روش تولید هیدروژن از زغال‌سنگ: آیا این سوخت پاک است؟

غول انرژی، شرکت AGL از برنامه‌های خود برای تولید توان هیدروژنی در معدن زغال‌سنگ لوی یانگ آ رونمایی کرده است؛ اما چگونه می‌توان زغال‌سنگ را که اغلب تصور می‌شود تنها از کربن ساخته شده، به یک عنصر کاملا متفاوت یعنی هیدروژن تبدیل کرد؟

به زبان ساده، زغال‌سنگ ترکیبی از دو ماده است: ماده‌ی کربنی (بقایای گیاهان ماقبل تاریخ) و ماده‌ی معدنی (که از زمین به دست می‌آید). ماده‌ی کربنی ترکیبی از پنج عنصر اصلی کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و سولفور است.

می‌توانید فرآیند شکل‌گیری زغال‌سنگ را به شکل یک فرآیند از زیست‌توده (گیاهانی که اخیرا مرده‌اند) تا زغال چوب (تقریبا کربن خالص) در نظر بگیرید. به‌مرورزمان، اکسیژن و بخشی از هیدروژن جدا می‌شوند و کربن را به‌جا می‌گذارند.

بنابراین زغال قهوه‌ای نسبت به زغال سیاه هیدروژن بیشتری دارد، اگرچه بزرگ‌ترین تفاوت بین زغال‌‌سنگ قهوه‌ای و سیاه در مقادیر اکسیژن و کربن آن‌ها است.

 برای درک فرآیند تبدیل به گاز، در درجه‌ی اول باید فرآیند احتراق را درک کرد. احتراق یا سوختن یک فرآیند اکسایش کامل سوختی مثل زغال‌سنگ است و خروجی آن گرما و کربن‌دی اکسید است. کربن دی‌اکسید را بعدا نمی‌توان اکسید کرد؛ بنابراین یک محصول نهایی غیرقابل احتراق از فرآیند سوختن به شمار می‌رود.

بااین‌حال در فرآیند تبدیل به گاز، زغال‌سنگ کاملا اکسید نمی‌شود. بلکه با ترکیبی به نام عامل گازی واکنش می‌دهد. فرآیند تبدیل به گاز یک فرآیند گرماگیر است یعنی هیچ گرمایی تولید نمی‌کند. بلکه برعکس برای پیشرفت به گرما نیاز دارد. ازآنجاکه گاز به‌دست‌آمده کاملا اکسید نمی‌شود، به‌عنوان سوخت می‌توان آن را سوزاند.

حالا که مفاهیم کلیدی را درک کردید، روند کار را از ابتدا شرح می‌دهیم. فرآیند تولدی هیدروژن از زغال‌سنگ با اکسایش جزئی شروع می‌شود به این معنی که یعنی مقداری هوا به زغال‌سنگ اضافه می‌شود و از طریق احتراق به روش سنتی به تولید کربن‌دی اکسید می‌پردازد. گرچه هوا به‌اندازه‌ی کافی اضافه نشده اما این میزان برای سوختن زغال‌سنگ و تولید مقداری گرما برای واکنش تبدیل به گاز کافی است. اکسایش جزئی هم عامل تبدیل به گاز یعنی کربن‌دی‌اکسید را تولید می‌کند.

کربن‌دی اکسید با باقیمانده‌ی کربن موجود در زغال‌سنگ واکنش می‌دهد تا کربن مونواکسید را تولید کند (این واکنش هم گرماگیر است و برای پیشرفت به گرما نیاز دارد). تا این مرحله هنوز هیدروژنی تولید نشده است.

کربن مونواکسید یک جریان گازی است که با بخار واکنش می‌دهد و هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید تولید می‌کند. تا این مرحله مقداری هیدروژن به‌دست‌آمده است. سپس از هیدروژن می‌توان به‌منظور تولید برق باکیفیت روی یک سلول سوخت استفاده کرد، البته اگرچه برنامه‌ی مرکز لوی یانگ آ فشرده‌سازی هیدروژن و انتقال آن به ژاپن برای نمایش‌های المپیکی است.

دلیل اصلی این انتخاب اکسیژن بسیار بالای موجود در این نوع زغال‌سنگ است که ازنظر شیمیایی ثبات کمتری دارد و بنابراین تجزیه و شکستن آن در واکنش تبدیل به گاز آسان‌تر است. علاوه بر این، هیدروژن موجود در این نوع زغال‌سنگ مرغوب‌تر است.

هیدروژن تولیدشده به این روش، از نوع سوخت با نشر صفر نیست. کربن دی‌اکسید در واکنش‌های تجزیه‌ی گرمایی و احتراق آغاز می‌شود و محصول واکنش بین کربن دی‌اکسید و آب برای تولید هیدروژن هم است.

وقتی هیدروژن به‌عنوان سوخت مصرف می‌شود، تنها فرآورده‌ای که تولید می‌کند آب است. درنتیجه حداقل در مرحله‌ی مصرف یک سوخت تمیز با نشر صفر خواهد بود. تولید هیدروژن از زغال‌سنگ در یک تأسیسات بزرگ به معنی کنترل آلودگی است. کربن‌دی‌اکسید را هم می‌توان به شکلی بهینه از جریان گازی حذف کرد. تولید سوخت هیدروژنی در مقیاس کوچک برای مثال پشت یک خودرو در حال حاضر امکان‌پذیر نیست. حمل‌ونقل‌ جاده‌ای روزانه سطوح خطرناکی از آلاینده‌ها را وارد شهرها می‌کند.

فرآیندهای تبدیل به گاز که از سلول‌های سوخت هیدروژنی استفاده می‌کنند، بازدهی را در مقایسه با توان زغال‌سنگی افزایش می‌دهند. بااین‌حال، بسته به کاربرد نهایی هیدروژن و فرآیندهای حمل‌ونقل متعاقب آن، بهتر است بر اساس قراردادهای خروجی انرژی و بازدهی (و بنابراین نشر کربنی) از زغال‌سنگ برای تولید برق استفاده کرد. اما با گازی سازی زغال‌سنگ برای تولید هیدروژن، می‌توان برای آینده‌ی سوخت تمیز و توسعه‌ی بازار مشتری (ازجمله وسایل نقلیه با سوخت هیدروژنی) زیرساخت مورد نیاز را ایجاد کرد.

بر اساس پیش‌بینی‌ها، انرژی هیدروژنی یک روز با نشر آلودگی صفر به بازار عرضه خواهد شد. این سوخت را می‌توان به روش‌های مختلف از طریق تجزیه‌ی آب خالص تولید کرد (شامل تجزیه‌ی الکتریکی یا فناوری‌های خورشیدی و فوتوالکتروشیمیایی). با این‌که هنوز قیمت‌گذاری و کاربردهای مصرفی این سوخت مشخص نیست، اما مسیر خود را پیدا کرده است. به‌طورکلی بهبود توسعه‌ی اقتصاد هیدروژن از طریق زغال‌سنگ در زمان حاضر ایده‌ی سودمندی است.