه خواهیم پرداخت و چگونگی سازگاری آنها با نیازهای آینده انرژی پاک را مرور خواهیم کرد.
ذخیره‌سازی هیدروژن به‌صورت گاز فشرده
یکی از روش‌های رایج امروزی برای حل مشکل چگالی انرژی حجمی هیدروژن، فشرده‌سازی گاز هیدروژن است. این روش به‌عنوان یکی از بهترین و رایج‌ترین روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن شناخته شده است. استاندارد انجمن مهندسان خودرو با نام SAE J2600، بر دستگاه‌های سوخت‌رسانی در بخش طراحی و آزمایش اتصالات سوخت، نازل‌ها و مخازن سوخت خودروهای هیدروژنی فشرده سطحی نظارت دارد. مخازن سوخت براساس نوعشان به چهار دسته تقسیم‌بندی می‌شوند. خلاصه‌ای از ویژگی‌های این چهار دسته در جدول زیر با یکدیگر مقایسه شده‌اند.
مواد مخزن تحت فشار هیدروژن با توجه به نوع
| نوع | مواد | فشار معمولی (bar) | هزینه ($/kg) | چگالی گرانشی (درصد وزنی) |
| اول (I) | ساختار تمام فلزی | 300 | 83 | 7/1 |
| دوم (II) | عمده فلز با پوشش کامپوزیتی در راستای حلقه (دور مخزن) | 200 | 86 | 1/2 |
| سوم (III) | آستر فلزی با پوشش کامل کامپوزیتی | 700 | 700 | 2/4 |
| چهارم (IV) | ساختار کامل کامپوزیتی | 700 | 633 | 7/5 (تویوتا میرای) |
یک نمونه مخزن نوع چهارم در شکل زیر نشان داده شده است.
چگالی انرژی وزنی مخزن‌های فشار بالا در حدود ۱۳٪ در فشار ۸۰۰ بار است. این پارامتر برای مخزن تویوتا میران در سال ۲۰۱۷ برابر ۷/۵٪ وزنی در فشار ۷۰۰ بار بوده است. مخزن این خودرو دارای حجمی برابر با ۱۲۲.۴ لیتر و چگالی انرژی حجمی برابر با ۴.۹ مگاژول انرژی به‌ازای هر لیتر است. بر این اساس، کاربرد نهایی می‌تواند به‌شدت مقادیر این پارامترها را تغییر دهد.
تمام گازها، از جمله هیدروژن، هنگام فشرده شدن گرما آزاد می‌کنند. یک راه‌حل متداول برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد مخزن در حین پر شدن، خنک‌سازی گاز در حال انتقال به مخزن است. این امر نیاز به ۱.۸ تا ۳.۶٪ وزنی اضافی برای پیش‌خنک‌سازی هیدروژن دارد. با این حال، نیازی به سیستم مدیریت حرارتی در خودرو نیست. به‌طور معمول، هیدروژن در فشار بسیار بالا ذخیره می‌شود که نیازمند استفاده از مخازن بسیار قوی است. این امر باعث می‌شود که شکل مخزن به حالت سیلندری محدود شود و ادغام آن در طراحی خودروها مشکل‌تر گردد.
از نظر عملکرد، کنتیک گاز فشرده ایده‌آل است و جریان سوخت می‌تواند به‌صورت تقریباً نامحدود افزایش یا کاهش یابد. همچنین، از نظر ایمنی، مواد معمولی مانند فیبر کربن و نایلون سمی نیستند و برای محیط زیست مضر نمی‌باشند. با این حال، فشار بالا همیشه یک خطر محسوب می‌شود.
ذخیره‌سازی هیدروژن به‌صورت مایع
برای ذخیره‌سازی هیدروژن به‌صورت مایع، نیاز به کاهش دمای آن تا ۲۵۳- درجه سانتی‌گراد است. مخازن هیدروژن مایع به‌طور معمول برای مقاومت در برابر فشار داخلی طراحی نمی‌شوند بلکه برای نگهداری مایع برودتی طراحی شده‌اند. این مخازن باید به‌درستی عایق‌بندی شوند تا انتقال حرارت به حداقل برسد. از سویی دیگر، انتقال حرارت از محیط به مایع باعث افزایش فشار داخل مخزن می‌شود. از آنجایی که هیچ عایق حرارتی بی‌نقصی وجود ندارد، یک مخزن هیدروژن در محیط گرم به‌طور خودکار تخلیه می‌شود.
ذخیره‌سازی هیدروژن مایع یک فناوری بالغ و قابل اعتماد است و در زیرساخت‌های صنعتی کنونی برای ذخیره‌سازی و تحویل هیدروژن موجود است. در مخازن هیدروژنی برودتی بزرگ، باید نسبت جرم و حجم عایق به حجم هیدروژن کمینه شود. بزرگ‌ترین نسبت حجم به سطح مربوط به شکل هندسی کره است. نسبت بالای حجم به سطح می‌تواند انتقال حرارت را به حداقل برساند. یک مخزن کروی فرضی که توسط ۲۵ میلی‌متر ماده عایق احاطه شده است و قادر به نگهداری ۵ کیلوگرم هیدروژن می‌باشد، به‌ترتیب از چگالی انرژی حجمی و وزنی بیشینه برابر با ۶.۴ مگاژول بر لیتر و ۷.۵٪ وزنی برخوردار است. همچنین، کنتیک این روش با روش هیدروژن فشرده قابل مقایسه است.
ذخیره‌سازی شیمیایی هیدروژن و تبدیل به سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن
در ذخیره‌سازی شیمیایی، هیدروژن به وسیله یک واکنش شیمیایی بازگشت‌پذیر در مواد مختلف ذخیره می‌شود. از جمله موادی که برای این نوع ذخیره‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توان به آمونیاک، هیدریدهای فلزی، اسید فرمیک، کربوهیدرات‌ها، هیدروکربن‌های سینتتیکی و حامل‌های آلی مایع اشاره کرد.
چگالی انرژی هیدروژن در واحد حجم پایین است، که ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آن را نسبت به سوخت‌های فسیلی به یک چالش تبدیل می‌کند. یکی از راه‌حل‌ها برای مقابله با این مشکل، تبدیل هیدروژن به سوخت‌ها و مواد اولیه مبتنی بر هیدروژن است. متان سینتتیکی، سوخت‌های مایع سینتتیکی و آمونیاک از جمله سوخت‌ها و مواد اولیه‌ای هستند که می‌توان با استفاده از زیرساخت‌های موجود برای آنها، هزینه‌های انتقال به کاربر نهایی را کاهش داد.
برخی از هیدروکربن‌های سینتتیکی می‌توانند به‌طور مستقیم جایگزین سوخت‌های فسیلی شوند. با این حال، باید مزایا و فرصت‌های این سوخت‌ها در برابر هزینه‌های تبدیل هیدروژن به این محصولات سنجیده شود. بسیاری از فناوری‌های تولید این سوخت‌ها و مواد اولیه هنوز در مراحل نمایشی اولیه هستند و هزینه‌های زیادی را در بر دارند.
آمونیاک: راهکاری موثر برای ذخیره‌سازی هیدروژن
آمونیاک، که دومین ماده شیمیایی پرکاربرد در جهان است، به‌دلیل زیرساخت‌های موجود در تولید، حمل و نقل و توزیع، گزینه‌ای بسیار مناسب برای ذخیره‌سازی هیدروژن به‌شمار می‌رود. این ماده نه تنها دارای فناوری‌های پیشرفته برای سنتز و توزیع است، بلکه تجزیه کاتالیزوری آن نیز نسبتاً آسان است. آمونیاک قابلیت مخلوط شدن با آب و ذخیره شدن به‌صورت مایع در دما و فشار اتاق را دارد. به‌دلیل محدودیت‌های کم برای ذخیره‌سازی برودتی، شکل مایع آن می‌تواند به افزایش چگالی ذخیره هیدروژن کمک کند. علاوه بر این، آمونیاک می‌تواند بدون تولید فرآورده‌های مضر، به‌عنوان منبع تولید هیدروژن اصلاح شود و یا در ترکیب با سوخت‌های موجود به‌صورت موثر سوزانده شود.
یکی از مزایای کلیدی آمونیاک نسبت به سوخت‌های الکلی و هیدروکربنی، تولید کمتر کربن دی‌اکسید در فرآیندهای احتراق است. این ویژگی آن را به گزینه‌ای مناسب‌تر از نظر زیست‌محیطی تبدیل می‌کند.
تولید آمونیاک نیازمند جداسازی نیتروژن از هوا است. به‌طور مشابه، تولید هیدروکربن‌های سینتتیکی مانند متان، متانول، گازوئیل یا سوخت جت، به ترکیب هیدروژن با کربن به شکل کربن‌دی‌اکسید نیاز دارد. این امر نه تنها بر هزینه تولید تاثیر می‌گذارد، بلکه منبع کربن نیز بر تاثیرات زیست‌محیطی و شدت انتشار کربن موثر است.
راه‌های مختلفی برای تبدیل هیدروژن به سوخت و مواد اولیه وجود دارد. آمونیاک با ترکیب هیدروژن و نیتروژن تولید می‌شود و هیدروکربن‌های سینتتیکی مانند متان و متانول از ترکیب هیدروژن با کربن‌دی‌اکسید حاصل می‌گردند. با این حال، یکی از چالش‌های اصلی مسیرهای مبتنی بر هیدروژن الکترولیتی، هدر رفتن مقدار قابل توجهی از انرژی برق در فرآیند تبدیل هیدروژن به سوخت و مواد اولیه است که در شکل زیر نمایش داده شده است.
در تولید آمونیاک و هیدروکربن‌های سینتتیکی، دو عامل کلیدی هزینه‌های سرمایه‌ای و هزینه‌های مرتبط با هیدروژن نقش اساسی دارند. اگر هیدروژن از طریق الکترولیز و با استفاده از برق تولید شود، هزینه‌های برق نیز به‌عنوان یکی از عوامل مهم باید در نظر گرفته شود. هزینه‌های تولید هیدروکربن‌های سینتتیکی شامل هزینه‌های اولیه کربن‌دی‌اکسید نیز می‌شود. هزینه‌های سرمایه‌ای معمولاً ۳۰ تا ۴۰ درصد از کل هزینه‌های تولید آمونیاک و هیدروکربن‌های سینتتیکی را تشکیل می‌دهند، که این هزینه‌ها بیشتر تحت تأثیر قیمت الکترولایزرها قرار دارند، در حالی که تأثیر فرآیند سنتز و سایر تجهیزات کمتر است (شکل زیر).
در روش‌های مبتنی بر برق، بیشترین سهم هزینه به برق مصرفی مربوط می‌شود و بین ۴۰ تا ۷۰ درصد از هزینه‌های تولید محصولات هیدروژنی را شامل می‌شود. برای مثال، قیمت برق ۲۰ دلار به ازای هر مگاوات‌ساعت، به‌تنهایی معادل ۶۰ تا ۷۰ دلار برای هر بشکه نفت برای تولید هیدروکربن‌های مایع و ۱۰ تا ۱۲ دلار برای هر واحد مگایکای حرارت متان است. این هزینه‌ها بدون در نظر گرفتن هزینه‌های سرمایه‌ای، عملیاتی، مواد اولیه مانند کربن‌دی‌اکسید و سایر هزینه‌های جانبی، بسیار نزدیک به هزینه‌های سوخت‌های فسیلی است. به همین دلیل، کاهش هزینه برق همراه با بهبود کارایی زنجیره تولید، یک هدف مهم برای کاهش هزینه‌های کلی تولید محصولات هیدروژنی است.
هیدریدهای فلزی: یک روش ذخیره‌سازی نویدبخش با چالش‌های خاص
هیدریدهای فلزی به دلیل توانایی بالای خود در جذب و رهاسازی هیدروژن در دمای اتاق یا با گرم کردن مخزن، به‌عنوان یک روش نویدبخش برای ذخیره‌سازی هیدروژن مطرح هستند. این مواد می‌توانند بین ۵ تا ۷ درصد وزنی هیدروژن را ذخیره کنند، اما برای آزادسازی این هیدروژن، نیاز به دمای بسیار بالا (بین ۱۲۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) دارند. هیدریدهای فلزی از واکنش‌پذیری پایین برخوردارند که به ایمنی بالا در ذخیره‌سازی کمک می‌کند، اما مشکل اصلی این روش، واکنش شدید آنها با هوای مرطوب و دشواری در نگهداری و بازیافت آنهاست.
علاوه بر این، جذب ناخالصی‌ها در مخازن ذخیره‌سازی هیدریدهای فلزی باعث کاهش عمر مخزن و کاهش کارایی آن می‌شود. در میان مواد مختلف، آمینوبوران‌ها و بوروهیدریدها به‌عنوان دو ماده اصلی برای ذخیره هیدروژن شناخته می‌شوند. با این حال، آمینوبوران‌ها به دلیل سمی بودن و تولید واسطه‌های ناخواسته، کمتر برای این منظور استفاده می‌شوند. بوروهیدریدها نیز با چالش‌های جدی مواجه هستند، از جمله دمای بالای مورد نیاز برای هیدروژن‌زدایی، برگشت‌ناپذیری واکنش دهیدروژناسیون، کنتیک آهسته و مشکلات مرتبط با تکامل دیبوران در طول فرآیند دهیدروژناسیون. به‌طور کلی، این روش با افزایش وزن، مشکل حجم ذخیره‌سازی را حل می‌کند.
اسید فرمیک: راهی پاک برای ذخیره‌سازی هیدروژن
اسید فرمیک (که به اسید متانوئیک نیز معروف است)، ساده‌ترین اسید کربوکسیلیک است و به‌دلیل عدم تولید مونوکسید کربن در طی فرآیند تولید هیدروژن، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. این ماده در فرآیند تجزیه به‌وسیله کاتالیزورهای روتنیم محلول در آب، به هیدروژن و دی‌اکسید کربن تجزیه می‌شود. دی‌اکسید کربن تولیدشده در این فرآیند می‌تواند برای تولید مجدد اسید فرمیک و در نتیجه ذخیره دوباره هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد.
کربوهیدرات‌ها: ذخیره‌سازی با چگالی بالا
کربوهیدرات‌ها نیز پتانسیل بالایی در ذخیره‌سازی هیدروژن دارند و به‌ویژه در حالت مایع و پودر جامد، چگالی ذخیره‌سازی بالایی از خود نشان داده‌اند. محققان به‌تازگی موفق به ذخیره ۱۲ مول هیدروژن در هر واحد گلوکز شده‌اند که نشان‌دهنده چگالی وزنی ۱۴.۸ درصد است. این اکتشافات نشان می‌دهند که کربوهیدرات‌ها نیز می‌توانند به‌عنوان یک راه‌حل پایدار برای ذخیره‌سازی هیدروژن مورد استفاده قرار گیرند.
ذخیره‌سازی به‌روش جذب فیزیکی
در روش جذب فیزیکی، مولکول‌های هیدروژن به‌صورت ضعیفی به سطح ماده جذب می‌شوند، فرآیندی که به آن “جذب سطحی” گفته می‌شود. یکی از مزایای این روش این است که هیدروژن می‌تواند به‌صورت مولکولی و بدون تغییر در هویت آن ذخیره شود، که به بهبود کنتیک ذخیره‌سازی کمک می‌کند. از جمله موادی که برای این منظور استفاده می‌شوند، می‌توان به نانولوله‌های کربنی، فولرن‌ها، زئولیت‌ها، چارچوب‌های آلی فلزی( MOFها)، چارچوب‌های آلی کوآلانسی (COFها)، مواد هم‌پایه فلزی میکرو متخلخل، کلاترها و فلزهای هم‌تافت اشاره کرد. این مواد دارای سطوح فعال بالایی هستند و به همین دلیل پتانسیل زیادی برای ذخیره‌سازی هیدروژن دارند. در جدول زیر، این روش‌ها با سایر روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن مقایسه شده‌اند.
مقایسه روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن
| پارامتر | ذخیره گاز فشرده | ذخیره به‌صورت مایع | ذخیره به‌صورت شیمیایی | ذخیره به‌صورت جذب فیزیکی |
| درصد وزنی از محصول نهایی | 13 | مختلف | 18> | 20 |
| ظرفیت حجمی
(kg m-3) |
40> | 8/70 | 150 | 20 |
| دما (کلوین) | 273 | 5/21 | 573-373 | مختلف |
| فشار (بار) | 800 | 1 | 1 | 100 |
| دمای آزادسازی (°C) | – | 253- | 200-400 | – |
| هزینه سیستم
($/kw h) |
12-16 | 6 | 16-8 | 100 |
ذخیره‌سازی در سازندهای زمین‌شناسی
سازندهای زمین‌شناسی نظیر غارهای نمکی، میدان‌های تخلیه شده گاز طبیعی یا نفت و سفره‌های زیرزمینی آب، گزینه‌هایی برای ذخیره هیدروژن در مقیاس بزرگ و بلندمدت هستند. این سازندها هم‌اکنون برای ذخیره‌سازی گاز طبیعی استفاده می‌شوند و می‌توانند با تغییرات جزئی برای ذخیره‌سازی هیدروژن نیز به‌کار گرفته شوند.
از مزایای این سازندها می‌توان به بازده بالا (نسبت هیدروژن تزریق‌شده به مقدار قابل‌استخراج)، مقیاس‌پذیری، هزینه‌های عملیاتی کم و هزینه‌های پایین زمین اشاره کرد. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که سازندهای زمین‌شناسی با وجود چگالی انرژی پایین هیدروژن در مقایسه با گاز طبیعی، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت در مقیاس بزرگ باشند.
غارهای نمکی
غارهای نمکی به‌عنوان یکی از بهترین گزینه‌ها برای ذخیره‌سازی هیدروژن از دهه ۱۹۷۰ در انگلستان و از دهه ۱۹۸۰ در ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. هزینه ذخیره‌سازی هیدروژن در این غارها حدود ۰.۶ دلار به‌ازای هر کیلوگرم هیدروژن است و بازده آنها تا ۹۸٪ می‌رسد. همچنین، خطر آلودگی هیدروژن در این غارها بسیار پایین است. به دلیل فشار بالای هیدروژن، نرخ تخلیه سریع است و این روش برای کاربردهای صنعتی و شبکه برق مناسب به نظر می‌رسد.
غارهای نمکی معمولاً شامل چندین غار مجزا هستند، بنابراین امکان تبدیل تدریجی تأسیسات گاز طبیعی موجود به ذخیره هیدروژن وجود دارد که این امر هزینه‌های اولیه را کاهش می‌دهد. به‌عنوان مثال، ایالات متحده بزرگ‌ترین سیستم ذخیره هیدروژن در غارهای نمکی را در حال حاضر راه‌اندازی کرده که می‌تواند بین ۱۰ تا ۲۰ هزار تن هیدروژن را برای مدیریت عرضه و تقاضا در پالایشگاه‌ها و صنایع شیمیایی ذخیره کند. در انگلستان، سه غار نمکی وجود دارد که می‌توانند تا هزار تن هیدروژن ذخیره کنند، و یک پروژه نمایشی برای ذخیره‌سازی ۳.۵ هزار تن هیدروژن در آلمان برای سال ۲۰۲۳ برنامه‌ریزی شده است.
میدان‌های تخلیه‌شده نفت و گاز
میدان‌های تخلیه‌شده نفت و گاز از غارهای نمکی بزرگ‌تر اما نفوذپذیرتر هستند و ممکن است حاوی آلاینده‌هایی باشند که باید قبل از استفاده از هیدروژن برای پیل‌های سوختی حذف شوند. با این وجود، این میدان‌ها به‌دلیل ظرفیت ذخیره بالا، گزینه‌ای مناسب برای ذخیره‌سازی هیدروژن در مقیاس بزرگ محسوب می‌شوند.
سفره‌های زیرزمینی آب
سفره‌های زیرزمینی آب از نظر بلوغ فناوری در مقایسه با سایر سازندهای زمین‌شناسی کمتر توسعه یافته‌اند، اما شواهدی از مناسب بودن آنها برای ذخیره‌سازی هیدروژن وجود دارد. برخی از این سازندها در گذشته برای ذخیره‌سازی گاز شهری که حاوی ۵۰ تا ۶۰ درصد هیدروژن بود، استفاده شده‌اند. سفره‌های آبی ممکن است هیدروژن را در اعماق زمین به دام بیاندازند، اما واکنش هیدروژن با میکروارگانیسم‌ها، سیالات و سنگ‌ها ممکن است باعث کاهش بخشی از هیدروژن شود.
با توجه به این که سفره‌های آب زیرزمینی هنوز به‌صورت تجاری با هیدروژن خالص بررسی نشده‌اند، ذخیره‌سازی در این سازندها نیازمند هزینه‌های اکتشافی و توسعه است. امکان‌سنجی و هزینه ذخیره هیدروژن در سفره‌های آب و میدان‌های تخلیه شده نفت و گاز همچنان نیاز به بررسی دارد. اگر این دو گزینه بتوانند بر چالش‌های خود غلبه کنند، می‌توانند گزینه‌های مطلوبی برای ذخیره‌سازی فصلی هیدروژن در مکان‌هایی که دسترسی به غارهای نمکی محدود است، باشند.
اگرچه ذخیره‌سازی در سازندهای زمین‌شناسی بهترین گزینه برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت و در مقیاس بزرگ به شمار می‌آید، اما به دلیل توزیع جغرافیایی، اندازه بزرگ و حداقل فشار مورد نیاز، این سازندها برای ذخیره کوتاه‌مدت و در مقیاس کوچک مناسب نیستند. برای این کاربردها، مخازن ذخیره هیدروژن گزینه‌ای امیدوارکننده‌تر به نظر می‌رسند.
مخازن ذخیره هیدروژن: کاربردهای فشرده و مایع
مخازن ذخیره‌سازی هیدروژن به‌صورت فشرده یا مایع، به دلیل نرخ تخلیه بالا و بازدهی نزدیک به ۹۹٪، گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای مقیاس کوچک مانند ذخایر محلی سوخت یا مواد اولیه هستند. با این حال، هیدروژن فشرده (در فشار ۷۰۰ بار) تنها ۱۵٪ از چگالی انرژی بنزین را داراست، به این معنی که ذخیره معادل انرژی آن نیازمند فضایی هفت برابر بیشتر نسبت به بنزین است. آمونیاک، با چگالی انرژی بالاتر، می‌تواند نیاز به فضای بزرگ برای مخازن را کاهش دهد، اما این مزیت باید با هزینه‌های انرژی و تجهیزات موردنیاز برای تبدیل آمونیاک به هیدروژن خالص سنجیده شود.
در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون، مخازن هیدروژن فشرده دارای چگالی انرژی بیشتری هستند و به همین دلیل امکان مسافت بیشتری را برای خودروها و کامیون‌ها فراهم می‌کنند. با این حال، تحقیقات برای کاهش حجم مخازن و افزایش کارایی آنها ادامه دارد. به‌عنوان نمونه، بررسی مخازن زیرزمینی که توانایی تحمل فشار ۸۰۰ بار را دارند، می‌تواند راهکاری برای فشرده‌سازی بیشتر هیدروژن باشد. علاوه بر این، روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن در مواد جامد مانند فلزات و هیدریدهای شیمیایی نیز در حال توسعه هستند و می‌توانند چگالی انرژی بیشتری را در فشارهای پایین‌تر ذخیره کنند.
ذخیره‌سازی هیدروژن در مقیاس بزرگ زیر زمین
ذخیره‌سازی حامل‌های انرژی گازی غنی از هیدروژن در سازندهای زمین‌شناسی، به‌ویژه در غارهای نمکی، دارای سابقه‌ای طولانی است و این روش در اواسط قرن نوزدهم برای ذخیره گاز شهری استفاده می‌شد. سازندهای زمین‌شناسی در صورتی که از استحکام کافی و عدم آلودگی هیدروژن به‌وسیله میکروارگانیسم‌ها یا ترکیبات آلی و غیرآلی اطمینان حاصل شود، گزینه‌ای مناسب برای ذخیره‌سازی هیدروژن هستند. عوامل مهمی که در انتخاب این سازندها نقش دارند شامل ایمنی، امکان‌سنجی فنی، هزینه‌های سرمایه‌گذاری و هزینه‌های عملیاتی هستند.
جدول ۶ به مقایسه انواع مختلف سازندهای زمین‌شناسی برای ذخیره‌سازی هیدروژن پرداخته است. براساس این جدول، غارهای نمکی به‌دلیل هزینه‌های پایین، بازده بالا و ایمنی مناسب، به‌عنوان گزینه‌ای مطلوب برای ذخیره‌سازی در مقیاس بزرگ و بلندمدت شناسایی شده‌اند. در حال حاضر، چندین سایت ذخیره هیدروژن در غارهای نمکی در ایالات متحده و انگلستان فعال است.
مرور کیفی ویژگی‌های سازندهای زمین‌شناسی مناسب برای ذخیره هیدروژن: ++: خیلی خوب، +:خوب، o: متوسط و -: بد
| غارهای نمکی | میادین نفتی تخلیه شده | میادین گازی تخلیه شده | سفره‌های آب زیرزمینی | غارهای صخره‌ای با آستر* | غارهای صخره‌ای بدون آستر** | |
| ایمنی | ++ | + | – | – | – | – |
| امکان‌سنجی فنی | + | ++ | ++ | ++ | o | – |
| هزینه سرمایه‌گذاری | ++ | o | o | o | + | + |
| هزینه‌های عملیاتی | ++ | – | o | + | + | + |
* Lined rock cavern
** Unlined rock caverns
جمع‌بندی نهایی
ذخیره‌سازی هیدروژن به‌عنوان یکی از کلیدی‌ترین چالش‌های پیش‌روی استفاده گسترده از این سوخت پاک، نیازمند توسعه و بهبود روش‌های مختلف ذخیره‌سازی هیدروژن است. از مخازن فشرده و مایع گرفته تا ذخیره‌سازی شیمیایی و استفاده از سازندهای زمین‌شناسی، هر روش مزایا و چالش‌های خاص خود را دارد. با وجود محدودیت‌های چگالی انرژی هیدروژن و هزینه‌های بالای تبدیل، تحقیقات و نوآوری‌های مداوم در این زمینه می‌تواند به توسعه راهکارهای اقتصادی و ایمن برای ذخیره‌سازی در مقیاس‌های مختلف کمک کند. در نهایت، بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های ذخیره‌سازی هیدروژن نقش مهمی در گذار به اقتصاد مبتنی بر انرژی پایدار خواهد داشت.
