هیدروژن، به‌عنوان یکی از کلیدی‌ترین راهکارهای انرژی پاک، نقش محوری در تلاش‌های جهانی برای کربن‌زدایی و گذار انرژی دارد. در سال 2020، تولید هیدروژن به‌طور کامل به سوخت‌های فسیلی وابسته بود و منجر به انتشار گسترده کربن دی اکسید شد. این وضعیت نشان‌دهنده ضرورت تغییر به سمت فناوری‌های کم‌کربن است، مانند الکترولیز با استفاده از انرژی تجدیدپذیر و فرآیندهای مجهز به فناوری جذب و ذخیره کربن. با افزایش تعداد پروژه‌های هیدروژن کم‌کربن در سراسر جهان، امید به تحقق اهداف اقلیمی تقویت شده، اما شکاف‌های قابل توجهی همچنان وجود دارد که باید با سرمایه‌گذاری و توسعه بیشتر پر شوند. این مقاله به بررسی وضعیت فعلی تولید هیدروژن، چالش‌ها، و فرصت‌های موجود برای حرکت به سمت آینده‌ای پایدارتر می‌پردازد.
تولید هیدروژن در سال 2020: وابستگی به سوخت‌های فسیلی
در سال 2020، تقاضای جهانی برای هیدروژن به 90 میلیون تن رسید که تقریباً به‌طور کامل از طریق هیدروژن مبتنی بر سوخت‌های فسیلی تأمین شد. از این مقدار، 72 میلیون تن (79 درصد) توسط کارخانه‌های اختصاصی تولید هیدروژن تولید گردید. 21 درصد باقیمانده از هیدروژن به‌عنوان محصول جانبی در تأسیساتی تولید شد که به‌طور عمده برای تولید سایر محصولات، مانند پالایش نفت و تبدیل نفتا به بنزین، طراحی شده بودند. هیدروژن خالص، به‌ویژه در تولید آمونیاک و پالایش نفت، مصرف اصلی داشت و 72 میلیون تن از این تقاضا را شامل شد. 18 میلیون تن دیگر هیدروژن نیز، به‌صورت مخلوط با گازهای دیگر، برای تولید متانول و فرآیند کاهش مستقیم آهن در تولید فولاد استفاده شد.
منابع اصلی تولید هیدروژن
گاز طبیعی به‌عنوان سوخت اصلی برای تولید هیدروژن، نقش غالبی ایفا می‌کند. فرآیند اصلاح بخار متان، روش استاندارد در صنایع آمونیاک، متانول، و پالایشگاه‌هاست. در سال 2020، حدود 240 میلیارد متر مکعب گاز طبیعی، که 6 درصد از تقاضای جهانی گاز را تشکیل می‌داد، برای تولید هیدروژن استفاده شد و 60 درصد از کل تولید هیدروژن جهان را به خود اختصاص داد. زغال‌سنگ نیز با مصرف 115 میلیون تن (2 درصد تقاضای جهانی)، 19 درصد از تولید هیدروژن را به‌ویژه در چین به خود اختصاص داد. تولید باقیمانده با استفاده از نفت و برق تأمین شد (شکل زیر).
تأثیرات محیط زیستی
اتکای شدید به سوخت‌های فسیلی موجب شد که تولید هیدروژن به‌طور مستقیم مسئول انتشار 900 میلیون تن کربن دی اکسید در سال 2020 باشد. این مقدار معادل 2.5 درصد از کل انتشار جهانی کربن دی اکسید در بخش انرژی و صنعت و برابر با مجموع انتشار در کشورهای اندونزی و بریتانیا است. برای دستیابی به انتقال به انرژی پاک، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از تولید هیدروژن یک ضرورت محسوب می‌شود.
فناوری‌های تولید هیدروژن کم‌کربن
برای تولید هیدروژن کم‌کربن، فناوری‌های مختلفی وجود دارد: تولید از آب و برق از طریق الکترولیز، استفاده از سوخت‌های فسیلی همراه با جذب، استفاده و ذخیره کربن، و گازی‌سازی زیست‌توده برای استفاده از انرژی زیستی. با این حال، این روش‌ها هنوز سهم ناچیزی از تولید جهانی هیدروژن دارند. به‌عنوان مثال، در سال 2020 تنها 0.03 درصد (معادل 30 کیلو تن) هیدروژن از طریق الکترولیز آب تولید شد، و هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی همراه با جذب و ذخیره کربن به 0.7 میلیون تن (0.7 درصد) محدود بود.
مصرف آب در تولید هیدروژن
تولید هیدروژن، علاوه بر انرژی، به مصرف آب نیز نیاز دارد. در این میان، الکترولیز آب کم‌ترین مصرف آب را دارد، به‌طوری که برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن، حدود 9 کیلوگرم آب مصرف می‌شود. در مقایسه، تولید هیدروژن از گاز طبیعی با جذب و ذخیره کربن بین 13 تا 18 کیلوگرم آب به‌ازای هر کیلوگرم هیدروژن نیاز دارد. گازی‌سازی زغال‌سنگ، که مصرف آب برای استخراج زغال‌سنگ را نیز شامل می‌شود، به 40 تا 85 کیلوگرم آب برای هر کیلوگرم هیدروژن نیاز دارد.
در سناریوی انتشار خالص صفر، پیش‌بینی می‌شود که تقاضای جهانی آب برای تولید هیدروژن به 5800 میلیون مترمکعب برسد، که معادل 12 درصد از مصرف فعلی آب در بخش انرژی است. اگرچه این مقدار در مقیاس جهانی نسبتاً کم است، اما کارخانه‌های تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ می‌توانند در سطح محلی مصرف‌کنندگان عمده آب شیرین باشند، به‌ویژه در مناطقی که با تنش آبی مواجه هستند.
جایگزین‌های پایدار: استفاده از آب دریا
استفاده از آب دریا در مناطق ساحلی می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل جایگزین مطرح شود. فرآیند نمک‌زدایی از طریق اسمز معکوس به 3-4 کیلووات ساعت برق برای هر متر مکعب آب نیاز دارد، که هزینه آن بین 0.7 تا 2.5 دلار در هر متر مکعب است. این هزینه، تأثیر محدودی بر هزینه کل الکترولیز آب دارد و قیمت تولید هیدروژن را تنها 0.01 تا 0.02 دلار به‌ازای هر کیلوگرم افزایش می‌دهد. با این حال، استفاده مستقیم از آب دریا در الکترولیز همچنان چالش‌برانگیز است، زیرا می‌تواند باعث خوردگی تجهیزات و تولید کلر شود. به همین دلیل، پروژه‌های تحقیقاتی متعددی در حال تلاش برای یافتن راه‌هایی جهت سهولت استفاده از آب دریا در آینده هستند.
رشد سریع پروژه‌های هیدروژن کم‌کربن
پروژه‌های تولید هیدروژن کم‌کربن به‌سرعت در حال گسترش هستند، اما هنوز فاصله زیادی با اهداف جاه‌طلبانه آب و هوایی دارند. براساس پروژه‌های در حال ساخت یا برنامه‌ریزی شده، تولید هیدروژن کم‌کربن تا سال 2030 می‌تواند به‌شدت افزایش یابد. در حال حاضر، حدود 350 پروژه در دست اقدام است که می‌تواند تولید هیدروژن الکترولیتی را به 5 میلیون تن برساند. همچنین، 47 پروژه مرتبط با سوخت‌های فسیلی مجهز به فناوری جذب و ذخیره کربن (شامل 16 نیروگاه موجود) می‌توانند 9 میلیون تن هیدروژن تولید کنند. با در نظر گرفتن 40 پروژه دیگر که در مراحل اولیه توسعه هستند، تولید هیدروژن الکترولیتی می‌تواند تا سال 2030 به 8 میلیون تن برسد.
اگرچه این تولیدات الکترولیتی کمتر از 12 میلیون تن هیدروژن مورد نیاز در سناریوی تعهدات اعلام‌شده برای سال 2030 است، اما 9 میلیون تن تولید شده از گاز طبیعی همراه با فناوری جذب و ذخیره کربن به این اهداف نزدیک می‌شود. با این وجود، مجموع تولیدات برنامه‌ریزی شده تنها دو سوم از نیاز را پوشش می‌دهد. این شکاف در سناریوی انتشار خالص صفر به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، چرا که این سناریو به 80 میلیون تن هیدروژن الکترولیتی و 60 میلیون تن هیدروژن از گاز طبیعی با فناوری جذب و ذخیره کربن نیاز دارد (شکل بالا). با این حال، انتظار می‌رود پروژه‌های جدید در سال‌های آینده این کمبود را جبران کنند.
چشم‌انداز تولید هیدروژن تا 2050
در سناریوی تعهدات اعلام‌شده، تولید جهانی هیدروژن تا سال 2050 به 250 میلیون تن می‌رسد، که 51 درصد از آن از طریق الکترولیز، 15 درصد از سوخت‌های فسیلی با جذب و ذخیره کربن، و باقیمانده از سوخت‌های فسیلی بدون استفاده از فناوری جذب کربن تأمین خواهد شد. این میزان نیازمند ظرفیت جهانی الکترولیز معادل 1350 گیگاوات و جذب 0.4 گیگاتن کربن دی اکسید در سال است.
در مقابل، سناریوی انتشار خالص صفر، تولید جهانی را دو برابر می‌کند و 60 درصد از این تولید از الکترولیز و 36 درصد از سوخت‌های فسیلی با فناوری جذب و ذخیره کربن خواهد بود. در این حالت، ظرفیت الکترولیز نصب شده به 3600 گیگاوات و نرخ جذب کربن دی اکسید به 1.5 گیگاتن در سال می‌رسد. این میزان معادل مصرف 15 هزار تراوات ساعت برق (20 درصد تولید جهانی) و 925 میلیارد متر مکعب گاز طبیعی (50 درصد تقاضای جهانی گاز) است. در راستای گذار انرژی، برای کربن‌زدایی سریع تولید هیدروژن، استقرار گسترده الکترولیز و فناوری‌های جذب و ذخیره کربن ضروری است (شکل زیر).
جمع‌بندی
با وجود رشد چشمگیر پروژه‌های هیدروژن کم‌کربن در دهه آینده، هنوز فاصله زیادی تا دستیابی به اهداف بلندپروازانه گذار انرژی و انتشار خالص صفر وجود دارد. فناوری‌های تولید هیدروژن کم‌کربن، مانند الکترولیز و جذب و ذخیره کربن، نقشی اساسی در این تحول دارند، اما برای جبران شکاف موجود، نیاز به توسعه سریع‌تر و گسترده‌تر آن‌ها احساس می‌شود. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که تا سال 2050، تولید هیدروژن باید به میزان قابل توجهی افزایش یابد تا بتواند به تقاضای فزاینده و نیازهای اقلیمی پاسخ دهد. در نهایت، موفقیت در کربن‌زدایی از تولید هیدروژن به استقرار گسترده این فناوری‌ها و نوآوری‌های مستمر بستگی دارد. حرکت به سوی آینده‌ای کم‌کربن نیازمند تعهد قوی و اقدامات مؤثر در سطح جهانی است.
