هیدروژن چیست؟

زمان مطالعه: 6 دقیقه

هیدروژن یک عنصر شیمیایی است که با نماد H نشان داده می شود و شماره اتمی‌اش 1 است. این عنصر سبک‌ترین عنصر بوده و در شرایط استاندارد، گازی از مولکول‌های دو اتمی با فرمول H₂ است که با نام گاز هیدروژن یا برای سادگی، هیدروژن شناخته می‌شود. این گاز بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه، غیرسمی و بسیار قابل احتراق است. این ماده فراوان‌ترین عنصر شیمیایی جهان بوده و در حدود ۷۵ درصد از مواد را تشکیل می‌دهد. ستاره‌ها، از جمله خورشید، عمدتاً از این عنصر در حالت پلاسما تشکیل شده‌اند، در حالی که در آب، ترکیبات آلی، به صورت گاز و در اشکال مولکولی دیگر یافت می‌شود. رایج‌ترین ایزوتوپ این ماده پروتیوم (₁H) است که شامل یک پروتون و یک الکترون بوده و هیچ نوترونی ندارد.

ساختار مولکول هیدروژن که از دو اتم هیدروژن تشکیل شده است. — ساختار مولکول هیدروژن که از دو اتم H تشکیل شده است.

هیدروژن یک جایگزین پاک برای گاز طبیعی (متان) است. در زمین، تعداد زیادی از این عنصر در آب، گیاهان، حیوانات و البته انسان‌ها وجود دارد. با این حال، مولکول آن به عنوان یک گاز نادر شناخته می‌شود و مقدار آن کمتر از یک قسمت در میلیون حجمی است. این ماده از منابع مختلفی از جمله گاز طبیعی، بیوگاز و انرژی‌های تجدیدپذیر مانند خورشید و باد تولید شود.

چرا هیدروژن به عنوان منبع انرژی پاک آینده مهم است؟

هیدروژن به عنوان حامل انرژی پاک آینده اهمیت زیادی دارد؛ چرا که با عدم تولید کربن دی‌اکسید در هنگام سوختن، به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند. این سوخت می‌تواند از طریق الکترولیز آب با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند خورشید و باد تولید شود، که به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک می‌کند. همچنین، به عنوان یک حامل انرژی عمل کرده و امکان ذخیره‌سازی انرژی اضافی را فراهم می‌آورد. کاربردهای گسترده‌اش در حمل و نقل، صنایع و تولید برق، امنیت انرژی کشورها را افزایش می‌دهد و وابستگی به منابع خارجی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، سرمایه‌گذاری در فناوری‌های هیدروژنی می‌تواند منجر به نوآوری‌های جدید و ایجاد فرصت‌های شغلی، و در نهایت به رشد اقتصادی و توسعه پایدار کمک کند.

برای مدت‌های طولانی، ما از گاز طبیعی برای گرم کردن خانه ها و صنایع و برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده کرده‌ایم. متان جزء اصلی تشکیل دهنده گاز طبیعی و وقتی می سوزد، انرژی حرارتی مناسبی فراهم می‌کند اما کربن دی اکسید را نیز عنوان یک محصول جانبی در کنار آب وارد جو می کند که اثرات مخربی روی تغییرات اقلیمی دارد. مهم‌ترین مزیت هیدروژن این است که فرایند سوختن آن، کربن دی اکسید آزاد نمی‌کند.

تفاوت بین هیدروژن آبی و سبز و سایر رنگ های آن در چیست؟

رنگ‌های مختلف هیدروژن به روش‌های تولید آن اشاره دارند و هر رنگ نمایانگر نوع خاصی از منابع انرژی و تأثیرات محیطی است. در ادامه، تفاوت‌های اصلی بین رنگ‌های مختلف شرح داده شده است:

هیدروژن خاکستری (Grey Hydrogen) یکی از رایج‌ترین انواع است که از طریق ریفرم بخار گاز طبیعی (متان) تولید می‌شود. در این فرایند، متان با بخار آب واکنش داده و هیدروژن و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. متأسفانه، این روش به دلیل تولید مقدار قابل توجهی کربن دی اکسید، تأثیرات منفی بر روی تغییرات آب و هوایی دارد. به همین دلیل، این روش به عنوان یکی از منابع غیردوستدار محیط زیست شناخته می‌شود.

هیدروژن آبی (Blue Hydrogen) نیز از گاز طبیعی تولید می‌شود، اما با استفاده از فناوری‌های جذب و ذخیره کربن (CCS) که می‌تواند انتشار CO2 را کاهش دهد. در این فرایند، کربن دی اکسید تولید شده به جای آزاد شدن به جو، به طور مؤثر جذب و ذخیره می‌شود. این نوع می‌تواند به عنوان یک پل برای انتقال به سمت هیدروژن سبز عمل کند، زیرا تأثیرات زیست‌محیطی آن نسبت به نوع خاکستری کمتر است.
هیدروژن فیروزه‌ای (Turquiose Hydrogen) معمولاً از طریق فرآیند پیرولیز متان یا متانولیز تولید می‌شود. در این روش، گاز طبیعی که عمدتاً متان است، تحت حرارت بالا و بدون اکسیژن تجزیه می‌شود. این فرآیند کربن جامد را نیز به عنوان محصول جانبی تولید می‌کند. کربن جامد می‌تواند به عنوان یک ماده مفید در صنایع مختلف، مانند ساخت و ساز یا تولید کامپوزیت‌ها، مورد استفاده قرار گیرد.
هیدروژن سبز (Green Hydrogen) به عنوان پاک‌ترین نوع هیدروژن شناخته می‌شود که از طریق الکترولیز آب با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا بادی تولید می‌شود. در این فرایند، آب به اجزای سازنده خود تجزیه شده و هیچ گونه گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کند. این روش نه تنها به کاهش انتشار کربن کمک می‌کند بلکه می‌تواند به عنوان یک منبع انرژی پایدار و پاک در آینده مورد استفاده قرار گیرد.
هیدروژن قهوه‌ای (Brown Hydrogen) از زغال‌سنگ تولید می‌شود و فرایند گازی‌سازی زغال‌سنگ برای تولید هیدروژن را شامل می‌شود. هیدروژن سیاه (Black Hydrogen) نیز با همین روش از زغال سنگ سیاه تولید می‌شود. مشابه نوع خاکستری، این نوع نیز به دلیل تولید CO2 و دیگر گازهای گلخانه‌ای، تأثیرات منفی بر محیط زیست دارد. با توجه به اینکه زغال‌سنگ یکی از منابع انرژی فسیلی است، استفاده از نوع قهوه‌ای به شدت تحت انتقاد قرار دارد.
هیدروژن ارغوانی یا صورتی (Pink Hydrogen) از طریق فرآیندهای هسته‌ای تولید می‌شود. در این روش، انرژی حاصل از شکافت هسته‌ای برای تجزیه آب به اجزای تشکیل دهنده آن استفاده می‌شود. اگرچه این فرایند خود گازهای گلخانه‌ای تولید نمی‌کند، اما مدیریت پسماندهای هسته‌ای و نگرانی‌های مربوط به ایمنی انرژی هسته‌ای همچنان چالش‌هایی برای پذیرش گسترده‌تر این روش ایجاد می‌کند.
هیدروژن زرد (Yellow Hydrogen) از طریق الکترولیز آب تولید می‌شود، اما در این حالت از ترکیبی از منابع انرژی تجدیدپذیر و غیرتجدیدپذیر استفاده می‌شود. این روش ممکن است بسته به منبع انرژی مورد استفاده، تأثیرات زیست‌محیطی متفاوتی داشته باشد. بنابراین، ارزیابی دقیق‌تری نیاز است تا مشخص شود که آیا این روش می‌تواند به عنوان یک گزینه پایدار در نظر گرفته شود یا خیر.
هیدروژن سفید (White Hydrogen) به طور طبیعی وجود داشته در لایه های زیرزمینی ذخیره شده است. در حال حاضر اطلاعات کمی از منابع زیرزمینی هیدروژن وجود دارد و روشی اقتصادی برای تامین این گاز با ارزش به شمار نمی‌رود.

با توجه به تنوع رنگ‌ها و روش‌های تولید، انتخاب بهترین گزینه بستگی به عوامل مختلفی از جمله منابع انرژی محلی، نیازهای اقتصادی و نگرانی‌های زیست‌محیطی دارد.

آیا هیدروژن در حال حاضر به عنوان سوخت استفاده می‌شود؟

خودروهای سوخت هیدروژنی (FCEVs) از این ماه به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. این خودروها با استفاده از پیل‌های سوختی، هیدروژن را به برق تبدیل کرده و آن را برای حرکت موتور استفاده می‌کنند. این نوع خودروها به دلیل عدم تولید گازهای گلخانه‌ای و آلودگی، به عنوان گزینه‌ای پاک برای حمل و نقل شناخته می‌شوند. برخی از سیستم‌های حمل و نقل عمومی، مانند اتوبوس‌ها و قطارها نیز از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها به دنبال کاهش آلودگی و بهبود کیفیت هوا هستند. در صنعت فضایی، هیدروژن به عنوان سوخت برای موشک‌ها و فضاپیماها استفاده می‌شود. این نوع سوخت به دلیل چگالی بالای انرژی آن بسیار موثر است. با توجه به مزایای محیط زیستی و پتانسیل‌های اقتصادی، انتظار می‌رود که استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در آینده افزایش یابد.

هیدروژن در صنایع مختلفی مانند تولید فولاد، پالایش و پتروشیمی به عنوان یک ماده اولیه و سوخت استفاده می‌شود. برای مثال، در صنعت پالایش، برای هیدروژناسیون برش‌های مختلف نفتی استفاده می شود. این گاز در صنعت پتروشیمی نیز کاربردهای زیادی از جمله به عنوان ماده خام برای تولید آمونیاک و متانول دارد. در فرآیندهای تولید فولاد نیز می‌تواند جایگزین کک شود که منجر به کاهش انتشار CO2 می‌شود.

مسیرهای عمده تولید هیدروژن در مقیاس تجاری

هیدروژن می‌تواند به عنوان یک منبع انرژی در نیروگاه‌ها استفاده شود. برخی از نیروگاه‌ها از این ماده به عنوان سوخت برای تولید برق استفاده می‌کنند، به ویژه در ترکیب با گاز طبیعی. برخی شرکت‌ها نیز در تلاش هستند تا از حامل های مایع هیدروژن نظیر متانول و آمونیاک به عنوان سوخت توربین‌های تولید برق استفاده کنند.

استفاده از هیدروژن همچنین می‌تواند به عنوان یک روش ذخیره‌سازی انرژی در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد. این امکان وجود دارد که انرژی اضافی تولید شده از منابع تجدیدپذیر مانند باد یا خورشید را به هیدروژن سبز تبدیل کرده و در زمان نیاز از آن استفاده کرد.