روند تقاضای بالقوه هیدروژن خالص و هیدروژن ناخالص (گاز سنتز) طی سال‌های آینده

هیدروژن به‌ عنوان یکی از عناصر کلیدی در دوران گذار به انرژی‌های پاک، جایگاه ویژه‌ای در چشم‌انداز جهانی کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای پیدا کرده است. با این حال، توسعه بازار هیدروژن به ویژه هیدروژن کم‌کربن (هیدروژن سبز و هیدروژن آبی) با چالش‌هایی نظیر هزینه‌های سرمایه گذاری و تولید بالا، عدم قطعیت در تقاضا و محدودیت در زیرساخت‌های موجود مواجه است.

هیدروژن در حال حاضر به عنوان حامل انرژی یا به عنوان ماده اولیه جهت تولید محصولات مختلف در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، پالایشگاه و صنایع فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. متناسب با فرایند و کاربرد مورد نظر، مصرف هیدروژن در صنایع مختلف به صورت هیدروژن خالص و ناخالص (منظور از هیدروژن ناخالص، هیدروژن در ترکیب با کربن‌مونواکسید و کربن‌دی‌اکسید تحت عنوان گاز سنتز است) مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیش‌بینی می‌شود طی سال‌های آینده با توجه به جایگاه ویژه‌ هیدروژن در چشم‌انداز جهانی کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در دوران گذار انرژی، بازار‌های جدید و بالقوه برای هیدروژن در کاربردهای مختلف شکل خواهد گرفت. اما نقش هیدروژن در کاربردهای جدید همچنان بسیار محدود است. این کاربردها شامل صنایع سنگین، حمل‌ونقل در مسافت‌های طولانی و ذخیره‌سازی انرژی هستند و کمتر از 1 درصد از تقاضای جهانی هیدروژن را تشکیل می‌دهند، هرچند نسبت به سال 2022 رشدی 40 درصدی داشته‌اند. برای مطالعه مقاله “اقدامات و الزمات مورد نیاز جهت توسعه زنجیره ارزش هیدروژن کم‌انتشار” اینجا کلیک کنید.

هیدروژن خالص

در حال حاضر عمده هیدروژن خالص تولید شده در پالایشگاه‌های نفت (در واحد‌های تصفیه هیدروژنی و واحد هیدروکرکینگ) و همچنین در صنعت پتروشیمی جهت سنتز آمونیاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. از طرفی با توجه به توسعه زیر ساخت‌های مورد نیاز با هدف توسعه زنجیره ارزش هیدروژن به ویژه هیدروژن کم‌کربن طی سال‌های آینده و همچنین توسعه فناروی در راستای کاهش هزینه‌های سرمایه گذاری و هزینه‌های تولید هیدروژن کم‌کربن، هیدروژن خالص پتانسیل ورود به بازار‌های گسترده‌تری از جمله استفاده در بخش حمل و نقل (به ویژه حمل و نقل سنگین و مسافت‌های طولانی)، استفاده در نیروگاه‌ها جهت تولید انرژی و همچنین تولید آمونیاک و فولاد سبز را دارد.

برای دستیابی به یک سیستم انرژی با انتشار خالص صفر، هیدروژن کم‌کربن باید جایگزین هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی شود. این تغییر نه تنها باید در کاربردهای سنتی صورت گیرد، بلکه باید تقاضای هیدروژن کم‌کربن به کاربردهای جدید نیز گسترش یابد. در حال حاضر بسیاری از کشور‌های اقدامات موثری جهت توسعه زنجیره ارزش هیدروژن کم‌کربن در صنایع مختلف با هدف توسعه پایدار در صنایع و تنوع بخشی به سبد انرژی خود انجام داده‌اند.

هیدروژن ناخالص (گاز سنتز)

هیدروژن ناخالص یا همان گاز سنتز به مخلوط سه گاز کربن‌مونواکسید، کربن‌دی‌اکسید و هیدروژن در نسبت‌های مختلف گفته می‌شود. گاز سنتز یک ماده میانی است که به طور گسترده در صنعت پتروشیمی و فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به مصرف قابل توجه آن، فرایندهای مختلف جهت تولید گاز سنتز توسط شرکت‌های مختلف توسعه داده شده است. گاز سنتز در صنعت پتروشیمی عمدتا جهت سنتز متانول و تولید برخی از محصولات شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد و در صنعت فولاد نیز به عنوان عامل احیا کننده سنگ آهن استفاده می‌شود. برای مطالعه مقاله “تهدیدات و فرصت‌های پیش روی واحد‌های متانول و آمونیاک در ایران” اینجا کلیک کنید.

در حال حاضر 69  درصد از گاز سنتز تولید شده در جهان مبتنی بر خوراگ ذغال سنگ، مایعات هیدروکربوری و گاز طبیعی نیز به ترتیب با ۱۴ و ۱۳ درصد جایگاه دوم و سوم خوراک های مصرفی جهت تولید گاز سنتز را به خود اختصاص داده‌اند  .جایگزینی گاز سنتز تولید شده مبتنی بر سوخت‌های فسیلی با منابع تجدیدپذیر فرایندی پیچیده و نیاز به توسعه و سرمایه گذاری گسترده‌تری دارد، چرا که در گاز سنتز علاوه بر تامین هیدروژن که میتواند از طریق فرایند الکترولیز آب تولید شود، نیاز به تامین منبع کربن نیز می‌باشد. کربن مورد نیاز در گاز سنتز نیز می‌تواند طی فرایند جذب گاز دی‌اکسید‌کربن از دودکش واحد‌های فرایندی بدست آید و طی فرایند شیفت آب-گاز (Water-Gas Shift Reaction) به کربن‌مونواکسید نیز تبدیل شود. لذا فرایند تولید گاز سنتز کم‌کربن لازمه یکپارچگی بین واحد‌های فرایندی مختلف است. برای مطالعه مقاله “مروری بر فرایند‌های‌ تولید گاز سنتز از گاز طبیعی” اینجا کلیک کنید.

الگوی تقاضای هیدروژن در افق 2030

در سال 2023، تقاضای جهانی هیدروژن به رشد خود ادامه داد و با افزایش 2.5 درصدی نسبت به سال 2022 به بیش از 97 میلیون تن رسید این رشد پایدار در دهه‌های گذشته نیز مشاهده شده است، به‌جز در سال 2020 که همه‌گیری کووید-19 باعث کاهش فعالیت‌های اقتصادی و افت تقاضا شد. در سال 2024 نیز این روند حفظ شده و تقاضای جهانی به مرز 100 میلیون تن رسید.

از منظر تقاضا در سال 2024 از مجموع 100 میلیون تن هیدروژن تولید شده حدود 78 درصد در صنعت پالایش، 21 درصد در صنعت پتروشیمی (تولید آمونیاک و متانول) و فولاد و همچنین 1 درصد در سایر صنایع مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به رشد تقاضای هیدروژن در سال‌های آینده و همچنین توسعه و رشد تقاضا هیدروژن کم کربن (هیدروژن سبز و آبی) پیش‌بینی می‌شود کل تقاضای هیدروژن در سال 2030 به 150 میلیون تن در سال افزایش یابد و بازار‌های جدید مصرف کننده هیدروژن شکل گیرد.

رشد محدود در کاربردهای جدید

با وجود اهمیت کاربردهای جدید، مصرف هیدروژن در این حوزه‌ها همچنان محدود است. در سال 2023، مصرف هیدروژن در این بخش‌ها نسبت به سال 2022 ، 40 درصد افزایش یافت. با این حال، این مقدار همچنان کمتر از 1 درصد تقاضای جهانی را تشکیل می‌دهد. بدون در نظر گرفتن استفاده از هیدروژن برای ارتقای سوخت‌های زیستی، سهم کاربردهای جدید حتی به 0.1 درصد هم نمی‌رسد.

بر اساس سناریوی انتشار خالص صفر (NZE)، تقاضای جهانی برای هیدروژن تا سال 2030 به 150 میلیون تن در سال خواهد رسید. در این میان:

• 45 درصد از این تقاضا به هیدروژن کم‌کربن اختصاص خواهد داشت.
• 40 درصد از تقاضای جهانی به کاربردهای جدید تعلق خواهد گرفت. برای رسیدن به این اهداف، تقاضا برای هیدروژن در کاربردهای جدید باید بیش از 80 برابر شود.

کاربردهای سنتی و جدید برای هیدروژن: چشم‌انداز و چالش‌ها

هیدروژن در صنایع مختلف به‌عنوان یک عنصر کلیدی در فرآیندهای تولیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربردهای سنتی آن عبارتند از:

• پالایش: استفاده از هیدروژن برای حذف گوگرد از سوخت‌های فسیلی.
• تولید آمونیاک و متانول: ماده اولیه در صنایع شیمیایی برای تولید کودها و مواد دیگر.
• تولید آهن با احیای مستقیم: استفاده از گاز سنتزی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی.
• سایر صنایع: مانند الکترونیک، شیشه‌سازی و فرآوری فلزات، اگرچه در گزارش‌های رسمی به‌طور گسترده ردیابی نمی‌شوند.

برای مطالعه مقاله “نقش فناوری فولاد سبز در حرکت به سمت توسعه پایدار” اینجا کلیک کنید.

کاربردهای جدید

هیدروژن می‌تواند در زمینه‌های نوینی نیز مورد استفاده قرار گیرد که برای گذار به انرژی پاک اهمیت ویژه‌ای دارند:

• تولید آهن با 100 درصد هیدروژن: به‌عنوان جایگزین گازهای فسیلی در فرآیند احیا.
• حمل‌ونقل مسافت طولانی: شامل وسایل نقلیه سنگین، قطارها، و کشتی‌ها.
• تولید سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن: مانند آمونیاک و هیدروکربن‌های سنتزی.
• ارتقای سوخت‌های زیستی: از طریق هیدروژنه کردن چربی‌ها و روغن‌ها.
• تولید حرارت با دمای بالا: در صنایع سنگین.
• ذخیره‌سازی و تولید برق: برای تأمین انرژی در زمان‌های اوج تقاضا.

توزیع منطقه‌ای تقاضای هیدروژن

الگوی منطقه‌ای تقاضای هیدروژن در سال 2024 تغییر چندانی نسبت به سال قبل نداشت:

• چین: همچنان بزرگ‌ترین مصرف‌کننده هیدروژن در جهان بود و حدود یک‌سوم تقاضای جهانی (33 میلیون تن) را به خود اختصاص داد. مصرف هیدروژن در چین بیش از دو برابر ایالات متحده بود.
• ایالات متحده: با مصرف 14 میلیون تن، معادل 14 درصد از تقاضای جهانی، در جایگاه دوم قرار گرفت.

رشد تقاضای هیدروژن در تمامی مناطق اصلی مشاهده شد، اما برخی مناطق با سرعت بیشتری رشد کردند:

• خاورمیانه: با رشد سالانه بیش از 6 درصد، به دلیل افزایش تقاضا در پالایشگاه‌ها و تولید متانول یکی از پیشروترین مناطق در استفاده از هیدروژن بود.
• هند: رشد سالانه بیش از 5 درصد که عمدتاً به دلیل افزایش تقاضا در بخش‌های پالایشگاه و فولادسازی گزارش شد. این رشد نشان‌دهنده پتانسیل بالای هند در استفاده از هیدروژن به عنوان سوختی پاک است.

نیاز به هیدروژن کم‌کربن

رشد تقاضای هیدروژن در سال‌های اخیر نه به دلیل سیاست‌های کاهش کربن، بلکه به دلیل روندهای صنعتی جهانی بوده است. این رشد نه تنها به کاهش تغییرات اقلیمی کمک نکرده، بلکه باعث افزایش انتشار دی‌اکسیدکربن شده است. در سال 2023، انتشار کربن‌دی‌اکسید ناشی از تولید و مصرف هیدروژن به 920 میلیون تن رسید که 1.5درصد بیشتر از سال 2022 بود. این میزان انتشار معادل مجموع انتشار سالانه گازهای گلخانه‌ای دو کشور اندونزی و فرانسه است.

برای دستیابی به یک سیستم انرژی با انتشار خالص صفر، هیدروژن کم‌کربن باید جایگزین هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی شود. این تغییر نه تنها باید در کاربردهای سنتی صورت گیرد، بلکه باید تقاضای هیدروژن کم‌کربن به کاربردهای جدید نیز گسترش یابد. این کاربردهای جدید شامل:

• صنایع سنگین
• حمل‌ونقل مسافت طولانی
• تولید سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن
• تولید و ذخیره‌سازی برق

روندهای متناقض در بخش حمل‌ونقل و چشم‌انداز تقاضای جهانی هیدروژن

در بخش حمل‌ونقل، زیرمجموعه‌های مختلف الگوهای متفاوتی را تجربه کردند:

• حمل‌ونقل جاده‌ای: بازار این بخش در سال‌های اخیر روندی کاهشی داشته است. تمرکز از خودروهای شخصی به وسایل نقلیه سنگین مانند کامیون‌ها و اتوبوس‌ها تغییر کرده است، چرا که این وسایل نقلیه ظرفیت بیشتری برای بهره‌گیری از هیدروژن دارند.
• حمل‌ونقل دریایی و هوایی: سیاست‌های حمایتی به استفاده از هیدروژن و سوخت‌های مبتنی بر آن توجه ویژه‌ای معطوف کرده است. با این حال، سرعت پایین نفوذ هیدروژن به بازار این بخش منجر به لغو برخی پروژه‌های بلندپروازانه شده است. این مسئله نشان‌دهنده چالش‌های قابل‌توجهی در تأمین زیرساخت‌ها و رقابت‌پذیری اقتصادی است.
• در بخش نیرو، ژاپن و کره جنوبی نقش پیشگامی در توسعه فناوری‌های مبتنی بر هیدروژن ایفا کرده‌اند: شرکت‌های بزرگ در این کشورها چندین پروژه آزمایشی گسترده را اجرا کرده‌اند که اهداف آن شامل تولید انرژی از هیدروژن و آمونیاک است. دولت‌های ژاپن و کره جنوبی اولین مزایده‌ها برای تولید برق مبتنی بر هیدروژن را برگزار کرده‌اند، که می‌تواند به عنوان الگویی برای سایر کشورها در توسعه بازار این سوخت پاک عمل کند.

جمع‌بندی

هیدروژن کم‌کربن، به‌عنوان یک منبع انرژی پاک، پتانسیل زیادی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در بخش‌های مختلف صنعت و انرژی دارد. اگرچه تلاش‌های اخیر در ایجاد تقاضا و توسعه بازار این منبع انرژی نویدبخش است، اما هنوز فاصله قابل‌توجهی با اهداف اقلیمی و سناریوی انتشار خالص صفر وجود دارد. افزایش توافق‌های خرید، شکل‌گیری ائتلاف‌های صنعتی و راه‌اندازی پلتفرم‌های هماهنگی در سراسر جهان نشان‌دهنده گام‌های امیدوارکننده در این مسیر است.

با این حال، رفع چالش‌هایی نظیر هزینه‌های سرمایه گذاری و تولید، کمبود زیرساخت‌ها و عدم اطمینان در تأمین مداوم، نیازمند حمایت‌های بیشتر دولت‌ها و بخش خصوصی است. تحقق این اهداف تنها با تقویت همکاری‌های بین‌المللی و سرمایه‌گذاری‌های هدفمند امکان‌پذیر خواهد بود. هیدروژن کم‌کربن، اگر به درستی توسعه یابد، می‌تواند یکی از ارکان اصلی در تحول سیستم انرژی جهانی باشد و آینده‌ای پایدارتر برای نسل‌های آینده رقم بزند.

 مراجع

IEA

ScienceDirect

ScienceDirect

IRENA