در دو دهه گذشته، گزینه‌های جایگزین زیادی برای غلبه بر شرایط سخت مورد نیاز برای استفاده از هیدروژن فشرده (CH2) و هیدروژن مایع (LH2) پیشنهاد شده است. یکی از امیدوارکننده‌ترین رویکردها که در این مقاله به آن پرداخته می‌شود، ذخیره‌سازی و انتقال هیدروژن از طریق تشکیل پیوندهای شیمیایی در یک مولکول پیچیده‌تر به نام حامل هیدروژن است. لیستی از بهترین حامل‌های هیدروژن به همراه ویژگی‌های فیزیکی کلیدی آن‌ها، در جدول زیر با هیدروژن و متان مقایسه شده است. غیر از هیدروژن و متان، حامل‌های هیدروژن شامل آمونیاک، متانول، فرمیک اسید، بنزن، سیکلوهگزان، تولوئن، متیل سیکلوهگزان، نفتالین، دکالین، دی بنزیل تولوئن پرهیدرودی بنزیل تولوئن، NaBH4 و MgH2 در جدول زیر اورده شده است.
| Carrier | Boling Temperature (°C) |
Flash Point Temperature (°C) |
Inflammability Range (vol%) |
H2 Capacity (wt. %) |
Volumetric Energy Density (MJ/L) |
| Hydrogen | −252.9 | Flammable gas | 4–75% | 100 | 0.0107 (amb. pressure) 2.757 (CH2 @ 350 bar) 4.712 (CH2 @ 700 bar) 8.506 (LH2 @ −253 °C) |
| Methane | −161.5 | −188 | 4.4–17% | 25 | 0.0378 (amb. pressure) 5.800 (150 bar) 9.200 (250 bar) 22.200 (−163 °C, 1 bar) |
| Ammonia | −33.4 | – | 15–33.6% | 17.8 | 12.700 (10 bar, −34 °C) |
| Methanol | 64.7 | 9.9 | 6–50% | 12.5 | 15.8 |
| Formic Acid | 100.8 | 69 | 18–51% | 4.3 | 7.2 |
| Benzene Cyclohexane |
80 81 |
−11 −18 |
1.2–8% 1.3–8.4% |
7.2 | 6.66 |
| Toluene Methylcyclohexane |
111 101 |
4 −6 |
1.1–7.1% 1.2–6.7% |
6.2 | 5.64 |
| Naphthalene Decalin |
218 185 |
80 57 |
0.9–5.9% 0.7–5.4% |
7.3 | 7.777 |
| Dibenzyltoluene Perhydrodibenzyltoluene | 390 287 |
212 | – | 6.2 | 6.786 |
| NaBH4 | – | – | – | 10.8 | 15.48 |
| MgH2 | – | – | – | 7.6 | 15.84 |
در حال حاضر متان یه حامل مهم هیدروژن است که در دنیای امروز هم استفاده وسیعی دارد و می‌تواند نقش مهمی در گذار انرژی ایفا کند و از این رو، به عنوان یک حامل هیدروژن نسل بعدی در نظر گرفته می‌شود. واکنش متان‌سازی CO2، امکان ذخیره‌سازی هیدروژن در متان را با بهره‌گیری از کربن دی‌اکسید جذب شده فراهم می‌کند و محصول آن یعنی متان، سازگاری کامل با زیرساختهای انرژی موجود دارد. با این حال، ذخیره‌سازی متان به شرایط سختی از نظر دما یا فشار نیاز دارد که به خواص فیزیکی متان (دمای جوش 161.5- درجه سانتی‌گراد و چگالی انرژی حجمی در فشار اتمسفر 0.0378 MJ/L) مربوط می‌شود. همانطور که در جدول فوق مشاهده می‌شود، هیدروژن نیز محدودیت‌های ذاتی مشابه با متان دارد و ذخیره‌سازی موثر آن با بهره‌گیری از دو روش فشرده‌سازی و تبرید چندحلقه‌ای ممکن می‌شود. این دو روش بسیار انرژی‌بر بوده و اهمیت توسعه فناوری‌های حامل‌های هیدروژن را نشان می‌دهد، چرا که حامل‌های هیدروژن امکان ذخیره‌سازی و انتقال انرژی در شرایط عملیاتی ملایم‌تر را فراهم می‌کنند.
ویژگی‌های یک حامل هیدروژن مناسب
با توجه به چالش‌های ناشی از تغییرات اقلیمی و نیاز به منابع انرژی پایدار، هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک و قابل تجدید در مرکز توجه قرار گرفته است. اما برای استفاده مؤثر از هیدروژن، نیاز به یک زنجیره تأمین کارآمد و ایمن وجود دارد. همانطور که اشاره شد، یکی از کلیدی‌ترین عناصر این زنجیره، حامل‌های هیدروژن هستند که می‌توانند هیدروژن را در شرایط مناسب ذخیره و منتقل کنند. انتخاب یک حامل هیدروژن مناسب، مستلزم توجه به ویژگی‌های خاصی است که در ادامه بررسی می‌شوند.
ظرفیت کافی هیدروژن (بیشتر از ۵ درصد وزنی)
حامل هیدروژن باید قادر باشد مقدار قابل توجهی هیدروژن را در خود ذخیره کند. این ویژگی به این معنی است که حامل باید حداقل ۵ درصد وزن خود هیدروژن داشته باشند تا بتواند به عنوان گزینه‌ای مقرون به صرفه و کارآمد در نظر گرفته شود. این ظرفیت بالا به کاهش هزینه‌های حمل و نقل و ذخیره‌سازی کمک می‌کند و امکان استفاده گسترده از هیدروژن را فراهم می‌آورد.
فرآیند تولید آسان و دوستدار محیط زیست
تولید حامل‌های هیدروژن باید با روش‌هایی انجام شود که کمترین تأثیر منفی بر محیط زیست را داشته باشد. این شامل استفاده از منابع تجدیدپذیر و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در طول فرآیند تولید است. همچنین، فرآیند تولید باید به گونه‌ای طراحی شود که هزینه‌ها را کاهش دهد و دسترسی به حامل‌ها را تسهیل کند.
شرایط عملیاتی مناسب و پایداری بالا در طول ذخیره‌سازی
یکی از چالش‌های اصلی ذخیره‌سازی هیدروژن، نیاز به شرایط خاص دما و فشار است. یک حامل هیدروژن مناسب باید بتواند در شرایط ملایم و پایدار ذخیره شود تا خطرات ناشی از فشار بالا یا دماهای بسیار پایین کاهش یابد. این ویژگی به افزایش ایمنی و کارایی زنجیره تأمین کمک می‌کند.
سهولت و ایمنی در حمل و نقل
حمل و نقل حامل‌های هیدروژن باید ایمن و آسان باشد. این ویژگی شامل قابلیت حمل و نقل در شرایط مختلف جغرافیایی و جوی، همچنین عدم نیاز به تجهیزات خاص برای جابه‌جایی است. ایمنی در حمل و نقل نیز به معنای کاهش خطرات احتمالی ناشی از نشت یا انفجار است.
مصرف انرژی پایین در حین آزادسازی هیدروژن
هنگام آزادسازی هیدروژن از حامل، مصرف انرژی باید حداقل باشد. این ویژگی به معنای کارایی بالای فرآیند آزادسازی است که می‌تواند تأثیر مثبتی بر روی کل زنجیره ارزش هیدروژن داشته باشد. مصرف انرژی پایین همچنین به کاهش هزینه‌ها و افزایش پایداری اقتصادی کمک می‌کند.
امکان بازیابی
قابلیت بازیابی حامل‌های هیدروژن پس از استفاده، یکی دیگر از ویژگی‌های مهم است. این امر نه تنها به کاهش زباله‌ها کمک می‌کند بلکه امکان استفاده مجدد از مواد اولیه را فراهم می‌آورد. در نتیجه، این ویژگی می‌تواند به پایداری محیط زیستی زنجیره تأمین کمک کند.
فهرست ارائه شده در جدول بالا، ویژگی‌های اصلی مورد نیاز برای حامل‌های هیدروژن در زنجیره تأمین شامل مراحل تولید، ذخیره‌سازی، حمل و نقل، و آزادسازی هیدروژن برای استفاده نهایی را مشخص می‌کنند. توسعه حامل‌های هیدروژن با ویژگی‌های ذکر شده، می‌تواند نقش کلیدی در تسهیل گذار به سمت انرژی‌های پاک ایفا کند. با توجه به نیاز روزافزون به منابع انرژی پایدار، تحقیق و توسعه در زمینه حامل‌های هیدروژن باید با جدیت ادامه یابد تا بتوانیم از پتانسیل کامل هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پایدار بهره‌برداری کنیم.
