روش‌های مبتنی بر اصلاح متان از رایج‌ترین و موثرترین فرآیندها برای تولید هیدروژن از گاز طبیعی هستند. این فرآیندها شامل سه روش اصلی هستند: اصلاح بخار، اکسیداسیون جزئی و اصلاح خودگرمایی.
اصلاح متان با بخار به‌عنوان متداول‌ترین روش، با استفاده از آب به‌عنوان منبع هیدروژن عمل می‌کند. این فرآیند در دمایی بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود و در دو مرحله هیدروژن را از کربن جدا می‌کند. در مرحله نخست، بخار آب داغ با گاز طبیعی واکنش داده و مولکول‌های هیدروژن و اکسیدهای کربن تولید می‌شود. در مرحله دوم، مونوکسید کربن به دی‌اکسید کربن تبدیل می‌شود و هیدروژن بیشتری آزاد می‌شود.
اکسیداسیون جزئی نیز یک واکنش شیمیایی است که در آن ترکیبی از هوا و سوخت در یک اصلاح‌گر به گاز غنی از هیدروژن تبدیل می‌شود. این روش برای استخراج هیدروژن از سوخت‌های سنگین و زغال‌سنگ به کار می‌رود. اصلاح خودگرمایی ترکیبی از دو روش قبلی است که در آن گرمای لازم برای فرآیند در درون سیستم تولید می‌شود، که باعث افزایش کارایی فرآیند و بهبود نرخ بازیابی هیدروژن می‌گردد.
چالش‌های تصفیه و خالص‌سازی هیدروژن
در فرآیند تولید هیدروژن، گاز خروجی از مبدل‌ها همیشه خالص نیست و معمولاً دارای ناخالصی‌هایی مانند مونوکسید کربن، کربن دی‌اکسید و باقیمانده سوخت‌هایی مانند متانول یا بنزین است. این ناخالصی‌ها که به دلیل واکنش‌های درون مبدل‌ها ایجاد می‌شوند، باید قبل از استفاده از هیدروژن به‌ویژه در پیل‌های سوختی، حذف شوند.
از میان این ناخالصی‌ها، مونوکسید کربن نیاز به جداسازی دقیق‌تری دارد، زیرا در پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند، باید سطح آن به کمتر از ۱۰ ppm برسد. در غیر این صورت، این گاز می‌تواند به کاتالیست‌های پیل سوختی آسیب برساند، به‌ویژه در پیل‌های سوختی پلیمری. بنابراین، تصفیه و خالص‌سازی گاز خروجی از فرآیند تولید هیدروژن یکی از مراحل حیاتی در این فرآیند است.
فرآیندهای جایگزین در تولید هیدروژن
علاوه بر روش‌های مبتنی بر اصلاح، روش‌های دیگری نیز برای تولید هیدروژن وجود دارند که هر کدام دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود هستند. یکی از این روش‌ها گازی‌سازی است که در آن مواد اولیه مانند زغال‌سنگ یا زیست‌توده به گاز سنتزی تبدیل می‌شود و سپس به هیدروژن و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌گردد.
الکترولیز یکی دیگر از روش‌های تولید هیدروژن است که در آن از تقسیم مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از برق استفاده می‌شود. اگرچه این روش مدت‌هاست که شناخته شده است، اما امروزه تنها نقش جزئی در تولید کل هیدروژن ایفا می‌کند و بیشتر در صنعت کلر-قلیا که هیدروژن یک محصول جانبی است، به کار می‌رود.
هزینه‌های تولید هیدروژن و تاثیرات اقتصادی
یکی از مهم‌ترین جنبه‌های تولید هیدروژن، هزینه‌های آن است که تحت تاثیر عوامل متعددی از جمله قیمت گاز طبیعی و هزینه سرمایه‌گذاری قرار دارد. در روش اصلاح بخار متان، گاز طبیعی هم به‌عنوان ماده اولیه و هم به‌عنوان سوخت فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، 10 تا 15 درصد گاز طبیعی به‌عنوان سوخت سوزانده می‌شود که به تولید کربن دی‌اکسید منجر می‌شود، در حالی که بقیه گاز به هیدروژن و کربن دی‌اکسید غلیظ‌تر تبدیل می‌شود.
هزینه تامین خوراک گاز طبیعی، به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین عوامل اقتصادی، بین 85 تا 90 درصد هزینه‌های تولید را تشکیل می‌دهد. مناطقی مانند خاورمیانه، روسیه و آمریکای شمالی که قیمت گاز طبیعی در آن‌ها پایین است، هزینه‌های تولید هیدروژن را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داده‌اند. از سوی دیگر، کشورهایی مانند ژاپن، کره، چین و هند که واردکننده گاز طبیعی هستند، با افزایش هزینه‌های واردات و به‌تبع آن، افزایش هزینه‌های تولید هیدروژن مواجه‌اند.
تکنولوژی جذب، ذخیره و استفاده از کربن (CCUS) می‌تواند تا ۹۰ درصد از انتشار کربن را کاهش دهد، اما این فناوری با هزینه‌های اضافی همراه است. افزودن CCUS به فرآیند اصلاح بخار متان، منجر به افزایش ۵۰ درصدی هزینه‌های سرمایه‌گذاری و افزایش حدود ۱۰ درصدی هزینه‌های مواد اولیه می‌شود. علاوه بر این، هزینه‌های عملیاتی نیز به دلیل هزینه‌های اضافی مربوط به انتقال و ذخیره کربن دو برابر می‌شود. با این حال، در مناطق با پتانسیل بالا، تولید هیدروژن از واحدهای اصلاح بخار متان همراه با CCUS می‌تواند با هزینه‌ای بین ۱.۴ تا ۱.۵ دلار آمریکا به‌ازای هر کیلوگرم هیدروژن انجام شود، که این روش را به یکی از کم‌هزینه‌ترین مسیرهای تولید هیدروژن کم‌کربن تبدیل می‌کند.
جمع‌بندی
روش‌های مبتنی بر اصلاح، به‌ویژه اصلاح با بخار، همچنان به‌عنوان فناوری غالب در تولید هیدروژن شناخته می‌شوند. این روش‌ها به دلیل کارایی بالا و هزینه نسبتا پایین، به ویژه در مناطقی با دسترسی ارزان به گاز طبیعی، نقش مهمی در تامین هیدروژن در مقیاس بزرگ دارند. با اضافه شدن فناوری‌های جذب و ذخیره کربن، این روش‌ها می‌توانند به تولید هیدروژن کم‌کربن کمک کنند و انتشار گازهای گلخانه‌ای را به‌طور چشمگیری کاهش دهند. در آینده نزدیک، با توسعه بیشتر فناوری‌ها و کاهش هزینه‌ها، این روش‌ها می‌توانند به گزینه‌ای پایدار و اقتصادی برای تولید هیدروژن تبدیل شوند.
مراجع
IEA
