از هیدروژن خاکستری تا هیدروژن سبز و چالش‌های پیش رو در دوره گذار انرژی

هیدروژن به عنوان یکی از فراوانترین عناصر در جهان، نقش مهمی در تأمین انرژی و توسعه صنعتی ایفا کرده است. از تأمین سوخت اولین موتورهای احتراق داخلی تا ایفای نقش کلیدی در صنعت پالایش و پتروشیمی، هیدروژن همواره در مرکز توجه بوده است. با این حال، روشهای تولید هیدروژن و تأثیرات محیط زیستی آن، موضوعی است که نیاز به بررسی دقیق دارد. در این مقاله، به شرح مختصر فرایندهای مختلف تولید هیدروژن، از هیدروژن خاکستری تا هیدروژن سبز، پرداخته و چالشها و فرصتهای پیش روی این صنعت مورد بحث قرار گرفته اند. همچنین، نقش هیدروژن در گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر و کاهش انتشار کربن بررسی شده است.

فرایند‌های تولید هیدروژن

هیدروژن و انرژی در طول تاریخ رابطه نزدیکی داشته‌اند؛ از تأمین سوخت اولین موتورهای احتراق داخلی بیش از 200 سال پیش تا ایفای نقش کلیدی در صنعت پالایش و پتروشیمی امروزی. اگرچه هیدروژن می‌تواند از منابعی همچون زیست‌توده از طریق گازی‌سازی یا از طریق الکترولیز آب استخراج شود، اما فرایند ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار آب همچنان اصلی‌ترین روش تولید است. این روش حدود 75 درصد از تولید سالانه 70 میلیون تن هیدروژن جهان را به خود اختصاص داده است، در حالی که الکترولیز آب سهمی کمتر از یک درصد از تولید هیدروژن را دارد.

در فرایند ریفرمینگ (اصلاح) گاز طبیعی با بخار آب، گاز طبیعی حاوی متان با بخار در راکتور‌های لوله بستر ثابت کاتالیستی در کوره‌‌هایی با دمای مشخص واکنش داده و ترکیب گاز سنتز شامل هیدروژن، کربن مونواکسید و کربن دی اکسید تولید می‌کند (متناسب با فناوری مورد استفاده در فرایند ریفرمینگ نسبت ترکیبات تولید شده تحت عنوان عدد گاز سنتز متفاوت خواهد بود)؛ با این حال، این فرایند انتشار زیادی از کربن دی‌اکسید را به دنبال دارد که آن را به روشی غیرمناسب از نظر زیست‌محیطی تبدیل کرده است. هیدروژنی که از این طریق تولید می‌شود “هیدروژن خاکستری” نام دارد و در صورتی که کربن دی‌اکسید تولید شده در طی این فرایند به جذب و ذخیره سازی شود، به آن “هیدروژن آبی” گفته می‌شود.

در مقابل، هیدروژن سبز به طور کامل با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر تولید می‌شود. رایج‌ترین روش برای تولید هیدروژن سبز الکترولیز آب است؛ فرآیندی که آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. این فرایند با عبور جریان الکتریکی قوی از یک الکترولیت معمولاً محلول قلیایی(KOH) صورت می‌گیرد و تنها محصول جانبی آن اکسیژن است. با این حال، این فرایند به دلیل نیاز به پتانسیل الکتریکی بالا و کارایی محدود مواد، تاکنون هزینه‌های بالایی برای تولید هیدروژن داشته است. در آینده، دو عامل می‌تواند این شرایط را تغییر دهد: نخست، تامین پایدار انرژی الکتریکی تجدیدپذیر، و دوم، بهبود و توسعه فناوری الکترولیزورها.

فرصت‌ها و چالش‌های پیش رو در دوره گذار انرژی

برای آنکه هیدروژن سبز بتواند در دوره گذار انرژی و روند انتقال به استفاده از انرژی پاک نقش چشمگیری ایفا کند، لازم است در صنایعی مورد استفاده قرار گیرد که به ‌سختی قابلیت الکتریکی شدن دارند. فناوری‌های تجدیدپذیری مانند انرژی خورشیدی و بادی، به ویژه در ترکیب با ذخیره‌سازی، می‌توانند بسیاری از بخش‌های انرژی را با جایگزینی سوخت‌های فسیلی، به سمت کربن‌زدایی هدایت کنند. با این حال، برخی از بخش‌های اقتصاد مانند حمل‌ و نقل و فرآیندهای صنعت پالایش و پتروشیمی، به دلیل نیاز به سوخت‌های با چگالی انرژی بالا یا حرارت در دماهای بالا، سخت‌تر به سمت استفاده از انرژی الکتریکی حرکت می‌کنند.

مطالعات منتشر شده توسط بلومبرگ و گلدمن ساکس نشان می‌دهند که بهترین کاربردهای هیدروژن سبز در صنایعی مانند تولید سیمان و فولاد و همچنین برخی از کاربرد‌ها در صنعت پالایش و پتروشیمی است، جایی که استفاده مستقیم از هیدروژن می‌تواند مؤثر باشد. با این حال، در صنعت تولید برق، به دلیل هزینه‌های بالاتر تولید برق مبتنی بر هیدروژن نسبت به سوخت‌های فسیلی، تغییر به استفاده از هیدروژن چالش‌برانگیز است. با این وجود، این وضعیت ممکن است در آینده تغییر کند. علاوه بر این، از نظر فنی، هیدروژن دارای برخی محدودیت‌ها نسبت به سایر سوخت‌های گازی و مایع است که استفاده از فناوری‌های دیگر را برای تولید برق در مقیاس بزرگ جذاب‌تر می‌کند.

استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت توربین‌های گازی

با توجه به اهداف اقلیمی اتحادیه اروپا برای دستیابی به کربن‌زدایی تا سال 2050، تولید انرژی پاک و انعطاف‌پذیر، در آینده به جای تمرکز صرف بر بهره‌وری، به موضوع اصلی توسعه توربین‌های گازی تبدیل خواهد شد. در این میان، هیدروژن به عنوان یک سوخت جایگزین برای توربین‌های گازی مورد توجه قرار گرفته است. به ویژه زمانی که به صورت کاملاً تجدیدپذیر تولید و به شکل خالص سوزانده می‌شود، می‌تواند بدون انتشار مستقیم یا غیرمستقیم کربن دی‌اکسید عمل کند. هیدروژن سبز، به طور خاص، به هیدروژنی اطلاق می‌شود که کاملاً از طریق منابع انرژی تجدیدپذیر تولید شده باشد. جهت مطالعه مقاله هیدروژن به عنوان سوخت توربین گازی: فرصت‌ها و چالش‌ها اینجا کلیک کنید.

هیدروژن سبز بیشترین پتانسیل را برای استفاده مستقیم در صنایع دارد، اما ممکن است در برخی مناطق، به عنوان سوخت توربین‌های گازی نیز به کار رود. به‌ویژه در مناطقی که ترکیبی از تولید نیروی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ، دسترسی به منابع آبی و زیرساخت‌های موجود، همراه با تقاضای بالای انرژی وجود دارد، استفاده از هیدروژن سبز می‌تواند مقرون‌به‌صرفه باشد. برخی از تولیدکنندگان اصلی تجهیزات توربین گازی که اطلاعات مربوط به قابلیت‌های سوخت‌سوزی هیدروژن را ارائه داده‌اند عبارتند از:

• شرکت Ansaldo Energia
• شرکت Siemens Energy
• شرکت General Electric (GE)
• شرکت Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS)
• و شرکت Thomassen Energy که اطلاعاتی در خصوص ارتقاء توربین‌های گازی موجود برای سوزاندن هیدروژن ارائه کرده است.

اگرچه هیدروژن سبز در بخش‌های مختلفی از اقتصاد مانند حمل‌ونقل و تولید صنعتی می‌تواند نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و گذار به انرژی‌های پاک ایفا کند، اما صنعت تولید برق یکی از بخش‌هایی است که تغییر آن به سمت استفاده از هیدروژن با چالش‌های بیشتری مواجه است.

جمع بندی

هیدروژن به عنوان یک عنصر کلیدی در تأمین انرژی و توسعه صنعتی، نقش مهمی در تاریخچه انرژی جهان ایفا کرده است. روشهای مختلف تولید هیدروژن، از جمله ریفرمینگ گاز طبیعی و الکترولیز آب، هر کدام مزایا و چالشهای خاص خود را دارند. هیدروژن خاکستری و هیدروژن آبی به دلیل انتشار کربن دی‌اکسید، از نظر محیط زیستی چالش برانگیز هستند، در حالی که هیدروژن سبز، تولید شده از منابع تجدیدپذیر، به عنوان یک راهکار پایدار مطرح است. برای دستیابی به اهداف اقلیمی و کربن زدایی تا سال 2050، استفاده از هیدروژن سبز در صنایعی که به سختی قابلیت الکتریکی شدن دارند، ضروری است. با این حال، چالشهای اقتصادی و فنی همچنان پیش روی این فناوری قرار دارد.