در سال‌های اخیر، بحران تغییرات اقلیمی و افزایش سطح آلودگی هوا، توجه جهانیان را به سمت منابع انرژی پاک و پایدار جلب کرده است. در این میان، هیدروژن سبز و سوخت‌های هیدروژنی مبتنی بر آن به‌عنوان یکی از امیدبخش‌ترین گزینه‌های انرژی تجدیدپذیر شناخته می‌شود. هیدروژن نه تنها می‌تواند به کاهش انتشار دی‌اکسید کربن و گازهای گلخانه‌ای کمک کند، بلکه قابلیت ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آن به عنوان یک حامل انرژی پاک، امکان استفاده گسترده آن را در بخش‌های مختلف صنعتی و تولید برق فراهم کرده است. با وجود این مزایا، چالش‌های فناوری و هزینه‌های بالای تولید و زیرساخت‌های انتقال، مانعی برای پذیرش گسترده‌تر هیدروژن سبز در سطح جهانی محسوب می‌شوند.
علاوه بر هیدروژن، کربن‌زدایی صنایع سنگین از طریق فناوری‌های نوآورانه مانند پیل‌های سوختی و جذب و ذخیره کربن نیز مورد توجه قرار گرفته است. این فناوری‌ها به کاهش اثرات زیست‌محیطی ناشی از استفاده از سوخت‌های فسیلی کمک کرده و نقش مهمی در تحقق اهداف جهانی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای دارند. همچنین، آمونیاک به عنوان یک سوخت جایگزین یا ذخیره‌ساز انرژی، فرصت‌های جدیدی برای کشورهایی که با محدودیت‌های تولید برق تجدیدپذیر مواجه‌اند، فراهم می‌کند.
این مقاله به بررسی پتانسیل‌ها و چالش‌های هیدروژن سبز و سوخت‌های هیدروژنی مانند آمونیاک در تأمین انرژی پاک و نقش این منابع در آینده پایدار انرژی پرداخته و فناوری‌های مرتبط با تولید و ذخیره‌سازی این حامل‌های انرژی نوین را تحلیل می‌کند.
نفوذ هیدروژن در صنعت تولید برق: چالش‌ها و پتانسیل‌ها
هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک، پتانسیل بالایی برای گسترش تولید برق از منابع تجدیدپذیر دارد. اگرچه سهم هیدروژن در تولید برق فعلی کم‌تر از 0.2 درصد است، بخش عمده این مقدار به استفاده از گازهای مخلوط با محتوای هیدروژن بالا از صنایع مختلف مانند فولاد، پتروشیمی و پالایشگاه‌ها مربوط می‌شود. در این صنایع، همچنین هیدروژن خالص تولید شده به عنوان محصول جانبی از صنعت کلر-قلیایی به کار می‌رود.
هیدروژن می‌تواند به عنوان سوختی جایگزین در موتورهای گازی رفت و برگشتی و توربین‌های گازی مورد استفاده قرار گیرد. در حال حاضر، موتورهای گازی رفت و برگشتی می‌توانند گازهایی با محتوای هیدروژن تا 70 درصد حجمی را مدیریت کنند. سازندگان این فناوری‌ها اعلام کرده‌اند که در آینده نزدیک، موتورهایی با توانایی کار با هیدروژن خالص به صورت تجاری در دسترس قرار خواهند گرفت. از سوی دیگر، توربین‌های گازی نیز ظرفیت کار با گازهای غنی از هیدروژن را دارند. به عنوان مثال، در کره جنوبی، یک توربین گازی با ظرفیت 45 مگاوات، به مدت 20 سال با گازهایی حاوی 95 درصد هیدروژن در یک پالایشگاه کار کرده است. انتظار می‌رود تا سال 2030، توربین‌های گاز استاندارد با قابلیت کارکرد با هیدروژن خالص تولید و عرضه شوند.
یکی از چالش‌های استفاده از هیدروژن در توربین‌های گازی، دمای احتراق بالای هیدروژن در مقایسه با گاز طبیعی است که منجر به افزایش انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) می‌شود. برای کاهش این آلاینده‌ها، به سیستم‌های کاهش کاتالیزوری انتخابی (SCR) بزرگ‌تر یا کارآمدتر نیاز است. علاوه بر این، استفاده از سیستم‌های احتراق خشک و کم انتشار می‌تواند در کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن موثر باشد و نشان داده شده است که این سیستم‌ها توانایی استفاده از ترکیب گاز با محتوای هیدروژن تا 50 درصد را دارند.
پیل‌های سوختی یکی دیگر از فناوری‌های مؤثر در تولید برق با استفاده از هیدروژن هستند. این پیل‌ها با تبدیل هیدروژن به برق و گرما، تنها آب تولید می‌کنند و هیچ‌گونه آلایندگی مستقیم ندارند. سیستم‌های پیل سوختی دارای بازده الکتریکی بالایی (بیش از 60٪) هستند و توانایی حفظ این بازده را حتی در بار جزئی دارند. این ویژگی‌ها، پیل‌های سوختی را برای کاربردهای متنوع از جمله متعادل‌سازی بار و عملیات انعطاف‌پذیر ایده‌آل می‌سازد.
فناوری‌های اصلی پیل سوختی در تولید برق و گرما
پیل‌های سوختی به عنوان یک فناوری نوین در تولید برق و گرما، از انواع مختلفی برخوردارند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاصی دارند:
- پیل‌های سوختی با غشای پلیمری (PEMFC): این نوع پیل‌ها در دماهای پایین عمل کرده و به عنوان واحدهای میکروتولید همزمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهای کوچک و انعطاف‌پذیر مناسب می‌سازد.
- پیل‌های سوختی اسید فسفریک (PAFC): این پیل‌ها به‌عنوان ژنراتورهای برق ایستگاهی با توان خروجی 100 تا 400 کیلووات طراحی شده‌اند و عمدتاً برای تامین برق پایدار در ایستگاه‌ها به کار می‌روند.
- پیل‌های سوختی کربنات مذاب (MCFC) و پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC): این دو نوع پیل در دماهای بالا (MCFC حدود 600 درجه سانتی‌گراد و SOFC بین 800 تا 1000 درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند. این دمای بالا به آن‌ها اجازه می‌دهد تا علاوه بر تولید برق، در گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها و صنایع نیز کاربرد داشته باشند.
- پیل‌های سوختی قلیایی (AFC): این نوع از پیل‌ها در دماهای پایین کار کرده و به عنوان منبع انرژی در کاربردهای ایستگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اگرچه تعداد محدودی از آن‌ها تاکنون مستقر شده‌اند.
رشد ظرفیت نصب شده جهانی
ظرفیت نصب شده جهانی پیل‌های سوختی ایستگاهی در دهه گذشته به سرعت افزایش یافته و در سال 2020 به 2.2 گیگاوات رسیده است. در حال حاضر، تنها 150 مگاوات از این ظرفیت از هیدروژن به‌عنوان سوخت استفاده می‌کنند و بیشتر این ظرفیت به مصرف گاز طبیعی اختصاص یافته است. از مجموع 468 هزار واحد نصب شده در سطح جهان، سیستم‌های میکروتولید همزمان سهم بیشتری دارند. ابتکار ENE-FARM ژاپن با بیش از 350 هزار سیستم نصب شده، بخش عمده‌ای از این ظرفیت جهانی را تشکیل می‌دهد (شکل زیر).
پیل‌های سوختی و آمونیاک به عنوان جایگزین‌های پایدار برای ژنراتورهای دیزلی
پیل‌های سوختی ایستگاهی می‌توانند جایگزینی پاک و کارآمد برای ژنراتورهای دیزلی در کاربردهایی مانند برق پشتیبان مراکز داده و بیمارستان‌ها یا برق خارج از شبکه باشند. با تغییر به پیل‌های سوختی، آلودگی هوای محلی کاهش یافته و وابستگی به واردات گازوئیل کاهش می‌یابد. به همین دلیل، بسیاری از کشورها از پیل‌های سوختی با ظرفیت چند کیلووات که با متانول، گاز مایع یا آمونیاک تغذیه می‌شوند، به عنوان منبع برق پشتیبان بهره می‌برند. در سال 2020، شرکت Ballard Power قراردادی برای تامین 500 سیستم پیل سوختی برای برج‌های رادیویی دیجیتال در آلمان منعقد کرد تا به این برج‌ها امکان تامین برق پشتیبان تا 72 ساعت را فراهم کند.
آمونیاک: سوختی کم‌کربن برای تولید برق
آمونیاک نیز به عنوان یک گزینه سوخت کم‌کربن در بخش برق مطرح است. این سوخت می‌تواند از طریق واردات برای کشورهایی که منابع تولید برق کم‌کربن محدودی دارند، تامین شود یا به عنوان وسیله‌ای برای ذخیره‌سازی برق در دوره‌های طولانی‌تر مورد استفاده قرار گیرد و در متعادل‌سازی تغییرات فصلی در منابع برق تجدیدپذیر نقش ایفا کند. آمونیاک امکان استفاده‌های چندگانه‌ای دارد؛ می‌توان آن را برای استفاده در توربین‌های گاز به هیدروژن تبدیل کرد، یا به طور مستقیم در موتورهای احتراق داخلی یا پیل‌های سوختی به کار برد. علاوه بر این، آمونیاک به عنوان سوخت کمکی برای نیروگاه‌های زغال‌سنگ نیز قابل استفاده است. به عنوان نمونه، در سال 2017، شرکت برق چوگوکو در ژاپن، 1 درصد آمونیاک را با موفقیت در سوخت یک نیروگاه تجاری با سوخت زغال‌سنگ ترکیب کرد. همچنین، شرکت JERA، بزرگ‌ترین شرکت برق ژاپن، برنامه‌ای برای آزمایش و نشان دادن سهم 20 درصدی آمونیاک در یک واحد زغال‌سنگ 1 گیگاواتی تا سال 2025 را آغاز کرده است.
استفاده از آمونیاک و هیدروژن در ذخیره‌سازی انرژی و چالش‌های پیش رو
تا به امروز، استفاده مستقیم از آمونیاک عمدتاً در میکروتوربین‌های گازی با ظرفیت تا 300 کیلووات موفقیت‌آمیز بوده است. با این حال، سرعت احتراق پایین و چالش‌های مربوط به پایداری شعله، مانع استفاده از آمونیاک در توربین‌های گازی بزرگ‌تر شده و منجر به افزایش انتشار اکسیدهای نیتروژن می‌شود. با وجود این چالش‌ها، شرکت میتسوبیشی پاور اعلام کرده است که قصد دارد تا سال 2025، یک توربین گازی 40 مگاواتی را که به صورت مستقیم از آمونیاک استفاده می‌کند، به بازار عرضه کند.
سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن، مانند آمونیاک و حامل‌های هیدروژن آلی مایع، گزینه‌های مناسبی برای ذخیره‌سازی فصلی و مقیاس بزرگ انرژی هستند. این گزینه‌ها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌اند، اما راندمان رفت و برگشت پایین‌تری دارند (حدود 40 درصد) که در مقایسه با باتری‌ها (حدود 85 درصد)، استفاده از آن‌ها را برای ذخیره انرژی در دوره‌های طولانی محدود می‌کند.
غارهای نمکی مهر و موم‌شده و با خطر آلودگی پایین، به طور سنتی برای ذخیره هیدروژن خالص زیر زمین استفاده می‌شوند. علاوه بر این، سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن مانند آمونیاک می‌توانند در مناطقی که دسترسی به غارهای نمکی وجود ندارد، برای ذخیره‌سازی به کار روند. در این روش، برق مازاد تولیدشده به آمونیاک تبدیل می‌شود و این آمونیاک می‌تواند در زمان‌هایی که تولید انرژی از منابعی چون فتوولتاییک خورشیدی و باد کاهش می‌یابد، در نیروگاه‌های برق سوزانده شود.
گزینه دیگر برای ذخیره‌سازی، استفاده از مخازن بزرگ آمونیاک مایع سرد است. این مخازن، که در صنعت کود کاربرد دارند، می‌توانند مقادیر عظیمی از انرژی را ذخیره کنند. به عنوان مثال، مخازن با قطر 50 متر و ارتفاع 30 متر، توانایی ذخیره 150 گیگاوات ساعت انرژی را دارند که معادل مصرف برق سالانه یک شهر 100 هزار نفری است. در سال 2018، شرکت زیمنس استفاده از آمونیاک را به عنوان روشی برای ذخیره‌سازی برق در بریتانیا به کار گرفت. این پروژه شامل تبدیل برق بادی به هیدروژن از طریق الکترولیز و سپس به آمونیاک برای ذخیره‌سازی بود. آمونیاک ذخیره شده در صورت نیاز، برای تولید برق در یک موتور احتراق داخلی سوزانده می‌شد.
جمع‌بندی
هیدروژن و سوخت‌های هیدروژنی مانند آمونیاک، به عنوان منابع بالقوه‌ای برای تأمین انرژی پایدار و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی در سراسر جهان مطرح شده‌اند. این منابع به دلیل قابلیت ذخیره‌سازی، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاربردهای متنوع در تولید برق و گرما، توجه زیادی را در زمینه توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر به خود جلب کرده‌اند.
از تولید برق با استفاده از موتورهای گازی و توربین‌ها تا فناوری‌های پیشرفته پیل سوختی، هیدروژن به عنوان یک عنصر کلیدی در تأمین انرژی پاک وارد عمل شده است. در عین حال، پیل‌های سوختی می‌توانند برق پشتیبان برای مراکز داده، بیمارستان‌ها و دیگر زیرساخت‌های حیاتی فراهم کنند و جایگزینی پایدار و پاک برای ژنراتورهای دیزلی به شمار آیند.
آمونیاک نیز به عنوان یک سوخت کم‌کربن و قابل‌اعتماد، گزینه‌ای مهم برای کشورهایی است که منابع محدودی برای تولید انرژی تجدیدپذیر دارند. این سوخت به دلیل قابلیت ذخیره‌سازی طولانی‌مدت و متعادل‌سازی نوسانات فصلی منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی، به خوبی به کار می‌آید.
در نهایت، با وجود چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالا، نیاز به توسعه زیرساخت‌ها، و برخی موانع فنی در استفاده از هیدروژن و آمونیاک در مقیاس وسیع، این حامل‌های انرژی آینده‌ای نویدبخش در مسیر گذار به انرژی‌های پاک دارند. توسعه فناوری‌های مرتبط و سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های موردنیاز، به همراه سیاست‌گذاری‌های مناسب، می‌تواند زمینه را برای استفاده گسترده‌تر از این منابع پاک و سازگار با محیط زیست فراهم کند و به تحقق هدف کاهش اثرات زیست‌محیطی و حرکت به سمت یک اقتصاد کم‌کربن کمک کند.
