هیدروژن و آمونیاک به‌عنوان سوخت‌های کم‌کربن و انعطاف‌پذیر، نقش مهمی در آینده تولید برق و کاهش انتشار کربن دی اکسید دارند. در حالی که بسیاری از کشورها هنوز اهداف مشخصی برای استفاده از این سوخت‌ها در بخش برق تعیین نکرده‌اند، برخی پیشگامان نظیر ژاپن و کره جنوبی، برنامه‌های جامعی برای توسعه استفاده از هیدروژن در تولید برق تدوین کرده‌اند. با پیشرفت فناوری‌های مربوط به تولید، حمل‌ونقل و استفاده از هیدروژن و آمونیاک، چشم‌انداز این سوخت‌ها به‌عنوان راهکاری انعطاف‌پذیر برای کربن‌زدایی سیستم‌های انرژی، روز به روز روشن‌تر می‌شود. با این حال، موانع اقتصادی و فنی همچنان چالش‌هایی عمده هستند که باید بر آن‌ها غلبه کرد. در این مقاله، وضعیت فعلی و چشم‌انداز آینده سوخت‌های کم‌کربن در تولید برق و تأثیرات آن‌ها بر کاهش انتشار کربن بررسی می‌شود.
اهداف جهانی برای استفاده از هیدروژن در تولید برق
تنها تعداد معدودی از کشورها برنامه‌های مشخصی برای استفاده از هیدروژن یا سوخت‌های مبتنی بر آن در بخش برق تعریف کرده‌اند. یکی از استثناهای قابل توجه ژاپن است که قصد دارد تا سال 2030، 0.3 میلیون تن هیدروژن را برای تولید برق به کار گیرد، که معادل 1 گیگاوات ظرفیت برق است. این هدف در بلندمدت به 5 تا 10 میلیون تن در سال، معادل 15 تا 30 گیگاوات، افزایش خواهد یافت. در همین راستا، کره جنوبی نیز نقشه راهی برای دستیابی به 1.5 گیگاوات ظرفیت پیل سوختی در بخش برق تا سال 2022 و 8 گیگاوات تا سال 2040 تدوین کرده است.
چندین کشور به هیدروژن به‌عنوان یک راهکار کم‌کربن برای تولید برق هم‌زمان و ارائه انعطاف‌پذیری در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر نگاه می‌کنند. آلمان از جمله کشورهایی است که در برنامه اقدام شورای ملی هیدروژن خود، تقاضای 0.6 میلیون تنی هیدروژن برای بخش برق را تا سال 2030 پیش‌بینی کرده است؛ این میزان تا سال 2040 به 9 میلیون تن خواهد رسید.
استفاده از احتراق هم‌زمان هیدروژن و آمونیاک، همراه با سوخت‌های اصلی مانند زغال‌سنگ، می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل کوتاه‌مدت برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیروگاه‌های موجود به کار رود. در بلندمدت، با افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر متغیر، نیروگاه‌های هیدروژن و آمونیاک می‌توانند گزینه‌های انعطاف‌پذیر و کم‌کربنی باشند.
ظرفیت جهانی تولید برق با استفاده از سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن تا سال 2030 به 30 گیگاوات خواهد رسید. این ظرفیت در سناریوی تعهدات اعلام‌شده تا سال 2050 به 480 گیگاوات و در سناریوی انتشار خالص صفر به 140 گیگاوات (تا سال 2030) و 1850 گیگاوات (تا سال 2050) افزایش می‌یابد (شکل بالا). با این حال، حتی در سال 2050، سهم سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن از کل تولید جهانی برق تنها بین 1 تا 2 درصد خواهد بود. به‌رغم این محدودیت، هدف از سرمایه‌گذاری‌های کوچک اما مؤثر بر احتراق هم‌زمان هیدروژن این است که به‌جای تأمین برق عمده، به پایداری و انعطاف‌پذیری سیستم قدرت کمک کند (شکل زیر).
چالش‌های اقتصادی در گذار به سوخت‌های کم‌کربن
برای اینکه استفاده از سوخت‌های کم‌کربن در نیروگاه‌های حرارتی موجود از نظر اقتصادی جذاب باشد، باید یک شرط اساسی برآورده شود: هزینه ترکیبی اصلاحات لازم در نیروگاه به همراه قیمت سوخت کم‌کربن باید از هزینه ترکیبی سوخت فسیلی و جریمه‌های مرتبط با آن کمتر باشد. نیروگاه‌های زغال‌سنگ به دلیل محتوای بالای کربن خود، به قیمت‌های کربن بسیار حساس‌تر از نیروگاه‌های گاز طبیعی هستند. با این حال، هر دو نوع نیروگاه نیازمند قیمت‌های کربن بالا و/یا دسترسی به سوخت‌های کم‌کربن ارزان هستند تا بتوانند تغییرات لازم را اجرایی کنند. اصلاحات فنی لازم برای فعال کردن احتراق هم‌زمان هیدروژن یا آمونیاک نسبتاً کوچک است، اما اگر نیروگاه‌ها با فاکتورهای ظرفیت پایین کار کنند، هزینه این تغییرات می‌تواند اهمیت بیشتری پیدا کند. با این وجود، ارزش انرژی تولیدشده در ساعات اوج مصرف ممکن است به‌قدری بالا باشد که این هزینه‌ها را جبران کند.
هزینه‌های انتقال هیدروژن و موانع فنی
هزینه‌های حمل‌ونقل سوخت نیز می‌تواند به‌طور قابل توجهی بر هزینه‌های کلی تأثیر بگذارد. این مسئله به‌ویژه در مورد انتقال هیدروژن از طریق آب، که به آماده‌سازی گران‌قیمتی مانند مایع‌سازی نیاز دارد و در حال حاضر در سطح آمادگی فناوری پایینی قرار دارد، صدق می‌کند. مشابه این چالش‌ها در انتقال گاز طبیعی به‌صورت مایع نیز مشاهده می‌شود، هرچند که دمای مایع‌سازی گاز طبیعی بالاتر از هیدروژن است و به انرژی کمتری برای مایع‌سازی نیاز دارد.
آمونیاک در مقایسه با هیدروژن و گاز طبیعی، بالاترین دمای تبخیر را دارد، اما دسترسی به کشتی‌های تجاری حامل آمونیاک به کاهش هزینه‌های حمل‌ونقل کمک می‌کند. تبدیل هیدروژن به آمونیاک اگرچه با تلفات حرارتی و هزینه سرمایه‌گذاری بیشتر همراه است، می‌تواند در مواردی که نیاز به حمل‌ونقل دریایی وجود دارد، با کاهش هزینه‌های حمل‌ونقل جبران شود (شکل بالا).
اثرات قیمت کربن و آینده سوخت‌های کم‌کربن
به‌رغم هزینه بالای تولید هیدروژن و آمونیاک کم‌کربن، قیمت‌های بالای کربن می‌تواند نقش مهمی در جبران این هزینه‌های اضافی داشته باشد. با کاهش انتشار کربن دی اکسید و جریمه‌های مرتبط با قیمت کربن، این تکنولوژی‌ها می‌توانند از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر شوند، به‌ویژه در نیروگاه‌های زغال‌سنگ که به محتوای کربن بالای خود حساس‌تر هستند.
گزارش آتی آژانس بین‌المللی انرژی، که به بررسی نقش سوخت‌های کم‌کربن در انتقال انرژی پاک در بخش برق می‌پردازد، جزئیات بیشتری درباره استفاده بالقوه هیدروژن و آمونیاک در تولید برق ارائه خواهد کرد.
پروژه‌های کلیدی تولید برق با هیدروژن
پروژه‌های مختلف در زمینه تولید برق با استفاده از هیدروژن در جدول زیر خلاصه شده‌اند و نشان‌دهنده اقدامات و نوآوری‌هایی است که در سطح جهانی در حال انجام است.
| project | Location | Start-up date | Capacity (MW) | Description |
| Daesan Green Energy |
Korea | 2020 | 50 | PAFCs fuelled by by petrochemical industry -product hydrogen from |
| Long Ridge Energy Terminal |
US | 2021 | 485 | Initially blending 15 CCGT; moving to 100% hydrogen in next 10 years -20% hydrogen with natural gas at new |
| Magnum | Netherlands | 2023 | 440 | Conversion of existing natural gas-fired CCGT; hydrogen from natural gas + CCUS; currently on hold |
| Keadby Hydrogen | United Kingdom | 2030 | 1800 | Being developed together with Keadby 3, a natural gas fired power plant + CCUS |
| JERA-Hekinan | Japan | 2024 | 200 | 20% co-firing of ammonia in 1-GW Unit 4 of coal-fired Hekinan power plant |
| Air Products’ Net zero Hydrogen Energy Complex |
Canada | n.a. | n.a. | Hydrogen produced from natural gas-fuelled ATR + CCUS |
| Ulsan | Korea | 2027 | 270 | Conversion of CCGT from natural gas to hydrogen |
| Hyflexpower | France | 2023 | 12 | Combining hydrogen production from renewables, hydrogen storage and electricity generation from hydrogen in a gas turbine |
| Intermountain Power Project |
United States | 2025 | 840 | Conversion of a 1.8-GW coal power plant into 840-MW CCGT with gradually increasing hydrogen co-firing, from 30% in 2030 to 100% by 2045 |
جمع‌بندی
هیدروژن و آمونیاک به‌رغم چالش‌های اقتصادی و فنی، ظرفیت قابل‌توجهی برای تحول بخش برق و کمک به انتقال انرژی پاک دارند. با افزایش قیمت‌های کربن و سرمایه‌گذاری در فناوری‌های جدید، استفاده از این سوخت‌ها می‌تواند به راهکاری مؤثر برای کاهش انتشار کربن دی اکسید تبدیل شود، به‌ویژه در نیروگاه‌های زغال‌سنگ و گاز طبیعی که به گزینه‌های کم‌کربن نیاز دارند. پروژه‌های جهانی در زمینه تولید برق با هیدروژن، از کره جنوبی تا ایالات متحده، نشان‌دهنده تعهدات و نوآوری‌هایی هستند که می‌توانند به تحقق این چشم‌انداز کمک کنند. آینده گذار انرژی به سمت پایداری و کربن‌زدایی، بدون شک به توانایی ما در توسعه و استفاده کارآمد از هیدروژن و آمونیاک به‌عنوان سوخت‌های کم‌کربن وابسته است.
