الکترولیز آب یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. با وجود اینکه در حال حاضر کمتر از 0.1 درصد از هیدروژن جهانی از طریق این روش تولید می‌شود، فناوری‌های الکترولیز بیشتر در بازارهایی که به هیدروژن با خلوص بالا نیاز دارند (مانند صنایع الکترونیکی و تولید پلی‌سیلیکون) کاربرد دارد. همچنین، حدود 2 درصد از هیدروژن جهانی به‌عنوان محصول جانبی فرآیند الکترولیز کلر-قلیایی در تولید کلر و سود سوزآور به دست می‌آید.
با کاهش هزینه‌های برق تجدیدپذیر، به‌ویژه از منابع خورشیدی و بادی، علاقه به تولید هیدروژن الکترولیتی افزایش یافته است. بازدهی این سیستم‌ها بسته به نوع فناوری و ضریب بار بین 60 تا 81 درصد متغیر است. در صورت تولید 70 میلیون تن هیدروژن مورد نیاز جهانی از طریق الکترولیز، به 3600 تراوات ساعت برق نیاز است که این مقدار بیش از تولید برق سالانه کل اتحادیه اروپا است.
چالش‌های تأمین آب و مدیریت منابع در الکترولیز
برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن از طریق الکترولیز، حدود 9 لیتر آب نیاز است که در نتیجه 8 کیلوگرم اکسیژن نیز به‌عنوان محصول جانبی تولید می‌شود. اکسیژن تولیدشده می‌تواند در بخش‌های مختلف صنعتی یا مراقبت‌های بهداشتی به کار رود. اگر تمامی 70 میلیون تن هیدروژن جهانی از طریق الکترولیز تولید شود، 617 میلیون متر مکعب آب مصرف خواهد شد. این مقدار برابر با 1.3 درصد از آب مصرفی جهانی در بخش انرژی است و دو برابر آب مورد نیاز برای تولید هیدروژن از روش اصلاح بخار متان است
دسترسی به آب شیرین یکی از چالش‌های اصلی این فرآیند در مناطق کم‌آب است. استفاده از آب دریا به‌عنوان جایگزین در مناطق ساحلی مطرح شده است. فرآیند نمک‌زدایی با روش اسمز معکوس به 3 تا 4 کیلووات ساعت برق برای هر متر مکعب آب نیاز دارد و هزینه آن بین 0.7 تا 2.5 دلار آمریکا برای هر متر مکعب برآورد می‌شود. این هزینه بر قیمت کلی هیدروژن تأثیر جزئی داشته و تنها تا 0.02 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم هیدروژن اضافه می‌کند. استفاده مستقیم از آب دریا در الکترولیز فعلاً مشکلاتی از جمله خوردگی و تولید کلر دارد، اما تحقیقات در حال بررسی بهبود این فرآیند هستند.
فناوری‌های اصلی الکترولیز: قلیایی، غشاء پلیمری و اکسید جامد
سه فناوری اصلی در تولید هیدروژن با الکترولیز شامل الکترولایزر قلیایی، الکترولایزر غشاء پلیمری و الکترولایزر اکسید جامد هستند. هر یک از فناوری‌های الکترولیز آب دارای ویژگی‌های فنی و اقتصادی متفاوتی هستند.
- الکترولایزر قلیایی، به‌عنوان قدیمی‌ترین و بالغ‌ترین فناوری تجاری، از دهه 1920 به کار گرفته شده است و در صنایعی مانند کود و کلر کاربرد گسترده‌ای دارد. این الکترولایزرها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که می‌توانند از 10 درصد تا ظرفیت کامل خود کار کنند و کارایی بالایی دارند.
- الکترولایزرهای غشاء پلیمری (PEM) اولین بار در دهه 1960 توسط جنرال الکتریک ساخته شدند تا برخی از مشکلات الکترولایزرهای قلیایی را حل کنند. این فناوری از آب خالص به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌کند و نیازی به بازیابی محلول الکترولیت ندارد. همچنین، این الکترولایزرها در مناطق شهری به دلیل حجم کوچک‌تر و قابلیت تولید هیدروژن با فشار بالا بدون نیاز به کمپرسورهای اضافی، محبوبیت بیشتری دارند. با این حال، هزینه بالاتر مواد و نیاز به کاتالیزورهای گران‌قیمتی مانند پلاتین و ایریدیوم، از جمله نقاط ضعف این فناوری است.
- الکترولایزر اکسید جامد کم‌توسعه‌ترین فناوری در این حوزه است و هنوز به‌صورت تجاری در دسترس نیست. این فناوری از سرامیک به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌کند و در دماهای بالا کار می‌کند. با توجه به کارایی بالا و استفاده از گرما برای تولید بخار، این الکترولایزرها به منابع حرارتی مانند نیروگاه‌های هسته‌ای یا سیستم‌های حرارتی خورشیدی نیاز دارند. این فناوری می‌تواند علاوه بر تولید هیدروژن، به‌صورت معکوس به‌عنوان پیل سوختی نیز عمل کند و هیدروژن را به برق تبدیل نماید.
جمع‌بندی
فناوری‌های الکترولیز یکی از روش‌های آینده‌دار برای تولید هیدروژن است، به‌ویژه با رشد انرژی‌های تجدیدپذیر. هرچند الکترولیز فعلاً سهم کوچکی از تولید جهانی هیدروژن را به خود اختصاص داده است، اما با بهبود فناوری‌ها و کاهش هزینه‌های برق تجدیدپذیر، این روش می‌تواند به یک گزینه جذاب و پایدار برای تولید هیدروژن تبدیل شود. چالش‌های مربوط به مصرف آب و هزینه‌های بالای تولید نیز با پیشرفت در نمک‌زدایی و بهینه‌سازی فناوری‌های موجود، به‌تدریج قابل حل خواهند بود. در نهایت، توسعه فناوری‌های الکترولایزرهای اکسید جامد و غشاء پلیمری می‌تواند نقش مهمی در آینده انرژی هیدروژنی ایفا کند.
مراجع
IEA
