هیدروژن به‌عنوان یکی از منابع انرژی پاک و مهم در دنیای امروز، نقش حیاتی در تحولات صنعتی و انرژی‌آمیز دارد. این گاز قابل اشتعال، با استفاده از مجموعه‌ای گسترده از منابع و فناوری‌های انرژی، تولید می‌شود. در حال حاضر، تولید جهانی هیدروژن عمدتاً به سوخت‌های فسیلی متکی است و استفاده از الکترولایزرها تنها سهمی جزئی از تولید هیدروژن را تشکیل می‌دهد، اگرچه در دهه‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۶۰، الکترولایزرها منبع اصلی هیدروژن صنعتی بودند. با کاهش هزینه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر، علاقه به الکترولیز آب برای تولید و تبدیل هیدروژن آن به سوخت یا مواد اولیه مبتنی بر هیدروژن مانند هیدروکربن‌های سنتزی و آمونیاک افزایش یافته است.
منابع انرژی در تولید هیدروژن
منابع مختلف انرژی در تولید هیدروژن شامل سوخت‌های فسیلی، زیست‌توده، آب و ترکیبی از این منابع می‌باشند که در شکل زیر به‌طور جامع نمایش داده شده است. در این شکل، خطوط نقطه‌چین جریان گاز سنتز هیدروژن (مخلوط هیدروژن و مونوکسید کربن) برای تبدیل به سایر هیدروکربن‌های سنتتیک را نشان می‌دهند.
سنتز فیشر-تروپش (Fischer-Tropsch) مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که در آن هیدروکربن‌های سنتزی از واکنش گاز مونوکسید کربن با گاز هیدروژن تولید می‌شوند. این فرآیند یکی از مسیرهای مهم تولید هیدروژن و سوخت‌های سنتزی است. سنتز هابر-بوش (Haber-Bosch) روشی صنعتی برای تولید آمونیاک است که در آن گاز نیتروژن با گاز هیدروژن در حضور کاتالیزورهای آهن و روتنیم واکنش می‌دهند. این فرآیند به‌طور گسترده در صنایع شیمیایی و تولید کود استفاده می‌شود.
وضعیت تولید جهانی هیدروژن
در حال حاضر، حدود ۲۷۵ میلیون تن انرژی (معادل ۲ درصد از کل تقاضای جهانی انرژی اولیه) برای تولید هیدروژن مصرف می‌شود. گاز طبیعی به‌عنوان منبع اصلی تامین هیدروژن مطرح است و اصلاح‌کننده‌های بخار متان با استفاده از گاز طبیعی، روش اصلی تامین هیدروژن برای صنایع آمونیاک، متانول و پالایشگاه‌ها محسوب می‌شود. تقریبا سه چهارم تولید سالانه هیدروژن جهانی به استفاده از حدود ۲۰۵ میلیارد متر مکعب گاز طبیعی (معادل ۶ درصد از مصرف جهانی گاز طبیعی) اختصاص دارد. زغال‌سنگ، به‌دلیل نقش غالب در چین، در رتبه بعدی قرار دارد و تخمین زده می‌شود که ۲۳ درصد از هیدروژن با استفاده از ۱۰۷ میلیون تن زغال‌سنگ (معادل ۲ درصد از مصرف جهانی زغال‌سنگ) حاصل می‌شود. نفت و برق نیز سهم‌های قابل توجه دیگری از منابع تامین هیدروژن را به خود اختصاص می‌دهند.
تأثیرات محیط زیستی تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی
تکیه بر سوخت‌های فسیلی برای تامین هیدروژن منجر به افزایش تولید کربن دی اکسید (کربن دی‌اکسید) می‌شود. به ازای هر تن هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی، ۱۰ تن کربن دی‌اکسید، از مشتقات نفتی ۱۲ تن و از زغال‌سنگ ۱۹ تن کربن دی‌اکسید تولید می‌گردد. این فرآیندها منجر به انتشار سالانه حدود ۸۳۰ مگاتن کربن دی‌اکسید می‌شوند که بیشتر آن به جو زمین وارد می‌شود. در صنایع آمونیاک، بخشی از این دی‌اکسید کربن کرین جذب شده و در تولید کود اوره استفاده می‌شود. تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی با جذب و ذخیره کربن به‌عنوان هیدروژن آبی و بدون جذب و ذخیره کرین به‌عنوان هیدروژن خاکستری شناخته می‌شوند. هیدروژن تولیده شده با بهره گیری از انرژی‌های تجدیدپذیر نیز به‌عنوان هیدروژن سبز شناخته می شود.
روش‌های تولید هیدروژن
شکل زیر طبقه‌بندی روش‌های مختلف تولید هیدروژن را به‌صورت خلاصه نشان می‌دهد. در ادامه، پرکاربردترین و بالغ‌ترین روش‌ها به تفصیل توضیح داده می‌شوند.
اصلاح بخار متان
اصلاح بخار متان، روشی برای تولید گاز سنتز (هیدروژن و مونوکسید کربن) از واکنش هیدروکربن‌ها با آب است. معمولاً گاز طبیعی به‌عنوان ماده اولیه این واکنش استفاده می‌شود و حدود ۴۸ درصد از هیدروژن تولید شده به‌وسیله این فرآیند حاصل می‌گردد. این واکنش در دماهای بالا و با حضور کاتالیزور انجام می‌شود. به‌دلیل غلظت بالای دی‌اکسید کربن در گازهای خروجی، واحدهای اصلاح بخار متان قابلیت استفاده از فناوری جذب و ذخیره کربن را دارند که می‌تواند به‌طور بالقوه باعث کاهش ۸۰ درصدی انتشار کربن شود. هزینه تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ عمدتاً به قیمت گاز طبیعی وابسته است و در حال حاضر قیمت هیدروژن بین ۰.۹ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم در آمریکا، ۲.۲ دلار آمریکا در اروپا و ۲.۳ دلار آمریکا در ژاپن متغیر است. واحدهای اصلاحی در مقیاس‌های بسیار کوچک نیز وجود دارند که میزان تولید آنها حدود ۵.۴ کیلوگرم هیدروژن در ساعت است، اما هزینه تولید این واحدها بسیار بالا و مشابه هزینه تولید با استفاده از الکترولایزرها می‌باشد. فرآیندهای اصلاحی به‌طور محدود به استفاده از گاز طبیعی نیستند و می‌توان از تمامی گازهای غنی از هیدروژن برای تامین هیدروژن خالص استفاده کرد. به‌دنبال فرآیند گازی‌سازی، هیدروژن از منابع فسیلی دیگر مانند زغال‌سنگ، زیست‌توده و مواد زائد آلی نیز تولید می‌شود.
الکترولیز
الکترولیز، فرآیندی است که آب را با اعمال جریان الکتریکی (DC) به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کند و برق را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌نماید. در حال حاضر، حدود ۸ گیگاوات ظرفیت الکترولیز در سراسر جهان نصب شده است. برای الکترولایزرهایی که تنها از الکتریسیته به‌عنوان انرژی ورودی استفاده می‌کنند، بازده تولید هیدروژن با افزایش ولتاژ سلول کاهش می‌یابد اما میزان تولید افزایش می‌یابد، که منجر به ایجاد یک مصالحه بین میزان تولید و بازدهی می‌شود. الکترولایزرها بر اساس نوع الکترولیت و حامل بار به سه دسته قلیایی (آلکالاین)، غشاء پلیمری و اکسید جامد تقسیم می‌شوند که طرح‌واره این سه نوع در شکل زیر نشان داده شده است.
-
الکترولایزر قلیایی
الکترولایزر قلیایی از دو الکترود در یک محلول قلیایی (پتاسیم هیدروکسید یا سدیم هیدروکسید) تشکیل شده که توسط یک غشاء از هم جدا شده‌اند. غشاء وظیفه جداسازی محصولات گازی (هیدروژن و اکسیژن) را بر عهده دارد و تنها اجازه عبور یون‌های هیدروکسید (OH-) از یک الکترود به الکترود دیگر را می‌دهد. غشاء به‌عنوان عایق جریان الکترون عمل می‌کند و از اتصال کوتاه بین دو الکترود هنگام اعمال پتانسیل الکتریکی جلوگیری می‌نماید. به‌طور معمول از آلیاژهای مبتنی بر نیکل برای الکترودهای الکترولایزر قلیایی استفاده می‌شود و غشاء از جنس اکسید نیکل یا زیرفون است. لایه‌های انتشار گاز در سمت آند از جنس تیتانیوم، نیکل یا زیرکونیوم و در سمت کاتد از مش فولاد ضد زنگ ساخته می‌شوند.
-
الکترولایزر غشاء پلیمری
برخلاف الکترولایزر قلیایی، الکترولایزر غشاء پلیمری از الکترولیتی اسیدی و جامد ساخته شده از پلیمر به‌عنوان غشاء استفاده می‌کند. این نوع الکترولایزرها برای رفع مشکلات الکترولایزرهای قلیایی مانند چگالی جریان پایین و فشار پایین معرفی شده‌اند. کاتالیزور در سمت آند و کاتد به‌ترتیب از ایریدیوم و پلاتین تشکیل شده است. لایه انتشار گاز در سمت آند از جنس تیتانیوم و در سمت کاتد از الیاف کربنی است. صفحات دوقطبی در سمت آند و کاتد از جنس تیتانیوم، طلا یا تیتانیوم پوشش داده شده با پلاتین هستند که هزینه بالای این مواد باعث افزایش قیمت این تکنولوژی می‌شود. در این الکترولایزر، غشاء تنها اجازه عبور یون‌های هیدروژن (H+) را می‌دهد و به‌عنوان عایق الکترون عمل می‌کند. واکنش الکترولیز آب در این الکترولایزر به یون‌ها و الکترون‌ها تقسیم می‌شود، که الکترون‌ها از مدار خارجی و یون‌ها از طریق غشاء به سمت دیگر انتقال می‌یابند و واکنش را تکمیل می‌کنند. محصولات این واکنش شامل اکسیژن، هیدروژن و مقدار کمی کربن دی‌اکسید یا مونوکسید کربن است.
- الکترولایزر اکسید جامد
در الکترولایزر اکسید جامد، از الکترولیت سرامیکی برای الکترولیز آب یا کربن دی‌اکسید به‌منظور تولید هیدروژن گازی استفاده می‌شود. این تکنولوژی از الکترولیز دمای بالا (۵۰۰ تا ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد) بهره می‌برد. در این ساختار، در سمت کاتد آب کاهش یافته و هیدروژن یون اکسیژن (O²⁻) تولید می‌شود. یون اکسیژن از غشاء عبور کرده و در سمت آند اکسیداسیون آب واکنش کلی سیستم را با تولید اکسیژن تکمیل می‌کند. به‌دلیل مقاومت بالا، از زیرکونیوم دی‌اکسید (ZrO₂) به‌عنوان غشاء در این پیل سوختی استفاده می‌شود. الکترودهای سمت کاتد و آند پیل سوختی اکسید جامد به‌ترتیب از آلیاژهای نیکل و منگنات لانتانیوم استرانسیوم ساخته می‌شوند.
نتیجه‌گیری
تولید هیدروژن به‌عنوان یک منبع انرژی پاک، نیازمند استفاده از فناوری‌های پیشرفته و منابع متنوع است. با کاهش هزینه‌های تولید انرژی‌های تجدیدپذیر و پیشرفت در فناوری‌های الکترولیز، امکان افزایش تولید هیدروژن سبز و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی فراهم می‌آید. این تحولات نه‌تنها به کاهش انتشار کربن دی‌اکسید کمک می‌کند، بلکه نقش مهمی در توسعه پایدار و حفاظت از محیط زیستی ایفا می‌نماید.
