هیدروژن یک منبع پاک و قابل اطمینان برای تأمین انرژی است و پتانسیل زیادی برای کاهش انتشار کربن دی‌اکسید و بهبود کیفیت محیط زیستی دارد. دو ابزار اصلی استفاده از هیدروژن برای تولید برق، توربین‌های گازی و پیل‌های سوختی هستند. هر کدام از این فناوری‌ها مزایا و چالش‌های خود را دارند و به‌صورت گسترده در مسیر استفاده پایدار از هیدروژن قرار گرفته‌اند.
توربین‌های گازی هیدروژنی: کاهش انتشار کربن دی‌اکسید و بهبود راندمان
توربین‌های گازی هیدروژن به‌دلیل مزایای زیست‌محیطی و اقتصادی‌شان اهمیت زیادی دارند. استفاده از هیدروژن در ترکیب با گاز طبیعی تا 30% می‌تواند 10% از انتشار کربن دی‌اکسید بکاهد. توربین‌های جدید، علاوه بر استفاده از هیدروژن با خلوص بالا، قادر به استفاده از آمونیاک به‌عنوان سوخت جایگزین نیز هستند. هدف نهایی در این حوزه، دستیابی به توربین‌هایی است که بتوانند از هیدروژن خالص به میزان 100% بهره ببرند، و این فناوری در مسیر توسعه قرار دارد.
پیل‌های سوختی: تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به برق
پیل‌های سوختی دستگاه‌هایی هستند که انرژی شیمیایی هیدروژن را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند. این سیستم‌ها از سه بخش تشکیل شده‌اند: سیستم سوخت‌رسانی، سیستم تولید انرژی و سیستم تبدیل انرژی. سیستم سوخت‌رسانی شامل تجهیزاتی است که دبی، فشار و رطوبت سوخت و اکسیژن ورودی را تنظیم می‌کند. سیستم تولید انرژی شامل مجموعه‌ای از سلول‌های پیل سوختی است که خود از الکترودها، الکترولیت، لایه‌های انتشار و صفحات دوقطبی تشکیل شده‌اند. سیستم تبدیل انرژی نیز از ادوات الکترونیکی برای تنظیم خروجی برق استفاده می‌کند. بسته به نوع الکترولیت، پیل‌های سوختی برای کاربردهای مختلف طراحی می‌شوند.
عملکرد پیل سوختی و واکنش‌های شیمیایی
پیل سوختی سوخت و اکسیدکننده را در الکترودهای جداگانه دریافت کرده و انرژی شیمیایی را به ولتاژ مستقیم تبدیل می‌کند. محصول جانبی واکنش هیدروژن با اکسیدکننده در این پیل‌ها، آب و گرماست و در برخی موارد ممکن است مقداری دی‌اکسیدکربن نیز تولید شود. برخلاف باتری‌ها، الکترودهای پیل سوختی به‌عنوان کاتالیزور عمل کرده و دچار تغییر شیمیایی نمی‌شوند. در شکل زیر ساختار یک پیل سوختی نمونه به تصویر کشیده شده است.
پیل‌های سوختی نیروگاهی و خودرویی
در پیل‌های سوختی نیروگاهی، بخش مبدل سوخت که سوخت‌های فسیلی، زیست‌توده یا سوخت‌های فسیلی را به هیدروژن خالص تبدیل می‌کند، نقش مهمی دارد. این مبدل‌ها بخش پیچیده سیستم سوخت‌رسانی نیروگاهی را تشکیل می‌دهند. در کاربردهای خودرویی، سیستم سوخت‌رسانی بر اساس زیرساخت سوخت موجود تنظیم می‌شود. اگر هیدروژن در جایگاه‌های سوخت‌گیری تولید شود، سیستم ذخیره سوخت خودرو می‌تواند از روش‌های مختلفی مثل ذخیره‌سازی هیدروژن تحت فشار یا استفاده از جاذب‌های هیدرید فلزی بهره بگیرد. همچنین مبدل‌هایی برای تبدیل سوخت‌هایی نظیر بنزین و متانول به هیدروژن در خودروها نصب می‌شوند که سیستم را پیچیده‌تر می‌کنند، اما به علت استفاده از سوخت‌های متداول که در زیرساخت‌های فعلی وجود دارند، این روش‌ها مزیت‌های مهمی دارند.
چالش‌های ذخیره‌سازی و حمل و نقل هیدروژن
هیدروژن گازی نسبت به سوخت‌های مایع مانند بنزین یا متانول، انرژی کمتری به‌ازای هر واحد حجم دارد. بنابراین، بارگیری هیدروژن گازی تحت فشار متوسط و پایین به مقداری که بتواند برد حرکتی قابل قبولی برای خودروهای پیل سوختی فراهم کند، یک چالش است. هیدروژن مایع، با دانسیته انرژی بالاتر (حدود 120.7 کیلوژول به ازای هر کیلوگرم) گزینه‌ای بهتر است، اما باید در دمای بسیار پایین (253 درجه سانتی‌گراد زیر صفر) و تحت فشارهای بالا ذخیره شود. این شرایط ذخیره‌سازی و حمل و نقل هیدروژن مایع را دشوارتر می‌کند.
مبدل‌های سوخت: راهکارهایی برای تسهیل استفاده از هیدروژن
سوخت‌های متداول مانند گاز طبیعی، پروپان، بنزین و سوخت‌هایی مانند متانول و اتانول، همگی دارای هیدروژن در ساختار مولکولی خود هستند. با استفاده از مبدل‌های سوخت، می‌توان هیدروژن موجود در این سوخت‌ها را جدا کرده و به‌عنوان سوخت در پیل‌های سوختی مورد استفاده قرار داد. این مبدل‌ها هیدروژن را از سوخت‌های رایج استخراج کرده و آن را برای پیل سوختی آماده می‌کنند. این روش، بسیاری از مشکلات مربوط به ذخیره‌سازی و توزیع هیدروژن را رفع می‌کند.
مشکلات مرتبط با مبدل‌های سوخت
یکی از چالش‌های مهم در ساخت مبدل‌ها، اندازه و وزن آن‌هاست. برای افزایش بازده، باید حجم و وزن مبدل‌ها به ازای هر واحد انرژی کاهش یابد. همچنین، هزینه ساخت این مبدل‌ها نیز باید تا حد ممکن پایین نگه داشته شود تا امکان تولید انبوه خودروهای پیل سوختی فراهم شود. مشکل دیگر میزان خلوص هیدروژن تولیدی است. آلاینده‌هایی مانند مونوکسیدکربن، می‌توانند باعث سمی شدن کاتالیست‌های پیل سوختی شوند و باید قبل از ورود سوخت به پیل سوختی حذف شوند. مبدل‌های مختلفی وجود دارند که ترکیبی از فناوری‌های مختلف را به کار می‌برند تا این چالش‌ها را حل کنند.
شرایط بهینه برای کارکرد پیل‌های سوختی
برای اینکه یک پیل سوختی بتواند با بازدهی بالا کار کند، باید شرایط کاری آن به‌دقت کنترل شود. در پیل‌های سوختی پلیمری، سوخت و اکسیدکننده باید به‌صورت مداوم تأمین شوند و آب تولیدی از واکنش‌های الکتروشیمیایی به‌موقع خارج گردد. همچنین، مرطوب نگه‌داشتن غشاء و کنترل دما و فشار از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. سیستم پیل سوختی شامل مبدل سوخت، سیستم تأمین هوا و مدیریت آب و حرارت می‌باشد که تمامی این بخش‌ها باید به‌دقت تنظیم شوند تا عملکرد بهینه‌ای ارائه دهند.
جمع‌بندی
استفاده مستقیم از هیدروژن برای تأمین انرژی در توربین‌های گازی و پیل‌های سوختی نه تنها می‌تواند به کاهش انتشار کربن دی‌اکسید و بهبود شرایط محیط زیستی کمک کند، بلکه با توسعه فناوری‌های مربوط به مبدل‌های سوخت و ذخیره‌سازی، چالش‌های مرتبط با حمل و نقل هیدروژن نیز رفع می‌شود. آینده استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت پاک و پایدار، در گرو بهینه‌سازی زیرساخت‌های سوخت‌رسانی و توسعه فناوری‌های جدید است که به استفاده وسیع‌تر از این انرژی سبز کمک می‌کنند.
