آینده سوخت هیدروژن؛ موانع و فرصت‌ها

هیدروژن ظرفیت تبدیل‌شدن به یکی از حامل‌های انرژی مهم در سیستم انرژی پاک و مکمل انرژی برق را دارد؛ اما این حامل انرژی برای انجام نقش خود در ابتدا باید بر موانع بسیاری غلبه کند. براساس گزارش اخیر آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، هیدروژن هرگز از علاقه‌ی بین‌المللی و چندجانبه بزرگ، حتی با پیشرفت‌های چشمگیر اخیر در سایر فناوری‌های انرژی پاک مانند باتری‌ها و انرژی‌های تجدیدپذیر برخوردار نبوده است.

طبق گفته‌های آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، هیدروژن می‌تواند به‌عنوان بخش مهمی برای کاهش آلایندگی در نظر گرفته شود. برنامه‌هایی که برخی دولت‌ها با هدف کاهش آلایندگی اعلام کرده‌اند، توجه ویژه‌ای را به بخش‌هایی معطوف می‌کند که در آن، برق حامل انرژی اصلی نیست. چنین بخش‌هایی شامل حمل‌و‌نقل هوایی، کشتی‌رانی، آهن و فولاد، تولید مواد شیمیایی، گرمایش صنعتی با درجه حرارت بالا، حمل‌و‌نقل جاده‌ای در مسیرهای طولانی و گرمایش ساختمان‌ها می‌شود. براساس اعلام آژانس بین‌المللی انرژی، ممکن است هیدروژن حامل انرژی بهتری باشد.

هیدروژن  می‌تواند منافع دیگری مثل مبارزه با آلودگی هوا و تسهیل تبدیل انرژی پاک داشته باشد. تولید جهانی هیدروژن خالص در حدود ۷۰ میلیون تن در سال است و ۴۵ میلیون تن دیگر هم درقالب مخلوط با گازها تولید می‌شود. از هیدروژن خالص عمدتا در پالایش نفت و تولید آمونیاک برای کود و از هیدروژن مخلوط با سایر گازها برای تولید متانول و فولاد استفاده می‌شود. هیدروژن خالص هنوز به‌عنوان سوخت به کار گرفته نمی‌شود.

هیدروژن می‌تواند به‌طور مستقیم با آب در روش الکترولیز تولید شود؛ اما در شرایط فعلی تقریبا تمام هیدروژن، از اصلاح بخار یا گازی‌سازی زغال‌سنگ تولید می‌شود. الکترولیز راهی مناسب برای تبدیل برق پاک حاصل از خورشید و باد و سایر منابع تجدیدپذیر به هیدروژن است. در مقابل، اصلاح بخار و گازی‌سازی، هر دو فرایندی متمرکز بر انرژی هستند که مقدار زیادی دی‌اکسیدکربن تولید می‌کنند. تولید هیدروژن خالص ۶ درصد از مصرف گاز طبیعی و ۲ درصد از زغال‌سنگ را شامل می‌شود. تولید حدود ۸۳۰ میلیون تن گاز آلاینده دی‌اکسیدکربن در سال، برابر با مجموع آلاینده‌های اندونزی و انگلستان تخمین زده شده است.

در سیستم انرژی پاک آینده، هیدروژن و برق می‌توانند حامل‌های انرژی مکمل باشند؛ زیرا برق می‌تواند به‌راحتی به هیدروژن تبدیل شود. بنابراین، هیدروژن می‌تواند به حل مشکلات تولید برق متناوب تجدیدپذیر کمک کند.

آژانس بین‌المللی انرژی در این زمینه می‌گوید:

از آنجا که هیدروژن می‌تواند در بخش‌های مختلف ذخیره و استفاده شود، تبدیل برق به هیدروژن می‌تواند از نظر زمانی و جغرافیایی به عرضه و تقاضای متغیر انرژی منطبق باشد. بدون وجود هیدروژن، سیستم انرژی پاک برقی بیشتر می‌تواند مبتنی بر جریان باشد. سیستم‌های انرژی مبتنی بر جریان باید با عرضه و تقاضای لحظه‌ای در سطح گسترده مطابقت داشته باشد.این سیستم‌ها ممکن است به اختلال در منبع و جریان موجودی، آسیب‌پذیر باشند.

با توجه به مزایای بالقوه برای بسیاری از گروه‌های مختلف، جای تعجب نیست که ائتلاف گسترده‌ای از هیدروژن حمایت کنند. هیدروژن می‌تواند ارتباطی مؤثر بین گروه‌هایی که اهداف غیرمشترک دارند مثل شرکت‌های تولیدکننده‌ی فرآورده‌های نفتی و صنایع انرژی تجدیدپذیر یا حامیان محیط زیست و کشورهای صادرکننده نفت ایجاد کند. اما برای رسیدن به این هدف، مشکلات زیادی در حوزه‌ی تولید، پخش و ذخیره‌سازی هیدروژن وجود دارد. 

هیدروژن عنصری فراوان، اما بسیار واکنش‌پذیر است که به‌صورت آزاد موجود نیست و اغلب به اتم‌های اکسیژن و کربن وابستگی دارد. رام گوپتا، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه ویرجینیا کامن‌ولث می‌گوید:

برای به‌دست‌آوردن هیدروژن از ترکیبات طبیعی، باید انرژی مصرف شود. بنابراین، هیدروژن باید به‌عنوان یک حامل‌ انرژی درنظر گرفته شود.

مولکول‌های هیدروژن کوچک، سبک، بسیار واکنش‌پذیر با سایر عناصر، بسیار اشتعال‌پذیر هستند و در مقایسه با گاز طبیعی (متان) با شعله‌ی داغ‌تری می‌سوزند.ایمنی اهمیت بالایی دارید؛ زیرا هیدروژن به‌آسانی نشت می‌کند منفجر می‌شود. تراکم هیدروژن کمتر از هوا است، بنابراین به‌سرعت منتشر و خطر انفجار بیشتر می‌شود.

واکنش‌پذیری هیدروژن مشکلات بیشتری به‌همراه دارد؛ زیرا به فولاد نفوذ می‌کند و باعث ایجاد نقص در خطوط لوله می‌شود؛ مگر اینکه فولاد گران‌قیمت و با کیفیت خاص در این صنعت استفاده شود. با این‌ حال، بزرگ‌ترین مشکلات به چگالی انرژی بسیار کم هیدروژن در مقایسه با سوخت‌های معمولی مانند گاز طبیعی یا بنزین مربوط‌ است. از نظر جرم، هیدروژن بیشترین مقدار انرژی را در مقایسه با سوخت‌های دیگر دارد. براساس وزن، هر کیلوگرم هیدروژن تقریبا سه برابر انرژی بیشتری از هر کیلوگرم بنزین خواهد داشت.

با وجود این، هیدروژن از نظر حجمی، انرژی کمتری در مقایسه با سایر سوخت‌ها دارد. اگر هیدروژن به‌عنوان گاز ذخیره شود، به مخزنی حدود سه هزار برابر حجم مخزن بنزین نیاز دارد که حاوی همان مقدار انرژی باشد. بنابراین، استفاده از هیدروژن خالص فقط در صورتی عملی است که آن را برای افزایش تراکم انرژی، فشرده یا حتی مایع کنیم.

البته حتی در حالت نهایت تراکم مایع، انرژی هر مترمکعب هیدروژن حدودا یک‌چهارم انرژی هر مترمکعب بنزین است. فشرده‌سازی یا مایع‌سازی هیدروژن نیز بسیار گران‌تر از گاز طبیعی است و انرژی بیشتر هم نیاز دارد. ازاین‌رو، تراکم انرژی پایین مانع اصلی استفاده از هیدروژن در خودرو و حتی صنایع دیگر خواهد بود. طبق آمار آژانس بین‌المللی انرژی، تنها ۱۱ هزار خودرو هیدروژنی در جاده‌ها تردد می‌کنند؛ در حالی‌ که ۲۰ هزار دستگاه لیفتراک در انبارها و گمرک‌ها استفاده می‌شود.

قیمت دی‌اکسیدکربن

الکترولیز، گازی‌سازی و اصلاح بخار، دلیل اصلی محبوبیت هیدروژن درنگاه گروه‌های مختلف و برخی کشورها است. آژانس بین‌المللی انرژی چند شیوه‌ی عملی را پیشنهاد کرده که در آن، امکان استفاده از هیدروژن با پشتیبانی دولت‌ها افزایش می‌یابد؛ از جمله این روش‌ها می‌توان به ترکیب هیدروژن با غلظت‌های پایین به خطوط گاز طبیعی اشاره کرد.

اگر مسئله‌ی سیاست قیمت‌گذاری و جریمه روی آلاینده‌ها حل شود، هیدروژن روشی پذیرفتنی برای سیستم انرژی پاک‌تر است؛ هرچند با فناوری‌های دیگر باید رقابت کند که ممکن است ارزان‌تر و کارآمدتر باشند. اگر مسئله‌ی قیمت و جریمه روی آلاینده‌ها حل‌نشده باقی بماند، به احتمال زیاد هیدروژن برای استفاده‌ی گسترده در صنایع مختلف همچنان گران‌قیمت باقی خواهد ماند.