چشم انداز نقش هیدروژن در انتقال انرژی در قرن بیست و یکم

چکیده
افزایش دمای زمین، آب شدن یخ های قطبی و افزایش سطح کربن در جهان عاملی بود تا سران همه ی کشورهای جهان در قالب کنفرانس گلاسکو گرد هم بیایند و متعد به کاهش میزان تولید کربن تا سال 2030 شوند. همین موضوع نگاه سیاستمداران و سرمایه گذاران را به انرژی هیدروژن جلب کرد و در واقع شور و اشتیاق فزاینده ای را برای آن به وجود آورد. منع استفاده از زغال سنگ انتقال سریع به انرژی پاک را کلید زد جایی که هیدروژن سبز پتانسیل ایجاد فضیلت های زیادی را دارد. ما میتوانیم هم از طریق انرژی اضافه تامین شده توسط نیروگاه های معمولی و هم از طریق تولید مستقل به هیدروژن دست پیدا کنیم و سپس از آن برای تولید الکتریسیته (پیل‌های سوختی یا سیستم‌های قدرت)، گرما (احتراق)، یا هر دو (تولید همزمان) استفاده میشود که باعث پایین آمدن میزان گازهای گلخانه ای است. در این مقاله ما سعی میکنیم که راجع به مزایا و معایب هیدروژن، پایداری آن زمانی که از الکترولیزر تولید میشود و میزان تاثیر آن بر بخش های مختلف بحث و ارزیابی انجام دهیم.
کلید واژه ها: هیدروژن، انرژی پاک، انرژی های تجدید پذیر، انتقال انرژی
مقدمه
طبق آخرین گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، افزایش ظرفیت‌های تجدیدپذیر در مسیر افزایش بی‌سابقه نزدیک به 10 درصد در سال 2021 است به معنای آنکه انرژی‌های تجدیدپذیر از زغال سنگ پیشی گرفته و در سال 2025 به بزرگترین منبع تولید برق در سراسر جهان تبدیل خواهند شد. این موضوع را می توان از افزایش همزمان انرژی های تجدیدپذیر و تقاضای انرژی توضیح داد که در حال حاضر سهم انرژی های تجدیدپذیر در مصرف انرژی نهایی جهانی حدود 10 درصد است و در سناریوی برنامه ریزی شده توسط آژانس بین المللی انرژی های تجدیدپذیر (IRENA)، سهم انرژی های تجدیدپذیر مدرن در تامین انرژی نهایی تا سال 2030 به 17 درصد و تا سال 2050 به 25 درصد افزایش می یابد.همچنین در سناریوی تبدیل انرژی، این سهم تا سال 2030 به 28 درصد و تا سال 2050 به 66 درصد خواهد رسید. بنابراین، این سهم باید نسبت به امروز دو و نیم برابر افزایش یابد. دراین سناریوی برنامه ریزی شده انرژی برای دستیابی به این هدف، کاهش انتشار CO2 مربوط به تولید انرژی، باید تا سال 2050 به طور متوسط ​​3.8 درصد در سال کاهش یابد و به 70 درصد کمتر از سطح 2019 برسد.حال برای دستیابی به این امر استفاده از هیدروژن به شرط تولید توسط دیگر انرژی های تجدید پذیر و حمل کم هزینه تر میتواند بهترین گزینه برای رسیدن به این امر باشد.

بررسی هیدروژن

۱- سیاست های هیدروژن در سراسر جهان
هیدروژن در حال تجربه یک لحظه تاریخی بی سابقه برای نقش کلیدی آینده خود است. در واقع یک موضوع هیدروژن را جذاب میکند و آن این است که از سوختی بدون کربن ناشی می شود و این بدان معناست که هنگام سوزاندن هیدروژن برای تولید گرما یا برق یا هر دو، هیچ انتشار CO2 وجود ندارد که با هدف تسریع در کربن زدایی، علاقه صنعت و دانشگاه به هیدروژن بیشتر و بیشتر می شود. هیدروژن می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی معمولی شود و انتشار کربن مربوط به آن‌ها را کاهش دهد، بیش از همه در بخش‌هایی که کاهش آن سخت است (مانند مزارع سیمان، تولید آهن و فولاد). علاوه بر این، هیدروژن یک راه حل برای مسئله ذخیره سازی فصلی مرتبط با تولید برق تجدیدپذیر ارائه می دهد که در تابستان به اوج خود می رسد، در حالی که تقاضا در زمستان به اوج خود می رسد.
علیرغم این ها هیدروژن همچنان گران است و کاهش سریع هزینه برق ناشی از انرژی های تجدیدپذیر و سرمایه گذاری قابل توجه کشورها در زمینه تحقیقاتی برای یافتن راه حل های جدید برای تولید هیدروژن کم هزینه و کم کربن ایجاد هیجان می کند. همانطور که در شکل 1 مشاهده میکنید، تعداد قابل توجهی از کشورها در حال حاضر درگیر اتخاذ سیاست های هیدروژن در سطوح مختلف (برنامه های تحقیق و توسعه، اسناد چشم انداز، نقشه راه و استراتژی ها) هستند. به وضوح می توان متوجه شد که چگونه در دوره گذشته (2020-2021) همه ی کشورها به چه سمت و سویی میروند.

شکل۱: نقشه راه کشورهای طبقه بندی شده بر اساس سیاست ها و استراتژی های اخیر هیدروژن

چندین کشور قبلاً پیشنهاد استراتژی بلوغ خود را ارائه کرده اند. به عنوان مثال، ژاپن یکی از اولین حامیان هیدروژن بود و قبلاً استراتژی خود را به اهداف هزینه و کارایی واقعی برای هر برنامه تبدیل کرده است. به عنوان مثال، ژاپن با اولین کشتی هیدروژن مایع خود که در سال 2019 تحویل داده شد، در پروژه های مختلفی برای تجارت بین المللی هیدروژن شرکت دارد. طبق نقشه راه وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت ژاپن (METI)، انتظار دارند فناوری های هیدروژنی تا سال 2030 به سوددهی برسد.

۲-  به سمت تولید هیدروژن کم کربن
پیش‌بینی ارائه ‌شده توسط آژانس بین‌المللی انرژی، عمدتاً دو مسیر اصلی تولید کم کربن هیدروژن را در نظر می‌گیرد: اتصال فناوری‌های مرسوم (SMR) با جذب یا بهره گیری از ذخیره‌سازی کربن (CCUS) و یا تولید هیدروژن توسط الکترولیز. هر دو استراتژی های ذکر شده به بازار این اجازه را می دهد در همه زمینه هایی که امکان دستیابی به اهداف اقلیمی وجود دارد رشد کنند.به عنوان مثال: سوخت رسانی وسایل نقلیه، تزریق هیدروژن به شبکه گاز، استفاده از هیدروژن به عنوان ورودی تمیزتر برای فرآیندهای صنعتی، ذخیره سازی برق و تولید سوخت مصنوعی.
تعداد پروژه ها و ظرفیت الکترولیز نصب شده به طور قابل توجهی افزایش یافته است، از کمتر از 1 مگاوات در سال 2010 به بیش از 25 مگاوات در سال 2019. علاوه بر این، چندین پروژه اعلام شده است که در دوره بعدی یعنی سال 2025 آغاز خواهد شد و تولید هیدروژن سبز پتانسیل ایجاد این فضیلت را دارد که به تولید هیدروژن به میزان 1 میلیون تن تا سال 2030 برسیم.

۳- ذخیره سازی هیدروژن
دو روش اصلی برای ذخیره هیدروژن وجود دارد: نمونه معمولی و کمتر پیچیده. ذخیره سازی در مخازن فشرده به عنوان گاز یک محدودیت را نشان می دهد زیرا هیدروژن با چگالی انرژی بالا و بر اساس جرم مشخص می شود، اما نه بر اساس حجم، در مقایسه با سوخت های معمولی. از این رو، فشار بالا و مخازن بزرگ مورد نیاز است و هنگامی که انتقال به مسافت های دور باشد از وسایل نقلیه بزرگ (به عنوان مثال، کامیون ها و کشتی ها) استفاده میشود. مواد مختلفی برای ساخت مخازن هیدروژنی پیشنهاد شده‌اند: پوشش کامل فلزی، روکش کامپوزیت الیاف شیشه، پوشش کامل کامپوزیت با آستر فلزی و کاملا کامپوزیت. این مواد می توانند از 50 مگاپاسکال (کامل فلزی) تا 100 مگاپاسکال (کامپوزیت کامل) مقاومت کنند و وزن را تا 50 درصد کاهش دهند اما هزینه ها را به طور قابل توجهی افزایش میدهند.به طور کلی، زمانی که مقادیر کمی از هیدروژن تولید می شود یا محدودیت های ذخیره سازی رو به رو میشویم. هیدروژن گازی را می‌توان در شبکه‌های خانگی یا صنعتی NG (خطوط) با مخلوط‌هایی از 5 تا 10 درصد حجم هیدروژن تزریق کرد که با در نظر گرفتن این به عنوان یک مصالحه خوب برای شبکه گاز طبیعی هزینه های انتقال کاهش میابد.

۴-  صنعت هیدروژن
هیدروژن می‌تواند از کربن‌زدایی بخش‌های «کاهش سخت» که با شدت انرژی بالا و فقدان راه ‌حل‌های برق‌ رسانی مقیاس‌ پذیر مشخص می‌شوند، پشتیبانی کند. دو مورد از این بخش‌ها، بخش‌های شیمیایی و پالایش نفت هستند که در آن‌ها هیدروژن به عنوان ماده خام هم در تولید مواد شیمیایی اساسی مانند آمونیاک و متانول و هم در یک سری از فرآیندهای پالایش میتواند استفاده ‌شود. در حال حاضر، بیش از 90 درصد هیدروژن تولید شده در اروپا به عنوان ماده اولیه در پالایش نفت، تولید آمونیاک و متانول استفاده می شود که حدود 41 درصد از انتشار صنعتی اتحادیه اروپا را تشکیل می دهد.علاوه بر این، حدود 55 درصد از نیاز جهانی هیدروژن برای سنتز آمونیاک، 25 درصد در پالایشگاه ها، 10 درصد برای تولید متانول و 10 درصد برای سایرین است.در حال حاضر هیدروژن خاکستری (مخصوصاً آن که از گاز طبیعی مشتق می شود) راحت ترین گزینه برای تولید آمونیاک و متانول است. شایان ذکر است که هیدروژن سبز می تواند با تولید آمونیاک به این بخش کمک کند تا انتشار گازهای گلخانه ای را به شدت کاهش دهد و همچنین میتواند به عنوان یک حامل انرژی از مناطق فراوان انرژی تجدیدپذیر به مناطق مورد تقاضا استفاده شود در صنعت فولاد اولیه نیزهیدروژن تنها جایگزین کربن صفر در تولید آهن کاهش یافته مستقیم (DRI) است.که می تواند به تدریج برای جلوگیری از تولید چدن با انتشار بالا در کوره های اکسیژن انفجاری یا کوره های قوس الکتریکی استفاده شود.با کاهش هزینه هیدروژن در مقایسه با گاز طبیعی، کارخانه‌های فولاد می‌توانند مخلوط هیدروژن را برای تولید DRI در نظر بگیرند این در حالی است که اتحادیه اروپا سالانه 177 میلیون تن فولاد تولید می‌کند که 11 درصد از تولید جهانی است. که در حال حاضر عملی ترین راه حل در اتحادیه اروپا برای بخش کربن زدایی، تولید DRI با استفاده از H2 برای کوره قوس الکتریکی میباشد.

نتیجه گیری
هیدروژن قطعا یک راه حل اساسی است برای حل تمام مشکلات زیست محیطی و تغیرات اقلیمی و ما هرچه که به پیش میرویم استفاده از آن در تمامی بخش شکل ویژه ای به خود میگیرد.این انرژی توان تولید هر میزان از انرژی را داراست که همین امر هیدروژن را تبدیل به سوختی پاک و بی کربنی میکند که امیدی است به نجات زمین.
در این گزارش سعی شده بود که به طور خلاصه به بررسی مقاله ی [1] بپردازیم که تا به این لحظه آخرین مقاله ی چاپ شده راجع به هیدروژن بود.

منابع

[1] T.Capurso, M.Stefanizzi, M.Torresi, S.M.Camporeale.(2022) Perspective of the role of hydrogen in the 21st century energy transition. Energy Conversion and Management Jan.2022; 251(1): 2022, 114898

نویسنده: شهاب نوشمند
رشته:مکانیک – تبدیل انرژی
مقطع:ارشد
آدرس ایمیل:shahabnooshmand@gmail.com
آدرس لینکدین: https://linkedin.com/in/shahabnooshmand