جهان به دنبال منابع جدید و پاکی از انرژی است تا نیاز خود را به دور شدن از سوخت‌های کربنی و ادامه توسعه را تأمین کند. انرژی‌های بادی و خورشیدی در مقیاس بزرگ برای تأمین نیازهای برق نصب می‌شوند، اما این سیستم‌ها برای نیازهای صنعتی بزرگ برای حرارت و انرژی مناسب نیستند. اینجاست که هیدروژن وارد می‌شود.
هیدروژن یک روش بدون کربن برای تولید انرژی ارائه می‌دهد زیرا واکنش آن با آب می‌تواند برق و حرارت تولید کند، اما تنها آب به عنوان محصول جانبی تولید می‌شود. این سوخت که به وفور در دسترس است همچنین چگالی انرژی بالاتری نسبت به بنزین دارد، که آن را به یک حامل انرژی خوب تبدیل می‌کند.
هیدروژن همچنین می‌تواند در فرآیندهای صنعتی انرژی‌بر مانند پردازش فلزات جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. با تقاضای فعالیت صنعتی برای بیش از 40 درصد از مصرف انرژی جهان، با تغییر به هیدروژن به عنوان سوخت، می‌توانیم گام‌های بزرگی در کاهش انتشار کربن برداریم.
چالش‌های استفاده از هیدروژن
هیدروژن به عنوان یک گاز، چگالی انرژی حجمی پایین‌تری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد. این بدان معناست که برای ذخیره‌سازی و حمل و نقل، نیاز به فشرده‌سازی یا مایع‌سازی دارد. برای فشرده‌سازی، فشارها باید به 350-700 بار یا تا 700 برابر فشار اتمسفری استاندارد افزایش یابد. برعکس، مایع‌سازی به صورت برودتی انجام می‌شود - کاهش دما به منفی 423 فارنهایت (-253 درجه سانتی‌گراد).
هر دو این روش‌ها هزینه‌بر هستند. مگنوس بخ، معاون توسعه کسب و کار H2MOF، یک شرکت حمل و نقل هیدروژنی حالت جامد، یک مثال از یک اتوبوس هیدروژنی با مخزن 30 کیلوگرمی که نیاز به سوخت‌گیری روزانه دارد، ذکر کرد.
«استفاده از یک سیستم فشرده‌سازی با فشار بالا، اتوبوس سالانه 61,000 کیلووات‌ساعت برای فشرده‌سازی تنها، به هزینه تقریبی 11,000 دلار نیاز دارد. با مایع‌سازی برودتی در -253°C، مصرف انرژی به 159,000 کیلووات‌ساعت در سال افزایش پیدا می‌کند، که به مبلغ 30,000 دلار برای هر اتوبوس می‌رسد. برای ناوگان 100 اتوبوس که بر مصرف مایع هیدروژنی برودتی متکی است، این هزینه‌های انرژی می‌تواند به 3 میلیون دلار سالانه برسد»، بخ گفت.
نه تنها این روش‌ها هزینه‌بر هستند، بلکه انرژی‌بر نیز هستند چون تا 40 درصد از انرژی ذخیره‌شده در این فرآیندها از دست می‌رود. به همین دلیل، نیاز به روش‌های مؤثر از لحاظ هزینه و انرژی برای پیشرفت استفاده از هیدروژن داریم.
استفاده از مواد شبکه‌ای
مواد شبکه‌ای ساختارهای کریستالی هستند که با استفاده از بلوک‌های ساختمانی متصل شده با پیوندهای جامد ساخته شده‌اند. این‌ها شامل مواد مدرن مانند چارچوب‌های فلز-آلی (MOFs)، چارچوب‌های آلی همزم و چارچوب‌های آلی پیوندی هیدروژنی (HOFs) می‌شوند که همه به خاطر پوجبود به همراه ثبات شیمیایی و حرارتی شناخته می‌شوند.
«یک گرم تنها می‌تواند سطح داخلی معادل یک زمین فوتبال داشته باشد»، بخ به Interesting Engineering در یک ایمیل توضیح داد. «با استفاده از ساختار اتمی و مولکولی نانوپورها در این مواد، می‌توانیم توانایی جذب و ذخیره‌سازی مولکول‌های هیدروژن را نانو مهندسی کنیم.»
برای ذخیره‌سازی هیدروژن، با این حال، مواد باید تعادل دقیقی را بر قرار کند. پیوندها باید به اندازه کافی قوی باشند تا هیدروژن را به طور محکم بگیرند اما به اندازه کافی ضعیف باشند تا با مصرف انرژی کم آزاد شوند.
«با ترکیب نوآوری‌ها در مواد شبکه‌ای، نانونی، و سیستم‌های حرارتی، فناوری ما اجازه می‌دهد که هیدروژن با بهره‌وری انرژی در فشارهای پایین (کمتر از 100 بار) و دماهای نزدیک به دمای محیط ذخیره‌سازی شود»، بخ اضافه کرد.
حامل‌های هیدروژن مایع
اگرچه هیدروژن به عنوان جایگزین سوخت‌های فسیلی یاد می‌شود، دنیایی که امروز در آن زندگی می‌کنیم همچنین دارای زیرساخت‌های گسترده‌ای است که برای حمل‌ونقل سوخت‌های فسیلی ساخته شده است. اگرچه جایگزینی یک‌شبه سوخت‌های فسیلی بعید است، زمانی که اقتصاد در نهایت به هیدروژن و دیگر منابع انرژی پاک حرکت کند، زیرساخت‌های ساخته شده شامل واگن‌های نفتی، کامیون‌های نفتی، و خطوط لوله وسیع بیکار خواهند شد.
آیرتون انرژی، که مستقر در آلبرتا، کانادا است، یک راه حل ساده برای استفاده مجدد از این زیرساخت‌ها دارد - استفاده از یک حامل مشابه نفت برای ذخیره و حمل و نقل هیدروژن. این روش که به عنوان حامل هیدروژن آلی مایع (LOHC) شناخته می‌شود، از مایعی با پایه روغنی با چگالی ذخیره حجمی 55 کیلوگرم بر متر مکعب فعال استفاده می‌کند که قابل مقایسه با سوخت‌های فسیلی است.
وقتی به LOHC متصل می‌شود، هیدروژن می‌تواند در دمای و فشار اتاق ذخیره شود، که نیاز به سیستم‌های ذخیره‌سازی با فشار بالا یا برودتی را نفی می‌کند. این مسئله می‌تواند هزینه‌های ذخیره‌سازی و حمل و نقل هیدروژن را به طور قابل توجهی کاهش دهد، اما مهم‌تر از آن می‌تواند زیرساخت‌های سوخت فسیلی را برای تامین جهانی پاک و جدید به کار گیرد.
«امکان تولید گسترده هیدروژن پاک ستون فقرات آینده‌ای بدون انتشار خواهد بود، و ما معتقدیم که راه‌حل بی‌تعصبی صنعتی ما گامی در جهت صحیح برای دموکراتیزه کردن دسترسی به انرژی در سطح جهانی خواهد بود،» گفت ناتاشا كوستنيوك، موسس و مدیر عامل شرکت آیرتون انرژی در یک بیانیه خبری.
آیرتون انرژی با ATCO Gas، شرکت خدمات گاز طبیعی و تولید کننده هیدروژن در آمریکای شمالی، برای آزمایش فناوری خود همکاری کرده است.
HSL Technologies واقع در فرانسه نیز یک راه حل مایع برای ذخیره و حمل و نقل هیدروژن توسعه داده است. برخلاف آیرتون انرژی، این راه حل بر پایه سیلیکا و بنابراین غیر آلی است. این راه حل با نام Hydrosil از آب و سیلیکا ساخته شده و می‌توان آن را در یک واحد تولیدی ویژه با هیدروژن شارژ کرد.
«Hydrosil یک هیدرید سیلیکون با خواص منحصر به فرد است،» توضیح داد راواد حبر، هماهنگ کننده مهندسی در HSL به موسسه اروپایی نوآوری و فناوری (EIT). «ویسکوزیته پایین و حمل و نقل آسان در شرایط محیطی بازار هیدروژن را در سراسر جهان به صورت بی‌سابقه‌ای گسترده خواهد کرد.»
Hydrosil می‌تواند در دما و فشار معمولی در سراسر جهان حمل و نقل شود. هنگامی که نیاز به هیدروژن احساس شد، می‌تواند با اعمال حرارت در یک واحد انتشار هیدروژن بازیابی شود و برای کاربردهای مختلفی مانند راه آهن یا کشتیرانی استفاده شود. واحد انتشار می‌تواند بر روی وسیله نقلیه نصب شود و انتشار ایمن و ایمنی از هیدروژن را هنگام نیاز فراهم کند.
«این یک انقلاب در زمینه لجستیک و ذخیره‌سازی هیدروژن است، اما همچنین برای دنیای شیمیایی به عنوان یک فرآیند شیمیایی مانند هیدروژناسیون و دهیدروژناسیون که تاکنون انجام نشده است،» حبر اضافه کرد.
در حالی که پیشرفت‌هایی در حمل و نقل هیدروژن ایمن و انرژی‌کارآمد به وجود آمده است، کل تمرین بی‌فایده خواهد بود اگر تولید هیدروژن پایدار نباشد. روش رایج‌تر تولید هیدروژن اصلاح بخار-متان است، جایی که هیدروژن با استفاده از بخار با دمای بالا از کربن در متان (CH4) جدا می‌شود.
تولید در پالایشگاه‌های نفتی انجام می‌شود جایی که گاز طبیعی به عنوان منبع متان استفاده می‌شود و کربن مونوکسید و دی‌اکسید کربن به عنوان محصولات جانبی تولید می‌شوند.
تولید هیدروژن سبز
یک روش تولید جایگزین الکترولیزورهایی است که می‌توانند مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن شکاف دهند. یک الکترولیزور می‌تواند با انرژی تجدیدپذیر تغذیه شود، که تولید هیدروژن بدون آلودگی را ممکن می‌سازد.
در حالی که این روش از سال‌ها پیش وجود داشته است، هزینه‌های تولید هیدروژن سبز بسیار بالاتر از تولید هیدروژن با اصلاح هستند. استارتاپ‌هایی در سراسر جهان اکنون به دنبال کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز از طریق نوآوری در فناوری الکترولیزور هستند.
Oort Energy واقع در بریستول، انگلستان، یک الکترولیزور با اسمبل الکترود غشایی (MEA) جدید و پوشش صفحه دو قطبی برای افزایش کارایی در تولید هیدروژن سبز استفاده می‌کند. شرکت از الکترولیز پلیمری استفاده می‌کند تا هزینه‌ها را کاهش دهد و فناوری خود را در مقیاس صنعتی 250 کیلوواتی نشان داده است. اکنون به ساخت الکترولیزورها با مقیاس 1-10 مگاوات مشغول است که می‌توانند برای پشتیبانی از حمل و نقل پاک، بخش انرژی تجدیدپذیر، و هم‌سطح کردن شبکه‌ها در آینده به کار گرفته شوند.
Evoloh مستقر در کالیفرنیا در حال کار بر روی افزایش تولید هیدروژن سبز با ارائه واحدهای پرقدرت الکترولیزور است. هر کدام از ماژول‌های آن می‌توانند تا 50 مگاوات انرژی تولید کنند در حالی که خطر تأخیر و افزایش هزینه را کاهش می‌دهند. با پشته‌های پرقدرت هیدروژنی، کشورها می‌توانند از زنجیره‌های تامین محلی خود اطمینان حاصل کنند در حالی که تولید هیدروژن سبز را افزایش می‌دهند.
«با استفاده تنها از زنجیره‌های تأمین محلی برای مواد خام کالایی، پردازش سریع رول به رول، و طراحی پشته با بیشترین تراکم قدرت در صنعت، EVOLOH می‌تواند در چند هفته تولید کند آنچه که دیگر تولیدکنندگان الکترولیزور برای تأمین چند ماه صرف می‌کنند،» جیمی روخاس، مؤسس و مدیر عامل EVOLOH در یک بیانیه خبری گفت.
این استارتاپ‌ها، همراه با دیگرانی که در این حوزه فعالیت می‌کنند، در حال ساخت آینده‌ای هستند که در آن جهان از هیدروژن پاک و بدون کربن قدرت می‌گیرد. ما در آستانه عصر جدیدی در انرژی هستیم و ممکن است در دهه‌های آینده اقتصادی با انرژی پاک را ببینیم.
