هیدروژن مایع، راهکاری با چگالی انرژی بالا
هر کدام از روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن که در فصل‌های پیشین مورد بررسی قرار گرفت، دارای مزایا و معایب خاص خود از نظر هزینه، پایداری، راحتی استفاده و چگالی انرژی است. یکی از حالت‌های مهم ذخیره‌سازی، هیدروژن مایع است که مزایایی همچون چگالی حجمی و وزنی بالا و خلوص بالا را ارائه می‌دهد. این حالت از هیدروژن، اولین بار در سال 1898 تولید شد و در دهه 1950 به‌عنوان سوخت موشک‌ها وارد حوزه هوافضا شد.
با افزایش تقاضا در صنایع مختلف، از جمله هوافضا، تولید هیدروژن به فرم مایع نیز افزایش یافت. در حال حاضر، این سوخت به‌طور عمده در صنایع فضایی و برای وسایل نقلیه مافوق صوت به‌عنوان سوخت پیشران استفاده می‌شود. این محبوبیت ناشی از ویژگی‌هایی نظیر کمترین چگالی، پایین‌ترین نقطه جوش و بالاترین رانش ویژه در میان سوخت‌های شناخته‌شده است. ارزش حرارتی بالا، محدوده اشتعال گسترده و سرعت شعله بالا از دیگر ویژگی‌های منحصر به فرد هیدروژن مایع‌شده به شمار می‌روند. همچنین، ظرفیت بالای خنک‌کنندگی این سوخت به دلیل گرمای ویژه بالا آن باعث شده است که برای خنک‌سازی موتورهای فضایی و قطعات حیاتی ایده‌آل باشد.
سرمازایی (کرایوژنیک) و مایع‌سازی هیدروژن
برای ذخیره‌سازی هیدروژن مایع‌شده در مقیاس بزرگ، چالش‌های مرتبط با دماهای بسیار پایین باید مورد توجه قرار گیرد. کرایوژنیک، علم و فناوری دماهای پایین، به ذخیره‌سازی سیالات برودتی مانند هیدروژن مایع در دماهایی پایین‌تر از 120 درجه کلوین (153- درجه سانتی‌گراد) می‌پردازد.
ورود گرمای محیط به مخازن ذخیره‌سازی، یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در نگهداری هیدروژن مایع است. این گرما باعث افزایش فشار یا جوش سیال می‌شود و بخارات ایجادشده باید از مخزن تخلیه شوند که به این فرایند تهویه گفته می‌شود. با توجه به تداوم ورود گرمای محیط، جوش جزء جدایی‌ناپذیر از ذخیره‌سازی برودتی است.
چالش‌های تولید و ذخیره‌سازی هیدروژن مایع
اگرچه هیدروژن مایع‌شده دارای مزایای متعددی است، اما چندین مشکل فنی نیز در مسیر تولید و ذخیره‌سازی آن وجود دارد. به‌طور خاص، نیاز به انرژی بالا برای مایع‌سازی و تلفات ناشی از جوش در هنگام ذخیره‌سازی و جابجایی، از چالش‌های اصلی این روش محسوب می‌شوند. تلفات ناشی از مکانیزم‌های مختلف مانند تبدیل ارتو-پارا، لایه‌بندی حرارتی و نشت گرما ممکن است تا 40% از انرژی احتراق هیدروژن مایع‌شده را مصرف کند.
همچنین، فرایند مایع‌سازی هیدروژن نیازمند مقادیر زیادی انرژی است که حدود 30% از ارزش گرمایشی آن را مصرف می‌کند. به همین دلیل، توسعه فناوری‌های جدید برای بهبود کارایی فرایندهای مایع‌سازی، ذخیره‌سازی و حمل و نقل هیدروژن ضروری است. همچنین، استانداردهای ایمنی برای جابجایی و ذخیره‌سازی هیدروژن مایع باید به‌طور مرتب به‌روز شوند تا امکان استفاده گسترده‌تر از این فناوری در مقیاس‌های بزرگ فراهم شود.
زنجیره تأمین هیدروژن مایع: از تولید تا استفاده نهایی
همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است، زنجیره تأمین هیدروژن مایع شامل مراحل تولید، مایع‌سازی، حمل و نقل، ذخیره‌سازی، توزیع و استفاده نهایی است. هیدروژن تولیدشده باید پیش از حمل‌ونقل، مایع شود و برای انتقال از تانکرهای دریایی، کامیون‌ها و تانکرهای راه‌آهن استفاده شود. این سیستم حمل‌ونقل امکان انتقال بین‌المللی و داخلی هیدروژن مایع‌شده را در مسافت‌های طولانی فراهم می‌کند.
وابسته به نیاز مصرف‌کننده نهایی، هیدروژن مایع‌شده می‌تواند در محل توزیع به حالت گازی تبدیل شود. زنجیره تأمین هیدروژن مایع‌شده و چالش‌های مرتبط با هر مرحله در این فصل مورد بررسی قرار گرفته است.
جمع‌بندی
هیدروژن مایع با مزایای زیادی همچون چگالی انرژی بالا و خلوص مناسب، گزینه‌ای جذاب برای صنایع مختلف، به‌ویژه در بخش هوافضا و وسایل نقلیه مافوق صوت است. با این حال، چالش‌های فنی همچون نیاز به انرژی بالا برای مایع‌سازی و تلفات ناشی از جوش، توسعه این فناوری را محدود کرده‌اند.
در راستای گسترش استفاده از هیدروژن مایع‌شده، ضروری است که تکنولوژی‌های مایع‌سازی و ذخیره‌سازی بهینه‌سازی شوند و استانداردهای ایمنی به‌روزرسانی شوند تا این سوخت بتواند در مقیاس‌های بزرگ‌تر و برای کاربردهای متنوع‌تری مورد استفاده قرار گیرد. زنجیره تأمین هیدروژن مایع‌شده از تولید تا مصرف نهایی باید با دقت و توجه به جزئیات فنی و اقتصادی طراحی شود تا بتواند نیازهای روزافزون صنعت و حمل و نقل را برآورده کند.
