هیدروژن سوختی پاک است که هنگام مصرف در پیل سوختی، تنها آب تولید می‌کند. از سوی دیگر، سوخت‌های فسیلی حاوی کربنی هستند که با اکسیژن واکنش و دی اکسید کربن تشکیل می‌دهد. اما میزان واقعی کربنِ هیدروژن به نحوه تولید آن بستگی دارد. از آنجا که این مولکول بسیار واکنش‌پذیر است، به ندرت به شکل خالص یافت می‌شود. برخی فرآیندها هیدروژن بدون انتشار تولید می‌کنند، در حالی که برخی دیگر مقادیر زیادی آلاینده را در جو آزاد می‌کنند. تخمین زده می‌شود که هیدروژن ۶ تا ۸ درصد از کل تقاضای انرژی را در سناریوی خالص انتشار کربن صفر برای سال ۲۰۵۰ تأمین خواهد کرد.
تقاضای جهانی هیدروژن در سال ۲۰۲۴ به ۱۰۰ میلیون تن رسید که در مقایسه با سال ۲۰۲۳، افزایشی ۳ درصدی را نشان می‌دهد. تقاضا همچنان در بخش پالایش و صنایع شیمیایی متمرکز است و عمدتاً توسط هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی بدون کاهش پوشش داده می‌شود. مانند سال‌های گذشته، هیدروژن کم‌آلاینده تنها نقش حاشیه‌ای داشت و تولید آن در سال ۲۰۲۴ کمتر از ۱ میلیون تن بود.
تعداد درخواست‌های ثبت اختراع در حیطه فناوری‌های مرتبط با هیدروژن در سال ۲۰۲۲، به میزان۴۷% افزایش یافته است که بیشتر این رشد مربوط به فناوری‌های ناشی از نگرانی‌های مربوط به تغییرات اقلیمی هستند. افزایش فعالیت در زمینه ثبت اختراع نشان می‌دهد که بودجه عمومی اضافی برای تحقیق و توسعه و افزایش اعتماد به فرصت‌های بازار آینده، وجود دارد که با سیاست‌های حمایتی پشتیبانی می‌شوند.
مصرف هیدروژن در صنعت در سال ۲۰۲۳ افزایش یافت و به ۵۴ میلیون تن رسید که عمدتاً در تولید آمونیاک، متانول و فولاد بود.
پاک‌ترین راه برای تولید هیدروژن، تجزیه مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن در فرآیندی به نام الکترولیز است. اگر هیدروژن تولید شده توسط برق از منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین شود، هیچ گونه انتشار گازهای گلخانه‌ای ایجاد نمی‌کند. به همین دلیل است که کارشناسان آن را هیدروژن “سبز” می‌نامند. اگرچه برنامه‌های زیادی در سراسر جهان برای تولید هیدروژن سبز در مقادیر زیاد وجود دارد، اما در حال حاضر منبع بسیار کمیابی است.
هزینه تولید هیدروژن از انرژی خورشیدی هیبریدی فتوولتائیک و باد ساحلی، و از باد فراساحلی در شکل زیر آمده است. همانطور که مشاهده می شود، ایران یکی از پتانسیل های بالقوه برای تولید ارزان قیمت هیدروژن سبز است.
هیدروژن را می‌توان از منابع متنوعی مانند گاز طبیعی، انرژی هسته‌ای، زیست‌توده و انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی تولید کرد. این ویژگی‌ها، آن را به گزینه‌ای جذاب برای سوخت در حمل و نقل و تولید برق تبدیل می‌کند. می‌توان از آن در خودروها و خانه‌ها برای انرژی قابل حمل و بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده کرد. هیدروژن یک حامل انرژی است که می‌تواند برای ذخیره، جابجایی و تحویل انرژی تولید شده از منابع دیگر استفاده شود. امروزه، سوخت هیدروژن را می‌توان از طریق چندین روش تولید کرد. رایج‌ترین روش‌ها، اصلاح بخار (یک فرآیند حرارتی) و الکترولیز هستند. سایر روش‌ها شامل فرآیندهای خورشیدی و بیولوژیکی می‌باشند.
فرآیندهای حرارتی برای تولید هیدروژن معمولاً شامل اصلاح بخار، فرآیندی با دمای بالا است که در آن بخار با یک سوخت هیدروکربنی واکنش می‌دهد تا هیدروژن تولید کند. بسیاری از سوخت‌های هیدروکربنی را می‌توان برای تولید هیدروژن اصلاح کرد، از جمله گاز طبیعی، دیزل، سوخت‌های مایع تجدیدپذیر، زغال سنگ گازی شده یا زیست‌توده گازی شده. امروزه حدود ۹۵ درصد از کل هیدروژن از اصلاح بخار گاز طبیعی تولید می‌شود.
فرآیندهای خورشیدی از نور به عنوان عامل تولید هیدروژن استفاده می‌کنند. چندین فرآیند خورشیدی از جمله فتوبیولوژیکی، فتوالکتروشیمیایی و ترموشیمیایی خورشیدی وجود دارد. فرآیندهای فتوبیولوژیکی از فعالیت فتوسنتزی طبیعی باکتری‌ها و جلبک‌های سبز برای تولید هیدروژن استفاده می‌کنند. فرآیندهای فتوالکتروشیمیایی از نیمه‌رساناهای تخصصی برای جداسازی آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کنند. تولید هیدروژن ترموشیمیایی خورشیدی از انرژی خورشیدی متمرکز برای هدایت واکنش‌های تجزیه آب اغلب همراه با گونه‌های دیگر مانند اکسیدهای فلزی استفاده می‌کند.
فرآیندهای بیولوژیکی از باکتری‌ها و ریزجلبک‌ها استفاده می‌کنند و می‌توانند از طریق واکنش‌های بیولوژیکی هیدروژن تولید کنند. در تبدیل زیست‌توده میکروبی، میکروب‌ها، مواد آلی مانند زیست‌توده یا فاضلاب را تجزیه می‌کنند تا هیدروژن تولید کنند، در حالی که در فرآیندهای فتوبیولوژیکی، میکروب‌ها از نور خورشید به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند.
هیدروژن نسبت به وزنش انرژی بسیار بالایی دارد، اما نسبت به حجمش انرژی بسیار کمی دارد، بنابراین برای ذخیره و انتقال آن به فناوری‌های جدیدی نیاز است.
انواع هیدروژن
هیدروژن سبز
هیدروژن سبز از منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند باد، خورشید و برق آبی) تولید می‌شود و الکترولیز آب، روش غالب تولید آن است. در این فرآیند، آب با استفاده از برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید، باد یا برق آبی به اکسیژن و هیدروژن تجزیه می‌شود. واکنش الکتروشیمیایی که در طول الکترولیز رخ می‌دهد را می‌توان با معادله زیر نشان داد:
مقدار ۶/۱۱۸ کیلوژول بر مول نشان دهنده حداقل انرژی مورد نیاز برای انجام الکترولیز آب است. «گرما» نیز به واکنش اضافه شد تا سناریویی را نشان دهد که در آن سهم انرژی از منابع تجدیدپذیر خارجی یا از برخی ویژگی‌های سیستم وجود دارد. راندمان فرآیند الکترولیز می‌تواند بسته به عوامل مختلفی از جمله فناوری مورد استفاده، خلوص آب، دما و فشار عملیاتی و همچنین منبع برق، به طور قابل توجهی متفاوت باشد. هیدروژن سبز تولید شده از منابع انرژی تجدیدپذیر، می‌تواند انتشار CO۲ را به میزان ۷/۲۱ کیلوگرم برای هر کیلوگرم جایگزین شده با هیدروژن خاکستری کاهش دهد. فناوری‌های الکترولیز شامل الکترولیز قلیایی، الکترولیز غشای تبادل پروتون و الکترولیز اکسید جامد است. الکترولیز قلیایی یکی از تثبیت‌شده‌ترین و پرکاربردترین فناوری‌ها است. در این روش، از یک محلول قلیایی، معمولاً هیدروکسید سدیم، به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. راندمان معمول الکترولیز قلیایی از ۶۰٪ تا ۸۰٪ متغیر است. سادگی طراحی و هزینه‌های عملیاتی نسبتاً پایین، این فناوری را به گزینه‌ای مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ تبدیل می‌کند.
از سوی دیگر، الکترولیز PEM از یک غشای تبادل پروتون استفاده می‌کند که امکان عبور یون‌های هیدروژن را فراهم می‌کند و در عین حال از جریان گازهایی مانند اکسیژن جلوگیری می‌کند. این فناوری چگالی توان بالاتر و پاسخ سریع‌تری به نوسانات بار الکتریکی ارائه می‌دهد و آن را برای ادغام با منابع تجدیدپذیر متناوب ایده‌آل می‌کند. با این حال، هزینه بالای مواد و پیچیدگی سیستم، پذیرش گسترده آن را محدود می‌کند. راندمان الکترولیز PEM معمولاً از ۷۰٪ فراتر می‌رود و در شرایط بهینه می‌تواند تا ۸۵٪ نیز برسد.
SOE یک فناوری نوظهور برای تولید هیدروژن سبز است که در دماهای بالا (۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد) کار می‌کند و به ویژه هنگام ادغام گرمای تلف شده از فرآیندهای صنعتی و راکتورهای هسته‌ای، به راندمانی بیش از ۹۰٪ دست می‌یابد. اگرچه SOE به دلیل استفاده از گرما، مزایای قابل توجهی از نظر راندمان و کاهش هزینه بالقوه ارائه می‌دهد، اما با چالش‌هایی مربوط به پیچیدگی سیستم و نیاز به موادی که بتوانند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند، مواجه است. در مقایسه با الکترولیز AE و PEM، SOE از نظر راندمان برتری دارد اما ممکن است در کاربردهایی که نیاز به پاسخ سریع دارند، انعطاف‌پذیری کمتری داشته باشد، جایی که فناوری PEM می‌درخشد.
فناوری‌های الکترولیز نوظهور، مانند الکترولیز انرژی خورشیدی متمرکز و الکترولیز غشای تبادل آنیون، راندمان‌های امیدوارکننده‌ای را برای تولید هیدروژن سبز نشان می‌دهند، اما هنوز با چالش‌های قابل توجهی روبرو هستند که مقیاس‌پذیری آنها را محدود می‌کند. الکترولیز CSP گرمای تولید شده از منابع خورشیدی متمرکز را مهار می‌کند. با این حال، به زیرساخت‌های پیشرفته و ادغام با سیستم‌های ذخیره انرژی متکی است که می‌تواند هزینه‌ها و پیچیدگی را برای پیاده‌سازی در مقیاس بزرگ افزایش دهد. از سوی دیگر، الکترولیز AEM که وابستگی کمتری به مواد گران‌قیمت مانند فلزات گرانبها دارد، هنوز در مراحل اولیه توسعه است و با چالش‌هایی مربوط به دوام مواد و راندمان فرآیند در شرایط عملیاتی متغیر مواجه است.
هیدروژن صورتی
هیدروژن صورتی نوعی هیدروژن است که از طریق الکترولیز آب تولید می‌شود و از انرژی هسته‌ای به عنوان منبع برق استفاده می‌کند. این رویکرد، تولید هیدروژن را با انرژی حاصل از نیروگاه‌های هسته‌ای ادغام می‌کند و جایگزینی کم‌کربن ارائه می‌دهد و به گذار به سمت یک سیستم انرژی پایدارتر کمک می‌کند. نیروگاه‌های هسته‌ای از طریق شکافت هسته‌ای برق تولید می‌کنند و مقدار قابل توجهی انرژی را بدون انتشار مستقیم گازهای گلخانه‌ای آزاد می‌کنند. سپس از برق تولید شده برای انجام الکترولیز آب استفاده می‌شود که در آن آب از طریق عبور جریان الکتریکی به هیدروژن گازی و اکسیژن گازی تجزیه می‌شود. این واکنش را می‌توان طبق معادله زیر نشان داد:
بازده الکترولیز معمولاً بسته به فناوری مورد استفاده از ۶۰٪ تا ۸۰٪ متغیر است و با بازده تولید انرژی نیروگاه‌های هسته‌ای که معمولاً از ۳۳٪ تا ۳۷٪ متغیر است، ترکیب می‌شود. بنابراین، تولید هیدروژن صورتی می‌تواند یک جایگزین رقابتی برای کاهش انتشار کربن، به ویژه در مناطقی که انرژی هسته‌ای منبع فراوانی است، ارائه دهد. مطالعات نشان می‌دهد که با به کارگیری فناوری‌های پیشرفته الکترولیز، مانند الکترولیز PEM، می‌توان بازده کلی فرآیند را بهینه کرد و در نتیجه تولید هیدروژن با کاهش اثرات زیست‌محیطی حاصل می‌شود.
با این حال، پذیرش هیدروژن صورتی با چالش‌های متعددی روبرو است. پذیرش عمومی انرژی هسته‌ای یک مسئله حیاتی است، زیرا بسیاری از شهروندان همچنان در مورد ایمنی، مدیریت پسماند و تأثیر زیست‌محیطی نیروگاه‌های هسته‌ای نگرانی‌هایی دارند. علاوه بر این، هزینه‌های بالای زیرساخت اولیه برای تأسیسات هسته‌ای و سیستم‌های الکترولیز ممکن است رقابت اقتصادی هیدروژن صورتی را در مقایسه با گزینه‌هایی مانند هیدروژن سبز محدود کند. مدیریت مؤثر پسماندهای هسته‌ای، که همچنان یک نگرانی مداوم است، نیز باید مورد توجه قرار گیرد تا از ماندگاری طولانی مدت این فناوری اطمینان حاصل شود.
هیدروژن خاکستری
هیدروژن خاکستری در درجه اول از طریق فرآیند اصلاح متان با بخار آب تولید می‌شود، یک روش ترموشیمیایی که متان را به هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند. این روش به دلیل اقتصادی بودن و فراوانی گاز طبیعی به عنوان منبع مواد اولیه، بیشترین کاربرد را در سطح جهان دارد. فرآیند اصلاح بخار آب، که تکنیک غالب است، در دو مرحله اصلی انجام می‌شود. ابتدا، متان در دماهای بالا (۷۰۰-۱۰۰۰ درجه سانتیگراد) در حضور کاتالیزور نیکل با بخار مخلوط می‌شود و منجر به تولید مونوکسید کربن و هیدروژن می‌شود، همانطور که در معادله (۳) نشان داده شده است:
متعاقباً، مونوکسید کربن تولید شده، واکنش اضافی (جابجایی) با بخار آب انجام می‌دهد که تولید هیدروژن و آزادسازی CO۲ را به حداکثر می‌رساند، همانطور که در معادله (۴) نشان داده شده است:
اگرچه این روش به دلیل فراوانی گاز طبیعی و زیرساخت‌های موجود از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است، اما مقادیر زیادی دی اکسید کربن تولید می‌کند که به طور قابل توجهی در انتشار گازهای گلخانه‌ای نقش دارد. تولید یک کیلوگرم هیدروژن خاکستری می‌تواند منجر به انتشار تا ۱۲ کیلوگرم CO۲ شود و نگرانی‌های اخلاقی و زیست‌محیطی را در مورد استفاده مداوم از آن ایجاد کند. در حالی که هیدروژن خاکستری یک راه حل کوتاه مدت برای تأمین تقاضای صنعتی است، وابستگی آن به سوخت‌های فسیلی و سهم آن در گرمایش جهانی، پایداری آن را زیر سوال می‌برد. در پاسخ به این چالش‌ها، جایگزین‌های پاک‌تری مانند هیدروژن آبی – که شامل فناوری‌های CCS است – در حال توسعه هستند.
هیدروژن آبی
هیدروژن آبی همچنین از طریق فرآیند اصلاح بخار تولید می‌شود. تمایز کلیدی بین هیدروژن آبی و هیدروژن خاکستری در پیاده‌سازی فناوری‌های CCS نهفته است که CO۲ را قبل از انتشار در جو جذب می‌کنند و آن را با خیال راحت در مخازن زمین‌شناسی عمیق مانند سفره‌های آب، میدان‌های نفتی و گازی تخلیه شده یا حتی بسترهای زغال سنگ غیرقابل استخراج ذخیره می‌کنند. علاوه بر این، هیدروژن آبی تنها ۱ کیلوگرم CO۲ به ازای هر کیلوگرم H۲ تولید شده تولید می‌کند که تقریباً ۸۳٪ کمتر از هیدروژن خاکستری است. این رویکرد نه تنها ردپای کربن مرتبط با تولید هیدروژن را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، بلکه به کاهش تغییرات اقلیمی نیز کمک می‌کند و هیدروژن آبی را به عنوان یک راه حل میانی مناسب در گذار به سمت یک ماتریس انرژی کم کربن قرار می‌دهد.
با این حال، اگرچه هیدروژن آبی مزایایی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ارائه می‌دهد، اما وابستگی آن به سوخت‌های فسیلی نگرانی‌هایی را در مورد پایداری بلندمدت آن ایجاد می‌کند. امکان‌سنجی اقتصادی و فنی زیرساخت‌های مورد نیاز برای جذب، حمل و نقل و ذخیره‌سازی ایمن CO۲ یک چالش مهم است. اثربخشی فناوری‌های CCS بسیار مهم است، زیرا جذب ناکافی CO۲ می‌تواند مزایای زیست‌محیطی هیدروژن آبی را تضعیف کند. علاوه بر این، برای اطمینان از ایمنی و اثربخشی فرآیند، باید در دسترس بودن مکان‌های ذخیره‌سازی زمین‌شناسی مناسب برای CO۲ در نظر گرفته شود. با وجود این محدودیت‌ها، هیدروژن آبی اغلب به عنوان یک جزء ضروری در مسیر کربن‌زدایی شناخته می‌شود و به عنوان پلی بین منابع هیدروژن مبتنی بر فسیل و روش‌های تولید پایدارتر، مانند هیدروژن سبز، عمل می‌کند.
هیدروژن فیروزه‌ای
هیدروژن فیروزه‌ای به دلیل پتانسیل آن برای ارائه جایگزینی پایدارتر در مقایسه با هیدروژن خاکستری و آبی، توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده است. تولید هیدروژن فیروزه‌ای شامل پیرولیز متان است، یک فرآیند ترموشیمیایی که در دماهای بالا (معمولاً بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد) رخ می‌دهد و منجر به تجزیه متان به H۲ و کربن جامد (C)، به جای CO۲ به عنوان یک محصول جانبی می‌شود، همانطور که در معادله (۵) نشان داده شده است:
این رویکرد نه تنها هیدروژن تولید می‌کند، بلکه کربن جامد نیز تولید می‌کند که می‌تواند در کاربردهای صنعتی مختلف مانند ساخت الکترودها، مواد کامپوزیتی و جذب و ذخیره‌سازی کربن مورد استفاده قرار گیرد. این روش به دلیل کارایی و پتانسیل آن در کاهش ردپای کربن مرتبط با تولید هیدروژن، مورد توجه قرار گرفته است. پیرولیز متان را می‌توان در راکتورهای بستر ثابت، بستر چرخان یا بستر سیال انجام داد که مورد دوم به دلیل بهبود انتقال حرارت و توزیع یکنواخت مواد، نویدبخش بوده و منجر به راندمان بالاتر فرآیند می‌شود. از نظر کارایی، پیرولیز متان مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد، نه تنها به این دلیل که می‌تواند از انرژی حرارتی منابع تجدیدپذیر استفاده کند، بلکه به این دلیل که بسته به شرایط عملیاتی و طراحی راکتور، می‌توان به راندمان تبدیل تا ۸۵٪ تا ۹۵٪ دست یافت.
مسیر بیولوژیکی تولید هیدروژن
تولید هیدروژن بیولوژیکی رویکردی امیدوارکننده به انرژی پایدار و تجدیدپذیر است که از میکروارگانیسم‌ها برای تبدیل مواد آلی به هیدروژن استفاده می‌کند. این فرآیند از واکنش‌های بیوشیمیایی طبیعی انجام شده توسط باکتری‌ها، جلبک‌ها یا سایر موجودات زنده استفاده می‌کند و اغلب از منابع انرژی مانند نور خورشید یا زباله‌های آلی استفاده می‌کند. مزیت کلیدی این مسیر، پتانسیل استفاده از پسماندهای کشاورزی و صنعتی است که باعث ایجاد یک اقتصاد چرخشی می‌شود. علاوه بر این، انتشار کم گازهای آلاینده و کاهش بالقوه هزینه‌ها از مزایای قابل توجه این فناوری است، به ویژه در مقایسه با روش‌های مرسوم تولید هیدروژن مانند اصلاح گاز طبیعی یا الکترولیز. اگرچه تولید بیولوژیکی امیدوارکننده است، اما هنوز با چالش‌های تکنولوژیکی و اقتصادی، از جمله راندمان پایین تبدیل و نیاز به بهینه‌سازی سیستم‌های کشت میکروارگانیسم مواجه است.
فتوسنتز فرآیندی است که در آن میکروارگانیسم‌های فتوتروفیک، مانند ریزجلبک‌ها و باکتری‌های فتوسنتزکننده، انرژی خورشیدی را برای تولید هیدروژن بیولوژیکی مهار می‌کنند. این ارگانیسم‌ها توانایی جذب نور خورشید و انجام فتولیز آب را دارند که منجر به آزاد شدن اکسیژن و پروتون می‌شود که از طریق عمل آنزیم هیدروژناز به هیدروژن مولکولی تبدیل می‌شوند، همانطور که در معادلات (۶) و (۷) نشان داده شده است.
برای مثال، ریزجلبک‌ها، حاوی آنزیمی به نام هیدروژناز هستند که تولید هیدروژن را در شرایط بی‌هوازی کاتالیز می‌کند. از سوی دیگر، باکتری‌های فتوسنتزکننده می‌توانند این تبدیل را در محیط‌های غنی از نور و فقیر از اکسیژن با استفاده از بسترهای آلی ساده انجام دهند. با وجود پتانسیل بالای آن، راندمان این فرآیند همچنان پایین است، که دلیل اصلی آن مهار تولید هیدروژن توسط اکسیژن تولید شده در طول فتوسنتز است. در نتیجه، تحقیقات فعلی بر پیشرفت مهندسی متابولیک این موجودات و توسعه فناوری‌هایی برای بهینه‌سازی بازده هیدروژن متمرکز شده است.
تخمیر یکی دیگر از مسیرهای بیولوژیکی برای تولید هیدروژن است که شامل تبدیل مواد آلی توسط میکروارگانیسم‌ها در محیط‌های بی‌هوازی می‌شود. پسماندهای کشاورزی مانند کاه و کود و محصولات جانبی صنعتی مانند ویناس، سرشار از مواد آلی هستند. باکتری‌های کلیدی تولیدکننده هیدروژن شامل کلستریدیوم، انتروباکتر و کلبسیلا هستند. در طول این فرآیند، باکتری‌های تخمیرکننده کربوهیدرات‌هایی مانند گلوکز را تجزیه می‌کنند و محصولات جانبی مانند اسیدهای آلی، دی‌اکسید کربن و هیدروژن مولکولی تولید می‌کنند. واکنش کلی برای تخمیر گلوکز برای تولید هیدروژن را می‌توان با معادله (۸) نشان داد.
اگرچه تخمیر نسبتاً ساده و در دسترس است، اما به دلیل رقابت با سایر محصولات جانبی، هیدروژن کمتری در مقایسه با سایر روش‌ها تولید می‌کند. تحقیقات فعلی بر افزایش راندمان و بازده با بهینه‌سازی پارامترهای کلیدی فرآیند، مانند دما، pH، غلظت سوبسترا و زمان ماند هیدرولیکی متمرکز است. علاوه بر این، تلاش‌ها به سمت انتخاب سویه‌های باکتریایی مانند Clostridium butyricum و Clostridium acetobutylicum که به دلیل ظرفیت بالای تولید هیدروژن و کارایی در استفاده از سوبستراهای متنوع شناخته شده‌اند، هدایت می‌شود.
نظرات کاربران