در چشم‌انداز کوتاه‌مدت روش‌های مختلف تولید هیدروژن تا سال 2030، سوخت‌های فسیلی همچنان از مزیت نسبی هزینه‌ای برخوردار خواهند بود. به عنوان مثال، هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی بدون استفاده از فناوری جذب و ذخیره کربن، بسته به قیمت گاز محلی، در محدوده 1 تا 2 دلار آمریکا به‌ازای هر کیلوگرم باقی می‌ماند. این موضوع، به‌ویژه با توجه به داده‌های شکل زیر، که نشان‌دهنده سهم عمده سوخت در هزینه‌های تولید هیدروژن است، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. جز در مورد هیدروژن تولید شده از زغال‌سنگ، هزینه سوخت بزرگ‌ترین بخش هزینه‌های تولید را تشکیل می‌دهد. بنابراین، هزینه تولید هیدروژن در آینده به‌شدت تحت تأثیر هزینه‌های برق و گاز و همچنین پارامترهایی مانند بازده تبدیل قرار خواهد گرفت.
در شکل بالا، هزینه سرمایه‌ای متوسط وزن‌دار (WACC) روش‌های مختلف تولید هیدروژن با توجه به مفروضات اروپا در سال 2030 محاسبه شده است. هزینه برق تجدیدپذیر برابر 40 دلار آمریکا به ازای هر مگاوات ساعت برای چهار هزار ساعت بار کامل در نظر گرفته شده است. همچنین، تحلیل حساسیت هزینه‌ها با توجه به تغییرات 30± درصدی در هزینه‌های سرمایه‌ای و 3± درصدی در هزینه‌های عملیاتی انجام شده است. این تحلیل با فرض هزینه سرمایه‌ای متوسط وزن‌دار 8 درصد و تغییر هزینه کربن‌دی‌اکسید بین 40 تا 100 دلار برای هر تن کربن‌دی‌اکسید به دست آمده است. همچنین باید توجه داشت که هزینه‌های تولید هیدروژن از طریق الکترولیز، به‌ویژه در صورتی که واحدها در ساعت‌های کمی در بار کامل کار کنند، به‌شدت به هزینه‌های سرمایه‌ای حساس هستند.
شدت انتشار کربن‌دی‌اکسید از روش‌های مختلف تولید هیدروژن
شدت انتشار کربن‌دی‌اکسید در فناوری‌های مختلف تولید هیدروژن به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است. شدت انتشار کربن، به میزان انتشار این آلاینده در نسبت به شدت فعالیت یا فرآیند تولید صنعتی اشاره دارد. در اینجا منظور از شدت انتشار کربن، میزان کربن‌دی‌اکسید تولید شده برای هر کیلوگرم هیدروژن است. در شکل زیر مشاهده می‌شود که هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی بدون جذب کربن، نصف شدت کربن هیدروژن تولیدی از زغال‌سنگ بدون جذب کربن را دارد.
شدت انتشار کربن‌دی‌اکسید در تولید هیدروژن از الکترولیز، به شدت کربن‌دی‌اکسید برق ورودی بستگی دارد. به عنوان مثال، استفاده از برق تولید شده توسط نیروگاه‌های زغال‌سنگ یا گاز طبیعی باعث افزایش شدت انتشار می‌شود. برای دستیابی به سطح شدت کربن‌دی‌اکسید کمتر یا مساوی با تولید هیدروژن از گاز طبیعی بدون جذب کربن، شدت انتشار برق تولیدی باید کمتر از 185 گرم کربن‌دی‌اکسید برای هر کیلووات ساعت باشد.
هزینه‌های روش‌های مختلف تولید هیدروژن از منابع فسیلی و تجدیدپذیر
در حال حاضر، هیدروژن کم‌کربن تولید شده با استفاده از فناوری جذب و ذخیره کربن یا برق تجدیدپذیر، عموماً گران‌تر از هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی است. هزینه هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی به‌طور معمول بین 1.5 تا 3 دلار به ازای هر کیلوگرم است، در حالی که هیدروژن تولیدی از برق تجدیدپذیر (انرژی خورشیدی یا بادی) بین 2.5 تا 6 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم برآورد می‌شود.
برای رقابت‌پذیر شدن تولید هیدروژن از گاز طبیعی همراه با فناوری جذب و ذخیره کربن در خاورمیانه، لازم است قیمت کربن‌دی‌اکسید به حدود 50 دلار به ازای هر تن برسد. آینده رقابت‌پذیری هیدروژن کم‌کربن تولیدی از گاز طبیعی به‌طور عمده به قیمت برق و گاز بستگی دارد. برای مثال، با قیمت پایین گاز، برق تجدیدپذیر باید به هزینه‌ای حدود 10 دلار به‌ازای هر مگاوات ساعت برسد تا تولید هیدروژن با الکترولیز نسبت به گاز طبیعی به‌صرفه باشد. برای قیمت‌های بالای گاز (11 دلار به‌ازای هر میلیون بی‌تی‌یو)، هزینه برق تجدیدپذیر باید بین 30 تا 40 دلار برای هر مگاوات ساعت باشد.
تاثیر هزینه‌های انرژی بر تولید هیدروژن
تأثیر هزینه‌های گاز و برق تجدیدپذیر بر تولید هیدروژن با مشاهده کشورها نیز آشکار می‌شود. در کشورهایی که از منابع تجدیدپذیر بهره‌مند هستند اما واردات گاز طبیعی مایع دارند، تولید هیدروژن از انرژی‌های تجدیدپذیر می‌تواند ارزان‌تر از تولید آن از گاز طبیعی باشد. در مقابل، کشورهایی که دسترسی به گاز طبیعی ارزان و امکانات ذخیره‌سازی کربن‌دی‌اکسید دارند، می‌توانند تولید هیدروژن از گاز طبیعی با جذب و ذخیره کربن را به‌عنوان یک گزینه کم‌هزینه‌تر در نظر بگیرند.
علاوه بر این، عوامل دیگری مانند در دسترس بودن زمین برای ذخیره‌سازی کربن و پذیرش عمومی این فناوری نیز در انتخاب گزینه‌های تولید هیدروژن کم‌کربن مؤثر هستند. برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز، دسترسی به منابع آب کافی نیز یک پیش‌نیاز است، هرچند هزینه تصفیه آب (مانند نمک‌زدایی) تنها بخش کوچکی از کل هزینه تولید هیدروژن را تشکیل می‌دهد.
هزینه تراز شده برق و تاثیر ضریب بار
هزینه تراز شده برق (LCOE) تأثیر مستقیمی بر هزینه تولید هیدروژن سبز دارد. هزینه تولید برق از نیروگاه‌های فتوولتاییک خورشیدی و بادی در برخی مناطق جهان به 2 تا 3 سنت برای هر کیلووات‌ساعت رسیده است. یکی دیگر از عوامل مهم، ضریب بار الکترولایزر است که نقش کلیدی در کاهش هزینه تولید دارد.
همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است، ضریب بار بالاتر از 35 درصد باعث کاهش قابل توجه هزینه تولید هیدروژن می‌شود. سیستم‌های ترکیبی باد و خورشیدی که می‌توانند به ضریب بار بیش از 50 درصد دست یابند، به عنوان راه‌حلی امیدوارکننده مطرح شده‌اند.
تولید هیدروژن با سیستم‌های متمرکز خورشیدی
یک راه‌حل گران‌تر برای تولید هیدروژن، استفاده از سیستم‌های متمرکز خورشیدی است. برای اینکه هیدروژن سبز رقابت‌پذیر شود، باید با هزینه‌ای کمتر از 2.5 دلار برای هر کیلوگرم تولید شود. این هزینه وابسته به نوع و نحوه متمرکز بودن تولید است. سازمان بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر، هزینه تولید هیدروژن برای سال 2019 را با در نظر گرفتن هزینه تراز شده تولید برق بین 20 تا 40 دلار برای هر مگاوات ساعت، ناشی از تولید برق بادی و خورشیدی، تعیین کرده است.
این سازمان همچنین، سرمایه‌گذاری‌های فعلی و آینده برای الکترولایزرهای قلیایی را به ترتیب 840 دلار برای هر کیلووات در سال 2019 و 200 دلار برای هر کیلووات در سال 2050 تعیین کرده است. اگر قیمت گاز طبیعی بیش از 10 دلار برای هر گیگاژول باشد، انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن با تولید از گاز قابل رقابت خواهند بود.
در شکل بالا، متوسط و بهترین حالت هزینه‌های تأمین برق تجدیدپذیر در مقایسه با تأمین برق از سوخت‌های فسیلی با جذب و ذخیره کربن نشان داده شده است. داده‌ها نشان می‌دهد که انرژی‌های تجدیدپذیر بدون انتشار کربن دی‌اکسید، حتی در شرایط کنونی می‌توانند یکی از ارزان‌ترین منابع تولید هیدروژن باشند. همچنین، بهترین هزینه سرمایه‌گذاری الکترولایزرها در حدود 200 دلار برای هر کیلووات برآورد شده است که انتظار می‌رود تا سال 2040 در مقیاس وسیع‌تری به دست آید. اگرچه سازندگان چینی ادعا می‌کنند که این امر در حال حاضر نیز ممکن است.
خصوصیات الکترولایزرها و تأثیر مقیاس تولید
تمامی الکترولایزرها شامل یک پشته (تا حدود 100 سلول) و تجهیزات جانبی هستند که می‌توانند به‌صورت موازی متصل شوند. این خاصیت الکترولایزرها که مدولار بودن نامیده می‌شود، انعطاف‌پذیری بالایی در میزان تولید هیدروژن ایجاد می‌کند، اما اثرات مقیاس در هزینه‌ها را محدود می‌کند. حتی الکترولایزرهای بزرگ نیز براساس سلول‌ها و پشته‌های یکسان ساخته می‌شوند.
در حال حاضر، بالغ‌ترین نوع الکترولایزر، نوع آلکالاین است که هزینه‌های سرمایه‌گذاری آن به‌طور قابل‌توجهی از سایر انواع کمتر است. اگرچه بازدهی الکترولایزرهای آلکالاین بالاتر است، اما الکترولایزرهای غشاء پلیمری و اکسید جامد پتانسیل بیشتری برای کاهش هزینه‌ها دارند. الکترولایزرهای اکسید جامد نیز پتانسیل بالایی در بهبود کارآیی دارند. الکترولایزرهای غشاء پلیمری دارای بالاترین چگالی جریان و محدوده عملیاتی هستند، که آنها را به گزینه‌هایی مناسب برای کاهش هزینه سرمایه‌گذاری و افزایش انعطاف‌پذیری عملیاتی تبدیل می‌کند. با این وجود، عمر سلول‌ها عاملی محدودکننده برای این فناوری‌ها است. فناوری‌های اصلی تولید هیدروژن امروزی به‌طور خلاصه در جدول زیر با هم مقایسه شده‌اند. همان‌طور که مشاهده می‌شود، اصلاح بخار متان در مقیاس بزرگ بالغ‌ترین فناوری است و هزینه سرمایه‌گذاری کمتری نسبت به سایر روش‌ها دارد.
عملکرد کنونی تکنولوژی‌های کلیدی تولید هیدروژن
| کاربرد | توان یا ظرفیت | بازدهی | هزینه سرمایه‌گذاری اولیه (دلار آمریکا برای هر کیلووات) | طول عمر | بلوغ |
| اصلاح بخار متان مقیاس بزرگ | 150-300 مگاوات | 70-85% | 400-600 | 30 سال | بالغ |
| اصلاح بخار متان مقیاس کوچک | 15/0 -15
مگاوات |
51% | 3000-5000 | 15 سال | اثبات شده در حال نمایش |
| الکترولایزرهای آلکالاین | تا 150 مگاوات | 65-82% | 850-1500 | 60 تا 90 هزار ساعت | بالغ |
| الکترولایزرهای غشاء پلیمری | تا 150 کیلووات (هر استک)
تا 1 مگاوات (سیستم) |
65-78% | 1500-3800 | 20 تا 60 هزار ساعت | بازار اولیه |
| الکترولایزرهای اکسید جامد | مقیاس آزمایشگاهی | 85-90% | – | هزار ساعت | تحقیق و توسعه |
جمع‌بندی
با توجه به روش‌های مختلف تولید هیدروژن، آینده هزینه تولید هیدروژن با هزینه برق و هزینه سرمایه‌گذاری مرتبط با الکترولایزرها تعیین می‌شود. کاهش هزینه‌های برق ورودی از طریق استفاده بهینه و کاهش نرخ استفاده سالانه امکان‌پذیر است، زیرا برق مازاد انرژی‌های تجدیدپذیر تنها برای مدت محدودی در سال در دسترس خواهد بود. این مسئله بر کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری الکترولایزر تأکید دارد. بنابراین، یافتن تعادل مناسب بین کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری و بهبود کارایی بسیار مهم است.
