جهان هیدروژنی

ترجمه: عبدالله مصطفایی: پیش‌تر در مقاله «انقلاب سبز هیدروژن در انگلستان» روزنامه «شرق» مورخ 1399.10.11 گفته شد که انگلستان در نظر دارد علاوه بر ترویج خودروهای برقی، سیستم‌های گرمایش منازل را نیز متحول کند. در این زمینه آقای «آنتونی گرین» که مدیر پروژه شبکه ملی هیدروژن انگلستان است، گفته اگر واقعا می‌خواهیم در آینده به کربن صفر برسیم، نیاز داریم از گزینه‌های سبز مانند هیدروژن به‌جای متان استفاده کنیم. ضمنا در خبرها آمده بود که دولت انگلیس یک برنامه ۱۵‌‌میلیارد‌ دلاری برای استفاده از چهار گیگاوات انرژی بادی فراساحلی برای تولید هیدروژن تجدیدپذیر در اوایل دهه ۲۰۳۰ ارائه داده است. به نظر می‌رسد یکی از گزینه‌های انتقال این هیدروژن به درِ منازل مصرف‌کنندگان همانا تزریق در شبکه‌های موجود انتقال گاز طبیعی باشد و ازاین‌رو شرکت‌های مختلفی به تحقیق در این زمینه اقدام کرده‌اند.

یکی از شرکت‌های گاز مینه‌سوتا می‌گوید که در یکی از اولین آزمایش‌ها در این کشور با موفقیت توانسته هیدروژن سبز را در سیستم خط لوله گاز طبیعی خود تزریق ‌کند. از تابستان گذشته، مشتریان CenterPoint Energy در نزدیکی مرکز شهر مینیاپولیس، در اجاق‌ها و کوره‌های خود کمی هیدروژن نیز در کنار مخلوط معمولی گاز متان می‌سوزانند. این شرکت تأسیسات پایلوت تولید هیدروژن 2.5 میلیون دلاری خود را در سال گذشته تکمیل کرد و در ژوئن 2022 شروع به تزریق مقادیر کم این سوخت بدون کربن به سیستم خود کرد. رأس کورسون سخنگوی شرکت سنترپوینت است و درمورد اولین ماه‌های بهره‌برداری از این تأسیسات گفت: «خبر خوب این است که این مرکز به‌خوبی با سیستم توزیع ما همخوان شده است». این پروژه پایلوت فرصتی برای این شرکت در راستای رفع چالش‌های عملیاتی است. قبلا تنظیمات متعددی از جمله تغییرات در سیستم گردش آب و روشی که در آن رطوبت را قبل از تزریق گاز به خطوط لوله خود حذف می‌کند، انجام داده است. اما حتی این موفقیت فنی برای این پروژه نیز بعید است که بتواند سؤال‌های گسترده‌تری را درمورد نقش هیدروژن در اقتصاد انرژی‌های پاک در داخل ایالت مینه‌سوتا و فراتر از آن حل کند. برخی از کارشناسان و طرفداران محیط زیست استدلال کرده‌اند که تزریق هیدروژن در شبکه گاز طبیعی یک راه حل ناکارآمد و پرهزینه در مقایسه با تغییر به وسایل برقی است و هیدروژن باید برای مصارف صنعتی و سایر بخش‌هایی که کربن‌زدایی از آن دشوار است، ذخیره شود.

داخل کارخانه CenterPoint

امروزه قسمت اعظم هیدروژن از یک فرایند شیمیایی مشتمل بر سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود که اتفاقا انتشار کربن قابل‌توجهی دارد. هیدروژن سبز با استفاده از الکتریسیته برای تقسیم مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن تولید می‌شود. حال اگر این هیدروژن با برق تجدیدپذیر تولید شود، می‌تواند منبع سوختی بدون آلایندگی باشد. «جو دامل»، مدیر برنامه ساخت گروه St. Paul clean energy است و می‌گوید: «انواع رنگ‌بندی هیدروژن پیچیده و کمی طاقت‌فرساست اما هیدروژن سبز تا زمانی که با استفاده از برق تجدیدپذیر تولید شود یک استاندارد طلایی است». واحد کوچک سنترپوینت در محل کارخانه سابق گازی‌سازی زغال سنگ قرار دارد و مربوط به زمانی می‌شود که سنترپوینت با نام شرکت چراغ گاز مینیاپولیس شروع به کار کرده بود. این شرکت این سایت را به دلیل مرکزیت آن در سیستم خطوط لوله خود و در دسترس بودن فضا انتخاب کرد. این محوطه اکنون میزبان مرکز هیدروژن سبز است و در کنار پارکینگی قرار دارد که کارگران دوره‌های آموزشی خود را در آن سوی خیابان در مرکز آموزشی CenterPoint می‌گذرانند. «جان هیر»، مدیر برنامه‌ریزی ذخیره‌سازی و عرضه گاز، بر تأسیسات نظارت دارد. هیر معتقد است که تولید هیدروژن سبز یک شاهکار فنی بزرگ نیست و فقط شامل به‌کارگیری فرایند الکترولیز است. آب شهر قبل از انتقال به یک الکترولیز یک مگاواتی که دو گالن در دقیقه را پردازش می‌کند، تصفیه می‌شود. این تأسیسات اکسیژن را از طریق فن‌هایی به خارج از کارخانه پخش می‌کند. آقای هیر می‌گوید: «ما از طریق انجام‌دادن یاد می‌گیریم. قبل از اینکه بتوانیم آن را در یک مقیاس بزرگ‌تر اجرا کنیم، باید بدانیم چگونه کار می‌کند». این تأسیسات برق را از شبکه

Xcel Energy دریافت می‌کند و مصرف برق خود را با اعتبارات تجدیدپذیر انرژی بادی که از Xcel نیز خریداری می‌شود، جبران می‌کند. منتقدان این سؤال را مطرح کرده‌اند که آیا تأسیسات هیدروژنی که از انرژی‌های تجدیدپذیر به‌طور غیرمستقیم و از طریق جبران استفاده می‌کند، می‌تواند واجد شرایط «سبز بودن» باشد؟

هزینه‌ها و ریسک‌ها

بخشی از آزمایش تعیین می‌کند که چگونه هیدروژن ممکن است ویژگی‌های گاز طبیعی در خطوط لوله را تغییر دهد. هیدروژن چگالی کمتری نسبت به متان دارد و هر فوت‌مکعب آن تنها حاوی یک‌سوم انرژی متان است. به گفته آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر، این مولکول‌ها کوچک‌ترین مولکول‌های جهان هستند و از این رو می‌توانند شکاف‌های خط لوله را تشدید کنند و باعث شکنندگی، افزایش خطر نشت و انفجار در غلظت‌هایی فراتر از یک مقدار خاص شوند. در ماه جولای یک مطالعه کمیسیون خدمات عمومی کالیفرنیا نشان داد که ترکیب پنج درصد هیدروژن با گاز طبیعی بی‌خطر است، اما افزایش بیش از این مقدار ممکن است نیاز به ایجاد تغییراتی در اجاق‌ها و آبگرمکن‌ها داشته باشد. علاوه‌براین، از آنجایی که هیدروژن سبز محتوای انرژی کمتری دارد، مقدار بیشتری برای جایگزینی با گاز طبیعی مورد نیاز است. دامل معتقد است که حتی اگر هیدروژن از منابع کاملا تجدیدپذیر تولید شود، به دلایل مختلف بعید است که جایگزین گاز طبیعی شود. فرایند تولید انرژی بیشتری نسبت به انرژی تولیدشده جذب می‌کند یعنی تقریبا 30 تا 35 درصد از انرژی تلف می‌شود. زمانی که تقاضا برای برق بادی و خورشیدی افزایش یافته است، نیروگاه‌های هیدروژن سبز بزرگ‌تر باید برای برق پاک با آنها رقابت کنند. دامل گفته است: «ما فکر می‌کنیم که افزودن هیدروژن به سیستم توزیع گاز برای جایگزینی گاز فسیلی دارای محدودیت‌های اقتصادی و فنی است. این یک جایگزین صد‌درصدی برای هر مولکول گاز فسیلی که در‌حال‌حاضر در سیستم وجود دارد، نخواهد بود». جایگزینی کل گاز طبیعی مصرفی کشور با هیدروژن سبز، کاری بسیار بزرگ خواهد بود که مستلزم صدها میلیارد دلار سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر، فناوری الکترولیز، زیرساخت‌های خط لوله و ذخیره‌سازی است. منتقدان همچنین معتقدند تولید هیدروژن سبز به مقدار زیادی آب نیاز دارد که یک مشکل بالقوه در مناطق خشک است. با این حال، یک مطالعه و داده‌های بازار نشان می‌دهد که تولید آن نسبت به نیروگاه‌هایی که از زغال سنگ، سوخت هسته‌ای، گاز طبیعی، زیست توده یا انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند، آب بسیار کمتری مصرف می‌کند. آقای دامل متذکر شده است که در‌حال‌حاضر طرفداران انرژی پاک معتقدند بهترین استفاده از هیدروژن سبز، کاربردهای صنایع سنگین است که در آن برق به‌تنهایی نمی‌تواند به‌طور مقرون به صرفه جایگزین گاز طبیعی شود.

آینده هیدروژن

بزرگ‌ترین بازارهای هیدروژن در‌‌حال‌حاضر پالایشگاه‌های نفت، شرکت‌های تولید کود، شرکت‌های فراوری مواد غذایی و شرکت‌های تصفیه فلزات هستند. با‌این‌حال طرفداران معتقدند علاوه بر کاربرد در تولید مواد فوق، هیدروژن می‌تواند در بخش حمل‌ونقل نیز انقلابی ایجاد کند. انتظار می‌رود در آمریکا در سال 2023 تولید هیدروژن با حمایت دولت فدرال افزایش یابد. قانون سرمایه‌گذاری زیرساخت و مشاغل که در سال 2021 امضا شده، دربرگیرنده 9.5 میلیارد دلار مشوق برای هیدروژن پاک است. برنامه Hydrogen Shot وزارت انرژی هدف خود را کاهش هزینه تولید به یک دلار بازای هر کیلوگرم هیدروژن در مدت یک دهه تعیین کرده است. وزارت انرژی آمریکا در ماه سپتامبر یک نقشه راه 112 صفحه‌ای را برای هیدروژن پاک منتشر کرد که خواستار تأمین بودجه برای هاب‌های منطقه‌ای برای هیدروژن، حمایت از کارخانه‌های تولیدی و نیز تحقیق درباره کاهش هزینه‌های الکترولیز است. به‌علاوه قانون کاهش تورم شامل یک اعتبار مالیاتی برای هیدروژن سبز است که به‌زودی برای تولیدکنندگان اعتباری تا سه دلار به‌ازای هر کیلوگرم فراهم می‌کند. انتظار می‌رود وزارت خزانه‌داری به‌زودی تصمیم بگیرد که چه معیارهایی باید برآورده شوند و در این راستا برخی از گروه‌های زیست‌محیطی لابی می‌کنند تا تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در محل یکی از این شروط باشد. آقای هیر از شرکت CenterPoint می‌گوید: «امروزه تولید هیدروژن هزینه بیشتری نسبت به استفاده از گاز طبیعی دارد، بنابراین درنظرگرفتن اعتبار سه دلار در هر کیلوگرم یک معامله بزرگ است». این شرکت همچنین گفته که می‌خواهد دومین واحد تولید هیدروژن را در مقیاس بزرگ‌تر بسازد، اما زمان آن هنوز مشخص نشده است. انتظار می‌رود که این واحد جدید سالانه از انتشار هزارو 200 تن کربن جلوگیری کند.

تولید هیدروژن از آب دریا بدون تصفیه

در تولید هیدروژن یکی از محدودکننده‌ها همانا دسترسی به مقادیر زیاد آب شیرین است. برای حل این مشکل محققان دانشگاه آدلاید اخیرا اعلام کرده‌اند که سوخت هیدروژن تمیزی را از آب دریا بدون نیاز به پیش‌تصفیه تولید کرده‌اند. باید توجه داشت که انتظار می‌رود در سال‌های آینده با ادامه دورشدن جهان از سوخت‌های فسیلی، تقاضا برای سوخت هیدروژن یعنی یک منبع انرژی پاک که در صورت سوختن آب تولید می‌کند، افزایش یابد. درنهایت این یافته‌ها می‌تواند تولید انرژی سبز ارزان‌تری را برای مناطق ساحلی فراهم کند. پروفسور «شی‌ژانگ کیائو»، سرپرست تیم محققان است و درباره این پروژه می‌گوید: «ما آب طبیعی دریا را با بازدهی نزدیک به الکترولیز آب تصفیه‌شده به اکسیژن و هیدروژن تقسیم کرده‌ایم. یعنی توانستیم با الکترولیز، هیدروژن سبز را با استفاده از یک کاتالیزور ارزان در یک دستگاه الکترولیز تجاری تولید کنیم». آب دریا معمولا باید قبل از الکترولیز به هیدروژن و اکسیژن، تصفیه شود. این تیم می‌گوید که هنگام استفاده از اکسید کبالت به‌همراه اکسید کروم روی سطوح به‌عنوان کاتالیزور، به عملکردی مشابه فرایند استاندارد استفاده از کاتالیزورهای پلاتین و ایریدیوم برای آب بسیار تصفیه‌شده و دیونیزه دست یافته‌اند. آب دریا در مقایسه با آب شیرین، یک منبع فراوان است و توانایی استخراج سوخت هیدروژن از آب دریا بدون پیش‌تصفیه می‌تواند در هزینه صرفه‌جویی کند. با‌این‌حال، حتی اگر این نتایج برای مقیاس بزرگ موفقیت‌آمیز باشد، احتمالا فقط برای جوامع ساحلی نزدیک آب دریای فراوان عملی خواهد بود و نه برای دیگر مناطق. گام بعدی تیم تحقیق این است که سیستم را با یک الکترولایزر بزرگ‌تر انجام دهند. هرچند هنوز این موضوع در مراحل اولیه توسعه قرار دارد ولی محققان امیدوارند که درنهایت بتوانند این یافته‌ها را برای تولید تجاری هیدروژن مورد نیاز پیل‌های سوختی و سنتز آمونیاک به کار ببرند. «یائو ژنگ» یکی دیگر از رهبران این پروژه است؛ او به‌طور خلاصه می‌گوید: «کار ما راه‌حلی برای استفاده مستقیم از آب دریا بدون سیستم‌های پیش‌تصفیه یا افزودن مواد قلیایی ارائه می‌دهد که عملکردی مشابه فرایند کنونی الکترولیز آب خالص دارد».

https://news.yahoo.com