هیدروژن به‌عنوان یک سوخت پاک و پتانسیل‌دار برای آینده انرژی جهان مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی همچنان یکی از منابع اصلی انتشار کربن دی اکسید است و اثرات محیط زیستی قابل توجهی به همراه دارد. برای کاهش این اثرات، فناوری‌های جذب، ذخیره و استفاده از کربن (CCUS) به میدان آمده‌اند و می‌توانند به‌طور چشمگیری میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند. این مقاله به بررسی فناوری‌های پیشرفته مانند اکسیداسیون جزئی و گازی‌سازی زغال‌سنگ برای تولید هیدروژن آبی می‌پردازد و چالش‌ها و فرصت‌های مرتبط با آن‌ها را تحلیل می‌کند. همچنین، نقش پروژه‌های جهانی و اثرات اقتصادی این فناوری‌ها در تولید هیدروژن کم‌کربن بررسی می‌شود تا چشم‌انداز روشنی از آینده این صنعت ارائه دهد.
تولید هیدروژن با سوخت‌های فسیلی مدیریت انتشار کربن
تولید هیدروژن از منابع فسیلی مانند گاز طبیعی و زغال‌سنگ، از طریق فرایندهایی مانند رفرمینگ بخار متان و تبدیل به گاز، همچنان از فناوری‌های رایج در صنعت هیدروژن به شمار می‌رود. این روش‌ها بخش عمده‌ای از تولید هیدروژن را تشکیل می‌دهند، اما منبع اصلی انتشار کربن دی اکسید در این بخش هستند و اثرات محیط زیستی قابل توجهی دارند.
برای کاهش اثرات زیست‌محیطی تولید هیدروژن، جذب، ذخیره و استفاده از کربن دی اکسید از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این فناوری می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای از کارخانه‌های تولید هیدروژن در بخش‌های پالایشی و شیمیایی را به‌طور چشمگیری کاهش دهد، به طوری که این کارخانه‌ها 2.5 درصد از کل انتشار جهانی را به خود اختصاص می‌دهند. علاوه بر این، این فرایند راهکاری مقرون‌به‌صرفه برای افزایش تولید هیدروژن جهت پاسخگویی به تقاضای رو به رشد در کشورهایی با شرایط مطلوب است.
جذب، ذخیره و استفاده از کربن دی اکسید به مجموعه‌ای از فناوری‌های متنوع اشاره دارد که می‌توانند به کشورها در دستیابی به اهداف انرژی و کاهش تغییرات آب و هوایی کمک کنند. این فرایند شامل جذب کربن دی اکسید از منابع بزرگ انتشار مانند نیروگاه‌های برق و تأسیسات صنعتی است که از سوخت‌های فسیلی یا زیست‌توده استفاده می‌کنند، و حتی می‌تواند کربن دی اکسید را به‌طور مستقیم از جو جذب کند.
راهکارهای ذخیره‌سازی و انتقال کربن دی اکسید
استفاده از کربن دی اکسید جذب شده فرصت‌های متعددی را ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، سنتز اوره در کارخانه‌های آمونیاک، که در سال 2020 بیش از 130 میلیون تن کربن دی اکسید را جذب کرد، بزرگترین کاربرد فعلی در مقیاس صنعتی محسوب می‌شود. با این حال، کاربردهای آینده این فناوری شامل تولید سیمان و سوخت‌های مصنوعی است که می‌تواند به‌طور گسترده توسعه یابد.
ذخیره‌سازی کربن دی اکسید به معنای تزریق این گاز جذب شده به سازندهای زمین‌شناسی عمیق مانند مخازن نفت و گاز تخلیه شده یا سازندهای شور است، جایی که به‌طور دائم در ساختار سنگی نگهداری می‌شود. در صورتی که استفاده فوری از کربن دی اکسید ممکن نباشد، این گاز می‌تواند فشرده شده و برای استفاده یا ذخیره‌سازی به سایر تأسیسات منتقل شود. انتقال کربن دی اکسید از طریق خطوط لوله، کشتی‌ها، راه‌آهن یا کامیون انجام می‌گیرد.
ظرفیت فعلی برای جذب کربن دی اکسید در مقیاس بزرگ و تزریق آن به سازندهای زمین‌شناسی به منظور ذخیره‌سازی یا استفاده در بازیافت نفت افزایش‌یافته، به حدود 40 میلیون تن در سال می‌رسد. حدود دو سوم این ظرفیت به تأسیسات فرآوری گاز طبیعی اختصاص دارد، و باقی‌مانده به‌طور مساوی بین تولید برق، سوخت مصنوعی، آمونیاک، هیدروژن و مقادیر کمتری در تولید بیواتانول و فولاد تقسیم می‌شود.
چالش‌های فرایند اصلاح بخار متان و فناوری‌های جایگزین
در فرایند تولید هیدروژن از گاز طبیعی با استفاده از اصلاح بخار متان، انتشار مستقیم کربن دی اکسید معادل 9 کیلوگرم برای هر کیلوگرم هیدروژن تولیدشده است. علاوه بر این، انتشار متان بالادستی ناشی از تولید و حمل‌ونقل گاز طبیعی می‌تواند بین 1.9 تا 2.5 کیلوگرم معادل کربن دی اکسید به‌ازای هر کیلوگرم هیدروژن را افزایش دهد، که میانگین جهانی آن 2.7 کیلوگرم معادل کربن دی اکسید است. این تفاوت‌ها منعکس‌کننده تغییرات منطقه‌ای هستند که نیاز به اقداماتی برای کاهش آن‌ها دارد. فناوری‌های موجود برای کاهش انتشار متان بالادستی در حال حاضر در دسترس و از نظر اقتصادی به‌صرفه هستند.
یکی از چالش‌های مهم در فرایند اصلاح بخار متان، استفاده 30 تا 40 درصد از گاز طبیعی به‌عنوان سوخت برای تولید بخار و گرما است، که منجر به ایجاد یک جریان رقیق از کربن دی اکسید می‌شود. بقیه گاز طبیعی به هیدروژن و یک جریان غلیظ‌تر از کربن دی اکسید تبدیل می‌شود. در این راستا، جذب کربن دی اکسید از جریان متمرکز می‌تواند انتشار کلی را تا 60 درصد کاهش دهد، اما برای دستیابی به کاهش 90 درصدی یا بیشتر، لازم است گاز رقیق‌تر نیز جذب شود. هزینه جذب هر دو جریان بین 50 تا 70 دلار در هر تن کربن دی اکسید برآورد شده است.
فناوری‌های جایگزین: اصلاح اتوترمال و پروژه‌های آینده
اصلاح اتوترمال یک فناوری جایگزین است که در آن گرمای مورد نیاز فرایند به‌صورت داخلی تولید می‌شود. این ویژگی منجر به تولید جریان متمرکزتری از کربن دی اکسید می‌شود و نرخ جذب بالاتر (95 درصد یا بیشتر) را با هزینه‌ای پایین‌تر نسبت به اصلاح بخار متان فراهم می‌کند. برخلاف اصلاح بخار متان، این فناوری از اکسیژن به‌جای بخار استفاده می‌کند و نیازمند برق به‌عنوان ورودی انرژی است.
بخش بزرگی از تولید جهانی آمونیاک و متانول در حال حاضر از اصلاح اتوترمال استفاده می‌کند، البته بدون جذب و ذخیره کربن. با این حال، پروژه‌های نوآورانه مانند HyNet و H2H Saltend در بریتانیا، برنامه‌ریزی کرده‌اند که این فناوری را با سیستم‌های جذب، ذخیره و استفاده از کربن ترکیب کنند تا تولید هیدروژن کم‌کربن را بهبود بخشند.
توسعه فناوری‌های اکسیداسیون جزئی و گازی‌سازی زغال‌سنگ
فناوری اکسیداسیون جزئی در تولید هیدروژن از سوخت‌های گازی یا مایع با ویژگی‌های منحصر به‌فرد در حال پیشرفت است. این فناوری به کاتالیزور نیاز ندارد و قابلیت پردازش خوراک‌های ناخالص را دارد. اکسیداسیون جزئی از اکسیژن برای تامین انرژی بهره می‌برد و مانند اصلاح اتوترمال، به برق وابسته است. یک مثال برجسته در این زمینه، پالایشگاهی در هلند است که از سال 1997 فعالیت خود را آغاز کرد و از سال 2005 شروع به جذب کربن دی اکسید برای استفاده در گلخانه‌ها نمود. این پالایشگاه با ظرفیت جذب 0.4 میلیون تن کربن دی اکسید در سال فعالیت می‌کند، در حالی که ظرفیت نصب شده آن 1 میلیون تن است و ممکن است از طریق پروژه Porthos به‌طور کامل به بهره‌برداری برسد.
در همین راستا، گازی‌سازی زغال‌سنگ به‌عنوان یک فناوری بالغ شناخته می‌شود که عمدتاً در صنایع شیمیایی برای تولید آمونیاک، به‌ویژه در چین، کاربرد دارد. این فناوری، به ازای تولید هر تن هیدروژن، 20 تن کربن دی اکسید منتشر می‌کند که نشان‌دهنده شدت بالای انتشار گازهای گلخانه‌ای است. اگرچه هنوز چالش‌های فنی برای بهبود این فناوری وجود دارد، گازی‌سازی زغال‌سنگ با استفاده از فناوری‌های جذب، ذخیره و استفاده از کربن می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل کم‌کربن مطرح شود. با این حال، فناوری‌های موجود عمدتاً بر جداسازی گاز تمرکز دارند و تنها تعداد محدودی می‌توانند هیدروژن با خلوص بالا و کربن دی اکسید خالص و قابل استفاده تولید کنند.
پروژه‌های جهانی و اثرات اقتصادی جذب کربن
طراحی و انتخاب فناوری‌های مناسب برای جذب کربن بستگی به مصرف نهایی هیدروژن و هزینه‌های تولید دارد. برای مثال، پروژه زنجیره تأمین انرژی هیدروژن در استرالیا با هدف صادرات به ژاپن، قصد دارد با استفاده از گازی‌سازی زغال‌سنگ قهوه‌ای هیدروژن تولید کند و کربن دی اکسید را از طریق پروژه CarbonNet ذخیره و حمل کند.
در سطح جهانی، شانزده پروژه مختلف در حال تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی با فناوری‌های جذب، ذخیره و استفاده از کربن هستند. این پروژه‌ها با تولید بیش از 0.7 میلیون تن هیدروژن در سال، نزدیک به 10 میلیون تن کربن دی اکسید را جذب می‌کنند. در میان آن‌ها، ده نیروگاه با ظرفیت جذب بیش از 0.4 میلیون تن کربن دی اکسید در سال به فعالیت مشغولند که شامل چهار پالایشگاه نفت و سه کارخانه تولید کود است. برخی پروژه‌های دیگر نیز در حال بهسازی سایت‌های موجود هستند که توان تولید از کمتر از 100 مگاوات هیدروژن تا بیش از یک گیگاوات هیدروژن را دارند. ظرفیت برنامه‌ریزی شده برای این پروژه‌ها می‌تواند تا 20 گیگاوات هیدروژن افزایش یابد.
در مناطقی که دارای منابع ارزان قیمت زغال‌سنگ یا گاز طبیعی هستند و امکان ذخیره‌سازی کربن دی اکسید فراهم است (مانند خاورمیانه، شمال آفریقا، روسیه و ایالات متحده)، استفاده از سوخت‌های فسیلی با فناوری‌های جذب، ذخیره و استفاده از کربن به‌عنوان گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه شناخته می‌شود. هزینه‌های تولید هیدروژن از گاز طبیعی در سال 2020 بین 1.00 تا 2.00 دلار به ازای هر کیلوگرم بود، که 0.50 دلار آن به دلیل هزینه‌های جذب، حمل و ذخیره‌سازی کربن دی اکسید است. با افزایش جریمه‌های انتشار کربن دی اکسید (5 تا 10 درصد) در طول زمان، این هزینه‌ها به تدریج افزایش خواهند یافت (شکل بالا). تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی با جذب، ذخیره و استفاده از کربن همچنان در حال افزایش است.
جمع‌بندی
تولید هیدروژن آبی از سوخت‌های فسیلی با بهره گیری از فناوری‌های جذب، ذخیره و استفاده از کربن (CCUS) مسیری امیدوارکننده برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و تامین تقاضای رو به رشد انرژی در دوره گذار انرژی است. فناوری‌هایی مانند اکسیداسیون جزئی و گازی‌سازی زغال‌سنگ، در عین حال که با چالش‌های فنی و اقتصادی همراه هستند، فرصت‌های بزرگی برای بهبود خلوص هیدروژن و ذخیره موثر کربن دی اکسید فراهم می‌کنند. پروژه‌های جهانی در این حوزه به‌سرعت در حال گسترش هستند و با تولید سالانه میلیون‌ها تن هیدروژن، به کاهش انتشار کربن کمک می‌کنند. با وجود هزینه‌های اضافی مرتبط با جذب و ذخیره کربن، این روش‌ها همچنان به‌عنوان راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه در مناطقی با منابع ارزان سوخت فسیلی باقی می‌مانند. در نهایت، فناوری‌های CCUS نقش کلیدی در دستیابی به اهداف آب‌وهوایی و حرکت به‌سوی اقتصاد کم‌کربن ایفا خواهند کرد.
