چگالی انرژی پایین هیدروژن به‌معنای گران‌تر بودن هزینه انتقال در مسافت‌های طولانی است. با این وجود، تعدادی از گزینه‌های ممکن برای غلبه بر این مانع وجود دارند. از جمله این روش‌ها فشرده‌سازی، میعان و ترکیب هیدروژن در مولکول‌های بزرگ‌تر است. در بسیاری از کشورها شبکه خط لوله گاز طبیعی گسترده‌ای وجود دارد که می‌تواند برای انتقال و توزیع هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد. همچنین می‌توان زیرساخت‌های جدیدی شامل خطوط لوله اختصاصی و شبکه‌های حمل و نقل ایجاد کرد که به‌طور بالقوه اجازه حمل و نقل هیدروژن در مقیاس بزرگ به خارج را می‌دهند. هر روش دارای مزایا و معایب گوناگونی است و ارزان‌ترین انتخاب با توجه به جغرافیا، فاصله، مقیاس و استفاده نهایی مورد نیاز هیدروژن متفاوت خواهد بود.
ترکیب هیدروژن در شبکه‌های گاز طبیعی موجود: فرصت‌ها و چالش‌ها
توسعه زنجیره ارزش هیدروژن وابسته به تکمیل موفقیت‌آمیز و اتصال زیرساخت‌های تولید، انتقال، توزیع، ذخیره‌سازی و استفاده نهایی است. این امر مستلزم سرمایه‌گذاری هماهنگ بسیاری از شرکت‌کنندگان مختلف بازار است که اجرای این هماهنگی برای آن‌ها می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. با این حال، ترکیب هیدروژن در زیرساخت‌های گاز طبیعی موجود، از هزینه‌های سرمایه‌ای قابل‌توجه در توسعه زیرساخت‌های جدید انتقال و توزیع جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، اگر ترکیب هیدروژن در سطوح پایین انجام شود، ممکن است هزینه تحویل گاز طبیعی به مصرف‌کنندگان را افزایش دهد، اما باعث کاهش انتشار کربن‌دی‌اکسید نیز می‌شود. اگر قدم‌هایی برای روشن شدن مقررات ملی در مورد ترکیب هیدروژن در گاز طبیعی و همچنین قدم‌هایی برای هماهنگ‌سازی مقررات در مرزها برداشته شود، اجرای ترکیب هیدروژن در گاز طبیعی بسیار ساده‌تر خواهد بود.
زیرساخت‌های جهانی گاز طبیعی و پتانسیل انتقال هیدروژن
به‌طور تقریبی 3 میلیون کیلومتر خط لوله انتقال گاز طبیعی در سراسر جهان و حدود 400 میلیارد متر مکعب ظرفیت ذخیره‌سازی زیرزمینی وجود دارد. همچنین یک زیرساخت برای حمل و نقل بین‌المللی گاز مایع وجود دارد. اگر برخی از این زیرساخت‌ها برای حمل و نقل هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد، می‌تواند پیشرفت بزرگی در توسعه هیدروژن ایجاد کند. به‌عنوان مثال، ترکیب 3 درصد هیدروژن در تقاضای گاز طبیعی جهان (حدود 3900 میلیارد متر مکعب در سال 2018) نزدیک به 12 مگاتن هیدروژن نیاز دارد. اگر اکثریت این هیدروژن از الکترولایزرها تأمین شود، این امر به خودی خود به حدود 100 گیگاوات ظرفیت الکترولایزر نصب‌شده (با ضریب بار 50 درصد) نیاز دارد. این امر می‌تواند 50 درصد هزینه سرمایه را کاهش دهد.
چالش‌های ترکیب هیدروژن: چگالی انرژی، سوختن سریع و تغییرپذیری حجم
با این حال، ترکیب هیدروژن با چالش‌های متعددی روبرو است:
- چگالی انرژی هیدروژن در واحد حجم حدود یک‌سوم گاز طبیعی است. در نتیجه، مخلوط کردن هیدروژن با گاز طبیعی از میزان انرژی تحویلی می‌کاهد؛ به‌طوری‌که ترکیب 3 درصد هیدروژن در خط لوله انتقال گاز طبیعی، انرژی مورد نیاز خط لوله را تا 2 درصد کاهش می‌دهد. مصرف‌کنندگان نهایی باید از حجم بیشتری از گاز برای برآوردن نیازهای انرژی خود استفاده کنند. به‌طور مشابه، بخش‌های صنعتی نیز که متکی به کربن موجود در گاز طبیعی هستند (برای مثال برای تصفیه فلزات) مجبورند از حجم بیشتری از گاز استفاده کنند.
- هیدروژن بسیار سریع‌تر از متان می‌سوزد و این امر خطر گسترش شعله را افزایش می‌دهد. شعله هیدروژن نیز هنگام سوختن چندان روشن نیست؛ از این رو، آشکارسازهای شعله جدید برای نسبت‌های ترکیبی بالا مورد نیاز است.
- تغییرپذیری یا تنوع در حجم هیدروژن مخلوط‌شده در جریان گاز طبیعی، تاثیر منفی بر عملکرد تجهیزات که برای جای دادن محدوده باریکی از مخلوط‌های گازی طراحی شده‌اند، خواهد داشت. همچنین این ترکیب می‌تواند بر کیفیت محصول برخی از فرآیندهای صنعتی تاثیر بگذارد.
- حد بالایی برای ترکیب هیدروژن در شبکه گاز بستگی به تجهیزات متصل به آن دارد و این مورد باید به‌صورت موردی ارزیابی شود. اجزا با کم‌ترین تحمل، تعیین‌کننده تحمل کلی شبکه هستند
پتانسیل ترکیب هیدروژن در زنجیره ارزش گاز طبیعی: راهکارهای نوآورانه و محدودیت‌ها
همان‌طور که در شکل زیر ملاحظه می‌شود، برخی از اجزای موجود در طول زنجیره ارزش گاز طبیعی تحمل بالایی برای افزایش سهم هیدروژن در ترکیب با گاز طبیعی دارند. به‌عنوان مثال، خطوط توزیع پلی‌اتیلن می‌توانند تا 100٪ هیدروژن (هیدروژن خالص بدون گاز طبیعی) را تحمل کنند. یکی از نمونه‌های برجسته در این حوزه، پروژهH21 Leeds City Gate در انگلستان است. این پروژه با هدف نشان دادن امکان انتقال هیدروژن از طریق شبکه توزیع گاز برای تامین گرمایش خانوارها و مشاغل راه‌اندازی شده است. علاوه بر آن، غارهای نمکی نیز توانایی ذخیره هیدروژن خالص را دارند، بدون اینکه نیازی به ارتقاء یا تغییر ساختار داشته باشند، که این مسئله می‌تواند برای ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار باشد.
در بسیاری از مناطق اروپا، وسایل گرمایش و پخت‌وپز تا 23 درصد هیدروژن را می‌توانند در ترکیب با گاز طبیعی تحمل کنند. با این حال، اثرات طولانی‌مدت این سطح از ترکیب هیدروژن در طول سال‌ها استفاده هنوز به طور کامل ارزیابی نشده است و نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.
محدودیت‌های ترکیب هیدروژن در بخش‌های صنعتی و سیستم‌های فعلی
باید توجه داشت که همه بخش‌های زنجیره ارزش گاز طبیعی قادر به تحمل سطوح بالای هیدروژن مخلوط نیستند. بزرگ‌ترین محدودیت‌ها در این زمینه به بخش صنعتی مربوط می‌شود. بسیاری از کاربردهای صنعتی هنوز برای ترکیب هیدروژن تایید یا ارزیابی نشده‌اند. به‌عنوان مثال، تولیدکنندگان شیمیایی که از گاز طبیعی به‌عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند، ممکن است نیاز داشته باشند تا فرآیندها و قراردادهای خود را با تامین‌کنندگان گاز طبیعی تطبیق دهند تا مشخصات محدودی از گاز را رعایت کنند.
یکی دیگر از چالش‌ها، سیستم‌های کنترل و آب‌بندی توربین‌های گازی است. این سیستم‌ها برای خواص هیدروژن طراحی نشده‌اند و قادر به تحمل سطوح بالای هیدروژن نیستند؛ به طوری که توربین‌های گازی موجود تنها می‌توانند کمتر از 5٪ هیدروژن را در ترکیب تحمل کنند. همچنین، بسیاری از موتورهای گازسوز نصب‌شده نیز با این مشکل مواجه هستند، به طوری که حداکثر سطح توصیه شده برای این موتورها تنها 2٪ هیدروژن است.
با این حال، ممکن است تغییرات جزئی در توربین‌ها و موتورهای گازسوز موجود بتواند این تجهیزات را قادر سازد تا سطوح بالاتری از ترکیب هیدروژن را مدیریت کنند. تجهیزات جدید نیز می‌توانند به‌طور خاص برای مقابله با سطوح بالاتر هیدروژن طراحی شوند. با این وجود، انجام این تعدیلات نیازمند زمان و هزینه‌های قابل‌توجهی خواهد بود، که باید در برنامه‌ریزی‌های توسعه زنجیره ارزش هیدروژن مد نظر قرار گیرد.
مقررات و استانداردها: چالش‌ها و نیازهای همگام‌سازی در سطح بین‌المللی
مقررات ملی موجود برای کیفیت گاز توسط عناصری در طول زنجیره ارزش گاز طبیعی تعیین می‌شود که کمتر قادر به تحمل ترکیب هیدروژن هستند. بسیاری از مناطق، سطح ترکیب هیدروژن را بین 2 تا 6 درصد محدود کرده‌اند (مطابق شکل زیر). آلمان این میزان را حداکثر 10 درصد تعیین کرده است؛ با این حال، در صورت اتصال ایستگاه‌های گاز طبیعی فشرده به شبکه، این میزان به کمتر از 2 درصد کاهش می‌یابد. برخی از استانداردهای تجهیزاتی نیز می‌توانند محدودکننده باشند. برای مثال، استانداردهای اروپایی بیان می‌کنند که میزان هیدروژن در جریان گاز طبیعی باید برای سیستم‌های کنترل و آب‌بندی توربین‌های گازی کمتر از 1 درصد باشد.
از آن‌جا که گاز طبیعی به‌طور بین‌المللی تجارت می‌شود، هماهنگ‌سازی محدودیت‌های ترکیب هیدروژن در مرزها برای حمایت از استقرار فناوری‌های هیدروژنی بسیار حائز اهمیت است. استانداردها همچنین باید تنوع احتمالی در سطوح ترکیب هیدروژن را در طول زمان در نظر بگیرند. در اروپا، تعدادی از کمیته‌های فنی و گروه‌های صنعتی در حال بررسی استانداردهای ترکیب هیدروژن هستند. علاوه بر این، کمیسیون اروپا نیز استانداردها و نقش گازهای تجدیدپذیر و هیدروژن در شبکه گاز طبیعی را مورد بررسی قرار می‌دهد. پیگیری میزان هیدروژن تزریق شده به شبکه و شدت کربن آن نیز از دیگر عوامل مهم در این فرآیند است.
ایجاد زیرساخت‌های جدید برای انتقال و توزیع هیدروژن
برای انتقال هیدروژن از نقطه تولید به مصرف‌کنندگان نهایی، ایجاد زیرساخت‌های جدید انتقال و توزیع ضروری است. مانند گاز طبیعی، هیدروژن خالص نیز می‌تواند پیش از انتقال مایع شود تا چگالی آن افزایش یابد. با این حال، مایع‌سازی هیدروژن نیاز به کاهش دما تا 253- درجه سانتیگراد دارد، که خود نیازمند مصرف انرژی معادل 25 تا 35 درصد از مقدار اولیه هیدروژن است (بر اساس فناوری‌های امروزی). این مقدار بسیار بیشتر از مایع‌سازی گاز طبیعی است که حدود 10 درصد از مقدار اولیه گاز طبیعی را مصرف می‌کند.
یکی از گزینه‌های جایگزین، ترکیب هیدروژن با مولکول‌های بزرگ‌تر است که به‌عنوان مایعات به راحتی قابل حمل هستند؛ از جمله این گزینه‌ها می‌توان به آمونیاک و حامل‌های آلی مایع اشاره کرد. اگرچه حمل و نقل این ترکیبات آسان‌تر از هیدروژن است، اما برای آزادسازی هیدروژن در مقصد نیاز به فرآیندهای اضافی دارند که خود مستلزم انرژی و هزینه‌های بیشتری است. این مسئله باید در برابر هزینه‌های پایین‌تر حمل و نقل متعادل شود.
مقرون‌به‌صرفگی روش‌های انتقال هیدروژن بر اساس مسافت
تجزیه و تحلیل‌ها نشان می‌دهند که اگر هیدروژن برای مسافت‌هایی کمتر از 1500 کیلومتر حمل شود، انتقال آن به‌صورت گاز از طریق خطوط لوله ارزان‌ترین گزینه است. اما برای مسافت‌های طولانی‌تر، حمل هیدروژن به شکل آمونیاک یا حامل آلی مایع با وجود هزینه‌های تبدیل، مقرون به‌صرفه‌تر است، به ویژه اگر انتقال به کشورهای دیگر انجام شود. برای توزیع محلی نیز خطوط لوله برای حجم‌های زیاد هیدروژن گزینه‌ای اقتصادی هستند؛ در غیر این صورت، استفاده از کامیون‌ها راه‌حل به‌صرفه‌تری خواهد بود.
تفاوت‌های انتقال انرژی به‌صورت سوخت شیمیایی و برق در مسافت‌های طولانی
انتقال انرژی در مسافت‌های طولانی به‌صورت سوخت شیمیایی، آسان‌تر از برق است. سوخت‌های شیمیایی دارای چگالی انرژی بالایی هستند و در هنگام حمل و نقل از طریق خطوط لوله و کشتی‌های بزرگ ضرری نمی‌بینند. این سوخت‌ها از مزیت مقیاس نیز بهره‌مند می‌شوند و امکان تجارت و انتقال نقطه به نقطه را فراهم می‌آورند. بسیاری از گاز طبیعی و نفت از طریق خطوط لوله و کشتی‌های بزرگ جابجا می‌شوند، و همین روش‌ها می‌توانند برای انتقال هیدروژن و حامل‌های هیدروژن نیز مورد استفاده قرار گیرند. انتقال هیدروژن با قطار نیز می‌تواند برای برخی مناطق گزینه‌ای داخلی باشد، اگرچه این گزینه نسبت به خطوط لوله گران‌تر است.
توزیع محلی هیدروژن: چالش‌ها و روش‌های پیشنهادی
هنگامی که هیدروژن به پایانه واردات یا مرکز توزیع رسید، توزیع محلی آن برای رساندن به مصرف‌کنندگان نهایی اهمیت می‌یابد. انتخاب بهترین روش توزیع برای هیدروژن، آمونیاک و حامل‌های آلی مایع هیدروژن به حجم، فاصله و نیازهای نهایی مصرف‌کننده بستگی دارد.
توزیع با کامیون‌ها
امروزه توزیع هیدروژن عمدتاً با کامیون‌های تریلر گاز فشرده در مسافت‌های کمتر از 300 کیلومتر انجام می‌شود. کامیون‌های تانکر هیدروژن مایع نیز برای مواردی که تقاضای ثابت و قابل اعتمادی وجود دارد و هزینه‌های میعان را می‌توان با کاهش هزینه حمل‌ونقل جبران کرد، استفاده می‌شود. کامیون‌ها همچنین می‌توانند آمونیاک یا حامل‌های آلی مایع هیدروژن را به شیوه‌ای مشابه حمل کنند.
از نظر تئوری، یک تریلر واحد حمل گاز فشرده هیدروژن می‌تواند تا 100 کیلوگرم هیدروژن را در سیلندرهای سبک وزن (با فشار 500 بار) حمل کند. با این حال، مقررات محدودکننده در سراسر جهان، فشار، ارتفاع، عرض و وزن لوله‌های حمل را کنترل می‌کنند. در ایالات متحده، محدودیت فشار لوله‌های فولادی، حمل تریلر را به 280 کیلوگرم هیدروژن محدود کرده است، اگرچه وزارت حمل و نقل آمریکا به‌تازگی استفاده از مخازن کامپوزیت با فشار بیشتر را تایید کرده است.
کامیون‌های مخازن کرایوژنیک (فوق سرد) با عایق بالا می‌توانند تا 4000 کیلوگرم هیدروژن مایع را حمل کنند. این روش امروزه برای سفرهای طولانی تا 4000 کیلومتر استفاده می‌شود، اما برای مسافت‌های طولانی‌تر مناسب نیست چرا که هیدروژن گرم شده و فشار افزایش می‌یابد. در عوض، حدود 5000 کیلوگرم هیدروژن به شکل آمونیاک یا 1700 کیلوگرم هیدروژن به شکل حامل آلی مایع می‌تواند توسط تانکرهای جاده‌ای جابجا شود.
توزیع با خطوط لوله
بسیاری از خطوط توزیع گاز کم‌فشار مدرن از پلی‌اتیلن یا پلیمر تقویت‌شده با الیاف ساخته شده‌اند که به‌طور کلی برای انتقال هیدروژن با ارتقاهای جزئی مناسب خواهند بود. به عنوان مثال، در بریتانیا، کل شبکه لوله‌های توزیع (که حدود 14 برابر طول شبکه انتقال گاز کشور است) به‌عنوان بخشی از برنامه ارتقا زیرساخت‌های گاز، در حال جایگزینی با لوله‌های پلاستیکی است. خطوط لوله توزیع گاز طبیعی در مناطقی با تقاضای بالای گرمایشی مانند شمال اروپا، جمهوری خلق چین و آمریکای شمالی، به حدی گسترده است که هم مناطق شهری و هم خوشه‌های صنعتی را پوشش می‌دهد.
با این حال، خطوط لوله توزیع هیدروژنی جدید نیاز به هزینه‌های سرمایه‌ای قابل توجهی دارد، به‌ویژه در مقیاسی که برای تامین هیدروژن به منظور گرمایش ساختمان‌ها لازم است. توزیع آمونیاک با لوله در مسافت‌های طولانی هزینه‌های کمتری دارد، اما این طرح تنها در صورتی جذاب خواهد بود که تقاضای زیادی برای آمونیاک وجود داشته باشد، به‌ویژه با توجه به هزینه‌های تبدیل آمونیاک به هیدروژن پیش از مصرف نهایی.
مشابه انتقال هیدروژن، توزیع حامل‌های آلی مایع هیدروژن توسط خط لوله نیز به دلیل نیاز به بازگشت مولکول‌های حامل به محل مبدا در پایان فرآیند، گزینه‌ای غیرعملی است.
کامیون‌های حامل گاز هیدروژن: گزینه‌ای گران اما رایج
هرچند که کامیون‌های حامل گاز هیدروژن امروزه اکثریت هیدروژن را توزیع می‌کنند، این روش نسبتاً گران است (شکل 35). با افزایش فاصله توزیع، خطوط لوله به‌طور فزاینده‌ای نسبت به کامیون‌ها مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌شوند.
یکی از ملاحظات مهم در توزیع هیدروژن این است که چه مقدار از این گاز مورد نیاز کاربر نهایی است. در صورت نیاز به حجم زیاد، می‌توان از لوله‌های بزرگ‌تر استفاده کرد که هزینه تحویل را کاهش می‌دهد. به‌عنوان مثال، اگر 100 تن هیدروژن در روز (معادل مقدار هیدروژن مورد نیاز برای یک نیروگاه هیدروژنی 200 مگاواتی) در فاصله 500 کیلومتری از نقطه واردات نیاز باشد، استفاده از کامیون‌ها ارزان‌تر از احداث خط لوله است. اما اگر 500 تن هیدروژن در روز نیاز باشد، خطوط لوله هزینه واحد کمتری نسبت به کامیون‌ها خواهند داشت. با این وجود، انتظار می‌رود که در دهه آینده، تریلرهای گاز فشرده و مخازن هیدروژن مایع همچنان روش‌های اصلی توزیع هیدروژن باقی بمانند؛ همان‌طور که در حال حاضر، بنزین و گازوئیل بیشتر با کامیون‌ها به ایستگاه‌های سوخت‌رسانی توزیع می‌شوند.
تأثیر استفاده نهایی بر هزینه‌های تحویل هیدروژن
هزینه‌های توزیع و تحویل هیدروژن بستگی زیادی به نوع استفاده نهایی از این گاز دارد. اگر نیاز به هیدروژن خالص باشد، باید هزینه‌های اضافی برای استخراج هیدروژن از آمونیاک یا حامل‌های آلی مایع هیدروژن نیز در نظر گرفته شود. این هزینه‌ها به میزان خلوص مورد نیاز هیدروژن وابسته است. اگر هیدروژن برای استفاده در پیل‌های سوختی مصرف شود، هزینه تبدیل مجدد آن به مراتب بیشتر از زمانی است که هیدروژن برای احتراق مستقیم استفاده شود. علاوه بر این، تبدیل مجدد در نقطه استفاده نهایی (مانند ایستگاه‌های سوخت‌رسانی هیدروژن) معمولاً هزینه بیشتری نسبت به تبدیل در پایانه‌های انتقال دارد.
هزینه‌های حمل و توزیع بر اساس تخمین آژانس بین‌المللی انرژی
آژانس بین‌المللی انرژی تخمین می‌زند که هزینه توزیع حامل‌های آلی مایع هیدروژن با کامیون در مسافت 500 کیلومتر، 0.8 دلار آمریکا برای هر کیلوگرم هیدروژن است. هزینه استخراج و تصفیه هیدروژن در نقطه استفاده نهایی نیز حدود 2.1 دلار آمریکا برای هر کیلوگرم هیدروژن برآورد می‌شود، بنابراین هزینه کلی توزیع محلی حدود 2.9 دلار آمریکا برای هر کیلوگرم هیدروژن خواهد بود. برای آمونیاک، هزینه توزیع معادل آن حدود 1.5 دلار آمریکا برای هر کیلوگرم هیدروژن است. با این حال، اگر مشتری نهایی بتواند آمونیاک را بدون نیاز به تبدیل مجدد به هیدروژن مصرف کند، هزینه توزیع به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و به 0.4 دلار آمریکا برای هر کیلوگرم هیدروژن می‌رسد.
هزینه‌های تحویل هیدروژن: اهمیت جامع‌نگری در زنجیره تأمین
هزینه‌های کامل تحویل هیدروژن به کاربران نهایی باید شامل تمامی مراحل زنجیره تأمین باشد، از جمله هزینه‌های حمل و نقل، انتقال، توزیع، ذخیره‌سازی و تبدیل مجدد. هزینه‌های این مراحل بسته به حامل‌های مختلف هیدروژنی و روش‌های مختلف حمل و نقل متفاوت خواهد بود. اگرچه ممکن است یک گزینه برای بخشی از زنجیره ارزش ارزان‌تر باشد، اما ممکن است در بخش دیگری از زنجیره با هزینه‌های بالاتر جبران شود. فناوری‌های مختلف مرتبط با این زنجیره در درجات مختلفی از بلوغ هستند و بنابراین، پتانسیل‌های کاهش هزینه در آینده نیز بسیار متغیر خواهند بود. به‌عنوان مثال، ممکن است زمینه‌ای برای هم‌افزایی میان نیازهای انرژی، گرما و ذخیره‌سازی وجود داشته باشد. به عنوان مثال، اگر زنجیره ارزش خاصی در پایانه صادراتی نسبت به پایانه وارداتی انرژی بیشتری تولید کند (مانند هیدروژن مایع)، این می‌تواند هزینه‌های نسبی و انتشار کربن را نسبت به سایر حالت‌ها (مانند حامل‌های آلی مایع هیدروژن) بهبود بخشد.
مقایسه هزینه‌های تحویل هیدروژن: انتقال داخلی در مقابل بین‌المللی
هزینه کلی تحویل هیدروژن به کاربران نهایی با توجه به زیرساخت‌های موجود در کشورهای صادرکننده و واردکننده، فاصله انتقال و توزیع، روش حمل و نقل و استفاده نهایی متفاوت خواهد بود. علیرغم وجود عدم قطعیت‌های فراوان در مورد بسیاری از این مولفه‌های هزینه، تجزیه و تحلیل آژانس بین‌المللی انرژی نشان می‌دهد که برای انتقال و توزیع داخلی، گاز هیدروژن برای مسافت‌های کمتر از 3500 کیلومتر گزینه‌ای ارزان‌تر است (شکل زیر). در مسافت‌های بیش از 3500 کیلومتر، خطوط لوله آمونیاک گزینه مقرون‌به‌صرفه‌تری خواهند بود.
در مقایسه حمل و نقل با خطوط لوله و کشتی، برای مسافت‌های کمتر از 1500 کیلومتر، انتقال گاز هیدروژن با خطوط لوله ارزان‌تر است. اما برای مسافت‌های بیشتر، حمل و نقل حامل‌های آلی مایع هیدروژن و آمونیاک با کشتی که از نظر هزینه بسیار شبیه به هم هستند، گزینه‌های ارزان‌تری به حساب می‌آیند. با این وجود، استفاده از آمونیاک یا برخی از حامل‌های آلی مایع هیدروژن ممکن است منجر به مسائل ایمنی بالقوه و مشکلات پذیرش عمومی شود که می‌تواند کاربرد آن‌ها را در برخی شرایط محدود کند.
واردات هیدروژن: راهکاری مقرون‌به‌صرفه برای برخی کشورها
تجزیه و تحلیل آژانس بین‌المللی انرژی نشان می‌دهد که در آینده ممکن است برای برخی کشورها واردات هیدروژن ارزان‌تر از تولید داخلی آن باشد. به عنوان مثال، ژاپن در حال حاضر حدود 90 درصد از انرژی مورد نیاز خود را وارد می‌کند و هیدروژن را به عنوان منبع تنوع انرژی، کاهش انتشار و راهی برای رهبری صنعتی در نظر می‌گیرد. بر اساس برآوردهای آژانس بین‌المللی انرژی، در سال 2030، واردات هیدروژن الکترولیتی از استرالیا (حدود 5.5 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم) ارزان‌تر از تولید داخلی آن در ژاپن (6.5 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم) خواهد بود (شکل زیر).
این محاسبه بر اساس تولید هیدروژن در استرالیا با استفاده از نیروگاه‌های خورشیدی و مزارع بادی همراه با تاسیسات الکترولایزر و صادرات هیدروژن به ژاپن به صورت آمونیاک یا حامل‌های آلی مایع هیدروژنی انجام شده است. هزینه کل انتقال هیدروژن از استرالیا به ژاپن، شامل مراحل تبدیل و بازتبدیل، کمی بیش از 1.5 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم هیدروژن (معادل 45 دلار آمریکا در هر مگاوات ساعت) برآورد می‌شود.
اگر مصرف‌کننده نهایی بتواند آمونیاک را مستقیماً مصرف کند، این امر از هزینه‌های اضافی بازتبدیل آن به هیدروژن جلوگیری می‌کند و جذابیت بیشتری خواهد داشت. همچنین، واردات هیدروژن تولید شده از برق تجدیدپذیر در مسیرهای تجاری دیگر نیز می‌تواند اقتصادی باشد. برای مثال، واردات آمونیاک از هیدروژن الکترولیتی تولید شده در شمال آفریقا به اروپا می‌تواند ارزان‌تر از تولید آن در اروپا باشد (شکل زیر). با این حال، برای بسیاری از مسیرهای تجاری، هزینه‌های نسبتاً بالای انتقال و توزیع هیدروژن به این معناست که تولید داخلی آن به‌طور کلی ارزان‌تر از واردات است.
هزینه‌های انتقال و توزیع: تولید داخلی در برابر واردات
در برخی موارد، هزینه‌های حمل و نقل هیدروژن بر تفاوت هزینه‌های تولید برق از منابع تجدیدپذیر یا تفاوت قیمت گاز طبیعی و فناوری جذب و ذخیره کربن (CCS) غلبه می‌کند. برای مثال، در اروپا، تولید هیدروژن کم‌کربن از گاز طبیعی با فناوری CCS به احتمال زیاد ارزان‌تر از واردات هیدروژن کم‌کربن از روسیه است. با این وجود، واردات هیدروژن کم‌کربن ممکن است به دلیل سهم آن در تنوع‌بخشی به سیستم‌های انرژی و کاهش انتشار دی‌اکسید کربن، همچنان برای برخی کشورها ارزشمند باشد، به‌ویژه برای کشورهایی که با محدودیت ذخیره دی‌اکسید کربن یا کمبود منابع تجدیدپذیر مواجه هستند.
بخش حمل و نقل: هزینه‌های توزیع هیدروژن بر اساس فواصل
در بخش حمل و نقل، بازتبدیل متمرکز حامل‌های آلی مایع هیدروژن یا آمونیاک برای تولید هیدروژن، به‌ویژه در پایانه‌های واردات، به‌طور کلی بسیار ارزان‌تر از بازتبدیل آن‌ها در نقطه استفاده نهایی (مانند ایستگاه‌های پمپاژ) است. این مسئله باید در مقابل هزینه‌های بالای توزیع هیدروژن به صورت مایع یا گاز متعادل شود. برای هیدروژن تولید شده در شمال آفریقا و حمل و نقل به اروپا، انتقال هیدروژن به صورت آمونیاک یا حامل‌های آلی مایع هیدروژن به‌احتمال زیاد ارزان‌ترین گزینه است. برای توزیع به یک ایستگاه سوختگیری با ظرفیت یک تن هیدروژن در روز، روش ارزان‌تر بستگی به فاصله دارد. اگر فاصله توزیع کمتر از 100 کیلومتر باشد، تبدیل آمونیاک به هیدروژن در مقصد و توزیع هیدروژن فشرده ارزان‌ترین گزینه است. اما اگر فاصله بیش از 100 کیلومتر باشد، توزیع آمونیاک با کامیون و سپس بازتبدیل آن به هیدروژن در ایستگاه سوخت‌رسانی به‌صرفه‌تر خواهد بود. برای حامل‌های آلی مایع هیدروژن، تبدیل متمرکز برای فواصل تا 500 کیلومتر ارزان‌تر است.
هزینه تحویل هیدروژن در فواصل مختلف
فاصله توزیع 100 کیلومتری منجر به تحویل هیدروژن با قیمت بین 7.5 تا 9 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم هیدروژن می‌شود (شکل زیر). اگر این مقدار به واحدهای سوخت‌های فسیلی تبدیل شود، معادل 1.1 تا 1.3 دلار آمریکا برای هر لیتر بنزین است، در حالی که قیمت بنزین در اروپا بدون مالیات حدود 1.4 دلار آمریکا برای هر لیتر است. با در نظر گرفتن بازده بالاتر پیل‌های سوختی نسبت به موتورهای احتراق داخلی، این قیمت رقابتی‌تر خواهد بود.
استفاده از زیرساخت‌های خط لوله موجود: کاهش چشمگیر هزینه‌ها
اگر بتوان از زیرساخت‌های خط لوله موجود برای انتقال و توزیع هیدروژن استفاده کرد، هزینه‌های این فرآیند به‌طور قابل توجهی کاهش خواهد یافت. به‌عنوان مثال، برآورد می‌شود که هزینه تبدیل شبکه گاز انگلستان برای تامین هیدروژن خالص به ساختمان‌ها حدود 0.6 دلار برای هر کیلوگرم هیدروژن باشد. با این حال، به دلیل چگالی انرژی پایین‌تر هیدروژن در مقایسه با گاز طبیعی، ظرفیت ذخیره‌سازی اضافی برای برآورده کردن تقاضای گرمایش مورد نیاز خواهد بود. این امر هزینه را حدود 0.5 دلار به ازای هر کیلوگرم هیدروژن افزایش می‌دهد.
هزینه واردات هیدروژن: مثال‌هایی از اروپا
با در نظر گرفتن این هزینه‌ها، تخمین زده می‌شود که هزینه کل واردات هیدروژن از شمال آفریقا و تحویل آن به ساختمان‌های اتحادیه اروپا برای هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی با استفاده از سیستم جذب و ذخیره کربن (CCS)، حدود 4.5 دلار به ازای هر کیلوگرم هیدروژن (معادل 135 دلار آمریکا بر مگاوات ساعت) باشد. از سوی دیگر، اگر هیدروژن از طریق الکترولیز و با استفاده از برق تجدیدپذیر تولید شود، هزینه تحویل آن به ساختمان‌ها به حدود 6 دلار به ازای هر کیلوگرم هیدروژن (معادل 180 دلار آمریکا بر مگاوات ساعت) می‌رسد.
جمع‌بندی
هیدروژن به عنوان یکی از منابع کلیدی برای دستیابی به اقتصاد کم‌کربن، توجه گسترده‌ای را در سطح جهانی به خود جلب کرده است. با پیشرفت فناوری‌های تولید، انتقال و ذخیره‌سازی هیدروژن، این منبع انرژی به عنوان راهکاری برای تامین انرژی پاک و کاهش انتشار کربن مطرح است. استفاده از زیرساخت‌های موجود مانند خطوط لوله گاز طبیعی برای انتقال هیدروژن می‌تواند هزینه‌های تحویل را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در مقابل، هزینه‌های حمل و نقل هیدروژن از طریق روش‌های دیگر مانند کامیون‌ها و کشتی‌ها، به‌ویژه برای مسافت‌های طولانی، همچنان بالا خواهد بود.
همچنین، واردات هیدروژن از مناطقی که هزینه تولید انرژی تجدیدپذیر کم است، مانند شمال آفریقا یا استرالیا، می‌تواند برای کشورهایی مانند ژاپن و اروپا که نیازمند تنوع‌بخشی به منابع انرژی خود هستند، جذاب باشد. با این حال، هزینه‌ها و چالش‌های مرتبط با تبدیل، ذخیره‌سازی و توزیع هیدروژن به‌ویژه در مقیاس‌های بزرگ همچنان چالشی عمده است. بنابراین، برای موفقیت در گسترش استفاده از هیدروژن، نیاز است تا کشورها سیاست‌های پایدار و مشوق‌های مالی قوی برای توسعه زیرساخت‌های مربوط به هیدروژن فراهم کنند. هم‌افزایی میان کشورهای صادرکننده و واردکننده، استفاده بهینه از منابع تجدیدپذیر و توسعه فناوری‌های نوین، نقشی اساسی در تحقق اهداف کربن‌زدایی و بهره‌گیری از مزایای اقتصادی هیدروژن خواهد داشت.
