با افزایش نگرانی‌ها درباره تغییرات اقلیمی و نیاز به کاهش انتشار کربن، یافتن راهکارهای موثر برای کربن‌زدایی بخش‌های مختلف اقتصاد به یکی از اولویت‌های جهانی تبدیل شده است. بخش ساختمان‌ها، با سهم بالای خود در مصرف انرژی و انتشار کربن‌دی‌اکسید، به ویژه در زمینه گرمایش فضا و آب، نیازمند توجه و اقدامات جدی برای دستیابی به اهداف کربن‌زدایی است. در این راستا، استفاده از هیدروژن و پیل‌های سوختی به‌عنوان منابع انرژی نوین و پاک، پتانسیل‌های قابل توجهی برای کاهش اثرات محیط زیستی این بخش دارد. این مقاله به بررسی کاربردهای هیدروژن در ساختمان‌ها، از جمله فناوری‌های متنوعی مانند دیگ‌های هیدروژنی، پیل‌های سوختی و پمپ‌های حرارتی پرداخته و چالش‌ها و فرصت‌های موجود در مسیر پیاده‌سازی این فناوری‌ها را تحلیل می‌کند. همچنین، به بررسی پروژه‌های جهانی در زمینه ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی و تلاش‌های بین‌المللی در ایجاد شبکه‌های اختصاصی هیدروژن پرداخته شده است.
ساختمان‌ها: ظرفیت‌ها و چالش‌های کاربرد هیدروژن و پیل‌های سوختی
گرمایش فضا و آب در ساختمان‌ها سهم عمده‌ای در مصرف انرژی و انتشار کربن‌دی‌اکسید دارند؛ به طوری که حدود 55 درصد از انرژی مصرفی و سه‌چهارم گیگاتن انتشار کربن‌دی‌اکسید مربوط به ساختمان‌هاست. این مسئله در مناطقی با آب‌وهوای بسیار سرد، مانند روسیه و منطقه خزر، بیشتر نمود پیدا می‌کند، به طوری که نیاز به گرمایش در این مناطق می‌تواند بیش از 80 درصد از کل تقاضای انرژی ساختمان‌ها را تشکیل دهد. برای کربن‌زدایی در این بخش، بهبود عملکرد حرارتی پوشش‌های ساختمان و یکپارچه‌سازی تجهیزات کارآمد در دمای پایین از اولویت‌های اصلی هستند. در حال حاضر، فناوری‌هایی مانند پمپ‌های حرارتی و استفاده از انرژی پاک منطقه‌ای به عنوان گزینه‌های موثر در گرمایش کارآمد ساختمان‌ها مطرح‌اند.
محدودیت‌های استفاده از هیدروژن در گرمایش ساختمان‌ها
چشم‌انداز کاربرد هیدروژن در سیستم‌های گرمایشی ساختمان‌ها به دلیل تلفات انرژی در فرآیند تبدیل و انتقال آن محدود است. راه‌حل‌های مبتنی بر الکتریسیته، مانند پمپ‌های حرارتی فتوولتاییک، به دلیل بازدهی بالاتر، گزینه‌های اقتصادی‌تر و کارآمدتری نسبت به دیگ‌های بخار هیدروژنی هستند. به عنوان مثال، این پمپ‌ها تا 5 تا 6 برابر کمتر از دیگ بخار هیدروژنی الکترولیتی برق مصرف می‌کنند (شکل زیر). علاوه بر این، تامین ایمنی عملکرد و تبدیل زیرساخت‌های گاز موجود نیز به سرمایه‌گذاری‌های هنگفت و همچنین پذیرش اجتماعی نیاز دارد که آن را به یک فرآیند پیچیده تبدیل می‌کند.
چالش‌های کربن‌زدایی ساختمان‌های چندخانواری و مناطق سردسیر
کربن‌زدایی ساختمان‌های چندخانواری قدیمی و مناطق با آب‌وهوای بسیار سرد، به دلیل محدودیت‌های مرتبط با فضای موجود، طراحی سیستم انرژی و عملکرد کلی ساختمان‌ها بسیار چالش‌برانگیز است. در این شرایط، اجرای راه‌حل‌های کارآمد در دماهای پایین علاوه بر هزینه‌های لجستیکی و اقتصادی، به فاکتورهایی چون دسترسی به فضا و تطابق سیستم‌های گرمایشی وابسته است که نیازمند سرمایه‌گذاری و برنامه‌ریزی دقیق‌تری هستند.
نقش هیدروژن در تقویت انعطاف‌پذیری شبکه‌های گرمایشی و برق ساختمان‌ها
استفاده از تجهیزات هیدروژنی می‌تواند با سیستم‌های انرژی موجود در ساختمان‌ها سازگاری داشته باشد و به‌ویژه در مناطقی که زیرساخت‌های گاز قبلاً وجود دارد، از کربن‌زدایی پشتیبانی کند. این انعطاف‌پذیری، به‌کارگیری هیدروژن به صورت محلی را به گزینه‌ای مطلوب تبدیل کرده و هم‌زمان با استفاده از سایر فناوری‌های تولید گرما، می‌تواند به افزایش توان پاسخ‌گویی شبکه برق در مواقع اوج تقاضا کمک کند. این موضوع به‌ویژه در مناطقی با آب‌وهوای بسیار سرد که سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ضعیف‌تری دارند، حائز اهمیت است.
امکان ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی و تأثیر آن بر کاهش انتشار کربن
یکی از راهکارهای موثر برای کاهش انتشار کربن در ساختمان‌ها، ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی است که 35 درصد از نیاز جهانی انرژی گرمایشی را تامین می‌کند. در مناطقی که این زیرساخت‌ها موجود است، ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی در حجم‌های 5 تا 20 درصد می‌تواند بدون تغییرات عمده در شبکه‌های موجود مورد استفاده قرار گیرد. این ترکیب می‌تواند شدت انتشار کربن را تا حداکثر 7 درصد کاهش دهد، هرچند که این میزان برای رسیدن به اهداف کربن‌زدایی بلندمدت کافی نیست و ممکن است بر هزینه‌های مصرف بنزین کاربران نیز تأثیر بگذارد. با این حال، استفاده از ترکیب گاز طبیعی و هیدروژن می‌تواند تقاضا برای هیدروژن کم‌کربن را تضمین کند.
توسعه زیرساخت‌های هیدروژنی و لزوم به‌روزرسانی تجهیزات گرمایشی
در بلندمدت، ایجاد شبکه‌های اختصاصی یا مقاوم‌سازی شبکه‌های موجود برای انتقال هیدروژن می‌تواند راه‌حل مناسبی برای کاهش مصرف گاز طبیعی در ساختمان‌ها باشد. این فرآیند نیازمند ارتقا یا تعویض تجهیزات گرمایشی برای تطبیق با هیدروژن است که پس از به‌روزرسانی و تایید عملیاتی، قابل استفاده خواهند بود. برنامه‌ریزی برای استقرار تجهیزات هیدروژنی باید به گونه‌ای باشد که در کاربردهایی مقرون‌به‌صرفه و جایگزین‌های دیگر مزیت رقابتی داشته باشند، به طوری که هماهنگی و تنظیم سیستم انرژی ساختمان‌ها با هیدروژن، در شرایط فعلی حدود پنج روز زمان نیاز دارد.
انواع فناوری‌های مبتنی بر هیدروژن برای ساختمان‌ها
۱. دیگ‌های هیدروژنی
دیگ‌های هیدروژنی در مناطقی که شبکه‌های گاز موجود است، می‌توانند گزینه‌ای کاربردی باشند. مصرف‌کنندگان به دلیل آشنایی با این فناوری و هزینه‌های اولیه، پذیرش بالاتری نسبت به آن دارند. با این حال، این فناوری به دلیل مصرف سوخت بیشتر نسبت به سیستم‌های کارآمدتر، از منظر چرخه عمر گزینه‌ای کمتر جذاب برای بسیاری از ساختمان‌ها به شمار می‌آید.
۲. پیل‌های سوختی تولید هم‌زمان گرما و الکتریسیته
پیل‌های سوختی با قابلیت تولید هم‌زمان گرما و الکتریسیته، شامل دو نوع اصلی هستند: پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFCs) و پیل‌های سوختی غشای پلیمری (PEMFCs). پیل‌های SOFC به دلیل راندمان الکتریکی بالا و بار پایدارتر، در دمای بالا کار می‌کنند؛ اما در استفاده از هیدروژن خالص، کارآیی آن‌ها کاهش می‌یابد که برای حل این مشکل بهینه‌سازی سیستم‌ها در حال تحقیق است. در مقابل، پیل‌های PEMFC در دماهای پایین‌تری (۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد) کار کرده و بازدهی الکتریکی کمتری دارند، اما برای کاربردهای بار متناوب مناسب‌ترند. نتایج آزمایش‌های میدان گاز طبیعی در اروپا نشان می‌دهد که راندمان الکتریکی برای پیل‌های SOFC بین ۳۵ تا ۶۰ درصد و برای پیل‌های PEMFC بین ۳۵ تا ۳۸ درصد است. همچنین، این فناوری‌ها در حالت تولید هم‌زمان به بازدهی کلی بین ۸۰ تا ۹۵ درصد (SOFCs) و ۸۵ تا ۹۰ درصد (PEMFCs) می‌رسند.
۳. پمپ‌های حرارتی هیبریدی
پمپ‌های حرارتی هیبریدی از ترکیب یک دیگ بخار و یک پمپ حرارتی الکتریکی تشکیل شده‌اند. در این سیستم، دیگ بخار تنها زمانی فعال می‌شود که پمپ حرارتی به تنهایی قادر به تامین نیاز گرمایشی نباشد. این فناوری به‌ویژه برای مناطق سردسیر مفید است، زیرا می‌تواند در دوره‌های بسیار سرد با استفاده از هیدروژن، نیاز به گرمایش را تامین کند. با این حال، هزینه‌های سرمایه‌ای اضافی و نیاز به برق و اتصالات هیدروژنی از چالش‌های این سیستم به‌شمار می‌آید.
۴. پمپ‌های حرارتی گازسوز
پمپ‌های حرارتی گازسوز، با استفاده از یک موتور گازی برای راه‌اندازی پمپ حرارتی، برق تولید می‌کنند و به‌ویژه در ساختمان‌های غیرمسکونی کاربرد دارند. این فناوری در حال حاضر در آسیا و اروپا به‌کار گرفته شده و هزاران واحد از آن در این مناطق نصب شده است.
میزان مصرف هیدروژن در تقاضای گرمایشی ساختمان‌ها
تا سال ۲۰۲۰، سهم هیدروژن در تأمین انرژی گرمایشی بسیار کم و کمتر از ۰.۰۰۵٪ بود. با این حال، کشورها از اوایل دهه ۲۰۰۰ به توسعه پروژه‌ها و برنامه‌های نمایشی برای حمایت از فناوری‌های سازگار با هیدروژن پرداختند تا پذیرش بازار و کاهش هزینه‌های اولیه برای مصرف‌کنندگان را تسهیل کنند. تمرکز اصلی این برنامه‌ها بر توسعه و استقرار پیل‌های سوختی ثابت بوده است که به طور عمده به گاز طبیعی متکی هستند. این پروژه‌ها که در کشورهایی با سهم ۴۰ درصدی از تقاضای گرمای جهانی در حال اجرا هستند، درس‌های مفیدی برای کاربرد هیدروژن خالص ارائه داده‌اند.
استقرار و عملکرد پیل‌های سوختی ایستگاهی
پیل‌های سوختی ایستگاهی به‌طور گسترده‌ای در سیستم‌های ریز تولید هم‌زمان استفاده می‌شوند و در ژاپن، اروپا و کره محبوبیت زیادی دارند. ژاپن بیش از ۳۵۰ هزار واحد پیل سوختی با خروجی کمتر از ۱ کیلووات برای مصارف مسکونی و تا ۵۰ کیلووات برای مصارف تجاری نصب کرده است. در اروپا، کشورهایی مانند آلمان، بلژیک و فرانسه از جمله پیشگامان در نصب پیل‌های سوختی هستند و در کره نیز بیش از ۱۵.۷ مگاوات برق از واحدهای زیر ۱۰۰ کیلووات در ساختمان‌ها نصب شده است. در ایالات متحده، تمرکز بیشتر بر واحدهای مقیاس صنعتی بالای ۱۰۰ کیلووات است.
پیل‌های سوختی در انواع ساختمان‌ها از جمله مسکونی، تجاری، نظامی، بیمارستان‌ها و مراکز داده برای تأمین برق اولیه یا پشتیبانی به‌کار گرفته شده‌اند و به طور معمول با گاز طبیعی کار می‌کنند. در بخش مسکونی، بیشتر این پیل‌ها از نوع غشای پلیمری بوده و ظرفیت خروجی آن‌ها بین ۰.۷ تا ۵.۱ کیلووات است. چندین کشور با ارائه مشوق‌های مالی به حمایت از استقرار پیل‌های سوختی در ساختمان‌های مسکونی پرداخته‌اند.
مشوق‌ها و یارانه‌های دولتی برای استفاده از پیل‌های سوختی
دولت‌ها برای ترویج استفاده از پیل‌های سوختی و کاهش هزینه‌های نصب، مشوق‌های مختلفی را ارائه می‌دهند. در ایالات متحده، صاحبان خانه که واحدهای مسکونی با ظرفیت بیش از ۰.۵ کیلووات نصب می‌کنند، واجد شرایط دریافت اعتبار مالیاتی فدرال تا بیش از ۳۳۰۰ دلار برای هر کیلووات الکتریکی هستند. علاوه بر این، ایالت‌هایی مانند نیوجرسی برنامه‌هایی برای یارانه فناوری‌های میکروتولید هم‌زمان ارائه می‌دهند. در کره نیز با ارائه گواهینامه‌ها و یارانه‌های انرژی تجدیدپذیر، از این فناوری پشتیبانی می‌شود که هدف اصلی آن کاهش هزینه‌های اولیه نصب و تشویق تولید برق به جای گرما است.
ترکیب و تخلیط هیدروژن و کاربردهای هیدروژن خالص در شبکه‌های گاز
پروژه‌های متعددی در سراسر جهان به بررسی تأثیر ترکیب هیدروژن با شبکه‌های گاز طبیعی پرداخته‌اند. یکی از پروژه‌های پیشگام در این زمینه، پروژه Frontrunner بود که در سال ۲۰۰۷ در جزیره آملند هلند آغاز شد و تا ۲۰٪ هیدروژن را به شبکه گاز تزریق کرده تا استفاده در پخت‌وپز و گرمایش را آزمایش کند. در فرانسه، پروژه GRHYD بین سال‌های ۲۰۱۸ تا ۲۰۲۱ نیز همین حجم تزریق را برای بیش از ۱۰۰ خانه آزمایش کرد. همچنین، پروژه سه فازی HyDeploy در بریتانیا به بررسی ایمنی ترکیب هیدروژن تا ۲۰٪ در شبکه گاز پرداخته است که مرحله اول آن در سال ۲۰۲۱ با نمایش زنده در شبکه Keele به پایان رسید.
توسعه شبکه‌های هیدروژنی اختصاصی
ابتکارات دیگری برای توسعه شبکه‌های اختصاصی هیدروژن به ویژه در شمال غربی اروپا در حال اجرا هستند. پروژه‌هایی نظیر H100 Fife که از سال ۲۰۲۲ به راه افتاده و ۳۰۰ خانوار را پوشش می‌دهد و پروژه‌های Hoogeveen و Stad aan’t Haringvliet در هلند که قرار است تا سال ۲۰۲۵ به ۶۰۰ خانوار خدمات ارائه دهند، از جمله این تلاش‌ها هستند. پروژه‌های بزرگ‌تر مانند H21 در انگلستان نیز در مراحل اولیه توسعه قرار دارند.
پروژه‌های بریتانیا برای جایگزینی کامل گاز طبیعی با هیدروژن
دولت بریتانیا از پروژه Hy4Heat به منظور ارزیابی جنبه‌های فنی، اقتصادی و ایمنی جایگزینی گاز طبیعی با هیدروژن در ساختمان‌های مسکونی و تجاری حمایت کرده است. در این برنامه، دیگ بخار Worcester Bosch با آمادگی ۱۰۰٪ برای هیدروژن، به دلیل نوآوری در گرمایش با هیدروژن، موفق به کسب جایزه بهترین نوآوری گرمایش در جوایز خانه سبز ۲۰۲۱ شد. آزمایشات اولیه این پروژه بر روی خانه‌های مختلف نشان داد که استفاده ۱۰۰٪ هیدروژن برای گرمایش و پخت‌وپز به اندازه گاز طبیعی ایمن است. با این حال، نیاز به تحقیقات بیشتر برای ارزیابی ایمنی استفاده از هیدروژن در خانه‌های چندخانواری و ساختمان‌هایی با تهویه محدود احساس می‌شود.
استفاده از گاز طبیعی در بخش ساختمان و پروژه‌های کلیدی، ابتکارات، برنامه‌ها، اطلاعیه‌ها برای استقرار تجهیزات سازگار با هیدروژن یا هیدروژن بر اساس کشور یا منطقه، 2020
| منطقه | سهم مصرف گرمایش در سطح جهانی (%) | سهم آب‌گرم در مصرف گرمایش (%) | سهم گاز طبیعی در گرمایش (%) | سهم گاز طبیعی در پخت‌وپز (%) | جزئیات طرح و ابتکارات |
| ایالات متحده | 17 | 19 | 65 | 60 | برنامه انرژی پاک نیوجرسی: ارائه مشوق‌های مالی برای نصب سیستم‌های تولید هم‌زمان و پیل‌های سوختی |
| بریتانیا | 2.5 | 21 | 70 | 50 | HyDeploy برای ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی؛ پروژه H21 در Leeds City Gate و شبکه H21 برای کاربرد 100٪ هیدروژن؛ پروژه Hy4Heat |
| کره جنوبی | 1.5 | 22 | 48 | 63 | طرح ایجاد سه شهر قدرت هیدروژنی تا سال 2022 مطابق با نقشه‌راه هیدروژن، با هدف تامین 2.1 گیگاوات از برق مورد نیاز ساختمان‌ها با پیل‌های سوختی |
| اتحادیه اروپا | 15 | 20 | 40 | 32 | پروژه Ene.field: آزمایش‌های میدانی پیل‌های سوختی مسکونی، پایان در 2017؛ پروژه PACE: بازار رقابتی میکرو تولید هم‌زمان پیل سوختی، پایان در 2021؛ ComSos: سیستم‌های تجاری SOFC، پایان در 2022؛ برنامه نوآوری ملی آلمان در فناوری هیدروژن و پیل سوختی، 2007-16؛ KfW433 آلمان: برنامه پیل سوختی از سال 2016؛ تأثیر کلی: بیش از 15000 پیل سوختی در اتحادیه اروپا مستقر شدند؛ پروژه GRHYD فرانسه: آزمایش توان به گاز با ترکیب هیدروژن تا 20% حجمی، 2018-21؛ پروژه WaterstofWijk Wagenborgen هلند: پروژه نمایشی برای پمپ‌های حرارتی هیبریدی برای 40 خانوار |
| ژاپن | 3 | 35 | 32 | 39 | پروژه Ene.Farm: نصب بیش از 350 هزار پیل سوختی تجاری |
پروژه WaterstofWijk Wagenborgen در هلند
یکی از آزمایش‌های مهم دیگر در این حوزه، پروژه WaterstofWijk Wagenborgen در هلند است که هدف آن اتصال ساختمان‌های قدیمی به شبکه هیدروژن است. در این پروژه، خانه‌های دهه ۱۹۷۰ به پمپ‌های حرارتی هیبریدی مجهز شده‌اند که در شرایط عادی با برق کار می‌کنند و در دوره‌های سرد به هیدروژن تغییر می‌یابند. این خانه‌ها به پنل‌های خورشیدی و سیستم‌های پخت القایی نیز تجهیز شده‌اند که به ایجاد یک سیستم ترکیبی و کارآمد در مصرف انرژی کمک می‌کند (جدول بالا).
جمع‌بندی
با توجه به افزایش نیاز به کربن‌زدایی و بهره‌وری انرژی در بخش ساختمان‌ها، هیدروژن و فناوری‌های مرتبط با آن همچنان به عنوان راهکارهای نوین و قابل اتکاء مطرح هستند. هرچند به‌کارگیری هیدروژن در این بخش با محدودیت‌ها و چالش‌های متعددی همراه است، اما پروژه‌های جهانی در حال اجرا نشان می‌دهند که با تحقیق و توسعه مداوم می‌توان این محدودیت‌ها را کاهش داد و بهره‌وری را افزایش داد. ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی، استفاده از پیل‌های سوختی و شبکه‌های اختصاصی هیدروژن، همگی از راهکارهایی هستند که می‌توانند به کاهش انتشار کربن و ایجاد انعطاف‌پذیری در سیستم‌های انرژی ساختمان‌ها کمک کنند. با گسترش پروژه‌های آزمایشی و برنامه‌های حمایتی از سوی دولت‌ها، انتظار می‌رود که هیدروژن به تدریج جایگاه خود را در سیستم‌های انرژی ساختمان‌ها پیدا کند و در مسیر انتقال به اقتصاد کم‌کربن سهم بسزایی ایفا کند.
