تحولات جهانی در حوزه انرژی پاک و تلاش‌های گسترده برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، نقش مهمی برای هیدروژن به‌عنوان یک حامل انرژی نوین ایجاد کرده است. از آغاز قرن بیست‌ویکم، تقاضا برای هیدروژن در بخش‌های مختلف صنعتی و پالایشی با سرعت زیادی افزایش یافته و صنایع شیمیایی و پالایشگاه‌ها بخش عمده این مصرف را به خود اختصاص داده‌اند. با این وجود، آینده هیدروژن فراتر از کاربردهای سنتی آن است. فناوری‌های هیدروژنی، از جمله وسایل نقلیه پیل سوختی و سیستم‌های تولید برق، فرصت‌های جدیدی را برای کاهش انتشار کربن در صنایع سنگین، حمل‌ونقل و حتی بخش‌های انرژی فراهم می‌کنند. در این مقاله، اهمیت و روند توسعه این فناوری‌ها، چالش‌ها و فرصت‌های پیش‌رو، و اقدامات فوری مورد نیاز برای افزایش مقیاس استفاده از هیدروژن در مسیر دستیابی به کربن صفر تا سال 2050 مورد بررسی قرار می‌گیرد.
رشد چشمگیر تقاضای هیدروژن از سال 2000
از ابتدای سال 2000، تقاضای هیدروژن به‌ویژه در صنایع پالایشی و صنعتی به شدت افزایش یافته است. در سال 2020، تقاضای جهانی هیدروژن به حدود 90 میلیون تن رسید که این میزان نشان‌دهنده رشدی 50 درصدی نسبت به شروع قرن است. تقریباً تمامی این تقاضا از مصارف پالایشی و صنعتی ناشی می‌شود، به‌گونه‌ای که پالایشگاه‌ها به تنهایی سالانه نزدیک به 40 میلیون تن هیدروژن را به‌عنوان ماده اولیه و یا منبع انرژی مصرف می‌کنند.
در بخش صنعت، تقاضا برای هیدروژن حتی بیشتر است و بیش از 50 میلیون تن را شامل می‌شود. صنایع شیمیایی حدود 45 میلیون تن هیدروژن مصرف می‌کنند، که سه چهارم این مقدار برای تولید آمونیاک و یک چهارم دیگر برای متانول استفاده می‌شود. همچنین، فرآیند کاهش مستقیم آهن در تولید فولاد حدود 5 میلیون تن دیگر از این ماده حیاتی را جذب می‌کند. از سال 2000، این توزیع تقریباً بدون تغییر باقی مانده است، به استثنای افزایش جزئی در تقاضا برای کاهش مستقیم آهن (شکل زیر).
پذیرش فناوری‌های جدید هیدروژنی
در حالی که پذیرش هیدروژن برای کاربردهای جدید در ابتدا کند بوده، دهه گذشته شاهد پیشرفت‌های مهمی بوده است. این پیشرفت‌ها با راه‌اندازی وسایل نقلیه الکتریکی پیل سوختی آغاز و پروژه‌های آزمایشی برای تزریق هیدروژن به شبکه‌های گاز و تولید برق انجام شد. این پروژه‌ها نتایج مثبتی به همراه داشتند و برخی فناوری‌های هیدروژن به مرحله تجاری‌سازی نزدیک شده‌اند.
هم‌زمان با این پیشرفت‌ها، نگرانی‌های جهانی در خصوص تغییرات آب و هوایی و تعهدات دولت‌ها و صنایع برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای افزایش یافته است. با وجود این، پذیرش هیدروژن در کاربردهای جدید هنوز ناچیز است. برای مثال، تقاضای سالانه هیدروژن در بخش حمل‌ونقل کمتر از 20 کیلو لیتر است که این میزان کمتر از 0.02 درصد از کل تقاضای هیدروژن را شامل می‌شود. بر اساس نقشه راه کربن صفر آژانس بین‌المللی انرژی (شکل زیر)، دستیابی به اهداف کربن‌زدایی تا سال 2050 نیازمند تسریع در گسترش فناوری‌های هیدروژنی در بخش‌های مختلف انرژی است.
هیدروژن به‌عنوان سوخت برای آینده‌ای پاک
استفاده از سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن برای تحقق اهداف جاه‌طلبانه اقلیمی و انرژی ضروری است. دستیابی به انتشار خالص صفر تا سال 2050 نیازمند افزایش استفاده از هیدروژن در کاربردهای فعلی، مانند صنایع شیمیایی، و همچنین گسترش قابل توجه استفاده از هیدروژن در زمینه‌های جدید از جمله صنایع سنگین، حمل‌ونقل جاده‌ای سنگین، کشتیرانی، و هوانوردی است. بر اساس پیش‌بینی‌ها، در سناریوی انتشار خالص صفر، تقاضای جهانی هیدروژن تا سال 2050 به حدود 530 میلیون تن می‌رسد، که این رقم شش برابر میزان فعلی است. نیمی از این تقاضا در صنعت و بخش حمل‌ونقل متمرکز خواهد بود. به طور مشخص، تقاضای صنعتی هیدروژن از 50 میلیون تن در سال 2020 به 140 میلیون تن افزایش می‌یابد، درحالی‌که تقاضای حمل‌ونقل از کمتر از 20 تن به بیش از 100 میلیون تن خواهد رسید.
هیدروژن در بخش‌های کلیدی انرژی
نفوذ هیدروژن در بخش برق نیز با رشد قابل توجهی همراه خواهد بود. افزایش استفاده از هیدروژن در نیروگاه‌های گازی و پیل‌های سوختی به تعادل شبکه‌های برق که سهم بیشتری از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک و توربین‌های بادی دارند، کمک می‌کند. علاوه بر این، پیل‌های سوختی می‌توانند به ذخیره انرژی فصلی کمک کنند. در حوزه ساختمان‌ها نیز استفاده از هیدروژن افزایش می‌یابد، اما این استفاده به موقعیت‌های خاصی محدود می‌شود که دیگر فناوری‌های پاک و کارآمدتر نمی‌توانند به کار گرفته شوند یا برای افزایش انعطاف‌پذیری شبکه برق ضروری هستند.
تولید سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن
تا سال 2050، حدود یک سوم از تقاضای هیدروژن در سناریوی انتشار خالص صفر برای تولید سوخت‌هایی مانند آمونیاک، نفت سفید سینتتیک و متان سینتتیک اختصاص خواهد یافت. کاربرد آمونیاک به‌عنوان سوخت فراتر از مصارف کنونی (مانند کودهای نیتروژنی) گسترش می‌یابد. به دلیل مزایای آمونیاک در حمل‌ونقل طولانی‌مدت نسبت به هیدروژن خالص، پیش‌بینی می‌شود که این ماده حدود 45 درصد از تقاضای سوخت کشتیرانی را پوشش دهد. همچنین، آمونیاک برای کاهش انتشار دی‌اکسید کربن در نیروگاه‌های زغال‌سنگ موجود به‌طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
نقش سوخت‌های سینتتیک در آینده انرژی
سوخت‌های سینتتیک، که از ترکیب هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید حاصل از زیست‌توده یا فرآیند جذب مستقیم هوا (DAC) تولید می‌شوند، نقش مهمی در سناریوی انتشار خالص صفر ایفا خواهند کرد. نفت سفید سینتتیک، به‌طور ویژه، می‌تواند حدود یک سوم از تقاضای جهانی سوخت در بخش هوانوردی را برآورده کند، درحالی‌که متان سینتتیک پاسخگوی تقریباً 10 درصد از نیاز گاز شبکه در بخش‌های ساختمان، صنعت و حمل‌ونقل خواهد بود. پیش‌بینی می‌شود که در سال 2050، سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن و خود هیدروژن 10 درصد از نیاز نهایی انرژی جهان را تامین کنند.
تغییرات در بخش پالایش و تأثیرات کلی
پالایش یکی از معدود بخش‌هایی است که تقاضای آن برای هیدروژن در سناریوی انتشار خالص صفر کاهش می‌یابد. مصرف هیدروژن در پالایشگاه‌ها از نزدیک به 40 میلیون تن در سال 2020 به 10 میلیون تن در سال 2050 کاهش خواهد یافت. این کاهش ناشی از افت تقاضای نفت است، زیرا سوخت‌ها و فناوری‌های پاک جایگزین محصولات نفتی خواهند شد. با وجود این تعهدات، سناریوی انتشار خالص صفر به‌تنهایی برای دستیابی به کربن‌زدایی کامل تا سال 2050 کافی نیست و نیازمند تلاش‌های بیشتری است.
تقاضا در سناریوی تعهدات اعلام شده (Announced Pledges) در اکثر بخش‌ها کمتر از سناریوی انتشار خالص صفر است. تنها استثنا، پالایشگاه‌ها هستند، زیرا سرعت جایگزینی سوخت‌های مبتنی بر نفت در این سناریو پایین‌تر است (شکل زیر). این امر بر میزان جذب هیدروژن و سوخت‌های مبتنی بر آن در برنامه‌های حمل‌ونقل اثرگذار خواهد بود، به طوری که استفاده از هیدروژن در حمل‌ونقل در سناریوی تعهدات اعلام شده 55 درصد کمتر از سناریوی انتشار خالص صفر خواهد بود. همچنین، تقاضای تولید سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن و آمونیاک به ترتیب حدود 80 و 70 درصد کمتر خواهد بود. در بخش صنعت نیز، با وجود رشد سریع تقاضا برای هیدروژن، در سناریوی تعهدات اعلام شده این میزان 30 درصد کمتر از سناریوی انتشار خالص صفر خواهد بود.
اهمیت دهه آینده برای هیدروژن
دهه آینده نقشی حیاتی در تثبیت موقعیت هیدروژن سبز به‌عنوان یکی از حامل‌های انرژی پاک خواهد داشت. افزایش استفاده از هیدروژن در سطح جهانی به عنوان یک سوخت جدید نیازمند تلاش‌های مداوم و بلندمدت است، چرا که نفوذ یک منبع انرژی تازه در ترکیب جهانی انرژی، فرایندی زمان‌بر خواهد بود. به همین دلیل، اقدامات فوری برای تسهیل فرآیند توسعه مقیاس و فراهم آوردن زیرساخت‌های ضروری تا سال 2030 حیاتی است. این اقدامات باید شرایط لازم را ایجاد کنند تا فناوری‌های هیدروژنی بتوانند به‌طور گسترده در دهه‌های آینده به کار گرفته شوند و نقش مؤثری در انتقال انرژی پاک ایفا کنند.
چالش‌های فعلی و نیاز به سیاست‌گذاری هدفمند
با وجود پیشرفت‌های اخیر در زمینه فناوری‌های هیدروژن، پروژه‌های در حال توسعه نشان می‌دهند که نرخ پذیرش و استقرار این فناوری‌ها در بخش‌های مختلف تقاضا هنوز فاصله قابل توجهی با سناریوی انتشار خالص صفر دارد. در حال حاضر، دولت‌ها تمرکز بیشتری بر کربن‌زدایی از تولید هیدروژن دارند و به‌ندرت به استفاده‌های جدید و کاربردهای مصرف نهایی هیدروژن توجه می‌کنند. تنها چند کشور از جمله چین، کره، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی برنامه‌های قابل توجهی برای استفاده از خودروهای برقی پیل سوختی دارند، اما در کل اهداف دولتی برای تسریع پذیرش هیدروژن در بخش‌های مصرف نهایی محدود است.
علاوه بر این، جاه‌طلبی‌های فعلی کشورها برای تحریک استفاده از هیدروژن در کاربردهای نوین، برای تحقق سناریوی انتشار خالص صفر کافی نیست. صرف تعیین اهداف به عنوان یک سیگنال بلندمدت برای سرمایه‌گذاران و پویایی بازار کافی نخواهد بود. این اهداف باید با سیاست‌های اجرایی دقیق همراه شوند، از جمله اقدامات قوی در سمت تقاضا که بازارهای شفاف و مشخصی را ایجاد کنند و توسعه فناوری‌های هیدروژنی را تسریع نمایند.
ضرورت اقدامات فوری تا سال 2030
دولت‌ها باید از همین امروز تا سال 2030 با قاطعیت عمل کنند تا تحول در استفاده از هیدروژن آغاز شود. اعمال سهمیه‌ها و دستورات برای تزریق هیدروژن به شبکه‌های گاز می‌تواند تقاضای قابل اعتمادی در مراحل اولیه ایجاد کند. این اقدامات به افزایش ظرفیت تولید هیدروژن کم‌کربن کمک می‌کند، چرا که دولت‌ها برای برنامه‌ریزی، تصمیم‌گیری و توسعه زیرساخت‌های مرتبط وارد عمل می‌شوند. به محض آماده‌سازی زیرساخت‌های جدید، تولید هیدروژن کم‌کربن می‌تواند مستقیماً از شبکه گاز طبیعی به مصرف‌کنندگان نهایی در کاربردهای جدید منتقل شود، که باید در سال‌های آتی اجرایی و توسعه یابند.
پشتیبانی از استفاده هیدروژن در بخش‌های حیاتی
حمل‌ونقل به‌عنوان یکی از مهم‌ترین بخش‌ها برای استفاده از هیدروژن نیاز به حمایت گسترده‌ای دارد، به‌ویژه در حوزه خودروهای برقی پیل سوختی و زیرساخت‌های سوخت‌رسانی. استفاده از هیدروژن در کامیون‌های سنگین، به‌ویژه در مسافت‌های طولانی، می‌تواند مزایای بسیاری نسبت به پیشرانه‌های الکتریکی باتری داشته باشد. همچنین، استفاده از هیدروژن و آمونیاک به‌عنوان سوخت در صنایع کشتیرانی و هوانوردی، همراه با ایجاد سهمیه‌ها و زیرساخت‌های سوخت‌گیری در بنادر و فرودگاه‌ها، حیاتی است. این اقدامات برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در این صنایع، که معمولاً بسیار دشوار است، ضروری هستند.
علاوه بر این، فناوری‌های خاصی در بخش مصرف نهایی، مانند کاهش مستقیم آهن مبتنی بر هیدروژن در فولادسازی یا کاربردهای گرمایشی در دماهای بالا، می‌توانند تقاضای چشمگیری در صنعت ایجاد کنند. در حوزه ساختمان‌ها، تمامی تجهیزات گاز طبیعی باید با هیدروژن سازگار باشند، مگر اینکه ترجیح به استفاده از پمپ‌های حرارتی الکتریکی داده شود. پروژه‌های آزمایشی برای پیل‌های سوختی و دیگر تجهیزات هیدروژنی خانگی نیز برای ایجاد اعتماد مصرف‌کنندگان به ایمنی فناوری‌ها و کاهش ریسک‌های مالی ضروری هستند.
پتانسیل هیدروژن در بخش برق
در بخش تولید برق، سازندگان توربین‌های گازی اعلام کرده‌اند که تا سال 2030 می‌توانند توربین‌هایی با سوخت هیدروژن خالص ارائه دهند. برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای از نیروگاه‌های گازی و افزایش انعطاف‌پذیری شبکه برق، حمایت‌های قوی از سوی دولت و اقداماتی برای پر کردن شکاف هزینه بین گاز طبیعی و هیدروژن کم‌کربن مورد نیاز است. احتراق هم‌زمان آمونیاک در نیروگاه‌های زغال‌سنگ با موفقیت آزمایش شده است، اما برای استفاده از آمونیاک خالص در توربین‌های گاز یا بخار، تحقیقات و توسعه بیشتری لازم است.
جمع‌بندی
هیدروژن سبز به‌عنوان یکی از عناصر کلیدی در دوره گذار انرژی، نقشی اساسی در دستیابی به اهداف انتشار خالص صفر ایفا می‌کند. از افزایش چشمگیر تقاضا در دو دهه اخیر تا فرصت‌های گسترده در صنایع مختلف، اهمیت این حامل انرژی بیشتر از همیشه آشکار شده است. برای تسریع پذیرش فناوری‌های هیدروژنی و تحقق کامل پتانسیل آن، دولت‌ها باید اقدامات قاطعانه‌ای تا سال 2030 انجام دهند، از جمله اعمال سیاست‌های حمایتی و توسعه زیرساخت‌های ضروری. چالش‌های فعلی شامل شکاف‌های هزینه‌ای و نیاز به تحقیق و توسعه بیشتر است، اما با برنامه‌ریزی‌های استراتژیک و اقدامات بلندمدت، هیدروژن می‌تواند به‌طور گسترده در حمل‌ونقل، صنعت، و تولید انرژی نفوذ کرده و سهم قابل توجهی در کاهش انتشار جهانی گازهای گلخانه‌ای داشته باشد. چشم‌انداز روشن این حوزه به همکاری‌های بین‌المللی و تعهدات پایدار بستگی دارد تا هیدروژن سبز به یکی از ارکان کلیدی در انتقال انرژی پاک تبدیل شود.
