هیدروژن، انرژی راهبردی در سده ۲۱

حمید نظری - کرسی یونسکو در مخاطرات زمین‌شناختی ساحلی:‌ هیدروژن طبیعی یا هیدروژن سفید برخلاف هیدروژن تولید‌شده در آزمایشگاه‌ها یا صنعت اصطلاحی است که برای توصیف هیدروژن با سر‌منشأ زمین‌شناسی که به طور طبیعی روی یا در زیر زمین وجود دارد، به کار می‌رود. هیدروژن سفید با انواع دیگر هیدروژن که با روش‌ها یا منابع تولید نام‌گذاری می‌شوند، متفاوت است، مانند هیدروژن سبز (از انرژی‌های تجدید‌پذیر و آب)، هیدروژن آبی (از سوخت‌های فسیلی با جذب کربن). (کربن، هیدروژن خاکستری (از سوخت‌های فسیلی) و هیدروژن قهوه‌ای یا سیاه (از زغال سنگ یا زیست توده).

درک اساسی از هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی و معناشناسی نام‌های مختلف آن در گرو پاسخ به دو پرسش اساسی چیستی و چگونگی تولید آن است. درباره چیستی هیدروژن می‌توان به طور مفصل درباره وزن اتمی آن تا استفاده نهایی آن بحث کنیم؛ اما برای درک اصول اولیه باید هیدروژن را به‌عنوان حامل و نه منبع انرژی تشخیص دهیم. این به آن معناست که برای تولید به منبع اولیه انرژی نیاز دارد - خورشیدی، برق، برق‌آبی، انرژی هسته‌ای یا گاز. و این ویژگی‌های فرایند تولید، ازجمله منبع انرژی مورد استفاده است که تعیین می‌کند آیا هیدروژن سبز یا آبی نامیده می‌شود. بر این پایه ذخایر هیدروژن در سه نوع سفید (طبیعی)، آبی (با ریشه فسیلی) و سبز (با سرچشمه انرژی‌های تجدید‌پذیر) دسته‌بندی می‌شود. هیدروژن طبیعی (H2) یا هیدروژن سفید یک منبع انرژی امیدوارکننده برای توسعه یک جامعه عاری از کربن به شمار می‌رود. بیش از یک قرن است که در سراسر جهان، بسیاری از نشتی‌های طبیعی گاز هیدروژن H2 شناخته شده است. یکی از راه‌حل‌های کلیدی برای انتقال انرژی براساس استفاده از دی هیدروژن (H2) به‌عنوان بردار انرژی است که تا به امروز هیچ راهنمای اکتشافی براساس روش و شاخص‌های قوی برای آن وجود ندارد؛ بنابراین تاکنون تشخیص و شناسایی نشت سطحی بدیهی‌ترین و ساده‌ترین روش برای پیاده‌سازی آن است. دی هیدروژن بدون کربن در‌حال‌حاضر بیشتر به وسیله الکترولیز آب از طریق برق تجدید‌پذیر تأمین می‌شود و تولید آن هنوز بسیار گران و پرهزینه است. هیدروژن طبیعی در انواع فرایندهای طبیعی شرکت می‌کند. سنجش هیدروژن را می‌توان برای بررسی محیط‌های طبیعی، پایش و پیش‌بینی زلزله، برای نقشه‌برداری از گسل‌ها و جست‌وجوی مواد معدنی به کار گرفت. هیدروژن طبیعی یا سفید می‌تواند سرچشمه گوناگونی داشته باشد؛ مانند گاززدایی هیدروژن در ژرفای پوسته و گوشته زمین، واکنش آب با سنگ‌های اولترابازیک در فرایند سرپانتینه شدن، تماس آب با عوامل کاهنده گوشته زمین، برهم‌کنش آب با مواد تازه در معرض دید قرار‌گرفته از سطوح سنگ (هوازدگی) و همین‌طور تجزیه یون‌های هیدروکسیل در ساختار مواد معدنی، تجزیه طبیعی آب، تجزیه مواد آلی یا فعالیت‌های بیولوژیکی. هیدروژن با منشأ زمین‌شناسی یا همان هیدروژن سفید می‌تواند به‌عنوان انرژی تجدیدپذیر آینده مطرح شود. استفاده از سازندهای اولترامافیک به‌عنوان یک ظرف برای ذخیره CO2 ایده‌ای است که در چشم‌انداز فعلی انرژی اهمیت پیدا می‌کند. تعامل بین سنگ‌های اولترابازیک و سیالات گرمابی در محدوده 150-350 درجه سانتی‌گراد باعث ایجاد فازهای هیدراته می‌شود. تولید طبیعی H2، در هنگام سرپنتینیزاسیون پریدوتیت‌های گوشته در دمای پایین (کمتر از 400 درجه)، فشار (سه کیلوبار) و pH (3-11) شرایط سیال مشاهده می‌شود. مطالعات تولید هیدروژن طبیعی تا‌کنون بیشتر بر روی سنگ‌‌های فوق مافیکی تا مافیکی در برآمدگی‌های میان اقیانوسی و کمپلکس‌های افیولیتیک معادل خشکی آنها متمرکز بوده که ممکن است در طی فرایندهای سرپنتینیزاسیون تولید هیدروژن سفید می‌کنند. باوجود‌این مطالعات نشان داده است که تولید و ظهور هیدروژن در مرکز قاره‌ها و در میان سازندهای زمین‌شناسی پوشاننده بستر کراتونی نیز آشکارمی شود (شکل 1). غلظت H2 می‌تواند حتی در شرایط طبیعی یکسان از جایی به جای دیگر بسیار متغیر باشد. تولید هیدروژن سفید با اکسیداسیون Fe2 + در مواد معدنی اولیه به Fe3 + مرتبط است که در مواد معدنی تازه تشکیل‌شده توزیع می‌شود، که منجر به کاهش کمی آب می‌شود. افیولیت گوشته با سیستم‌های گرمابی گرمایی در ارتباط هستند. این سیستم‌ها که به‌عنوان نتیجه سرپنتینیزاسیون دمای پایین افیولیت تفسیر می‌شوند، در ارتباط با این منابع، انتشار H2 در حالت گازی یا محلول و معدنی‌شدن کربنات دیده می‌شود. مایعات ناشی از این منابع به طور سیستماتیک منشأ آسمانی (شهابی) دارند. سرپنتینیزاسیون یک فرایند طبیعی است که مواد معدنی فرومگنزی مانند الیوین را به سرپانتین تبدیل می‌کند و آب با pH بسیار بالا و گازهای غنی‌شده در متان (CH4) و هیدروژن (H2) تولید می‌کند. نشت گاز در نقاط مختلف در پیوند با رسوب‌گذاری رسوبات کربناته دیده می‌شود. این گازها مخلوطی از H2-N2-CH4 هستند که در آب چشمه‌های اولترابازیک (pH ~ 10-11 با دمای بین 30 تا 40 درجه سانتی‌گراد) نفوذ می‌کنند. در نزدیکی منطقه فرو‌رانش افیولیت‌ها، با کاهش محتوای H2، محتوای N2 افزایش می‌یابد. مقادیر ایزوتوپی H2 و CH4 با مقادیر کلاسیک در چشمه‌های با pH بالا در توده‌های افیولیتی مطابقت دارد. منشأ پیشنهادی برای توضیح این انتشار H2 فرایند اکسیداسیون (Fe II) موجود در سنگ‌های افیولیتیک و کاهش آب موجود در سیستم شکستگی افیولیت‌هاست. وجود ایزوتوپ CH4 نشانگر منشأ غیرزنده این گاز است. اگرچه در برخی مناطق، به دلیل نسبت بالای C1 / C2 (بین پنج هزار تا 13 هزار)، متان به‌عنوان نتیجه متانوژنز میکروبی با واکنش بین H2 و کربن معدنی موجود در زیر سطح تفسیر می‌شود. در فاز گازی، این احتمال نیز وجود دارد که ترکیب گاز ناشی از متانوژنز میکروبی هیدروژنوتروفیک در فاز آبی و به دنبال آن گاز‌دهی باشد. پیش‌سازهای اکسید مبتنی بر آهن تحت سولفید هیدروژن منجر به تشکیل H2 و پیریت FeS2 در قسمت بالای پوسته قاره تا ژرفای 12 کیلومتر و گرادیان حرارتی 30 درجه سانتی‌گراد می‌شود. از آنجا که پوسته را می‌توان به‌عنوان یک سیستم نیمه‌باز برای جنبش گازی در نظر گرفت، فشار جزئی هیدروژن کمتر با نشت H2، ممکن است سبب پیدایش آن در سطوح عمیق‌تری شود. سرد‌شدن آهسته پوسته قاره‌ای در گذر زمان در منطقه کراتونیک نیز با افزایش واکنش‌های پیریتاسیون گرمازا سازگار است. تکمیل چرخه آهن تا فرایند اکسیداسیون معکوس توسط سرپنتینیزاسیون نشان داده می‌شود. کمینه میزان جریان تولید دی هیدروژن در روش‌های گوناگون برای پریدوتیت‌ها در بازه 70 تا 150 m3/km2 در روز و بیش از 1300 m3/km2 بر روز در سنگ‌های پروتروزوییک بالایی است. در بخش‌‌هایی مانند حمل‌ونقل در فواصل زیاد، تولید فولاد، آهن و مواد شیمیایی که تعداد راه‌حل‌‌های کمی برای کربن‌زدایی وجود دارد، هیدروژن می‌تواند یک گزینه مناسب باشد. هیدروژن و سوخت‌های هیدروژنی می‌توانند ابزاری برای انتقال انرژی تجدید‌پذیر از مناطق غنی از منابع تجدیدپذیر در طول هزاران کیلومتر به مناطق و شهرهایی با نیاز روزافزون انرژی باشند. هیدروژن یک حامل انرژی است که می‌تواند از منابع مختلف انرژی از‌جمله گاز، زغال سنگ، نفت، انرژی‌های تجدیدپذیر و انرژی هسته‌‌ای تولید شود. همچنین می‌تواند به مواد اولیه صنایع شیمیایی تبدیل شود یا با CO2 ترکیب شود و برای سوخت‌های هیدروکربنی سنتزی در بخش حمل‌ونقل استفاده شود. با وجود‌ این فرصت‌‌ها امروزه استفاده از هیدروژن در بخش انرژی تا حد زیادی به بخش پالایش، و تولید آمونیاک و متانول در صنایع شیمیایی محدود می‌شود. تقاضای هیدروژن جهانی در سال 2019 بالغ بر MtH2 75 یا Mtoe 215 بوده است. هیدروژن عمدتا از طریق سوخت فسیلی (بدون CCUS) و به‌ویژه از گاز طبیعی تولید می‌شود. بر‌اساس سناریوی توسعه پایدار با افزایش تقاضای جهانی که در سال 2070 تا هفت برابر افزایش ‌می‌‌یابد و به Mt 520 می‌‌رسد، این وضعیت تغییر می‌کند و در آینده هیدروژن عمدتا از طریق الکتریسیته تولید خواهد شد (شکل ‌2). از آنجا که استفاده از آن هیچ انتشار گازهای گلخانه‌ای ایجاد نمی‌کند، از هیدروژن سفید به‌عنوان یک منبع مهم و تجدیدپذیر انرژی پاک یاد می‌شود. اگر‌چه تا به امروز، در مناطق و کشورهایی مانند مالی، استرالیای جنوبی، فرانسه و ایالات متحده ذخایری از هیدروژن سفید کشف شده است؛ با این حال از نظر فنی، در دسترس بودن و استخراج آن هنوز نامشخص و دشوار می‌نماید. اهمیت و نقش روزافزون دستیابی به ذخایر نوین انرژی به دور از آلاینده‌های کربنی از رویکرد‌های جامعه جهانی و اسناد چشم‌انداز سازمان ملل متحد در مقابله با انتشار گاز‌های گلخانه‌ای است.

از این میان حتی در منطقه خاورمیانه با انباشت بالای ذخایر هیدروکربوری، دستیابی به ذخایر احتمالی هیدروژن، به‌ویژه هیدروژن سفید (با سرچشمه زمین‌شناختی) از اهمیت بسیاری برخوردار شده است و در‌این‌میان پیش‌از‌این کشورهایی مانند عربستان سعودی و عمان دیرزمانی است که پروژه‌های موفق بین‌المللی را در دست اجرا دارند. از‌این‌رو پر بیراه نیست اگر در این رقابت جهانی با توجه به کنوانسیون‌های بین‌المللی آب‌و‌هوایی و افق چشم‌انداز انرژی و تجارت جهانی به دور از کربن در دهه پیش‌رو، انجام بهنگام این‌گونه مطالعات پیشران فناورانه و نقش آن در توسعه پایدار و تاب‌آوری صنعتی در بخش انرژی، صنایع فولاد و حمل‌ونقل به همت سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور و وزارت صمت در تدوین و دستور کار برنامه هفتم توسعه قرار گیرد. 

کتاب‌نگاری : واعظی، قاسمیان عزیزی و نظری، (1401). انرژی‌های زیستی و هیدروژنی...، پژوهشکده علوم زمین، 207 رویه.

 شابک: 7-07-5858-622-978