تاریخچه مایع‌سازی صنعتی هیدروژن: از آغاز تا امروز

زمان مطالعه: 5 دقیقه

تاریخچه مایع‌سازی هیدروژن

اولین قدم‌ها در مایع‌سازی هیدروژن به اوایل قرن بیستم برمی‌گردد. در سال 1904، اولین مایع‌سازی هیدروژن با استفاده از دستگاه مایع‌ساز دووار در ایالات متحده انجام شد. این دستاورد در نمایشگاه جهانی لوئیس به نمایش گذاشته شد و سپس توسط اداره ملی استاندارد ایالات متحده (NBS) خریداری شد. با گذشت زمان و پیشرفت فناوری، در سال 1952، ایالات متحده با ساخت یک کارخانه مایع‌ساز هیدروژن جدید در تاسیسات NBS در بولدر، مسیر نوینی را در این عرصه آغاز کرد. این کارخانه توانایی تولید 320 لیتر هیدروژن مایع در ساعت داشت و با افزودن مبدل ارتو-پارا در سال 1953، امکان تولید هیدروژن مایع پارا با درصد خلوص 90 تا 95 درصد فراهم شد. کارخانه‌های صنعتی مایع‌سازی هیدروژن در سراسر جهان درجدول زیر لیست شده است.

کارخانه های مایع سازی هیدروژنی جهان به ترتیب تاریخ

کشور	محل	صاحب	اندازه (تن در روز)	سال تاسیس	درحال کار
آمریکا	کلرادو	NBS	0.5	1952	–
آمریکا	اوهایو	Air Products and Chemicals, Inc.	1	1956	–
آمریکا	پینزویل	Air Products	3	1957	خیر
آمریکا	وست پالم بیچ	Air Products	3.2	1957	خیر
آمریکا	فلوریدا	APCI	3.5	1957	–
آمریکا	کالیفورنیا	Stearns-Roger Mfg. Co	1.5	1957	–
آمریکا	فلوریدا	APCI	30	1958	–
آمریکا	وست پالم بیچ	Air Products	27	1959	خیر
آمریکا	میسیسیپی	Air Products	32.7	1960	خیر
آمریکا	کالیفورنیا	Stearns-Roger Mfg. Co	7	1960	–
آمریکا	انتاریو، کانادا	Praxair	20	1962	بله
آمریکا	کالیفورنیا	Stearns-Roger Mfg. Co	26	1962	–
آمریکا	کالیفورنیا	APCI	32.5	1963	–
آمریکا	ساکرامنتو	Union Carbide	54	1964	خیر
آمریکا	نیو اورلئان	APCI	34	1977	بله
آمریکا	نیو اورلئان	APCI	34	1978	بله
ژاپن	آماگاساکی	Iwatani	1.2	1978	خیر
آمریکا	نیویورک	Praxair	18	1981	بله
کانادا	سارنیا آنتاریو	APCI	30	1982	بله
ژاپن	تاشیرو	MHI	0.6	1984	خیر
ژاپن	آکیتاپرفکچر	Tashiro	0.7	1985	بله
آمریکا	ساکرامنتو	APCI	6	1986	بله
ژاپن	تانگاشیما	Japan Liquid Hydrogen	1.4	1986	بله
ژاپن	ایتا	Pacific Hydrogen	1.9	1986	–
کانادا	مونترئال	Air Liquide	10	1986	بله
هلند	رزنبرگ	APCI	5	1987	بله
فرانسه	لیل	Air Liquide	10	1987	بله
ژاپن	مینامیتان	Japan Liquid Hydrogen	2.2	1987	بله
کانادا	کبک	Air Liquide	12	1988	بله
آمریکا	نیویورک	Praxair	18	1989	بله
کانادا	کبک	BOC	15	1989	بله
گویان فرانسه	کورو	Air Liquide	5	1990	بله
کانادا	مونترئال	BOC	14	1990	بله
آلمان	اینگولشتات	Linde	4.4	1991	بله
هند	ماهندراگیری	ISRO	0.3	1992	بله
آمریکا	فلوریدا	APCI	30	1994	بله
آمریکا	آلاباما	Praxair	24	1995	بله
چین	بیجینگ	CALT	0.6	1995	بله
آمریکا	ایست شیکاگو	Praxair	30	1997	بله
ژاپن	کیمیتسو	Air Products	0.3	2003	بله
هند	ساگوندا	Andhra Sugars	1.2	2004	بله
ژاپن	ازاکا	Iwatani	11.3	2006	بله
آلمان	لئونا	Linde	5	2008	بله
ژاپن	توکیو	Iwatani	10	2008	بله
هند	هند	Asiatic Oxygen	1.2	–	بله
آمریکا	کالیفورنیا	Stearns-Roger Mfg. Co.	62.5	–	–
آمریکا	نیوجرسی	Air reduction Sales Co	6	–	–
آمریکا	اوهایو	Praxair	–	–	خیر

گسترش ظرفیت‌ها در ایالات متحده

دومین کارخانه مایع‌سازی هیدروژن با مقیاس بزرگ در سال 1957 تحت نظارت نیروی هوایی ایالات متحده در اوهایو احداث شد و سومین کارخانه نیز در سال 1958 به بهره‌برداری رسید. این کارخانه که توسط وزارت دفاع ایالات متحده ساخته شده بود، مشابه کارخانه NBS بود اما میزان تولید آن همچنان به عنوان اطلاعات طبقه‌بندی شده باقی مانده است. هیدروژن مورد نیاز این کارخانه از گازهای پسماند پالایشگاهی تأمین می‌شد.

با این حال، با گذشت زمان، از سال 1957 تا 1997 چندین نیروگاه هیدروژن بزرگ در آمریکا ساخته شدند، اما از سال 1997 تا امروز، هیچ کارخانه جدیدی گزارش نشده است. نکته مهم این است که ظرفیت تولید هیدروژن مایع فعلی بیش از نیاز بازار است.

پژوهش‌ها و فرآیندهای جدید در مایع‌سازی هیدروژن

از سال 1958 تا 1998، ظرفیت کارخانه‌های مایع‌سازی هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت. با این حال، اطلاعاتی درباره میزان مصرف برق این کارخانه‌ها ارائه نشده است. در ژاپن، در چارچوب پروژه WE-NET، چهار فرآیند مختلف برای مایع‌سازی هیدروژن شامل چرخه‌های هیدروژن، هلیوم، مبرد مخلوط و نئون ژول-برایتون با پیش‌سرمایش نیتروژن مایع مورد بررسی قرار گرفت. براساس ارزیابی‌ها، چرخه کلود هیدروژن با مصرف انرژی ویژه 7.9 کیلووات ساعت برای هر کیلوگرم هیدروژن مایع به عنوان بهینه‌ترین گزینه معرفی شد. البته این فرآیند همچنان در مرحله مفهومی قرار دارد و به صورت صنعتی اجرا نشده است.

مدل 3بعدی سیستم‌های مایع‌سازی هیدروژن با ظرفیت 10 تن در روز با قطر 3 متر و ارتفاع 10 متر و دمای عملیاتی 300 تا 20 کلوین

توسعه ظرفیت‌ها در چین

در دهه 1970، سه کارخانه مایع‌سازی هیدروژن در چین با ظرفیت‌های 100، 400 و 750 دسی‌متر مکعب بر ساعت ساخته شد. این کارخانه‌ها با هدف پشتیبانی از توسعه وسایل نقلیه موشکی جدید کشور طراحی شده‌اند. اما اطلاعات دقیق‌تری در مورد این پروژه‌ها گزارش نشده است.

مصرف انرژی در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن

ن در ایالات متحده، کارخانه‌های تولید هیدروژن مایع پرکس ایر، به طور متوسط، 12.5 تا 15 کیلووات ساعت برق برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن مایع مصرف می‌کنند. در آلمان نیز کارخانه بزرگ‌مقیاس لیند اینگولشتات، که از فرآیند کلود با پیش‌سرمایش نیتروژن مایع استفاده می‌کند، میزان مصرفی بین 13 تا 15 کیلووات ساعت الکتریکی برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن مایع دارد. ظرفیت این کارخانه 4.4 تن در روز است. جزییات مصرف انرژی ویژه سایر کارخانه‌های بزرگ‌مقیاس هنوز گزارش نشده، اما میزان بازدهی اگزرژی کارخانه‌ها در جدول زیر آورده شده است.

میزان انرژی ویژه مصرفی کارخانه‌های بزرگ‌مقیاس تولید هیدروژن که در منابع گزارش شده است

سیستم مایع‌سازی هیدروژن	انرژی ویژه مصرفی (kWh/kg)	بازدهی اگزرژی (%)
کارخانه پراکس ایر	12.5 تا 15	19.3 تا 23.1
کارخانه اینگولشتات	13.58	21.2
کارخانه اینگولشتات	13	22.2
کارخانه اینگولشتات	15	19.3

مصرف انرژی ویژه برای مایع‌سازی هیدروژن

فرآیند مایع‌سازی هیدروژن از نظر تئوری نیاز به حداقل 7.2 کیلووات ساعت الکتریکی برای هر کیلوگرم هیدروژن دارد، در حالی که فشار ورودی آن 2.5 مگاپاسکال است. اما در عمل، این مقدار به حدود 10 کیلووات ساعت الکتریکی برای هر کیلوگرم هیدروژن افزایش می‌یابد. با بهینه‌سازی فرآیندها، می‌توان این مقدار را تا 6 کیلووات ساعت الکتریکی کاهش داد. یکی از دلایل اصلی این مصرف انرژی بالا، دمای بسیار پایین جوش هیدروژن است که فرآیند مایع‌سازی آن را پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر می‌کند.

از آنجا که هیدروژن در دماهای بالاتر از 73- درجه سانتی‌گراد نمی‌تواند به‌طور مستقیم از طریق انبساط آدیاباتیک خنک شود، نیاز به پیش‌سرمایش وجود دارد. این پیش‌سرمایش باعث افزایش مصرف انرژی می‌شود. اگرچه با استفاده از یکپارچه‌سازی و بهبود فرآیند می‌توان مصرف انرژی را کاهش داد، اما هزینه سرمایه مورد نیاز برای مایع‌سازی هم‌چنان یک عامل بازدارنده بزرگ است. در واقع، هزینه سرمایه برای مایع‌سازی هیدروژن ممکن است 40 تا 50 درصد کل هزینه فرآیند را تشکیل دهد.

پژوهش‌ها و بهینه‌سازی‌های جدید در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن

در تلاش برای کاهش مصرف انرژی، تحقیقات گسترده‌ای انجام شده است. به عنوان مثال، شیمکو و گاردینر (2007) کارخانه‌ای بزرگ با ظرفیت 50 تن در روز را مدل‌سازی کردند که با استفاده از پیش‌سرمایش هلیوم و چهار بستر کاتالیست ارتو-پارا، به مصرف انرژی ویژه 8.73 کیلووات ساعت الکتریکی برای هر کیلوگرم هیدروژن مایع دست یافتند.

ژانگ و لیو (2010) ترکیب چرخه پیش‌سرمایش کلود با چرخه تبرید ژول-برایتون را مورد بررسی قرار دادند و به مصرف انرژی ویژه 5.85 کیلووات ساعت الکتریکی برای هر کیلوگرم هیدروژن مایع رسیدند. این نتایج نشان‌دهنده پیشرفت‌های چشمگیری در بهبود مصرف انرژی در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن است.

در مطالعه دیگری، یک سیستم مایع‌سازی هیدروژن با استفاده از پیش‌سرمایش مبردهای مخلوط و چهار چرخه تبرید آبشاری ژول-برایتون طراحی شد که مصرف انرژی ویژه 5.35 کیلووات ساعت الکتریکی برای هر کیلوگرم هیدروژن مایع را نشان داد.

ماتسودا و ناگامی (2012) فرآیند کلود با پیش‌سرمایش ژول-برایتون را با استفاده از چهار مبرد مختلف ارزیابی کردند و دریافتند که نئون با پمپ سرد کم‌ترین مصرف انرژی ویژه (8.49 کیلووات ساعت الکتریکی برای هر کیلوگرم هیدروژن مایع) را دارد.

کواک و همکاران (2015) فرآیند کلود با پیش‌سرمایش اتان-پروپان چرخه ژول-برایتون را با استفاده از هلیوم-نئون به‌عنوان مبرد در ماژول برودتی توسعه دادند. این سیستم موفق به دستیابی به مصرف انرژی ویژه 5 کیلووات ساعت الکتریکی برای هر کیلوگرم هیدروژن مایع شد که از پایین‌ترین میزان‌های گزارش شده در این حوزه است.

جمع‌بندی

با توجه به پیشرفت‌های قابل توجهی که در فرآیند مایع‌سازی هیدروژن به‌دست آمده، مصرف انرژی ویژه این فرآیند به مرور زمان کاهش یافته است. این کاهش مصرف انرژی به‌طور مستقیم بر هزینه تولید هیدروژن مایع تأثیر می‌گذارد و آن را به‌صرفه‌تر می‌کند. با این حال، همچنان نیاز به تلاش‌های بیشتری برای بهینه‌سازی فرآیند مایع‌سازی و کاهش هزینه‌های مرتبط با سرمایه‌گذاری در این فناوری وجود دارد. پیشرفت‌های آتی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای می‌تواند نقش کلیدی در گسترش استفاده از هیدروژن به‌عنوان منبع انرژی پاک و پایدار داشته باشد.