با توجه به نیاز روزافزون جهان به انرژی پاک و نگرانی‌های مربوط به تغییرات اقلیمی، هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی جدید و پایدار مورد توجه قرار گرفته است. این عنصر، با قابلیت ذخیره و انتقال انرژی، می‌تواند به طور مؤثری در سیستم‌های انرژی آینده نقش داشته باشد. با این حال، توسعه فناوری‌های مرتبط با هیدروژن با چالش‌های فنی و غیرفنی مختلفی همراه است که باید برای تجاری‌سازی گسترده و رقابت با فناوری‌های موجود برطرف شوند. این مقاله به بررسی نیازها و چالش‌ها در مسیر توسعه انرژی هیدروژنی، از جمله مسائل مربوط به ذخیره‌سازی، انتقال و توزیع هیدروژن و همچنین نقش هیدروژن در شبکه‌های انرژی آینده می‌پردازد.
نیازها و چالش‌های سیستم‌های انرژی هیدروژنی
چالش‌های فنی و غیرفنی در مسیر توسعه توسعه گسترده فناوری‌های هیدروژنی با چهار چالش فنی کلیدی مواجه است:
- هزینه،
- دوام،
- قابلیت اطمینان،
- عملکرد.
علاوه بر این، کمبود زیرساخت‌های مناسب نیز به‌عنوان یکی از موانع اصلی در راه تجاری‌سازی این فناوری‌ها مطرح است. برای اینکه هیدروژن بتواند به یک منبع انرژی گسترده و پایدار تبدیل شود، این فناوری‌ها باید از نظر هزینه چرخه عمر، عملکرد و دوام با فناوری‌های موجود رقابت کنند. همچنین، نیاز است که تأثیرات زیست‌محیطی آن‌ها به حداقل برسد.
علاوه بر چالش‌های فنی، موانع غیرفنی نیز باید برطرف شوند تا این فناوری بتواند جایگاه خود را در بازارهای بزرگ‌تر پیدا کند. به عنوان نمونه، توسعه و هماهنگ‌سازی استانداردها، ایجاد بهترین شیوه‌های ایمنی و تقویت زنجیره تأمین و نیروی کار متخصص از مسائل مهم در این بخش هستند. شناخت نیازها و چالش‌های سیستم‌های انرژی هیدروژنی به طور خلاصه در جدول زیر مورد بررسی قرار گرفته است.
نیازها و چالش‌های سیستم‌های انرژی هیدروژنی
| جنبه‌های کلیدی سیستم انرژی هیدروژنی | نیازها و چالش‌ها |
| تولید: هیدروژن از منابع مختلف مانند سوخت‌های فسیلی، انرژی هسته‌ای و انرژی‌های تجدیدپذیر تولید می‌شود. مسیرهای اصلی تولید هیدروژن شامل فرآیندهای ترموشیمیایی مانند اصلاح، گازی‌سازی، پیرولیز و الکترولیز آب است. هیدروژن می‌تواند به‌صورت متمرکز در مقیاس بزرگ یا در تأسیسات کوچک و نزدیک به محل مصرف تولید شود. |
|
| انتقال: هیدروژن یا به‌طور خالص یا توسط یک حامل شیمیایی از طریق خطوط لوله، مخازن فشاربالا یا کامیون تانکری مایع منتقل می‌شود. هیدروژن می‌تواند توسط کشتی یا راه‌آهن حمل شود. کاربردهای نهایی به میزان نرخ جریان، خلوص و هزینه متفاوتی نیاز دارند که این نیازها بر زیرساخت‌های سوخت‌رسانی تأثیر می‌گذارد. |
|
| ذخیره: هیدروژن ممکن است قبل از استفاده، در محل تولید، در طول انتقال یا در محل استفاده ذخیره شود. این ذخیره‌سازی یا به‌صورت فیزیکی (مخازن فشاربالا یا مایع) یا با روش‌های مبتنی بر مواد (ذخیره هیدروژن در ترکیبات شیمیایی) انجام می‌شود. ذخیره‌سازی در مقیاس بزرگ شامل زیرزمینی (غارها و معادن) نیز وجود دارد. |
|
| تبدیل: انرژی هیدروژن برای استفاده باید به الکتریسیته یا گرما تبدیل شود. این تبدیل از طریق پیل‌های سوختی (تبدیل الکتروشیمیایی) یا توربین‌ها و موتورهای احتراقی (تبدیل به گرما و کار) انجام می‌شود. سیستم‌های هیبریدی مانند سیکل‌های ترکیبی پیل سوختی و گاز طبیعی، راندمان بالاتری به همراه کاهش انتشار دارند. |
|
| کاربردهای نهایی و سیستم‌های انرژی یکپارچه: هیدروژن می‌تواند در حمل‌ونقل سنگین، تولید توان ایستگاهی، کاربردهای صنعتی و شیمیایی، یا به‌عنوان یک فعال‌کننده سیستم‌های انرژی یکپارچه استفاده شود. |
|
| زنجیره تولید و تأمین: فرآیندهای ساخت پیشرفته و زنجیره تأمین قوی برای هیدروژن، پیل سوختی و توربین‌های هیدروژنی می‌تواند به کاهش هزینه‌ها و تولید در مقیاس تجاری کمک کند. |
|
| ایمنی، کدها و استانداردها: کدها و استانداردهای فنی برای استقرار ایمن هیدروژن و فناوری‌های مرتبط لازم هستند. به اشتراک‌گذاری اطلاعات ایمنی و بهترین شیوه‌ها، اعتماد به تجاری‌سازی فناوری را افزایش می‌دهد و سرمایه‌گذاری را تشویق می‌کند. |
|
| آموزش و نیروی کار: نیروی کار ماهر می‌تواند به رشد صنایع مرتبط با هیدروژن کمک کند و از رقابت ملی حمایت کند. آموزش گسترده‌تر باعث افزایش اعتماد به استفاده ایمن از هیدروژن می‌شود. |
|
نقش ذخیره‌سازی انرژی در توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر
ضرورت ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر یکی از مشکلات عمده در توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر، عدم رشد قابل توجه سهم آن‌ها در سبد انرژی جهانی است. علاوه بر مسائل مربوط به هزینه، تجربه جهانی نشان می‌دهد که برای حل مشکلات فنی ناشی از نوسانات تولید انرژی‌های تجدیدپذیر، راهکاری اساسی نیاز است. برای نفوذ بیشتر این منابع در شبکه انرژی، لازم است که انرژی مازاد تولید شده در زمان‌های اوج تولید ذخیره شود و در زمان‌های نیاز مورد استفاده قرار گیرد.
انواع فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی در شکل زیر نشان داده شده است. برخی از این فناوری‌ها مانند ابرخازن‌ها، چرخ‌طیارها و ذخیره انرژی در میدان مغناطیسی ابررسانا (SMES) توانایی دشارژ سریع و در مدت زمان کوتاه (کمتر از یک ساعت) را دارند، اما توان تولیدی این فناوری‌ها معمولاً محدود به حداکثر 10 مگاوات است. در مقابل، فناوری‌هایی مانند ذخیره انرژی هوای فشرده (CAES)، ذخیره انرژی هیدروپمپ (PHES) و هیدروژن می‌توانند مقدار زیادی انرژی را برای مدت طولانی ذخیره و دشارژ کنند.
هیدروژن و آینده شبکه‌های انرژی
هیدروژن به‌عنوان پل ارتباطی میان شبکه‌های انرژی در چنین ساختاری، هیدروژن به‌عنوان یک حامل انرژی جدید با قابلیت ارتباط میان شبکه‌های برق، حمل و نقل و حرارت ظاهر می‌شود. همان‌طور که در این مقاله اشاره شده است، ساختار شبکه انرژی مبتنی بر هیدروژن با چالش‌های متعددی در بخش‌های تولید، ذخیره‌سازی، انتقال، توزیع و کاربرد نهایی روبه‌رو است.
روش‌های مختلف تولید هیدروژن از منظر بلوغ فناوری، بازدهی، منبع انرژی و مواد اولیه در جدول زیر مقایسه شده‌اند. برخی از این روش‌ها هنوز در مرحله پژوهش هستند و توضیحات تکمیلی برای جلوگیری از طولانی شدن بحث ذکر نشده‌اند.
مقایسه روش‌های تولید هیدروژن
| تکنولوژی | منبع انرژی | ماده اولیه | بازدهی (%) | بلوغ |
| اصلاح بخار | حرارت | هیدروکربن‌ها | 70 تا 85 الف | تجاری |
| اکسیداسیون جزئی | حرارت | هیدروکربن‌ها | 60 تا 75 الف | تجاری |
| اصلاح خودگرمایی | حرارت | هیدروکربن‌ها | 60 تا 75 الف | تجاری‌سازی در کوتاه‌مدت |
| اصلاح پلاسمایی | الکتریسیته | هیدروکربن‌ها | 9 تا 85 ب | تجاری‌سازی در بلندمدت |
| اصلاح فاز محلول آبی | حرارت | کربوهیدرات‌ها | 35 تا 55 الف | تجاری‌سازی در میان‌مدت |
| اصلاح آمونیاک | حرارت | آمونیاک | – ج | تجاری‌سازی در کوتاه‌مدت |
| گازی‌سازی زیست‌توده | حرارت | زیست‌توده | 30 تا 50 الف | تجاری |
| فتولیز | خورشید | آب | 0.5 د | تجاری‌سازی در بلندمدت |
| تخمیر تاریک | بیوشیمی | زیست‌توده | 60 تا 80 ه | تجاری‌سازی در بلندمدت |
| تخمیر فتونی | خورشید | زیست‌توده | 0.1 و | تجاری‌سازی در بلندمدت |
| سلول الکترولیز میکروبی | الکتریسیته | زیست‌توده | 78 ز | تجاری‌سازی در بلندمدت |
| الکترولایزر قلیایی | الکتریسیته | آب | 50 تا 60 ح | تجاری |
| الکتروالایزر غشاء پلیمری | الکتریسیته | آب | 55 تا 70 ح | تجاری |
| الکترولایزر اکسید جامد | الکتریسیته+حرارت | آب | 40 تا 60 ط | تجاری‌سازی در میان‌مدت |
| شکافت ترموشیمیایی آب | حرارت | آب | – ج | تجاری‌سازی در بلندمدت |
| شکافت فتوترموشیمیایی آب | خورشید | آب | 12.4 د | تجاری‌سازی در بلندمدت |
توضیحات جدول: الف: بازدهی حرارتی براساس ارزش بالای حرارتی، ب: براساس رابطه بازدهی در مقاله مرجع، ج: ناموجود، د: انرژی خورشیدی به هیدروژن توسط شکافت آب بدون خالص‌سازی هیدروژن، ه: درصد 4 مول هیدروژن به مول گلوکز، و: انرژی خورشیدی به هیدروژن از طریق مواد آلی بدون خالص‌سازی هیدروژن، ز: بهره‌وری کلی انرژی شامل ولتاژ و انرژی اعمال شده بر زیرلایه بدون خالص‌سازی هیدروژن، ح: ارزش حرارتی پایین هیدروژن تولید شده تقسیم بر انرژی الکتریکی اعمالی، ط: بازدهی الکترولیز دمابالا وابسته به دمای عملکردی الکترولایزر و بازدهی حرارتی منبع انرژی حرارتی است، اگر انرژی حرارتی ورودی نادیده گرفته شود بازدهی تا 90% گزارش شده است.
چالش‌های ذخیره‌سازی، انتقال و توزیع هیدروژن
مقایسه روش‌های ذخیره‌سازی ذخیره‌سازی هیدروژن یکی از مسائل اساسی در استفاده از آن به‌عنوان منبع انرژی است. روش‌های مختلف ذخیره‌سازی هیدروژن از لحاظ چگالی انرژی حجمی و وزنی، دمای ذخیره‌سازی، فشار مخزن و بلوغ فناوری در جدول زیر مقایسه شده‌اند. این جدول به‌خوبی نشان می‌دهد که هرکدام از روش‌های ذخیره‌سازی دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و انتخاب مناسب بسته به شرایط خاص سیستم انرژی هیدروژنی خواهد بود.
مقایسه روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن
| روش | حدود چگالی انرژی وزنی (درصد وزنی) | حدود چگالی انرژی حجمی (MJ/L) | دما (K) | فشار (bar) | بلوغ |
| گاز فشرده | 5.7 | 4.9 | 293 | 700 | بالغ |
| هیدروژن مایع | 5.7 | 6.4 | 20 | 0 | بالغ |
| هیدریدهای فلزی | 6.7 | 13.2 | 260 تا 425 | 20 | تجاری‌سازی در کوتاه‌مدت |
| بروهیدریدهای فلزی | 14.9 تا 18.5 | 9.8 تا 17.6 | 130 | 105 | تجاری‌سازی در کوتاه‌مدت |
| ذخیره‌سازی شیمیایی | 15.5 | 11.5 | 298 | 10 | تجاری‌سازی در میان‌مدت |
| جذب فیزیکی در کربن | 2 | 5 | 298 | 100 | تجاری‌سازی در میان‌مدت |
روش‌های انتقال و توزیع هیدروژن انتقال و توزیع هیدروژن نیز یک چالش کلیدی است. این روش‌ها از نظر فناوری بالغ هستند اما همچنان در حال بهینه‌سازی و توسعه قرار دارند. در این زمینه، مسافت انتقال و کاربرد نهایی از عوامل تعیین‌کننده در انتخاب روش مناسب انتقال و توزیع هیدروژن هستند، نه بلوغ فناوری.
کاربرد نهایی هیدروژن در تولید انرژی
تکنولوژی‌های مرتبط با استفاده از هیدروژن برای تولید انرژی نیز از نظر بازدهی در جدول زیر مقایسه شده‌اند. این جدول نشان می‌دهد که در صورت استفاده هم‌زمان از برق و حرارت تولیدی، میزان بازدهی این فناوری‌ها می‌تواند بهبود یابد. این موضوع اهمیت بالایی در بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های انرژی هیدروژنی دارد.
مقایسه تکنولوژی‌های کاربرد هیدروژن
| فناوری | بازدهی | بلوغ |
| پیل سوختی قلیایی | 50% | تجاری |
| پیل سوختی غشاءپلیمری ایستگاهی | 32-49% | تجاری |
| پیل سوختی غشاءپلیمری برای کاربرد متحرک | تا 60% | تجاری |
| پیل سوختی اکسید جامد | 50 تا 70% | در حال اثبات |
| پیل سوختی اسید فسفریک | 30 تا 40% | بالغ |
| پیل سوختی کربن مذاب | بیش از 60% | بازار اولیه |
| توربین‌های گازی مخلوط هیدروژن (20%) و گاز طبیعی | 30 تا 65% | تجاری |
| توربین‌های گازی مخلوط هیدروژن (30% و بالاتر) و گاز طبیعی | – | تجاری‌سازی در کوتاه‌مدت |
| توربین‌های گازی هیدروژن خالص | – | تجاری‌سازی در بلندمدت |
جمع‌بندی
هیدروژن با قابلیت‌های بی‌نظیر خود به عنوان یک حامل انرژی، توانایی دارد که نقش کلیدی در گذار انرژی و تحول شبکه‌های انرژی ایفا کند. با این حال، برای دستیابی به این هدف، لازم است نیازها و چالش‌ها به دقت بررسی شوند. چالش‌های فنی مانند هزینه، دوام، و قابلیت اطمینان این فناوری‌ها باید حل شوند و زیرساخت‌های لازم برای تولید، ذخیره‌سازی، انتقال و توزیع هیدروژن باید توسعه یابد. همچنین، توجه به مسائل غیرفنی نظیر استانداردسازی و ایجاد زنجیره تأمین قوی، برای حمایت از این فناوری ضروری است.
استفاده از هیدروژن نه تنها می‌تواند به حل مشکلات ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر کمک کند، بلکه امکان اتصال میان شبکه‌های برق، حمل و نقل و حرارت را نیز فراهم می‌کند. با پیشرفت‌های بیشتر در زمینه بهینه‌سازی فناوری‌های مرتبط، هیدروژن می‌تواند به یکی از مهم‌ترین منابع انرژی پاک در آینده تبدیل شود و به طور مؤثری به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند.
