هیدروژن، فراوان‌ترین عنصر در جهان، به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود نقش مهمی در صنایع گوناگون ایفا می‌کند. این عنصر در زمین به صورت ترکیبات شیمیایی مانند آب و هیدروکربن‌ها (نفت، گاز، ذغال سنگ) یافت می‌شود و برای استفاده در تولید انرژی یا کاربردهای صنعتی، باید از این ترکیبات استخراج و جداسازی شود. فرآیندهای تولید هیدروژن شامل روش‌های شیمیایی-حرارتی، زیست شیمیایی و الکترولیز آب هستند که هر یک بسته به تکنولوژی و منابع مورد استفاده، تأثیرات محیط‌زیستی و هزینه‌های متفاوتی دارند. این پیچیدگی‌ها نشان‌دهنده اهمیت انتخاب مسیرهای پایدارتر برای تولید و استفاده از این عنصر ارزشمند در آینده‌ای کم‌کربن است.
برای مطالعه مقاله “ظهور بازار‌های بالقوه جدید و افزایش تقاضای هیدروژن سبز در دوران گذار انرژی” اینجا کلیک کنید.
هیدروژن، با توجه به فرآیندهای گوناگون تولید، به طیفی از رنگ‌ها دسته‌بندی می‌شود که هر رنگ بیانگر روش تولید، منبع انرژی استفاده شده و اثرات محیط‌زیستی آن است. در شکل زیر، خلاصه‌ای از روش‌ها و منابع تولید انواع هیدروژن در این طیف رنگی نمایش داده شده است.
در ادامه، به بررسی دقیق‌تر هر یک از این انواع هیدروژن و ویژگی‌های منحصربه‌فرد آنها خواهیم پرداخت.
هیدروژن سیاه یا قهوه‌ای
هیدروژن سیاه یا قهوه‌ای یکی از آلاینده‌ترین انواع هیدروژن است که از طریق فرآیند گازی‌سازی زغال‌سنگ (Gasification of Coal) تولید می‌شود. در این روش، زغال‌سنگ به گاز سنتز تبدیل شده و هیدروژن از آن استخراج می‌گردد، اما این فرآیند همراه با آزادسازی مقادیر زیادی کربن‌دی‌اکسید است. نوع زغال‌سنگ استفاده‌شده، تفاوت این دو رنگ را مشخص می‌کند: زغال‌سنگ بیتومینه برای تولید هیدروژن سیاه و زغال‌سنگ لیگنیت برای هیدروژن قهوه‌ای به کار می‌رود. این فرآیند به ازای هر تن هیدروژن تولید شده، حدود ۱۹ تن کربن‌دی‌اکسید منتشر می‌کند و به یکی از بزرگ‌ترین عوامل انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنعت تبدیل شده است. اگرچه هزینه تولید این نوع هیدروژن پایین است، اما اثرات محیط‌زیستی گسترده آن، جایگزینی آن با روش‌های پایدارتر مانند هیدروژن سبز و آبی را به یک ضرورت حیاتی در مسیر گذار به انرژی پاک تبدیل کرده است.
هیدروژن خاکستری
هیدروژن خاکستری رایج‌ترین نوع هیدروژن تولیدی در جهان است که از طریق فرآیندهایی نظیر اصلاح بخار متان (Steam Methane Reforming) [1] تولید می‌شود. در این روش‌ها، از سوخت‌های فسیلی مانند گاز طبیعی به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود و اگرچه این فرایندها کارآمد هستند، اما با انتشار حجم قابل توجهی از کربن‌دی‌اکسید همراه‌اند؛ به طور متوسط، بین ۱۰ تا ۱۹ تن کربن‌دی‌اکسید به ازای هر تن هیدروژن تولید می‌شود. بیش از ۹۵ درصد مصرف جهانی هیدروژن به این نوع هیدروژن اختصاص دارد، چرا که هزینه تولید آن نسبت به سایر فرایندهای تولید و منابع اولیه مورد استفاده پایین‌تر است است. با این حال، پیامدهای محیط‌زیستی گسترده و نقش این نوع هیدروژن در افزایش گازهای گلخانه‌ای، ضرورت جایگزینی آن با روش‌های پایدارتر مانند هیدروژن آبی و سبز را به شدت برجسته کرده است.
برای مطالعه مقاله “مروری بر فرایندهای تولید گاز سنتز از گاز طبیعی” اینجا کلیک کنید.
هیدروژن آبی
هیدروژن آبی یکی از گزینه‌های امیدوارکننده برای تولید هیدروژن با کربن کمتر است که از گاز طبیعی و از طریق فرآیند اصلاح بخار متان (Steam Methane Reforming) به دست می‌آید. تفاوت کلیدی این روش با هیدروژن خاکستری در استفاده از فناوری جذب و ذخیره‌سازی کربن [2] ( Carbon Capture and Storage) است که انتشار کربن‌دی‌اکسید را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد، به طوری که میزان انتشار کربن در این فرآیند بین ۱ تا ۴ تن کربن‌دی‌اکسید به ازای هر تن هیدروژن تولید شده است. این کاهش انتشار، هیدروژن آبی را به یک گزینه مناسب برای کشورها و صنایع در مسیر گذار به انرژی پاک تبدیل کرده است. هرچند هزینه تولید هیدروژن آبی به دلیل پیچیدگی‌های فناوری CCS کمی بیشتر از هیدروژن خاکستری است، اما همچنان اقتصادی‌ترین جایگزین برای کاهش سریع اثرات محیط‌زیستی محسوب می‌شود. هیدروژن آبی می‌تواند به عنوان پلی میان سوخت‌های فسیلی و هیدروژن کاملاً پاک (سبز) عمل کند و نقشی کلیدی در دستیابی به اهداف کاهش انتشار کربن جهانی ایفا نماید.
برای مطالعه مقاله “بررسی و مقایسه هزینه‌های تولید هیدروژن سبز و هیدروژن آبی” اینجا کلیک کنید.
هیدروژن سبز
هیدروژن سبز به عنوان پاک‌ترین و پایدارترین نوع هیدروژن شناخته می‌شود که از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی باد و خورشید از طریق فرآیند الکترولیز آب تولید می‌شود. در این روش، مولکول‌های آب با استفاده از برق تجدیدپذیر به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند، بدون اینکه هیچ‌گونه گاز گلخانه‌ای تولید شود. این ویژگی هیدروژن سبز را به گزینه‌ای ایده‌آل برای گذار به انرژی پاک و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی تبدیل کرده است. با این حال، هزینه تولید هیدروژن سبز در حال حاضر ۲ تا ۳ برابر بیشتر از هیدروژن خاکستری است که مانع اصلی در راه گسترش استفاده از آن محسوب می‌شود. با پیشرفت فناوری، کاهش هزینه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر و سیاست‌های قوی‌تر حمایت از کربن صفر، پیش‌بینی می‌شود که هیدروژن سبز نقش پررنگ‌تری در تأمین انرژی جهانی ایفا کند و به تحقق اهداف محیط‌زیستی کمک شایانی نماید.
برای مطالعه مقاله “لزوم کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز از طریق توسعه فناوری‌های الکترولیز آب” اینجا کلیک کنید.
هیدروژن زرد
هیدروژن زرد نوعی هیدروژن سبز است که به طور خاص با استفاده از انرژی خورشیدی تولید می‌شود. در این روش، برق تولید شده از پنل‌های خورشیدی برای فرآیند الکترولیز آب به کار گرفته می‌شود و هیچ‌گونه گاز گلخانه‌ای طی این فرایند منتشر نمی‌شود. هیدروژن زرد به دلیل وابستگی کامل به انرژی خورشیدی، به عنوان یکی از پایدارترین و سازگارترین گزینه‌ها با محیط‌زیست شناخته می‌شود. پیش‌بینی می‌شود با کاهش هزینه‌های تولید برق خورشیدی و گسترش زیرساخت‌های انرژی تجدیدپذیر، هیدروژن زرد در آینده‌ای نزدیک به یکی از اقتصادی‌ترین و در دسترس‌ترین گزینه‌ها برای تأمین هیدروژن پاک تبدیل شود و نقشی کلیدی در گذار به اقتصاد کربن صفر ایفا کند.
برای مطالعه مقاله “مروری بر فناوری‌های الکترولیز آب برای تولید هیدروژن” اینجا کلیک کنید.
هیدروژن صورتی
هیدروژن صورتی نوعی از هیدروژن پاک است که از طریق فرآیند الکترولیز آب و با استفاده از انرژی برق تولید شده توسط نیروگاه‌های هسته‌ای به دست می‌آید. این فرآیند که در آن مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند، هیچ‌گونه انتشار کربن‌دی‌اکسیدی ندارد و به همین دلیل در دسته‌بندی هیدروژن‌های کم‌کربن و پایدار قرار می‌گیرد. هیدروژن صورتی به دلیل بهره‌گیری از انرژی هسته‌ای، مزیت‌های مهمی از جمله تأمین برق پایدار و مداوم و مستقل از شرایط جوی دارد. این ویژگی آن را به گزینه‌ای جذاب برای کشورهایی تبدیل کرده است که زیرساخت‌های انرژی هسته‌ای قوی دارند و به دنبال راهکارهایی برای کاهش انتشار کربن هستند. این نکته نیز شایان ذکر است زباله‌ها یا پسماندهای هسته‌ای که در نیروگاه‌های هسته‌ای از طریق شکافت هسته‌ای تولید می‌شوند برای محیط زیست و سلامت انسان مضر هستند.هر نوع فلز سنگین مانند اورانیوم در اثر واکنش‌های هسته‌ای می‌تواند به زباله یا پسماند اتمی تبدیل شود. معمولاً منظور از زباله اتمی باقی‌مانده سوخت رآکتور اتمی است .در کل، ترکیبات اورانیوم به سختی جذب روده و ریه می‌شوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی می‌ماند. لذا این موضوع توسعه گسترده هیدروژن صورتی را با چالش‌هایی مواجه کرده است.
هیدروژن بنفش
هیدروژن بنفش یکی از انواع پاک هیدروژن است که از طریق فرآیند الکترولیز آب با ترکیبی از برق و گرمای تولید شده توسط نیروگاه‌های هسته‌ای تولید می‌شود. در این روش، انرژی حرارتی حاصل از نیروگاه‌های هسته‌ای به کاهش مصرف برق مورد نیاز در الکترولیز کمک می‌کند و باعث افزایش بازدهی فرآیند می‌شود. ویژگی منحصر به فرد هیدروژن بنفش در استفاده از انرژی و گرما به طور هم‌زمان است، که آن را به یک گزینه کارآمد و محیط‌زیستی برای تولید هیدروژن پاک تبدیل می‌کند.
هیدروژن قرمز
هیدروژن قرمز از طریق شکافت کاتالیزوری آب در دماهای بالا تولید می‌شود که انرژی گرمایی و بخار مورد نیاز آن از نیروگاه‌های هسته‌ای تأمین می‌شود. این روش با استفاده از گرما و بخار تولیدی نیروگاه‌های هسته‌ای، میزان برق مصرفی را به طور قابل توجهی نسبت به روش‌های سنتی الکترولیز کاهش می‌دهد. ویژگی برجسته این فرآیند، بازدهی بالاتر و تولید هیدروژن بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای است که آن را به گزینه‌ای کارآمد و پایدار برای تولید هیدروژن پاک تبدیل می‌کند. هیدروژن قرمز با بهره‌گیری از منابع هسته‌ای، فرصتی مناسب برای کشورهایی با زیرساخت‌های هسته‌ای فراهم می‌کند تا هم از انرژی مازاد خود استفاده بهینه کنند و هم به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کنند.
هیدروژن فیروزه‌ای
هیدروژن فیروزه‌ای با استفاده از فرآیند پیرولیز متان (Pyrolysis of Methane) تولید می‌شود. پیرولیز متان، همچنین به عنوان شکست حرارتی متان یا تجزیه متان شناخته می شود، یک فرآیند شیمیایی که طی آن گاز طبیعی در دماهای بالا به اجزای آن به هیدروژن و کربن جامد تجزیه می‌شود. این روش، برخلاف فرآیندهای متداول اصلاح بخار (SMR)، هیچ کربن‌دی‌اکسیدی تولید نمی‌کند و به جای آن کربن به شکل جامد به دست می‌آید که می‌تواند به صورت ایمن ذخیره یا در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد. هیدروژن فیروزه‌ای به دلیل وابستگی به گاز طبیعی و مزیت محیط‌زیستی خود، به عنوان یک گزینه میان‌مدت برای تولید هیدروژن پاک شناخته می‌شود. اگرچه این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد، اما پتانسیل بالایی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و ایجاد راهکاری پایدار در تولید هیدروژن دارد. با توسعه بیشتر و کاهش هزینه‌های این فرآیند، هیدروژن فیروزه‌ای می‌تواند نقشی مهم در گذار به انرژی‌های کم‌کربن ایفا کند.
هیدروژن نارنجی
هیدروژن نارنجی نوعی هیدروژن پاک است که از ضایعات پلاستیکی به عنوان ماده اولیه تولید می‌شود و راه حلی موثر برای مقابله با چالش‌های انرژی و مدیریت زباله‌های پلاستیکی ارائه می‌دهد. در این فرآیند، از فناوری‌هایی مانند پیرولیز (Pyrolysis)، کاتالیز با امواج ریزموج (Microwave Catalysis) و بازآرایی نوری (Photo-Reforming) استفاده می‌شود تا پلاستیک‌های دورریختنی به هیدروژن تبدیل شوند. این روش نه تنها به تولید انرژی پاک کمک می‌کند، بلکه تأثیر بسزایی در کاهش آلودگی ناشی از انباشت زباله‌های پلاستیکی دارد. همچنین فرایندهای تولید هیدروزن زیستی مبتنی بر فرایند فتوسنتز نرمال جلبک ها در محیط گوگردی نیز جز فرایندهای هیدروژن نارنجی دسته بندی می‌شود. اگرچه فناوری تولید هیدروژن نارنجی هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد، اما با ترکیب انرژی پایدار و بازیافت پیشرفته، می‌تواند آینده‌ای روشن برای استفاده از منابع غیرسنتی در تولید انرژی پاک ترسیم کند.
برای مطالعه مقاله “بررسی انواع روش‌های بیولوژیکی تولید هیدروژن زیستی” اینجا کلیک کنید.
هیدروژن سفید
هیدروژن سفید به هیدروژنی اشاره دارد که به طور طبیعی در پوسته زمین تولید می‌شود و از واکنش‌های شیمیایی بین آب و مواد معدنی غنی از آهن در دما و فشار بالا به وجود می‌آید. این هیدروژن که به عنوان هیدروژن طبیعی نیز شناخته می‌شود، بدون نیاز به فرآیندهای صنعتی پیچیده تولید می‌شود و هیچ انتشار کربنی ندارد. اگرچه وجود منابع طبیعی هیدروژن سفید از مدت‌ها پیش شناخته شده است، اما تاکنون فناوری‌های مؤثری برای استخراج آن به صورت تجاری توسعه نیافته است. با پیشرفت‌های علمی و فناوری در آینده، هیدروژن سفید می‌تواند به عنوان یک منبع پاک و پایدار انرژی، به ویژه برای مناطقی که این منابع در دسترس هستند، نقش مهمی ایفا کند و به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک نماید.
جمع‌بندی
طیف رنگی هیدروژن بیانگر تنوع فناوری‌ها و رویکردها در مسیر استفاده از این عنصر به عنوان منبعی برای انرژی پاک است. اگرچه روش‌های سنتی مانند هیدروژن سیاه و خاکستری هزینه‌های کمتری دارند، اما اثرات محیط‌زیستی آنها باعث شده تا توجه‌ها به سمت انواع پاک‌تر، مانند هیدروژن سبز و زرد، معطوف شود. با پیشرفت‌های علمی و سیاست‌گذاری‌های مؤثر، هیدروژن می‌تواند نقشی کلیدی در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و تحقق اهداف کربن صفر ایفا کند، و آینده‌ای پایدارتر برای جهان به ارمغان بیاورد.
مراجع
[1] SMR
[2] CCS
