با رشد نیاز به منابع انرژی پایدار و جایگزین‌های سوخت‌های فسیلی، هیدروژن به عنوان یکی از راه‌حل‌های کلیدی برای کاهش انتشار کربن مطرح شده است. با این حال، یکی از چالش‌های اصلی در زنجیره تأمین هیدروژن، انتقال آن به شکل ایمن و اقتصادی است. یکی از روش‌های کارآمد برای حمل هیدروژن، استفاده از تانکرهای هیدروژن مایع است. این شیوه حمل‌ونقل به‌ویژه برای انتقال در فواصل طولانی و بازارهای بین‌المللی به‌کار می‌رود و می‌تواند نقش مهمی در توزیع این سوخت پاک ایفا کند.
استفاده از تانکرهای حمل هیدروژن مایع
تانکرهای حمل هیدروژن مایع به‌منظور جابجایی مقادیر قابل توجهی از هیدروژن، در مناطقی که استفاده از خطوط لوله امکان‌پذیر یا اقتصادی نیست، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تانکرها به‌ویژه در مواردی که فواصل طولانی انتقال مدنظر باشد، کاربرد دارند. همچنین، مخازن مایع نصب شده روی کشتی‌های دریایی برای حمل‌ونقل بین‌المللی هیدروژن کم‌کربن به‌عنوان بخشی از بازارهای صادراتی در حال توسعه به‌کار گرفته می‌شوند. نکته مهم این است که تانکرهای هیدروژن مایع قابلیت حمل بیش از پنج برابر حجم هیدروژن نسبت به تریلرهای گازی را دارند، که این موضوع بهره‌وری را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد.
در مواردی که نیاز به هیدروژن خالص و بدون آلودگی است، از هیدروژن مایع استفاده می‌شود، زیرا خطر آلودگی در حالت مایع بسیار کمتر از حالت گازی است. با این وجود، مایع‌سازی هیدروژن نیازمند مصرف انرژی است؛ به‌طوری‌که میزان انرژی مورد نیاز برای این فرایند حدود 35 درصد از محتوای انرژی هیدروژن مایع را مصرف می‌کند.
هیدروژن مایع از طریق سه روش اصلی قابل حمل است: جاده‌ای، ریلی و دریایی. حمل‌ونقل جاده‌ای بیشتر برای فواصل کوتاه تا متوسط، داخلی یا بین‌المللی به‌کار می‌رود. در حالی که حمل‌ونقل ریلی و دریایی بیشتر برای مسافت‌های طولانی‌تر و انتقال‌های بین‌المللی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مقیاس بزرگ، محموله‌های هیدروژن مایع می‌توانند بین 4 هزار تا 10 هزار تن در هر بار حمل شوند.
برای حمل‌ونقل دریایی، از تانکرهای بزرگ با حجم کل بیش از 10 هزار متر مکعب استفاده می‌شود. حمل‌ونقل جاده‌ای با تریلرهایی که حجم مخازن آن‌ها بین 30 تا 60 متر مکعب است، امکان‌پذیر است و هر مخزن می‌تواند بین 2100 تا 4200 کیلوگرم هیدروژن مایع حمل کند. همچنین، حمل ریلی با کانتینرهای بزرگ‌تر (115 متر مکعب) که ظرفیت جابجایی حدود 8 هزار کیلوگرم هیدروژن را دارند، صورت می‌گیرد.
چالش‌های انتقال هیدروژن مایع
یکی از چالش‌های عمده در حمل هیدروژن مایع، تلفات جوشش آن است. میزان تلفات ناشی از جوشش در تانکرها بین 0.3 تا 0.6 درصد در روز متغیر است. علاوه بر این، هنگامی که هیدروژن مایع از تانکر به مخزن ذخیره منتقل می‌شود، جوشش اضافی نیز ممکن است رخ دهد. فشار پایین‌تر در مقایسه با فشار بالاتر هنگام انتقال هیدروژن باعث کاهش تلفات می‌شود، زیرا انتقال در فشار بالا می‌تواند به تلفات 10 تا 20 درصدی یا حتی بیشتر منجر شود. این مسئله به دلیل تبخیر سریع در طی فرایند انتقال از فشار بالا به پایین است.
همچنین، یکی دیگر از چالش‌ها، تبخیر هیدروژن در حین انتقال از تانکر به مخزن ذخیره است که به دلیل اختلاف دمای زیاد بین هیدروژن مایع، خطوط لوله و مخزن ذخیره رخ می‌دهد. برای جلوگیری از یخ‌زدگی خطوط لوله، پیش‌سرمایش با نیتروژن مایع توصیه نمی‌شود، زیرا نیتروژن ممکن است در خطوط لوله یخ بزند و مشکلات بیشتری ایجاد کند.
عایق‌سازی و جلوگیری از تبخیر هیدروژن مایع
انتقال هیدروژن مایع به دلیل ویژگی‌های فیزیکی خاص آن، نیازمند رعایت استانداردهای ویژه‌ای برای ایمنی است. برای کاهش تلفات ناشی از تبخیر و جلوگیری از تشکیل هوای مایع که می‌تواند به غنی‌سازی اکسیژن منجر شود، این انتقال باید در یک سیستم عایق خلاء انجام شود. این سیستم عایق علاوه بر کاهش تلفات تبخیری، از بروز خطرات جدی مانند ترکیب قابل انفجار هیدروژن و اکسیژن نیز جلوگیری می‌کند.
سیستم بسته و تخلیه با گاز هلیوم
انتقال هیدروژن مایع باید در یک سیستم بسته با تجهیزات ایمنی مناسب انجام شود تا از تشکیل جو قابل اشتعال یا انفجاری جلوگیری شود. برای تخلیه و تصفیه هیدروژن مایع، از گاز هلیوم استفاده می‌شود. این انتخاب به این دلیل است که هلیوم دارای دمای جوش پایین‌تری نسبت به هیدروژن است، بنابراین از انجماد هیدروژن جلوگیری می‌کند و فرآیند انتقال ایمن‌تر و کارآمدتر می‌شود. با این حال، به دلیل هزینه بالای هلیوم، استفاده از آن ممکن است محدودیت‌هایی را ایجاد کند.
ایمنی در تاسیسات و ایستگاه‌های سوخت‌گیری
یکی دیگر از الزامات مهم در فرآیند انتقال هیدروژن مایع، ایمنی دستگاه‌ها و تاسیسات انتقال است. این تاسیسات باید علاوه بر عایق‌سازی، به‌درستی زمین شده باشند. در سایت‌های توزیع مصرف‌کننده و به‌ویژه ایستگاه‌های سوخت‌گیری، نیاز به تضمین ایمنی در تمام مراحل ذخیره‌سازی و تحویل هیدروژن وجود دارد. دمای بسیار پایین هیدروژن مایع یکی از عوامل اصلی خطر در این ایستگاه‌ها است که باید مورد توجه قرار گیرد. شکل زیر طرح‌واره‌ای از یک ایستگاه سوخت‌گیری معمولی با تحویل هیدروژن مایع را نشان می‌دهد. این شکل بیانگر نحوه تحویل هیدروژن مایع و فرآیند ذخیره‌سازی و فشرده‌سازی آن در مخازن است.
ریسک‌های دما، فشار و حجم در انتقال هیدروژن مایع
به دلیل دمای پایین هیدروژن مایع، چندین نوع ریسک در زمان استفاده از آن وجود دارد. افزایش فشار بیش از حد در محفظه‌های ذخیره‌سازی و پر شدن بیش از حد مخازن از جمله این ریسک‌ها هستند. این وضعیت‌ها معمولاً هنگامی رخ می‌دهند که محفظه‌ها در معرض دماهای محیطی بالاتر قرار می‌گیرند یا زمانی که دمای محیط به‌طور ناگهانی افزایش می‌یابد. در این شرایط، فشار داخل محفظه‌ها ممکن است به سطحی بیشتر از فشار عملیاتی برسد، که خطر انفجار یا آسیب به مخازن را افزایش می‌دهد.
از سوی دیگر، گرمای بیش از حد نیز می‌تواند زمانی که دمای محیط بالا و فشار باقیمانده در ظرف کم است، رخ دهد. این شرایط می‌تواند منجر به تغییرات شدید در ساختار هیدروژن و افزایش خطرات ایمنی شود.
تشخیص نشت هیدروژن و نقش سنسورها
برای افزایش ایمنی در ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن، از سنسورهای ویژه‌ای برای تشخیص نشت هیدروژن استفاده می‌شود. این سنسورها در مکان‌های مختلف نصب می‌شوند تا هرگونه نشتی را به سرعت شناسایی کرده و از بروز خطرات احتمالی جلوگیری کنند. استفاده از این سنسورها به کاهش خطرات ناشی از نشت هیدروژن کمک شایانی می‌کند و ایمنی کلی سیستم را تضمین می‌کند.
فرآیند سوخت‌گیری هیدروژن مایع در ایستگاه‌های سوخت‌گیری
در ایستگاه‌های سوخت‌گیری، معمولاً از هیدروژن گازی فشرده برای ذخیره‌سازی و تحویل استفاده می‌شود. اما تعداد محدودی از ایستگاه‌ها هستند که از هیدروژن مایع بهره می‌برند. در این ایستگاه‌ها، هیدروژن مایع از طریق تریلرهای مخصوص تحویل داده شده و به مخازن ذخیره هیدروژن مایع منتقل می‌شود. طی این فرآیند، هم گاز ناشی از جوشش و هم هیدروژن مایع به‌طور همزمان به کار گرفته می‌شوند و پس از تبخیر و فشرده‌سازی به مخازن هیدروژن فشرده منتقل می‌شوند. این فرآیند ترکیبی، کارایی بالایی در استفاده از منابع هیدروژنی به‌دنبال دارد.
پاکسازی تجهیزات و مخازن از هیدروژن مایع بسیار مهم است تا از تشکیل مخلوط‌های قابل اشتعال جلوگیری شود. هلیوم، به دلیل دمای جوش پایین‌تر نسبت به هیدروژن، به‌عنوان یک ماده ایده‌آل برای تخلیه و پاکسازی مخازن به کار می‌رود. هرچند که استفاده از هلیوم به‌دلیل هزینه بالا، به‌صرفه نیست، اما یکی از روش‌های کارآمد در این زمینه به‌شمار می‌رود. همچنین، می‌توان از نیتروژن برای تخلیه هیدروژن استفاده کرد، اما این کار باید به‌دقت انجام شود تا ابتدا نیتروژن تخلیه شده و سپس هیدروژن به‌طور کامل از سیستم حذف شود.
جمع‌بندی
انتقال هیدروژن مایع به عنوان یکی از چالش‌های مهم در زنجیره تأمین هیدروژن، نیازمند رعایت دقیق اصول ایمنی و بهره‌گیری از تکنولوژی‌های پیشرفته است. این روش حمل، به دلیل قابلیت ذخیره حجم بالای هیدروژن و خطرات کمتر در مقایسه با حالت گازی، به‌ویژه برای انتقالات بین‌المللی و فواصل طولانی استفاده می‌شود. عایق‌سازی مناسب، استفاده از سیستم‌های بسته، و بهره‌گیری از گاز هلیوم برای تخلیه و تصفیه، از جمله اقداماتی است که برای جلوگیری از تبخیر و کاهش خطرات انفجاری به‌کار گرفته می‌شود.
در فرایند حمل و نقل و سوخت‌گیری، مواردی چون ریسک فشار بیش از حد، پر شدن بیش از حد مخازن، و افزایش دما باید به‌دقت مدیریت شود. استفاده از سنسورهای تشخیص نشت هیدروژن و روش‌های پاکسازی دقیق با گازهایی مانند هلیوم یا نیتروژن نیز به افزایش ایمنی کمک می‌کند. در نهایت، این تدابیر نه تنها از بروز حوادث جلوگیری می‌کنند، بلکه بهره‌وری انتقال و استفاده از هیدروژن مایع را نیز بهبود می‌بخشند، و آن را به یکی از گزینه‌های کلیدی در توسعه زیرساخت‌های انرژی پاک و کاهش انتشار کربن تبدیل می‌کنند.
