فرایند‌ها و منابع تولید هیدروژن

با افزایش نگرانی‌های زیست محیطی و نیاز به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، توجه به منابع انرژی پایدار و کم‌کربن به‌طور چشمگیری افزایش یافته است. هیدروژن، به‌عنوان یک حامل انرژی با پتانسیل بالا، در این زمینه بسیار مورد توجه قرار گرفته است که  بر اساس روش تولید و منابع استفاده ‌شده، به رنگ‌های مختلفی دسته‌بندی می‌شود، و هر یک اثرات محیط‌زیستی متفاوتی دارند. (جهت مطالعه مقاله دیپلماسی هیدروژنی و تحلیل دگرگونی­‌های سیاسی-اجتماعی ناشی از آن اینجا کلیک کنید)

منبع هیدروژن خاکستری سوخت‌های فسیلی (عمدتا ذغال سنگ و گاز طبیعی) است، در حالی که هیدروژن سبز با استفاده از منابع تجدیدپذیر تولید می‌شود. هیدروژن آبی نیز مشابه هیدروژن خاکستری مبتنی بر منابع فسیلی تولید می‌شود با این تفاوت که کربن دی‌اکسید منتشر شده طی فرایند تولید هیدروژن طی فرایند‌های مختلف جذب می‌شود و تا حد قابل توجهی از انتشار آن در محیط زیست جلوگیری می‌شود. هر یک از انواع هیدروژن دارای مزایا و چالش‌های خاص خود هستند. بررسی دقیق این طیف گسترده، درک بهتری از نقشی که هر کدام می‌توانند در آینده انرژی جهانی ایفا کنند، فراهم می‌کند.

رنگین‌کمان هیدروژن

هیدروژن به‌خودی‌خود یک گاز بی‌رنگ است، اما با توجه به اینکه می‌توان آن را از منابع و فرایندهای مختلف تولید کرد، از یک سیستم کد‌گذاری رنگی برای تمایز بین روش‌های تولید آن استفاده می‌شود. هرچند امروزه رنگ‌های متعددی برای هیدروژن در منابع علمی ذکر می‌شود، اما رایج‌ترین آن‌ها خاکستری، آبی و سبز است. فرایندها و منابع تولید آنها در شکل زیر نشان داده شده و در ادامه به تفصیل مورد بحث قرار می‌گیرد.

هیدروژن خاکستری

هیدروژن خاکستری طی فرایند ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار آب و فرایند گازی سازی ذغال سنگ با اکسیژن و بخار آب، از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. فرایندی ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار آب (SMR [1]) رایج‌ترین فرایند تولید هیدروژن (گاز سنتز) است و به دلیل هزینه پایین سرمایه‌گذاری و قیمت تمام شده پایین‌تر و کنترل آسان واکنش‌های شیمیایی جهت تولید نسبت مناسب گاز سنتز مورد نیاز، تقریباً 75 درصد از تولید هیدروژن در جهان را به خود اختصاص داده است. در حال حاضر، 99 درصد از هیدروژن با استفاده از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود که 90 درصد از آن هیدروژن خاکستری و 10 درصد از آن هیدروژن آبی است. با این حال، استفاده از هیدروژن خاکستری منجر به انتشار مقدار زیادی گازهای گلخانه‌ای می‌شود، و بنابراین با هدف دستیابی به انتشار صفر خالص سازگار نیست. (این نکته نیز شایان ذکر است که هدف اصلی فرایند‌های ریفرمینگ گاز طبیعی گازی‌سازی ذغال سنگ، تولید گاز سنتز با یک نسبت مشخص شامل؛ هیدروژن، کربن مونواکسید و کربن دی اکسید است)

هیدروژن آبی

هیدروژن آبی، که با استفاده از فناوری جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS [2]) تولید می‌شود، به‌عنوان یک گزینه جایگزین برای کاهش انتشار کربن در فرایند‌های تولید هیدروژن معرفی شده است. در این روش، کربن دی‌ اکسید تولید شده در فرایند تولید هیدروژن خاکستری جذب و ذخیره می‌شود. اما، عدم قطعیت‌های زیادی در مورد امکان‌پذیری این فناوری در مقیاس بزرگ وجود دارد. اگرچه هیدروژن آبی از انتشار مستقیم کربن دی‌ اکسید به اتمسفر جلوگیری می‌کند، اما طی فرایند ریفرمینگ گاز طبیعی برای تولید این هیدروژن جهت استخراج و فراوری اولیه گاز طبیعی و همچنین تامین سرویس‌های جانبی مورد نیاز فرایند همچنان منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود. بنابراین، حتی با بهره‌گیری از فرایند‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن دی اکسید، انتشار گازهای گلخانه‌ای در هیدروژن آبی به‌طور کامل از بین نمی‌رود و هزینه‌های اضافی برای حمل و ذخیره‌سازی کربن دی‌ اکسید و نیاز به نظارت بر ذخیره‌سازی آن را نیز به همراه دارد.

هیدروژن سبز

هیدروژن سبز، که از منابع کاملاً تجدیدپذیر تولید می‌شود، گزینه‌ای ایده‌آل برای دستیابی به انتشار صفر خالص است. به‌عنوان‌مثال، در فرایند الکترولیز آب، با استفاده از برق تجدیدپذیر، آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. این فرایند با کارایی 60 تا 80 درصد، برق را به هیدروژن تبدیل می‌کند. با این حال، تامین هیدروژن سبز نیاز به تامین پایدار برق تجدیدپذیر و همچنین توسعه فناوری در راستای اقتصاد مقیاس  و کاهش هزینه‌های سرمایه گذاری دارد که خود می‌تواند چالش‌برانگیز باشد.

بر اساس پیش‌بینی انجام شده توسط آژانس بین‌المللی انرژی اگر همه تولید فعلی هیدروژن از طریق الکترولیز آب صورت گیرد، تقاضا برای برق تجدیدپذیر به 3600 تراوات ساعت خواهد رسید که بیشتر از تولید سالانه برق در اتحادیه اروپاست. این در حالی است که پیش‌بینی می‌شود تقاضا برای هیدروژن تا سال 2050 یازده برابر شود. اگرچه هیدروژن سبز از سال 1930 با روش الکترولیز تولید می‌شود، اما امروزه این روش تنها 1 درصد از تولید جهانی هیدروژن را تشکیل می‌دهد.

روش‌های دیگر تولید هیدروژن سبز

علاوه بر الکترولیز آب، مسیرهای دیگری نیز برای تولید هیدروژن سبز وجود دارد. این مسیرها شامل گازی‌سازی زیست‌توده، پیرولیز زیست‌توده، گازی‌سازی آب فوق ‌بحرانی زیست‌توده، شکافت شیمیایی آب و فوتوکاتالیستی هستند. اما بیشتر این فرایندها هنوز در مرحله تحقیق و توسعه هستند و بهره‌وری کمتری دارند. با این حال، پیرولیز و گازی‌سازی شیمیایی به ‌عنوان روش‌های اقتصادی با پتانسیل بالا برای کاربردهای بزرگ ‌مقیاس در آینده نزدیک محسوب می‌شوند. روش‌های بیولوژیکی نیز یک مسیر امیدوارکننده هستند، اما نیاز به تحقیقات بیشتری برای افزایش بهره‌وری دارند.

انتشار گازهای گلخانه‌ای در تولید هیدروژن

برای رسیدن به هدف گذار انرژی با انتشار صفر خالص، باید تولید هیدروژن خاکستری کنار گذاشته شود. در حالی که هزینه‌های سرمایه گذاری اولیه و هزینه های عملاتی مورد نیاز فرایند‌های تولید هیدروژن سبز ممکن است یکی از موانع اصلی باشد، اهمیت تولید بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای برای هم‌راستایی با توافق پاریس حیاتی است. میزان انتشار در فرایند تولید هیدروژن آبی نیز در دو مرحله صورت می‌گیرد: ابتدا، انتشار مستقیم کربن دی اکسید از فرایند SMR و سپس انتشار گازهای فرار متان در هنگام استخراج نفت و گاز. اگرچه می‌توان 70 تا 90 درصد انتشار مستقیم را با CCS جذب کرد، همچنان 10 تا 30 درصد از کربن دی اکسید به اتمسفر وارد می‌شود.

در شکل زیر شدت انتشار استخراج و فراوری گاز طبیعی در مقایسه با هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی در سال 2022  نشان داده شده است. این شکل نشان‌دهنده شدت کل انتشار کربن (kg CO₂-e/GJ) در چندین سناریوی مختلف تامین گاز طبیعی و هیدروژن (خاکستری و آبی) است که بر اساس نرخ‌های مختلف نشت متان و پتانسیل گرمایش جهانی ۲۰ ساله برای متان محاسبه شده است. این سناریوها به درصدهای نشت متان در مدل‌های مختلف اشاره دارند.

همانطورکه در شکل بالا قابل مشاهده است، انتشار گازهای هیدروژن آبی، حتی با جذب ۹۰ درصدی کربن دی‌اکسید، همچنان می‌تواند بسیار چشمگیر باشد. هنگامی که نرخ نشر متان که از استخراج و فراوری گاز طبیعی حاصل می‌شود، 5_/3 درصد باشد و ۹۰ درصد کربن دی‌اکسید با استفاده از فناوری جذب و ذخیره کربن (CCS) مهار شود، انتشار هیدروژن آبی به g CO₂eq/MJ  99 می‌رسد که تنها ۱۷ درصد کمتر از سوزاندن مستقیم گاز طبیعی بدون استفاده از CCS است (۱۱۹ کیلوگرم معادل کربن دی‌اکسید به ازای هر گیگاژول). همچنین اگر فقط ۵۶ درصد از کربن دی‌اکسید جذب شود، انتشار گازهای گلخانه‌ای هیدروژن آبی حتی می‌تواند بیشتر از سوزاندن گاز طبیعی باشد. نکته قابل توجه این است که نرخ‌های نشر متان بیش از ۳ درصد در برخی از میادین گازی ایالات متحده مشاهده شده است. این تحلیل‌ها به وضوح نشان می‌دهد که حتی با استفاده از فناوری جذب کربن، هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی همچنان دارای شدت انتشار قابل‌توجهی خواهد بود. به همین دلیل، اگرچه هیدروژن آبی می‌تواند تا حدودی انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد، اما نمی‌تواند به‌طور کامل به عنوان یک راهکار بلندمدت برای دستیابی به اهداف اقلیمی استفاده شود.

جمع بندی

با وجود پتانسیل بالای هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی پاک، انتخاب نوع هیدروژن برای دستیابی به اهداف اقلیمی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای بسیار مهم است. هیدروژن خاکستری که از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود، به دلیل انتشار بالای کربن دی‌اکسید، با اهداف کاهش کربن سازگار نیست. هرچند هیدروژن آبی با استفاده از فناوری جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) تلاش می‌کند تا این انتشار را کاهش دهد، اما همچنان اثرات زیست‌محیطی قابل‌توجهی به همراه دارد اما به عنوان گام اول در جهت کاهش انتشار کربن می‌توانید بسیار اثر گذار و به عنوان یک راهکار عملیاتی مطرح شود. در مقابل، هیدروژن سبز که از منابع تجدیدپذیر تولید می‌شود، بهترین گزینه برای دستیابی به انتشار صفر خالص است، اما با چالش‌هایی نظیر نیاز به تامین پایدار برق تجدیدپذیر و همچنین هزینه‌های سرمایه گذاری و هزینه‌های تولید بالاتر نسبت به هیدروژن خاکستری مواجه است. بنابراین، برای رسیدن به آینده‌ای پایدار و سازگار با محیط‌زیست، تمرکز و سرمایه‌گذاری بر تولید و توسعه هیدروژن سبز و همچنین فرایند‌های جذب، ذخیره سازی و مدیریت کربن دی اکسید و تدوین یک نقشه راهبردی مشخص برای بخش‌های مختلف زنجیره ارزش هیدروژن در صنایع مختلف است ضروری به نظر می‌رسد.

[1] Steam Methane Reforming

[2] Carbon capture and storage