دسته‌بندی و مرور روش‌های مختلف تولید هیدروژن سبز

زمان مطالعه: 7 دقیقه

هیدروژن سبز به عنوان یک منبع انرژی پایدار، پاک و تجدیدپذیر، در صنایع و کاربرد‌های مختلف در دوران گذار انرژی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. هیدروژن به دلیل قابلیت انتشار کربن صفر، پتانسیل کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و توانایی ذخیره و استفاده در کاربردهای مختلف، از جمله حمل‌ونقل، صنایع سنگین و تولید برق، به‌عنوان یکی از ارکان اصلی آینده سبد انرژی آینده شناخته می‌شود. این تحول بخشی از تلاش‌های جهانی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییرات اقلیمی است.

بر اساس توافق‌نامه پاریس، محدود کردن افزایش دمای جهانی به 1.5 درجه سانتی گراد و کاهش انتشار کربن، از اهداف اصلی بسیاری از کشورها شده است. با وجود چالش‌هایی نظیر هزینه بالای تولید هیدروژن سبز و نیاز به توسعه زیرساخت‌های مرتبط، در سال‌های اخیر پیشرفت‌های کسب شده در توسعه فناوری‌های نوین و در نتیجه کاهش هزینه‌های تولید و سرمایه گذاری، جایگاه هیدروژن سبز را به ‌عنوان گزینه‌ای اقتصادی و پایدار تقویت کرده است. لذا توسعه فناوری و فرایند‌های تولید هیدروژن سبز نقش به سزایی در توسعه و رشد تقاضا هیدروژن سبز در سبد انرژی صنایع مختلف و کاربرد‌های صنعتی ایفا خواهد کرد. در این مقاله به مرور روش‌های مختلف تولید هیدروژن سبز و مقایسه آن با سایر انواع هیدروژن می‌پردازیم.هیدروژن بر اساس روش تولید و میزان انتشار کربن به رنگ‌های مختلفی دسته‌بندی می‌شود.

برای مطالعه مقاله ” رنگین‌کمان هیدروژن؛ رنگ‌های مختلف هیدروژن از چه منابعی تولید می‌شوند؟” اینجا کلیک کنید.

روش‌های تولید هیدروژن سبز

هیدروژن سبز با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد، خورشید و زیست‌توده و از طریق فرآیندهایی مانند الکترولیز آب تولید می‌شود. در این روش، برق مورد نیاز از منابع تجدیدپذیر تأمین می‌شود و آب به مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌گردد. این فرایند هیچ‌گونه انتشار کربنی ندارد و از نظر زیست‌محیطی به عنوان پایدارترین گزینه شناخته می‌شود، به‌ویژه برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و مقابله با تغییرات اقلیمی.

تولید هیدروژن سبز به روش‌های مختلفی انجام می‌شود که هرکدام دارای مزایا و چالش‌های خاص خود هستند. هر فناوری که از منابع تجدیدپذیر استفاده کند، می‌تواند به تولید هیدروژن سبز کمک کند. بخش اصلی فرایند تولید هیدروژن سبز مبتنی بر فرایند الکترولیز آب است. در این فرآیند، برق تولید شده از منابع انرژی تجدیدپذیر، آب را به مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. سایر روش‌ها نیز، همان‌طور که در ادامه توضیح داده می‌شود، به دلیل استفاده از منابع تجدیدپذیر و کاهش انتشار کربن، می‌توانند در دسته فناوری‌های تولیدکننده هیدروژن سبز قرار گیرند.

در شکل زیر روش‌های مختلف تولید هیدروژن سبز نشان داده شده است. آشنایی با روش‌های مختلف تولید هیدروژن سبز منجر به بهینه‌سازی فرایند تولید متناسب با محل اجرای طرح و منابع در دسترس جهت کاهش هزینه‌های تولید و سرمایه گذاری خواهد شد. در ادامه به توضیح مختصری از این روش‌ها می‌پردازیم:

الکترولیز آب

این روش شامل تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر است. این فرآیند نه تنها بدون تولید کربن است، بلکه با به‌کارگیری انرژی خورشیدی، بادی یا آبی، پایداری زیست‌محیطی بیشتری را فراهم می‌کند. فناوری‌های الکترولیز شامل موارد زیر می‌باشند:

الکترولیز قلیایی

این روش قدیمی‌ترین فناوری تولید هیدروژن است که از محلول‌های قلیایی مانند پتاسیم هیدروکسید یا سدیم هیدروکسید به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. با وجود سادگی طراحی و هزینه کم، این روش همچنان محبوب است و در تولید هیدروژن در مقیاس‌های بزرگ کاربرد دارد. با این حال، کارایی انرژی آن نسبت به فناوری‌های جدیدتر مانند PEM پایین‌تر است.

الکترولیز غشای تبادل پروتون (PEM)

این روش از غشاهایی استفاده می‌کند که پروتون‌ها را در طول فرآیند الکترولیز منتقل می‌کنند. PEM به دلیل کارایی بالاو قابلیت کار در شرایط فشار بالا، برای کاربردهای پیشرفته مناسب است، اما هزینه بالای مواد و تجهیزات آن از چالش‌های اصلی به شمار می‌رود.

الکترولیز اکسید جامد

این فناوری در دماهای بسیار بالا (300 تا 1000 درجه سانتی‌گراد) عمل می‌کند و از بخار آب به‌ جای آب مایع استفاده می‌کند که راندمان تولید هیدروژن را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. این فناوری برای کاربردهای صنعتی در مقیاس بزرگ مناسب است، اما به دلیل نیاز به مواد مقاوم در برابر حرارت و زیرساخت‌های پیشرفته، هنوز در مراحل توسعه قرار دارد.

الکترولیز غشای تبادل آنیون (AEM)

این فناوری نوظهور از غشاهایی استفاده می‌کند که اجازه انتقال آنیون‌ها را می‌دهند و با بهره‌گیری از مواد ارزان‌تر نسبت به PEM، هزینه تولید را کاهش می‌دهد. این روش ترکیبی از کارایی بالا و پتانسیل کاهش هزینه‌ها را ارائه می‌دهد و برای آینده تولید هیدروژن سبز بسیار امیدوارکننده است.

فرآیندهای زیستی

این روش‌ها از پتانسیل زیستی میکروارگانیسم‌ها برای تولید هیدروژن بهره می‌گیرند و شامل فرآیندهای بیوشیمیایی پیچیده‌ای هستند که در محیط‌های کنترل‌شده انجام می‌شوند. دو روش مهم در این زمینه عبارتند از:

بیوفوتولیز

در این فرآیند، میکروارگانیسم‌های فتوسنتزی مانند جلبک‌ها و باکتری‌ها، با استفاده از نور خورشید و آنزیم‌های خاص، مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کنند. این روش با بهره‌گیری از منابع طبیعی انرژی، به دو روش مستقیم و غیرمستقیم یک گزینه زیست‌محیطی پایدار محسوب می‌شود. شکل زیر هیدروژن سبز تولید از طریق فوتولیز مستقیم و فوتولیز غیرمستقیم را نشان می‌دهد.

در فوتولیز مستقیم، الکترون‌ها مستقیماً از مولکول‌های آب طی فتوسنتز استخراج می‌شوند، در حالی که در فوتولیز غیرمستقیم، با ایجاد شرایطی مانند کمبود گوگرد، محیط بی‌هوازی شکل می‌گیرد و مسیری متفاوت برای انتقال الکترون فعال می‌شود. این فرآیندها امکان جداسازی واکنش‌های تولید اکسیژن و هیدروژن را فراهم می‌کنند و حساسیت سیستم به حضور اکسیژن را کاهش می‌دهند.

بایو الکترولیز

فرآیندی است که در آن از میکروارگانیسم‌ها و جریان الکتریکی برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود. در این روش، میکروارگانیسم‌ها مواد آلی یا آب را تجزیه کرده و الکترون‌ها را به الکترودها منتقل می‌کنند. این الکترون‌ها به تولید هیدروژن در کاتد منجر می‌شوند. منابع این فرآیند شامل ضایعات زیستی، آب‌های آلوده، و جریان الکتریکی تجدیدپذیر است که به پایداری و کاهش آلودگی کمک می‌کند.

فرآیندهای فوتوشیمیایی

فناوری فوتوکاتالیزور

بر پایه فعال‌سازی فوتوکاتالیست‌ها توسط نور خورشید طراحی شده است. در این فرآیند، فوتون‌ها باعث فعال شدن الکترون‌ها (e⁻) در باند هدایت[1] و ایجاد حفره‌های مثبت (h⁺) در باند ظرفیت[2] می‌شوند. الکترون‌ها با اکسیژن واکنش داده و رادیکال‌های اکسیژن تولید می‌کنند، در حالی که حفره‌های مثبت با آب واکنش داده و رادیکال‌های هیدروکسیل (OH•) تولید می‌کنند. این رادیکال‌ها می‌توانند آلاینده‌های آلی و معدنی موجود در هوا را به محصولات بی‌ضرری مانند CO₂ و H₂O تبدیل کنند. شکل بالا این فرآیند را به طور شماتیک نمایش می‌دهد و نقش نور خورشید و واکنش‌های شیمیایی را در تصفیه آلاینده‌ها نشان می‌دهد.

فتوسنتز مصنوعی

با الهام از فرآیندهای طبیعی، نور خورشید را برای تولید هیدروژن سبز به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند. این فناوری از تجمع بارها برای انتقال انرژی، محافظت نوری برای جلوگیری از آسیب ناشی از نور شدید، و خودترمیمی برای حفظ عملکرد طولانی‌مدت بهره می‌گیرد. در این فرآیند، آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود.این روش، راهکاری پایدار برای تولید انرژی و کاهش دی‌اکسید کربن ارائه می‌دهد.

شکل زیر مقایسه‌ای بین فتوسنتز طبیعی و مصنوعی ارائه می‌دهد؛ در سمت چپ، فرآیند فتوسنتز مصنوعی با تبدیل آب و کربن دی‌اکسید به سوخت‌های شیمیایی و انرژی تجدیدپذیر نمایش داده شده است، و در سمت راست، فتوسنتز طبیعی در قالب یک کارخانه شبیه‌سازی شده است.

تفاوت اصلی بین این دو فرآیند در هدف و کاربرد آن‌ها است. فتوسنتز طبیعی در گیاهان برای تولید گلوکز و اکسیژن به‌عنوان منبع انرژی زیستی انجام می‌شود، در حالی که فتوسنتز مصنوعی به طور خاص برای تولید سوخت‌های پاک و کاهش دی‌اکسید کربن طراحی شده است. علاوه بر این، فتوسنتز مصنوعی می‌تواند در شرایط کنترل‌شده و در مقیاس‌های صنعتی برای تولید پایدار انرژی به کار گرفته شود.

تقسیم آب با انرژی حرارتی خورشیدی[1]

تقسیم آب با انرژی حرارتی خورشیدی فرآیندی است که با استفاده از حرارت بسیار بالای خورشید، مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. در این روش، نور خورشید توسط متمرکزکننده‌های خورشیدی جمع‌آوری شده و دمای بسیار بالا برای فعال‌سازی مواد شیمیایی مانند سریم اکسید [2] (CeO₂) فراهم می‌شود. این ماده به عنوان واسطه، ابتدا اکسیژن را آزاد کرده و سپس با جذب بخار آب، هیدروژن تولید می‌کند. شکل زیر این فرآیند را نشان می‌دهد، اما این فناوری همچنان در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارد و به زیرساخت‌های پیشرفته و بهینه‌سازی بیشتر نیاز دارد تا برای کاربردهای صنعتی مقیاس‌پذیر شود.

نتیجه‌گیری

زنجیره تولید هیدروژن سبز شامل چندین مرحله مهم است که هرکدام نیازمند فناوری‌ها و زیرساخت‌های خاص خود هستند. شکل زیر مسیر تولید و استفاده از هیدروژن سبز را در یک سیستم انرژی پاک نشان می‌دهد. فرآیند با استفاده از منابع تجدیدپذیر برای تأمین انرژی آغاز شده و با تولید، ذخیره‌سازی و انتقال هیدروژن سبز به پایان می‌رسد.

در این فرآیند، انرژی‌های تجدیدپذیر مانند خورشید، باد و آب به عنوان منابع اصلی برای تأمین برق مورد نیاز استفاده می‌شوند. این منابع پایدار و بدون انتشار کربن هستند و نقشی حیاتی در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی ایفا می‌کنند. برق تولید شده از این منابع برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن در فرآیند الکترولیز به کار می‌رود. در این مرحله، هیدروژن شده به عنوان یک سوخت پاک و بدون انتشار دی‌اکسید کربن ذخیره می‌شود، در حالی که اکسیژن به محیط بازمی‌گردد.

سپس هیدروژن تولید شده تحت فشار بالا فشرده می‌شود تا حجم آن کاهش یابد و امکان ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آسان‌تر فراهم گردد. این هیدروژن در مخازن مخصوص ذخیره می‌شود که ایمنی و قابلیت نگهداری طولانی‌مدت را تضمین می‌کنند. در نهایت، هیدروژن ذخیره شده به محل‌های مصرف منتقل شده و در بخش‌هایی مانند حمل‌ونقل، تولید برق و صنایع سنگین مانند فولادسازی استفاده می‌شود. این فرآیند نه تنها انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد، بلکه به ایجاد یک اقتصاد پایدار و پاک کمک کرده و مسیری روشن برای حرکت به سوی آینده‌ای بدون کربن ارائه می‌دهد.