تولید هیدروژن به‌وسیله اصلاح (ریفرمینگ) بخار متان (SMR) [1] یکی از روش‌های اصلی و گسترده در تولید هیدروژن در صنعت است که از دیرباز برای تأمین هیدروژن مورد نیاز صنایع شیمیایی و پالایشگاهی استفاده می‌شود. در فرآیند SMR، متان (CH4) با بخار آب (H2O) واکنش داده و هیدروژن (H2) و کربن مونوکسید (CO) تولید می‌کند. هرچند که این فرآیند از لحاظ اقتصادی و عملیاتی کارآمد است، اما نیاز به استفاده از سوخت‌های فسیلی برای تأمین انرژی حرارت واکنش (راکتورهای قرار گرفته در کوره)، منجر به تولید مقادیر زیادی کربن دی‌اکسید (CO2) و در نهایت به مشکلات زیست‌محیطی عمده‌ای می‌شود.
با توجه به افزایش نگرانی‌ها درباره تغییرات اقلیمی و مشکلات ناشی از انتشار گازهای گلخانه‌ای، جستجوی راه‌حل‌های جدید برای کاهش اثرات منفی این فرآیندها به یک نیاز ضروری تبدیل شده است. یکی از راهکارهایی که در حال حاضر به‌طور جدی مورد توجه قرار گرفته، ریفرمینگ بخار متان الکتریکی (eSMR) [2] است. در این روش، انرژی الکتریکی تجدیدپذیر به‌جای سوخت‌های فسیلی برای تأمین حرارت مورد نیاز فرآیند SMR به کار می‌رود. این فناوری نه‌تنها می‌تواند به کاهش انتشار CO2 کمک کند بلکه به بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی نیز منجر می‌شود.
فرآیند اصلاح بخار متان (SMR)
فرآیند SMR یکی از رایج‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای تولید هیدروژن (گاز سنتز حاوی؛ هیدروژن، کرین‌دی‌اکسید و کربن‌مونو‌اکسید) در صنایع مختلف است. این فرآیند شامل واکنش متان (CH4) با بخار آب (H2O) است که در نتیجه آن، کربن مونوکسید (CO) و هیدروژن (H2) تولید می‌شود. معادله شیمیایی این واکنش به صورت زیر است:
در این فرآیند، علاوه بر واکنش اصلی که منجر به تولید هیدروژن می‌شود، مرحله‌ای به نام واکنش انتقال آب-گاز [3] (WGS) نیز وجود دارد که در آن مونوکسید کربن (CO) به کربن دی‌اکسید (CO2) تبدیل شده و هیدروژن بیشتری تولید می‌کند. این فرآیند نیاز به دماهای بالای 600 تا 900 درجه سانتی‌گراد و فشارهای بالا دارد.
یکی از مشکلات عمده SMR، نیاز به تأمین حرارت از سوخت‌های فسیلی است. این فرآیند از گاز طبیعی یا گازهای اضافی از مراحل تصفیه، برای تأمین انرژی حرارتی استفاده می‌کند که باعث انتشار کربن دی‌اکسید در جو می‌شود و به تغییرات اقلیمی دامن می‌زند. در نتیجه، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در فرآیندهای تولید هیدروژن تبدیل شده است.
در شکل زیر، شمای کلی از فرآیند SMR نشان داده شده است. در این شکل متناسب با میزان تولید 2،450 نرمال متر مکعب گاز سنتز، میزان مصارف گاز طبیعی (به عنوان سوخت و خوراک)، بخار آب، آب خالص (DMW) و همچنین میزان انتشار کربن‌دی‌اکسید ناشی از سوختن متان در کوره‌های ریفرورمر نشان داده شده است. همان‌طور که ذکر شد، این فرآیند به تأمین حرارت از طریق سوخت‌های فسیلی نیاز دارد که منجر به انتشار CO2 می‌شود. در eSMR، این فرآیند به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که از انرژی تجدیدپذیر برای تأمین حرارت استفاده کند و در نتیجه انتشار CO2 را کاهش دهد.
مطالعه مقاله “مروری بر فرایندهای تولید گاز سنتز از گاز طبیعی” اینجا کلیک کنید.
شمای کلی از فرآیند اصلاح بخار متان (SMR)
ریفرمینگ بخار متان الکتریکی (eSMR)
در ریفرمینگ بخار متان الکتریکی (eSMR)، حرارت مورد نیاز برای فرآیند از طریق انرژی الکتریکی تجدیدپذیر تأمین می‌شود. به‌جای استفاده از سوخت‌های فسیلی برای تأمین حرارت، این انرژی از منابعی مانند خورشید، باد و دیگر منابع تجدیدپذیر تأمین می‌شود. این تغییرات در فرآیند SMR، پتانسیل کاهش چشمگیر انتشار CO2 را فراهم می‌آورد.
در این روش، از سه فناوری مختلف برای تأمین حرارت استفاده می‌شود:
– حرارت‌دهی ژول
– حرارت‌دهی مایکروویو
– حرارت‌دهی القایی
این فناوری‌ها به‌طور قابل توجهی کارایی فرآیند اصلاح بخار متان را افزایش می‌دهند و موجب بهبود مقیاس‌پذیری و زمان راه‌اندازی سریع‌تر سیستم‌ها می‌شوند.
مقایسه نحوه عملکرد فرایند ریفرمینگ بخاری متان (SMR) و فرایند ریفرمینگ الکتریکی بخاری متان (eSMR)در شکل زیر، نحوه تأمین حرارت در eSMR از طریق جوول، مایکروویو و القای الکترومغناطیسی به‌طور تفصیلی نشان داده شده است. این شکل به‌خوبی تفاوت‌ها و ویژگی‌های هر یک از فناوری‌های مورد استفاده برای تأمین حرارت در فرآیند eSMR را نشان می‌دهد.
فناوری‌های مختلف گرمایش در ریفرمینگ بخار متان الکتریکی (eSMR)
-
حرارت‌دهی ژول (Joule Heating)
حرارت‌دهی ژول یا مقاومتی به عنوان یکی از روش‌های کارآمد در eSMR شناخته می‌شود. در این روش، جریان الکتریکی از طریق یک ماده رسانا عبور داده می‌شود و این ماده به‌واسطه برخورد الکترون‌ها با شبکه‌ی ماده، حرارت تولید می‌کند. این فرآیند توانایی تبدیل 90 تا 95 درصد انرژی الکتریکی به حرارت را دارد که باعث افزایش کارایی سیستم می‌شود. چالش‌های این روش شامل نیاز به مواد رسانا و کنترل دقیق توزیع حرارت است.
-
حرارت‌دهی مایکروویو (Microwave Heating)
این روش از امواج الکترومغناطیسی برای گرم کردن مواد به‌ویژه کاتالیزورها استفاده می‌کند. در حرارت‌دهی مایکروویو، امواج مایکروویو به‌طور مستقیم کاتالیزور را گرم کرده و سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. مزیت این روش کاهش مصرف انرژی و بهبود کارایی است. اما چالش‌های آن شامل طراحی دقیق سیستم مایکروویو و ایجاد یکنواختی حرارتی در داخل واکنشگاه‌ها است.
-
حرارت‌دهی القایی (Induction Heating)
در این روش، میدان‌های الکترومغناطیسی برای گرم کردن مواد استفاده می‌شود. این روش به‌ویژه برای مواد مغناطیسی یا کاتالیزورهایی که خواص مغناطیسی دارند مناسب است. حرارت‌دهی القایی گرما را به‌طور محلی و دقیق تولید می‌کند، که باعث افزایش کارایی فرآیند و کاهش اتلاف انرژی می‌شود. چالش‌ها در این روش شامل نیاز به مواد مغناطیسی و کنترل دقیق میدان‌های الکترومغناطیسی است.
مزایای استفاده از eSMR
- تامین پایدار انرژی و کاهش انتشار CO2: استفاده از انرژی الکتریکی تجدیدپذیر به‌جای سوخت‌های فسیلی در فرآیند eSMR، انتشار کربن دی‌اکسید را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
- افزایش بهره‌وری انرژی: فناوری‌هایی مانند ژول و مایکروویو توانایی افزایش کارایی انرژی در فرآیند eSMR را دارند.
- مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری: سیستم‌های eSMR می‌توانند به‌راحتی در مقیاس‌های صنعتی و نیمه صنعتی مقیاس‌پذیر باشند.
- زمان راه‌اندازی سریع: مدت زمان راه اندازی واحد در مقایسه با فرایند SMR که ممکن است هفته‌ها برای راه‌اندازی نیاز داشته باشد، eSMR می‌تواند به سرعت راه‌اندازی شود.
چالش‌ها و موانع پیش روی eSMR
- توزیع یکنواخت حرارت: یکی از چالش‌های اصلی eSMR، تضمین توزیع یکنواخت حرارت در داخل راکتور‌ها است.
- پایداری مواد: مواد مورد استفاده در سیستم‌های انتقال حرارت (ژول، ماکروویو و القایی) eSMR باید توانایی تحمل دماهای بالا را داشته باشند که نیازمند تحقیق و پیشرفت در طراحی و توسعه مواد مقاوم است.
- یکپارچگی با انرژی تجدیدپذیر: ارتباط صحیح و بهینه‌سازی سیستم eSMR با منابع انرژی تجدیدپذیر با توجه به چالش‌های تامین یکنواخت انرژی، ذخیره سازی و انتقال نیاز به توسعه سیستم‌های پیشرفته یکپارچه سازی فرایندهای انتقال انرژی دارد.
تحلیل اقتصادی و آینده‌نگری
تولید هیدروژن به روش اصلاح بخار متان الکتریکی (eSMR) در مقایسه با فرآیندهای سنتی تولید هیدروژن مانند SMR، هزینه‌های اولیه بالاتری دارد. این هزینه‌ها شامل سرمایه‌گذاری در سیستم‌های الکتریکی تجدیدپذیر، راکتورهای خاص، کاتالیزورها و تجهیزات کنترل دما و فشار است. علاوه بر این، نیاز به زیرساخت‌های پیچیده‌تر و تحقیق و توسعه بیشتر برای بهینه‌سازی عملکرد این سیستم‌ها وجود دارد. با این حال، مزایای طولانی‌مدت eSMR در کاهش هزینه‌های سوخت و همچنین کاهش انتشار کربن دی‌اکسید (CO2) می‌تواند این هزینه‌های اولیه را جبران کند.
از طرفی، eSMR می‌تواند در مقیاس‌های صنعتی بهره‌وری انرژی را به طور قابل توجهی افزایش دهد. زیرا این فناوری تقریباً 90 تا 95 درصد انرژی الکتریکی مصرفی را به حرارت تبدیل می‌کند، در حالی که فرآیندهای سنتی مانند SMR معمولاً راندمان تأمین حرارت مورد نیاز از طریق سوخت‌های فسیلی بین 65 تا 75 درصد است. نیاز دارند. این مزیت در بلندمدت موجب کاهش هزینه‌های عملیاتی و بهبود پایداری اقتصادی سیستم خواهد شد.
تأثیر قیمت انرژی تجدیدپذیر و سیاست‌های کربن‌زدایی بر پذیرش eSMR
پذیرش و گسترش eSMR بستگی زیادی به قیمت انرژی تجدیدپذیر دارد. در مناطقی که منابع تجدیدپذیر ارزان و فراوان مانند انرژی خورشیدی و بادی در دسترس هستند، هزینه تولید هیدروژن از طریق eSMR می‌تواند رقابتی‌تر از فرآیندهای سنتی باشد. کاهش هزینه‌های انرژی تجدیدپذیر به‌ویژه در سال‌های اخیر، این فناوری را برای تولید هیدروژن پاک و مقرون‌به‌صرفه‌تر کرده است.
همچنین، سیاست‌های کربن‌زدایی و مقررات محیط‌زیستی در سراسر جهان به‌ویژه در کشورهای توسعه‌یافته، تأثیر زیادی بر پذیرش eSMR دارند. کشورهای مختلف با هدف کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، سیاست‌های حمایتی از فناوری‌های کم‌کربن را پیش می‌برند. این سیاست‌ها می‌توانند به‌طور مستقیم هزینه‌های تولید هیدروژن از طریق eSMR را کاهش داده و آن را به یک گزینه اقتصادی جذاب‌تر تبدیل کنند.
هزینه تولید هیدروژن از طریق eSMR به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله هزینه تجهیزات اولیه، هزینه تأمین انرژی تجدیدپذیر، و بهره‌وری سیستم‌ها. در حال حاضر، هزینه تولید هیدروژن از eSMR به‌طور متوسط بین 3.50 تا 4.50 دلار به ازای هر کیلوگرم هیدروژن تخمین زده می‌شود. این هزینه ممکن است در آینده کاهش یابد، به‌ویژه اگر قیمت انرژی تجدیدپذیر کاهش یابد و فناوری‌های الکتریکی بهینه‌تری توسعه یابند.
همچنین، هزینه‌های تولید هیدروژن از eSMR می‌تواند با توجه به مقیاس صنعتی کاهش یابد. در مقیاس‌های بزرگ‌تر، هزینه‌های اولیه به‌طور نسبی کاهش می‌یابد و مزایای اقتصادی بیشتری از طریق بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های سوخت حاصل می‌شود. در نتیجه، eSMR می‌تواند در آینده به یک گزینه اقتصادی رقابتی با سایر روش‌ها تبدیل شود.
آینده eSMR در دنیای تولید هیدروژن و فرآیندهای صنعتی پاک‌تر
eSMR در آینده می‌تواند به‌عنوان یکی از فناوری‌های پیشرو در تولید هیدروژن پاک و کم‌کربن شناخته شود. این فناوری به‌ویژه در مناطقی که دسترسی به منابع انرژی تجدیدپذیر ارزان و فراوان وجود دارد، می‌تواند به یک گزینه اقتصادی و پایدار تبدیل شود. علاوه بر این، با توجه به روند جهانی کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و تقاضای رو به رشد برای هیدروژن پاک، eSMR می‌تواند نقشی کلیدی در تحقق اهداف انرژی پاک و کربن‌زدایی ایفا کند.
در دنیای صنعتی، eSMR می‌تواند به‌عنوان بخشی از فرآیندهای صنعتی پایدار و کم‌کربن مورد استفاده قرار گیرد. به‌ویژه در صنایعی که نیاز به هیدروژن به‌عنوان ماده اولیه دارند، مانند تولید آمونیاک، متانول، پالایش نفت، و تولید فولاد، eSMR می‌تواند به کاهش هزینه‌ها و همچنین کاهش اثرات زیست‌محیطی کمک کند.
در نهایت، پیش‌بینی می‌شود که با پیشرفت در فناوری‌های الکتریکی، کاهش هزینه‌های انرژی تجدیدپذیر، و حمایت از سیاست‌های کربن‌زدایی، eSMR به یکی از مهم‌ترین روش‌ها برای تولید هیدروژن در مقیاس‌های صنعتی تبدیل شود. این فناوری نه‌تنها برای تولید هیدروژن پاک، بلکه برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و دستیابی به اهداف توسعه پایدار جهانی اهمیت زیادی خواهد داشت.
نتیجه‌گیری
eSMR به‌عنوان یک روش نوآورانه برای تولید هیدروژن پاک و کم‌کربن، پتانسیل زیادی برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی فرآیندهای سنتی SMR دارد. استفاده از انرژی الکتریکی تجدیدپذیر برای تأمین حرارت در این فرآیند نه‌تنها می‌تواند به کاهش انتشار CO2 کمک کند بلکه باعث بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.
با این‌حال، چالش‌هایی مانند توزیع یکنواخت حرارت، دوام مواد و هزینه‌های اولیه همچنان باقی هستند که نیازمند تحقیقات و پیشرفت‌های بیشتر است. در صورت رفع این مشکلات و با توسعه فناوری‌های جدید، eSMR می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل مؤثر برای تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی در آینده‌ای نزدیک به کار گرفته شود.
مراجع
[1] steam methane reforming
[2] Electrical steam methane reforming
[3] Water Gas Shift
