به گزارش تجارت نیوز، در سالهای اخیر، هیدروژن بیش از هر زمان دیگری به عنوان یکی از مهمترین گزینههای جایگزین سوختهای فسیلی مطرح شده است. بسیاری از دولتها و شرکتهای بزرگ انرژی، این عنصر را یکی از ستونهای اصلی تحقق اقتصاد کمکربن و دستیابی به اهداف انتشار خالص صفر (Net Zero) میدانند. برخلاف سوختهای فسیلی، استفاده از هیدروژن در پیلهای سوختی یا حتی احتراق مستقیم، دیاکسیدکربن تولید نمیکند و محصول نهایی آن تنها بخار آب است.
به همین دلیل، هیدروژن میتواند در بخشهایی مانند حملونقل سنگین، صنایع فولاد، سیمان، پتروشیمی، پالایشگاهها، نیروگاههای برق و حتی ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر نقش مهمی ایفا کند. با این حال، کارشناسان معتقدند آینده این سوخت تنها به تولید آن وابسته نیست؛ بلکه انتقال و ذخیرهسازی اقتصادی هیدروژن یکی از بزرگترین چالشهایی است که باید برای توسعه این صنعت برطرف شود.
در همین راستا، گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) با همکاری شرکت اکسونموبیل، مطالعهای جامع انجام دادهاند که نشان میدهد انتخاب بهترین روش انتقال هیدروژن به شرایط هر پروژه بستگی دارد و نمیتوان یک راهکار واحد را برای همه کشورها و مسیرهای حملونقل پیشنهاد کرد.
چرا حملونقل هیدروژن اینقدر دشوار است؟
هیدروژن سبکترین عنصر موجود در طبیعت است و همین ویژگی، انتقال آن را به کاری پیچیده تبدیل میکند.
چگالی انرژی هیدروژن در واحد حجم بسیار پایین است؛ به همین دلیل برای انتقال مقدار مشخصی انرژی، باید حجم بسیار زیادی از این گاز جابهجا شود. علاوه بر این، مولکولهای هیدروژن بسیار کوچک هستند و به راحتی میتوانند از بسیاری از مخازن و اتصالات نشت کنند. همین موضوع باعث شده طراحی مخازن مقاوم، ایمن و اقتصادی به یکی از مهمترین چالشهای صنعت هیدروژن تبدیل شود.
در مقایسه، انتقال سوختهای مایعی مانند بنزین یا گازوئیل بسیار سادهتر است؛ زیرا این سوختها چگالی انرژی بالاتری دارند و به تجهیزات پیچیده برای نگهداری نیاز ندارند.
کارشناسان تأکید میکنند اگر مشکل حملونقل هیدروژن حل نشود، این سوخت هرگز نخواهد توانست جایگاه واقعی خود را در اقتصاد جهانی انرژی به دست آورد.
تولید هیدروژن تنها نیمی از مسیر است
بخش بزرگی از تحقیقات سالهای اخیر بر تولید هیدروژن سبز متمرکز بوده است؛ هیدروژنی که از طریق الکترولیز آب و با استفاده از برق تولیدشده از انرژیهای تجدیدپذیر مانند خورشید و باد به دست میآید.
اما پژوهشگران MIT معتقدند حتی اگر تولید هیدروژن ارزان شود، بدون ایجاد زنجیرهای کارآمد برای ذخیرهسازی و انتقال، توسعه این صنعت با محدودیتهای جدی روبهرو خواهد شد.
زیرا محل تولید هیدروژن معمولاً با محل مصرف آن فاصله زیادی دارد و در بسیاری از موارد، انتقال آن باید در مسیرهای دریایی و بینقارهای انجام شود.
پژوهشگران MIT ابزار جدیدی برای انتخاب بهترین مسیر حمل هیدروژن ساختند
به منظور بررسی این چالش، پژوهشگران طرح ابتکاری انرژی MIT (MITEI) با حمایت مالی شرکت اکسونموبیل، پروژهای تحقیقاتی را آغاز کردند که نتیجه آن توسعه ابزاری با نام HyCAT (Hydrogen Carrier Analysis Tool) بود.
این سامانه به کاربران امکان میدهد هزینه اقتصادی و میزان انتشار گازهای گلخانهای روشهای مختلف حمل هیدروژن را با یکدیگر مقایسه کنند.
برخلاف بسیاری از مطالعات گذشته که تنها یک گزینه را به عنوان بهترین روش معرفی میکردند، این ابزار نشان میدهد پاسخ واحدی وجود ندارد و انتخاب بهترین مسیر به عواملی مانند فاصله حملونقل، هزینه انرژی، قیمت سرمایهگذاری، زیرساختهای موجود، قیمت برق و شدت انتشار کربن در هر کشور بستگی دارد.
پژوهشگران نتایج این تحقیق را در مجله علمی Fuel منتشر کردهاند.
ابزار HyCAT چگونه کار میکند؟
ابزار HyCAT تمام مراحل انتقال هیدروژن را از زمان خروج از محل تولید تا رسیدن به مصرفکننده نهایی بررسی میکند.
این سامانه هزینهها و میزان انتشار گازهای گلخانهای را در پنج مرحله اصلی محاسبه میکند؛ ابتدا هیدروژن به یک حامل مناسب تبدیل میشود، سپس در مخازن ذخیره میشود، از طریق کشتی یا سایر وسایل حملونقل انتقال مییابد، در مقصد دوباره ذخیره شده و در نهایت به گاز هیدروژن قابل استفاده تبدیل میشود.
کاربران میتوانند اطلاعات مربوط به قیمت انرژی، هزینه سرمایهگذاری، فاصله حملونقل، زیرساختهای موجود و بسیاری از پارامترهای دیگر را وارد کنند و نتیجهای متناسب با شرایط واقعی پروژه خود دریافت کنند.
به گفته پژوهشگران، این ابزار متنباز (Open Source) است و در آینده با ورود دادههای جدید بهروزرسانی خواهد شد.
تبدیل هیدروژن به مایع؛ راهکاری پرهزینه اما شناختهشده
یکی از روشهای متداول برای انتقال هیدروژن، تبدیل مستقیم آن به مایع است.
برای این کار باید دمای هیدروژن تا حدود منفی ۲۵۳ درجه سانتیگراد کاهش یابد؛ فرآیندی که انرژی بسیار زیادی مصرف میکند.
بر اساس نتایج این تحقیق، مایعسازی هیدروژن میتواند حدود یکسوم انرژی موجود در خود هیدروژن را مصرف کند.
علاوه بر این، اگر مخازن به اندازه کافی عایق نباشند، بخشی از هیدروژن دوباره تبخیر شده و از دست میرود.
با وجود این محدودیتها، مزیت این روش آن است که نیاز به واکنشهای شیمیایی ندارد و فناوری آن نسبتاً شناختهشده است.
حاملهای شیمیایی؛ راهکاری متفاوت برای انتقال هیدروژن
پژوهشگران علاوه بر هیدروژن مایع، سه نوع حامل شیمیایی را نیز بررسی کردند.
یکی از این گزینهها تولوئن است که میتواند هیدروژن را جذب کرده و پس از انتقال، دوباره آن را آزاد کند. با این حال، تولید تولوئن وابسته به صنایع نفت و گاز است و همین موضوع ردپای کربنی آن را افزایش میدهد.
گزینه دوم متان مصنوعی است که از واکنش هیدروژن با دیاکسیدکربن تولید میشود. این روش میتواند بخشی از دیاکسیدکربن موجود در جو را مصرف کند، اما در فرآیند تولید مقداری از هیدروژن نیز از بین میرود.
گزینه سوم آمونیاک است که از واکنش هیدروژن و نیتروژن به دست میآید. به گفته پژوهشگران، آمونیاک در حال حاضر امیدوارکنندهترین گزینه به شمار میرود؛ زیرا زیرساختهای حملونقل و ذخیرهسازی آن در بسیاری از کشورهای جهان از قبل وجود دارد. با این حال، فناوری آزادسازی دوباره هیدروژن از آمونیاک هنوز نیازمند توسعه بیشتر است.
چرا نمیتوان یک روش را برای همه کشورها پیشنهاد کرد؟
نتایج مطالعه MIT نشان میدهد انتخاب بهترین حامل هیدروژن به شرایط هر پروژه بستگی دارد.
ممکن است در یک کشور استفاده از آمونیاک کمهزینهترین گزینه باشد، اما در کشوری دیگر هیدروژن مایع یا متان مصنوعی عملکرد بهتری داشته باشد.
هزینه برق، فاصله حملونقل، قیمت ساخت تأسیسات، قیمت کشتیها، زیرساختهای موجود، شدت انتشار کربن و حتی قوانین زیستمحیطی، همگی در انتخاب بهترین گزینه نقش دارند.
به همین دلیل، پژوهشگران تأکید میکنند که سیاستگذاران نباید تنها بر نتایج یک مطالعه تکیه کنند، بلکه باید هر پروژه را به صورت مستقل ارزیابی کنند.
آینده اقتصاد هیدروژن به زیرساختهای انتقال وابسته است
طبق پیشبینی بسیاری از مؤسسات بینالمللی، سهم هیدروژن در سبد انرژی جهان طی دهههای آینده به شکل قابل توجهی افزایش خواهد یافت.
برای تحقق این هدف، تنها تولید هیدروژن سبز کافی نیست و باید شبکهای جهانی برای ذخیرهسازی، انتقال و توزیع این سوخت ایجاد شود.
پژوهشگران معتقدند ابزارهایی مانند HyCAT میتوانند به دولتها، شرکتهای انرژی و سرمایهگذاران کمک کنند تا پیش از اجرای پروژهها، اقتصادیترین و کمکربنترین مسیر انتقال هیدروژن را انتخاب کنند.
مطالعه جدید پژوهشگران MIT نشان میدهد بزرگترین مانع توسعه اقتصاد هیدروژن، تنها تولید این سوخت پاک نیست، بلکه انتقال و ذخیرهسازی اقتصادی آن نیز اهمیت تعیینکنندهای دارد. بررسی روشهای مختلف حمل هیدروژن، از مایعسازی مستقیم گرفته تا استفاده از حاملهایی مانند آمونیاک، متان مصنوعی و تولوئن، نشان میدهد هیچ گزینهای برای همه شرایط بهترین انتخاب نیست و هر پروژه باید بر اساس ویژگیهای فنی، اقتصادی و زیستمحیطی خود ارزیابی شود.
کارشناسان معتقدند اگر چالشهای حملونقل و ذخیرهسازی هیدروژن با فناوریهای نوین برطرف شود، این سوخت میتواند نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانهای، توسعه صنایع کمکربن و تأمین انرژی پاک در دهههای آینده ایفا کند و به یکی از ارکان اصلی گذار جهانی از سوختهای فسیلی تبدیل شود.
