بررسی فناوری‌های کلیدی ذخیره و استفاده از هیدروژن

در این مقاله به‌صورت خلاصه به بررسی فناوری‌های کلیدی ذخیره و استفاده از هیدروژن پرداخته می‌شود. هیدروژن به‌عنوان یکی از منابع مهم برای تأمین انرژی پاک و کاهش انتشار کربن، نیازمند توسعه و به‌کارگیری فناوری‌های پیشرفته‌ای است که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها اشاره خواهد شد.

پیل‌های سوختی: قلب تولید انرژی پاک از هیدروژن

پیل‌های سوختی امکان اکسیداسیون سوخت غنی از هیدروژن و تبدیل آن به انرژی مفید را بدون نیاز به فرایند سوختن فراهم می‌کنند. این فناوری در مقایسه با سایر فناوری‌های تک‌مرحله‌ای برای تبدیل انرژی شیمیایی به برق (مانند توربین‌های گازی سیکل باز) بازده الکتریکی بالاتری دارد که در حدود 32 تا 70 درصد است.

پیل‌های سوختی بسته به نوعشان می‌توانند با انواع سوخت‌های ورودی مختلف کار کنند، از جمله هیدروژن، گاز طبیعی و سوخت‌های مایع مانند دیزل و متانول. اگر از هیدروژن خالص استفاده شود، خروجی سلول‌های سوختی بخار آب است که در نتیجه، تأثیرات زیست‌محیطی بسیار پایینی دارد. با این حال، در صورت استفاده از سوخت‌های هیدروکربوری، تولید برق با پیل‌های سوختی می‌تواند منجر به تولید گازهای گلخانه‌ای شود. با افزایش بازدهی سیستم در استفاده از سوخت‌های هیدروکربوری، مزایای انتشار کمتر به دست می‌آید.

تجربه استفاده از پیل‌های سوختی با سوخت‌های هیدروکربوری برای نوآوری‌های کم‌کربن، به‌دلیل قابلیت اجرای پیشرفت‌های تکنولوژیکی در پیل‌های سوختی، اهمیت زیادی دارد. سوخت‌های هیدروکربنی اغلب در مرحله‌ای قبل از پیل سوختی به هیدروژن تبدیل می‌شوند و برخی از هیدروکربن‌ها، مانند متانول، ممکن است در آینده با فرآیندهای کم‌کربن تولید شوند.

مشابه الکترولایزرها، در پیل‌های سوختی نیز مصالحه بین بازدهی و توان خروجی وجود دارد. در بارهای کم، راندمان بیشتر است و با افزایش توان خروجی، راندمان کاهش می‌یابد. در مقایسه با فناوری‌های متداول، پیل‌های سوختی می‌توانند در چرخه‌های گذرا (مانند خودروهای سواری) به بالاترین بازدهی خود دست یابند.

پیل‌های سوختی را می‌توان بر اساس دمای کارکرد و نوع غشاء (الکترولیت) به چندین دسته تقسیم‌بندی کرد: پیل‌های سوختی غشاء پلیمری، قلیایی، اسید فسفریک، کربنات مذاب و اکسید جامد. پیل‌های سوختی غشاء پلیمری و قلیایی دارای دمای کارکردی پایین‌تری (در حدود 80 درجه سانتی‌گراد) هستند، در حالی که سایر انواع پیل‌های سوختی در دمای بالاتر (تا 600 درجه سانتی‌گراد برای پیل‌های سوختی اکسید جامد) عمل می‌کنند. پیل‌های سوختی دما بالا برای کاربردهای ترکیبی برق و حرارت مناسب‌تر هستند. هرچه دمای کارکرد بالاتر باشد، بازدهی بیشتر است، اما دوام پیل سوختی در دماهای بالا یک چالش خواهد بود. بهترین گزینه برای خودروهای برقی پیل سوختی، نوع غشاء پلیمری است.

مطابق با گزارش وزارت انرژی ایالات متحده، بازار جهانی پیل‌های سوختی بین سال‌های 2008 تا 2013 به‌طور تقریبی 400% رشد داشته و بیش از 170 مگاوات به ظرفیت پیل‌های سوختی تنها در سال 2013 اضافه شده است (شکل بالا). در حال حاضر، بیش از 80% از پیل‌های سوختی در کاربردهای ایستگاهی مانند تولید هم‌زمان برق و حرارت، سیستم‌های تغذیه پشتیبان و سیستم‌های از راه دور استفاده می‌شوند. ایالات متحده از نظر ظرفیت پیل سوختی رتبه نخست را دارد و ژاپن نیز در تولید هم‌زمان مقیاس کوچک مبتنی بر پیل‌های سوختی پیشرو است.

هزینه سرمایه‌گذاری بالا و عمر نسبتاً محدود، از بزرگ‌ترین موانع بر سر راه گسترش وسیع پیل‌های سوختی باقی مانده است. هزینه‌های سرمایه‌گذاری بستگی زیادی به هزینه تولید دارد و با صرفه‌جویی مقیاس می‌تواند به میزان قابل‌توجهی کاهش یابد. سیستم‌های پیل سوختی غشاء پلیمری و خودروهای مبتنی بر پیل سوختی بالاترین پتانسیل کاهش هزینه را در حجم بالای تولید نشان می‌دهند. در نهایت، هدف این فناوری‌ها رسیدن به هزینه‌ای حدود 30 دلار به‌ازای هر کیلووات (معادل خودروهای احتراق داخلی) است. هزینه‌های سرمایه‌گذاری برای سیستم‌های پیل سوختی ایستگاهی به‌دلیل تمرکز بر بازده بیشتر و طول عمر بالاتر، با سرعت کمتری کاهش می‌یابد. هزینه هدف تعیین‌شده توسط وزارت انرژی ایالات متحده برای بازه زمانی 2020، بین 1500 تا 2000 دلار به‌ازای هر کیلووات برای سیستم‌های تولید هم‌زمان پیل‌های سوختی متوسط است.

توربین‌های گازی: آماده برای سوزاندن هیدروژن

توربین‌های گازی که برای سوزاندن گازهای با محتوای هیدروژن تا 45% مناسب هستند، به‌صورت تجاری در دسترس قرار دارند، اما توربین‌هایی که بتوانند با هیدروژن خالص کار کنند، هنوز تجاری نشده‌اند. این در حالی است که تقاضای کمی برای این تجهیزات وجود دارد. در آینده، توربین‌های گازی با قابلیت سوزاندن سوخت‌های با محتوای بالای هیدروژن بر اساس استفاده از سوخت‌های فسیلی و جذب و ذخیره کربن قبل از احتراق، برای تولید برق ضروری خواهند بود.

کمپرسورها: کلیدی برای ذخیره‌سازی هیدروژن

کمپرسورها یکی از فناوری‌های اصلی برای ذخیره‌سازی هیدروژن هستند. سطح فشار هیدروژن از 2 مگاپاسکال تا 18 مگاپاسکال برای ذخیره‌سازی زیرزمینی، بیش از 35 مگاپاسکال تا 50 مگاپاسکال برای حمل با کامیون‌های حمل گاز، و تا 70 مگاپاسکال برای ذخیره‌سازی روی وسایل نقیله (مانند خودروهای پیل سوختی) متغیر است. براساس مطالعه آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر ایالات متحده، داده‌های بسیار کمی در زمینه فناوری فشرده‌سازی در فشارهای بسیار بالا در دسترس است، زیرا تا به امروز کمپرسورهای فشار قوی به‌دلیل تقاضای پایین در تعداد کم تولید شده‌اند.

ذخیره‌سازی هیدروژن: مخازن و ساختارهای جامد جذب سطحی

توسعه فناوری‌های ذخیره هیدروژن از نیازمندی‌های اساسی توسعه استفاده از هیدروژن هستند. گزینه‌های پیشرفته برای ذخیره‌سازی هیدروژن در مخازن شامل مخازن تحت فشار و مخازن برودتی است. ظرفیت ذخیره هیدروژن بین 100 کیلووات ساعت (برای مخازن تحت فشار) تا 100 گیگاوات ساعت (برای ذخیره‌سازی برودتی) متغیر است. در حالی که مخازن تحت فشار به دلیل چگالی انرژی محدود و هزینه‌های بالا دارای محدودیت هستند، مخازن برودتی به‌دلیل تلفات انرژی، مدت زمان ذخیره‌سازی محدودی دارند. یک راه‌حل واسط بین فشرده‌سازی هیدروژن و ذخیره‌سازی برودتی، فشرده‌سازی برودتی هیدروژن است. در این حالت، هیدروژن مایع به مخزن انتقال داده می‌شود، اما سطح فشار بالاتر نگهداری می‌شود (تا 35 مگاپاسکال)، در نتیجه هیدروژن فشرده می‌تواند برای مدت طولانی‌تری ذخیره شود.

عملکرد کنونی تکنولوژی‌های کلیدی تبدیل، انتقال و توزیع و ذخیره هیدروژن

ذخیره هیدروژن در هیدریدهای فلزی یا ساختارهای نانوکربنی، گزینه‌های فناوری امیدوارکننده‌ای برای دستیابی به چگالی‌های حجمی بالاتر هستند. هیدریدهای فلزی هم‌اکنون در مرحله نمایش فناوری قرار دارند، اما تحقیقات بنیادی بیشتری برای درک پتانسیل نانو ساختارهای کربنی مورد نیاز است. عملکرد روش‌های مختلف انتقال، توزیع، ذخیره‌سازی و تبدیل هیدروژن در جدول بالا خلاصه شده است.

جمع‌بندی

فناوری‌های استفاده از هیدروژن، به‌ویژه پیل‌های سوختی، توربین‌های گازی، کمپرسورها و روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن در مخازن تحت فشار و برودتی، نقشی کلیدی در بهره‌وری از این منبع انرژی پاک و پایدار ایفا می‌کنند. استفاده از این فناوری‌ها در کنار تحقیق و توسعه برای کاهش هزینه‌ها و بهبود کارایی می‌تواند گذار انرژی و آینده انرژی پاک را تضمین کند.

مراجع

DoE

IEA