افزایش تدریجی سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در تامین انرژی و سیستم های انرژی، به‌ویژه در شبکه برق، به دلیل عدم قطعیت در تولید انرژی از این منابع، نیازمند افزایش قابلیت انعطاف‌پذیری شبکه انرژی‌های تجدیدپذیر است. این امر مستلزم ذخیره‌سازی انرژی است که به زمان یا مکان تولید وابسته نباشد یا تبدیل انرژی به گونه‌ای که بتواند در بخش‌های دیگر سیستم انرژی مورد استفاده قرار گیرد. در حال حاضر، استراتژی‌های مختلفی برای افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه برق، به‌صورت مقرون‌به‌صرفه و بدون نیاز به ذخیره‌سازی فصلی در مقیاس بزرگ، موجود است. با این وجود، با توجه به شرایط محلی، ساختارهای نظارتی، وضعیت سرمایه‌گذاری‌های موجود و زیرساخت‌های شبکه، استفاده از فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ برای افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر طی مسیر گذار انرژی امری ضروری خواهد بود.
طبقه‌بندی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی
سیستم‌های ذخیره‌سازی الکتریکی براساس اندازه، مطابق با ظرفیت توان ورودی و خروجی و مدت زمان تخلیه طبقه‌بندی می‌شوند. این سه پارامتر در نهایت ظرفیت انرژی را مشخص می‌کنند. در کنار این پارامترها، عواملی مانند تعداد سالانه چرخه‌های شارژ و تخلیه، بازدهی چرخه (شارژ و تخلیه) و تخلیه خودی نیز در تعیین ساعت بار کامل سالانه تأثیر دارند. موقعیت مکانی و زمان پاسخ‌دهی سیستم ذخیره‌سازی، دیگر عوامل مهم هستند. همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است، فناوری‌های مبتنی بر هیدروژن برای ذخیره‌سازی برق در مقیاس بزرگ مناسب است و قابلیت ذخیره‌سازی از ساعتی تا فصلی را دارد. عملکرد فعلی سیستم‌های ذخیره‌سازی مبتنی بر هیدروژن در جدول زیر خلاصه شده است. هیدروژن می‌تواند نقشی کلیدی در افزارش پایداری و انعطاف‌پذیری شبکه‌های انرژی مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر ایفا کند.
عملکرد سیستم کنونی هیدروژن برای ذخیره‌سازی مقیاس بزرگ (مقدار کیمنه هزینه مرتبط با الکترولایزر آلکالاین و مقدار بیشینه مرتبط با استفاده از الکترولایزر غشاء پلیمری است)
| کاربرد | ظرفیت توان یا انرژی | بازدهی انرژی | هزینه سرمایه‌گذاری
(USD/kW) |
طول عمر | بلوغ |
| برق به برق (شامل ذخیره‌سازی زیر زمین) | گیگاوات ساعت تا تراوات ساعت | 29% (الکترولایزرآلکالاین)
33% (الکترولایزر غشاءپلیمری) |
1900 تا 6300
(به اضافه 8 USD/kWh) |
20 هزار تا 60 هزار ساعت (طول عمر استک الکتولایزر) | اثبات شده در حال نمایش |
| ذخیره‌سازی زیر زمین | گیگاوات ساعت تا تراوات ساعت | 90-95% شامل فشرده‌سازی | (8 USD/kWh) | 30 سال | اثبات شده در حال نمایش |
| برق به گاز (گاز طبیعی غنی شده با هیدروژن) | گیگاوات ساعت تا تراوات ساعت | 73% بدون توربین گازی
26% با توربین گازی |
1500 تا 3000 بدون توربین گازی
2400 تا 4000 شامل توربین گازی
|
20 هزار تا 60 هزار ساعت (طول عمر استک الکترولایزر) | اثبات شده در حال نمایش |
| برق به گاز (متاناسیون) | گیگاوات ساعت تا تراوات ساعت | 58% بدون توربین گازی
21% شامل توربین گازی |
2600 تا 4100 بدون توربین گازی
3500 تا 5000 شامل توربین گازی |
20 هزار تا 60 هزار ساعت (طول عمر استگ الکترولایزر) | اثبات شده در حال نمایش |
کاربردهای متنوع هیدروژن در سیستم‌های انرژی
سیستم‌های مبتنی بر هیدروژن محدود به ذخیره انرژی الکتریکی و استفاده مجدد آن در شبکه برق نیستند. به‌عنوان مثال، هیدروژن تولید شده از برق مازاد می‌تواند به‌عنوان سوخت در بخش حمل‌ونقل یا به‌عنوان ماده اولیه در صنایع مختلف استفاده شود. سیستم‌های ذخیره‌سازی مبتنی بر هیدروژن را می‌توان به چندین دسته تقسیم کرد:
- برق به برق: در این روش، انرژی برق از طریق الکترولایزر صرف تولید هیدروژن می‌شود. سپس هیدروژن تولیدی در مخازن ذخیره شده و در زمان نیاز با استفاده از پیل سوختی یا توربین گاز هیدروژنی دوباره به برق تبدیل می‌شود.
- برق به گاز: در این روش، هیدروژن تولید شده به شبکه گاز طبیعی تزریق می‌شود یا برای تولید متان مصنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- برق به سوخت: پس از تولید هیدروژن از برق، این هیدروژن به‌عنوان سوخت در بخش حمل‌ونقل، به‌ویژه در خودروهای پیل سوختی، استفاده می‌شود.
- برق به ماده اولیه: در این روش، هیدروژن تولیدی به‌عنوان ماده اولیه در صنایع پالایشگاهی و دیگر فرآیندهای صنعتی کاربرد دارد.
کاهش بازدهی در فرآیندهای چندگانه تبدیل انرژی
استفاده از هیدروژن به‌عنوان ذخیره‌ساز انرژی در سیستم‌های برق شامل چندین مرحله تبدیل است که این فرآیندهای چندگانه منجر به کاهش بازدهی کلی سیستم می‌شوند.
شکل بالا بازدهی نسبی هر یک از روش‌های مذکور را به‌صورت مقایسه‌ای نمایش می‌دهد. در نهایت، تمامی این روش‌ها به برق تبدیل می‌شوند تا امکان مقایسه میان آن‌ها فراهم شود.
چالش‌های توسعه انرژی هیدروژنی
با نفوذ بالای سیستم‌های انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه برق، می‌توان انتظار داشت که در برخی از زمان‌های روز، فصل یا سال، میزان تولید بیش از تقاضا یا برعکس باشد. استفاده از انرژی هیدروژنی به‌عنوان راهکاری اساسی برای مقابله با این چالش‌ها مطرح است، اما توسعه این سیستم نیازمند زیرساخت‌های خاص و پرهزینه است که چالش‌های اقتصادی قابل‌توجهی ایجاد می‌کند.
از سوی دیگر، تکیه صرف بر برق مازاد برای تولید هیدروژن نمی‌تواند پاسخگوی نیاز باشد و باید از برق تولیدی برای تولید هیدروژن در مقیاس‌های گسترده‌تر استفاده شود. اگر برق ورودی برای تولید هیدروژن هیچ کاربرد دیگری نداشته باشد، تلفات انرژی اهمیت چندانی نخواهد داشت. برای رقابتی شدن هیدروژن با سایر روش‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند ذخیره‌سازی حرارتی، باید به بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری توجه شود.
ضرورت بهره‌برداری از مزایای جانبی سیستم‌های هیدروژنی
بهبود فناوری به‌تنهایی کافی نخواهد بود و برای بهینه‌سازی بازگشت سرمایه، لازم است از محصولات جانبی سیستم‌های هیدروژنی نیز بهره‌برداری شود. در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی بلندمدت، ساعات بار کامل سالانه محدود است. بنابراین حتی اگر اجزای فناوری مانند الکترولایزرها و پیل‌های سوختی قیمت بالایی داشته باشند، استفاده از تمامی خدمات و محصولات جانبی مانند حرارت و اکسیژن تولید شده، می‌تواند به بهینه‌سازی بازگشت سرمایه کمک کند.
جمع‌بندی
هیدروژن، به‌عنوان یکی از فناوری‌های کلیدی برای ذخیره‌سازی انرژی و ادغام با انرژی‌های تجدیدپذیر، نقشی مهم در پایداری و انعطاف‌پذیری سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر آینده خواهد داشت. در مواجهه با نوسانات تولید برق از منابع تجدیدپذیر، هیدروژن سبز می‌تواند به‌عنوان یک راهکار مطمئن برای ذخیره‌سازی و تأمین انرژی پایدار عمل کند. با این حال، توسعه این فناوری نیازمند زیرساخت‌های گسترده و سرمایه‌گذاری‌های قابل‌توجهی است که چالش‌های اقتصادی فراوانی را به همراه دارد.
برای بهبود بهره‌وری و کاهش هزینه‌های سیستم‌های هیدروژنی، علاوه بر بهبود فناوری‌های ذخیره‌سازی، باید به استفاده از محصولات جانبی سیستم‌ها مانند حرارت و اکسیژن نیز توجه شود. با اتخاذ رویکردهای یکپارچه‌تر و بهبود کارایی فرآیندها، هیدروژن می‌تواند نقشی حیاتی در تأمین انرژی پاک و قابل اعتماد برای آینده ایفا کند.
