در دهه گذشته، پیشرفت‌های قابل توجهی در فناوری الکترولیز و افزایش ظرفیت الکترولایزرها برای تولید هیدروژن از آب صورت گرفته است. این پیشرفت‌ها به‌ویژه در فناوری غشاء پلیمری (PEM) نقش چشمگیری در توسعه بازار داشته‌اند. اگرچه پروژه‌های تولید هیدروژن از طریق الکترولیز در کشورهایی مانند استرالیا، چین و آمریکا آغاز شده یا اعلام شده‌اند، اما از نظر جغرافیایی، بیشتر این پروژه‌ها در اروپا مستقر هستند.
افزایش ظرفیت الکترولایزرها در پروژه‌های تجاری
میانگین ظرفیت واحدهای الکترولایزر در طول سال‌های اخیر افزایش یافته است. به طوری که ظرفیت واحدهای الکترولایزر در بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۹ حدود ۰.۱ مگاوات بود، این رقم در سال‌های ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۹ به ۱ مگاوات رسیده است. این افزایش ظرفیت الکترولایزرها، نشان‌دهنده‌ی گذار از پروژه‌های آزمایشی کوچک به برنامه‌های تجاری بزرگ است. این مقیاس بزرگ‌تر می‌تواند به کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای و افزایش ظرفیت زنجیره تامین در صنعت الکترولیز کمک کند.
ویژگی‌های فنی و اقتصادی فناوری‌های مختلف الکترولیز
| الکترولایزر آلکالاین | الکترولایزر غشاء پلیمری | الکترولایزر اکسید جامد | |||||||
| 2023 | 2030 | بلندمدت | 2023 | 2030 | بلندمدت | 2023 | 2030 | بلندمدت | |
| بازدهی الکتریکی (LHV و %) | 50 تا 60 | 65 تا 71 | 70 تا 80 | 55 تا 70 | 63 تا 68 | 67 تا 74 | 40 تا 60 | 77 تا 84 | 77 تا 90 |
| فشار عملکردی (bar) | 1 تا 30 | – | – | 30 تا 80 | – | – | 1 | – | – |
| دمای عملکردی (◦C) | 60 تا 80 | – | – | 50 تا 80 | – | – | 650 تا 1000 | – | – |
| طول عمر پشته پیل سوختی (هزار ساعات کاری) | 60 تا 90 | 90 تا 100 | 100 تا 150 | 30 تا 90 | 60 تا 90 | 100 تا 150 | 10 تا 30 | 40 تا 60 | 75 تا 100 |
| حدود بار (% نسبت به بار نامی) | 10 تا 110 | – | – | 0 تا 160 | – | – | 20 تا 100 | – | – |
| مساحت نیروگاهی (m2/kWe) | 0.095 | – | – | 0.048 | – | – | – | – | – |
| هزینه‌های سرمایه‌ای (USD/kWe) | 500 تا 1400 | 400 تا 850 | 200 تا 700 | 1100 تا 1800 | 650 تا 1500 | 200 تا 900 | 2800 تا 5600 | 800 تا 2800 | 500 تا 1000 |
چندین پروژه در حال توسعه، الکترولایزرهایی با ظرفیت ۱۰ مگاوات و بالاتر را هدف‌گذاری کرده‌اند و در برخی موارد، پروژه‌هایی با ظرفیت ۱۰۰ مگاوات یا بیشتر نیز در دست بحث هستند.
هزینه‌های تولید هیدروژن از الکترولیز آب: عوامل فنی و اقتصادی
هزینه تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب، تحت تأثیر عوامل فنی و اقتصادی متعددی قرار دارد. از جمله این عوامل، می‌توان به هزینه‌های سرمایه‌ای، بازدهی تبدیل انرژی، هزینه برق و میزان ساعات عملیاتی سالانه اشاره کرد.
هزینه‌های سرمایه‌ای در الکترولایزرهای قلیایی در حدود ۴۰۰ تا ۵۰۰ دلار آمریکا به‌ازای هر کیلووات است. این رقم برای الکترولایزرهای غشاء پلیمری بین ۱۱۰۰ تا ۱۸۰۰ دلار و برای الکترولایزرهای اکسید جامد (که ارقام آن به‌صورت تخمینی بیان شده) بین ۲۸۰۰ تا ۵۶۰۰ دلار است. پشته‌های الکترولایزر ۵۰ تا ۶۰ درصد هزینه‌های سرمایه‌ای الکترولایزرهای قلیایی و غشاء پلیمری را به خود اختصاص می‌دهند. قطعات دیگری مانند سیستم‌های الکترونیک قدرت و سیستم‌های تهویه نیز سهم قابل‌توجهی از هزینه‌ها را شامل می‌شوند.
پتانسیل کاهش هزینه‌ها با نوآوری در فناوری و افزایش مقیاس
کاهش هزینه‌های تولید هیدروژن در آینده، تا حد زیادی به نوآوری‌های فناوری و صرفه‌جویی‌های مقیاسی وابسته است. استفاده از مواد کم‌هزینه‌تر برای الکترودها و غشاءها، توسعه الکترولایزرهای بزرگ‌تر و به‌کارگیری سیستم‌های چندپشته برای افزایش ظرفیت کلی، از جمله راهکارهای مؤثر در کاهش هزینه‌ها محسوب می‌شوند.
اثر ساعات عملیاتی و هزینه برق بر هزینه تولید هیدروژن
با افزایش ساعات عملیاتی الکترولایزرها، تأثیر هزینه‌های سرمایه‌ای بر قیمت نهایی تولید هیدروژن کاهش یافته و هزینه برق نقش بیشتری ایفا می‌کند.
در سیستم‌هایی که از برق شبکه برای تولید هیدروژن استفاده می‌کنند، مشخص شده که برق کم‌هزینه تنها برای چند ساعت در سال در دسترس است. این موضوع منجر به استفاده محدود از الکترولایزرها و در نتیجه هزینه‌های بالاتر هیدروژن می‌شود. اما با افزایش ساعات عملیاتی (به‌ویژه در حدود ۳۰۰۰ تا ۶۰۰۰ ساعت در سال)، هزینه تولید واحد هیدروژن کاهش می‌یابد. همچنین، افزایش قیمت برق در ساعات اوج مصرف، منجر به افزایش هزینه‌های تولید هیدروژن می‌شود.
استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر: راهکاری اقتصادی برای تولید هیدروژن
یکی از راه‌حل‌های جایگزین برای استفاده از برق شبکه، تولید برق از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید است. با کاهش هزینه‌های تولید برق از این منابع، ساخت الکترولایزرها در مناطق با منابع غنی تجدیدپذیر حتی با در نظر گرفتن هزینه‌های انتقال هیدروژن به بازارهای مصرف، به یک راهکار اقتصادی تبدیل شده است.
مناطقی مانند پاتاگونیا، نیوزلند، شمال آفریقا، خاورمیانه، مغولستان، استرالیا و بخش‌هایی از چین و ایالات متحده، پتانسیل مناسبی برای تولید هیدروژن از انرژی‌های تجدیدپذیر دارند. در این مناطق، با توجه به منابع طبیعی فراوان، امکان تولید هیدروژن ارزان و انتقال آن به بازارهای مختلف وجود دارد.
افزایش کاربرد هیدروژن و رشد پروژه‌های الکترولیز
با افزایش تقاضا برای هیدروژن سبز و تلاش برای گذار به اقتصاد مبتنی بر انرژی‌های پاک، افزایش ظرفیت الکترولایزرها مورد توجه قرار گرفته و پروژه‌های الکترولیز در مقیاس‌های بزرگ‌تر به سرعت در حال گسترش هستند. همان‌طور که در روند سال‌های اخیر مشاهده می‌شود، این صنعت از نقطه شروع کوچک خود به سمت پروژه‌های عظیم‌مقیاس حرکت کرده و این رشد نمایی با تحقیقات و توسعه مستمر، تولید انبوه و یادگیری از طریق اجرا به دست آمده است.
جمع‌بندی
تولید هیدروژن از طریق الکترولیز، به‌ویژه با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، به‌سرعت در حال تبدیل شدن به یکی از راه‌حل‌های اصلی در گذار به انرژی‌های پاک است. با افزایش مقیاس پروژه‌ها، کاهش هزینه‌ها از طریق نوآوری‌های فناورانه و بهبود فرآیندها امکان‌پذیر است. به‌ویژه مناطقی که منابع طبیعی مناسبی برای تولید برق تجدیدپذیر دارند، می‌توانند به مراکز کلیدی تولید هیدروژن سبز تبدیل شوند و در نهایت، به تحقق اهداف جهانی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کنند.
مراجع
IEA
