راه حل تولید هیدروژن سبز

به طور کلی می توان از هیدروژن به دو صورت به عنوان سوخت استفاده کرد. می توان آن را برای تولید گرما سوزاند، یا می توان آن را به سلول سوختی هیدروژنی برای تولید برق وارد کرد. خبر خوب این است که وقتی هیدروژن آبی یا سبز تولید شد، کاربردهای مختلفی دارد:
حمل و نقل:هیدروژن در حال حاضر برای سوخت اتوبوس ها و سایر اشکال حمل و نقل عمومی، به ویژه در ژاپن استفاده می شود. همچنین می توان از آن برای تامین انرژی کامیون ها و قطارهای باری استفاده کرد، در حالی که سوخت های مبتنی بر هیدروژن مانند آمونیاک را می توان در حمل و نقل هوایی و کشتیرانی استفاده کرد. استفاده گسترده‌تر از هیدروژن برای تامین انرژی خودروها به ارزان‌تر شدن قیمت پیل‌های سوختی هیدروژنی و رایج‌تر شدن ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن بستگی دارد.

تولید برق:هیدروژن را می توان برای تبدیل منابع انرژی تجدید پذیر به سوختی استفاده کرد که سپس می تواند در فواصل طولانی ذخیره و حمل شود. همچنین می توان از هیدروژن و آمونیاک در توربین های گاز و نیروگاه های زغال سنگ برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای استفاده کرد.

گرمایش ساختمان:هیدروژن پتانسیل زیادی برای جایگزینی گاز طبیعی برای گرم کردن ساختمان‌های خانگی و تجاری از طریق زیرساخت‌های گاز طبیعی موجود دارد. دیگ های هیدروژنی و پیل های سوختی هیدروژنی خانگی نیاز به توسعه بیشتری دارند اما می توانند نقش مهمی در آینده ایفا کنند.

صنعت:هیدروژن در حال حاضر در طیف گسترده ای از فرآیندهای مهم صنعتی استفاده می شود. اینها شامل پالایش بنزین، تولید فولاد، تصفیه فلزات و تولید طیف وسیعی از مواد شیمیایی است.

بر خلاف هیدروژن خاکستری، هیدروژن سبز هم در مواد اولیه و هم از نظر منبع انرژی کاملاً تجدید پذیر است. برای مواد منبع، امروزه هیدروژن سبز معمولاً از آب از طریق فرآیندی به نام الکترولیز تولید می‌شود که از جریان الکتریکی برای تقسیم آب به مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کند. این کار با استفاده از دستگاهی به نام الکترولیز انجام می شود که از کاتد و آند (الکترودهای دارای بار مثبت و منفی) استفاده می کند. این فرآیند فقط اکسیژن – یا بخار – را به عنوان یک محصول جانبی تولید می کند. در مورد تامین انرژی، برای واجد شرایط بودن به عنوان "هیدروژن سبز"، منبع الکتریسیته مورد استفاده برای الکترولیز باید از انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی باد یا خورشیدی باشد.

سه نوع اصلی الکترولیز وجود دارد:قلیایی، غشای تبادل پروتون (PEM) و اکسید جامد. اینها در ماهیت مواد الکترولیت مورد استفاده متفاوت هستند. الکترولیزهای قلیایی از محلول آبی با نمک قلیایی مانند برای فعال کردن هدایت الکتریکی استفاده می کنند، در حالی که الکترولیزهای PEM از یک غشای پلیمری جامد (الکترولیت) استفاده می کنند. الکترولیزهای اکسید جامد از مواد سرامیکی جامد به عنوان الکترولیت استفاده می کنند که آنها را قادر می سازد با راندمان الکتریکی بالاتر و دماهای بسیار بالاتر کار کنند. این امکان استفاده از بخار و گرمای خارجی را به عنوان منابع انرژی به جای تکیه بر برق فراهم می کند. بنابراین، الکترولیز اکسید جامد هزینه عملیات را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، زیرا گرما معمولاً هزینه کمتری دارد و گاهی اوقات به طور طبیعی به عنوان محصول جانبی فرآیندهای صنعتی خاص تولید می شود.

سال ها پیش، هیدروژن تنها به عنوان راه حلی برای تکامل وسایل نقلیه سبزتر دیده می شد. همانطور که وسایل نقلیه الکتریکی کشش بیشتری به دست آورده اند، هیدروژن به طور فزاینده ای به عنوان راه حلی برای سایر صنایع دیده می شود.

تقاضا برای هیدروژن همچنان در حال افزایش است زیرا استفاده از آن در صنایع صنعتی و تولیدی برای اهداف مختلف از جمله پالایش نفت، فولادسازی و تولید سیمان گسترش می یابد. با این حال، با افزایش محبوبیت هیدروژن، نمی توان اهمیت هیدروژن سبز را نادیده گرفت. به طور نگران کننده ای، 98 درصد هیدروژن از سوخت های فسیلی ساخته شده است که هیچ کنترل یا مقرراتی برای انتشار دی اکسید کربن وجود ندارد. اما هیدروژن سبز این پتانسیل را دارد که آن را برای همیشه تغییر دهد.

از دود تولید کارخانه های تجاری گرفته تا دود اگزوز خودروهای بنزینی و دیزلی، تولید هیدروژن سبز نیاز به منابع انرژی سوخت فسیلی را که مقادیر زیادی دی اکسید کربن را در هوا آزاد می کنند، کاهش می دهد یا از بین می برد. در صنعت مرکز داده، همانطور که سیستم های ذخیره سازی هیدروژن را توسعه می دهند، می توان از آن به جای ژنراتورهای پشتیبان دیزلی برای انرژی دادن به مراکز داده آینده استفاده کرد. در نتیجه، مزایای هیدروژن سبز فراوان است و به دولت‌ها و سازمان‌ها اجازه می‌دهد امنیت انرژی ملی را تقویت کنند، سوخت را حفظ کنند، انتشار کلی را کاهش دهند و گزینه‌های انرژی حمل‌ونقل را از خودروها به سیستم‌های حمل‌ونقل عمومی گسترده متنوع کنند.

فناوری هیدروژن سبز نمی توانست در زمان بهتری معرفی شود. اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده پیش بینی می کند که تقاضای جهانی انرژی تا سال 2050 تا 47 درصد افزایش یابد. تنها راه برای جبران این تقاضا در قالب تولید انرژی نفت و زغال سنگ، اتخاذ روش های سبزتر مانند هیدروژن سبز است.

و به لطف پیشرفت‌های تکنولوژیکی که اساساً تولید هیدروژن را کربن زدایی کرده است، بسیاری از شرکت‌ها به جایگزین‌های کربنی روی می‌آورند که از هیدروژن سبز برای کاهش ردپای کربن خود و رسیدن به اهداف تهاجمی ESG استفاده می‌کنند.

فرآیند تولید هیدروژن سبز با مزایایی همراه است. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) بیان می‌کند که هیدروژن سبز در مقایسه با زمانی که گاز با استفاده از روش‌های سنتی سوخت فسیلی تولید می‌شود، سالانه 830 میلیون تن دی‌اکسید کربن ساطع می‌کند. این معادل مجموع انتشار یک سال از بریتانیا و اندونزی است!

درست مانند هر فناوری جدید، با فراگیر شدن رونق هیدروژن سبز، چالش هایی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. برخی از مسائلی که باید در نظر گرفته شوند شامل کارایی فرآیند و هزینه های تولید در مقیاس بزرگ، علاوه بر ایجاد راه حل های ذخیره سازی تحت فشار طولانی مدت است. جدای از چالش‌ها، هیدروژن سبز یک فناوری جدید هیجان‌انگیز است که می‌تواند به تعادل بین تولید انرژی سبز در مقیاس بزرگ کمک کند.

بخش بزرگی از دور شدن از سوخت‌های فسیلی شامل برق‌رسانی به برخی از ماشین‌های روزمره است که از نفت و گاز استفاده می‌کنیم – مثلاً اتومبیل‌ها و حمل‌ونقل محلی و گرمایش خانه‌ها در برخی کشورها. برای کسانی که قبلاً برق دارند، مانند رایانه ها و لوازم خانگی، برق هسته ای و انرژی های تجدیدپذیر مانند باد و خورشید جایگزین زغال سنگ می شوند.

اما برخی از صنایع هستند که به قدری به انرژی نیاز دارند که انرژی های تجدیدپذیر سنتی نمی توانند نیاز آنها را برآورده کنند. این یک مشکل است، زیرا این صنایع جزو بزرگترین تولیدکنندگان گازهای گلخانه ای هستند.

اینجاست که کارشناسان می گویند هیدروژن سبز پتانسیل بسیار زیادی دارد.
یک تحلیلگر انرژی در موسسه انرژی گفت: "الکتریسیته از منابعی مانند باد، خورشید و هسته ای برای کربن زدایی سیستم انرژی ما ضروری است - اما به تنهایی نمی تواند این کار را انجام دهد، و حمل و نقل طولانی مدت و صنایع سنگین خانه سخت ترین آلاینده ها برای کاهش هستند." آژانس بین المللی انرژی

رم به سی ان ان گفت: «هیدروژن به اندازه کافی همه کاره است تا برخی از این شکاف های حیاتی را پر کند – در تأمین مواد اولیه حیاتی برای صنایع شیمیایی و فولاد یا مواد ضروری برای سوخت های کم کربن برای هواپیماها و کشتی ها».

به عنوان مثال، کار با یک هواپیما یا یک کشتی بزرگ به انرژی زیادی نیاز دارد که هر باتری مورد استفاده برای ذخیره برق خورشیدی یا باد احتمالاً برای کشتی بسیار بزرگ و سنگین است. از طرف دیگر، هیدروژن سبز می تواند به شکل مایع باشد و سبک تر است. به گفته ایرباس، که در حال توسعه یک هواپیمای تجاری با آلایندگی صفر است، چگالی انرژی هیدروژن سبز سه برابر بیشتر از سوخت جت هایی است که امروزه استفاده می کنیم.

در حالی که هیدروژن سبز مایع کربن صفر منتشر می کند، محدودیت هایی دارد. هنگامی که در اتمسفر باز سوزانده می شود مقدار کمی اکسید نیتروژن آزاد می کند که یک گاز گلخانه ای قوی است. اگر هیدروژن از طریق پیل سوختی تغذیه شود، فقط آب و هوای گرم منتشر می کند.

برخی از هواپیماهای کوچک توانسته‌اند با پیل‌های سوختی هیدروژنی پرواز کنند، اگرچه این فناوری هنوز از نظر تجاری افزایش نیافته است.

در حال حاضر برای دستیابی به اهداف اقلیمی دست روی عرشه است. انتقال انرژی واقعاً به یک تقویت بزرگ نیاز دارد. هیدروژن می تواند سهم مهمی در این امر داشته باشد. همکاری برای استفاده موفقیت آمیز از هیدروژن ضروری است، به عنوان مثال، برای کمک به کاهش CO2 در صنعت، سوخت الکترونیکی برای هواپیما و استفاده در محیط ساخته شده. اما سرمایه گذاری لازم است و سوالاتی وجود دارد.

هیدروژن چیست؟
هیدروژن رایج ترین عنصر در جهان ماست. در شرایط عادی گازی است و ما از گاز هیدروژن (H2) صحبت می کنیم. هیدروژن همچنین سبک ترین گازی است که می شناسیم و بنابراین چگالی انرژی پایینی در واحد حجم (بر حسب متر مکعب) دارد. به ازای هر وزن (به کیلوگرم)، هیدروژن دارای چگالی انرژی بالا 120 مگاژول (MJ) در هر کیلوگرم است. این تقریباً سه برابر گاز طبیعی (45 مگا ژول در هر کیلوگرم) است. هیدروژن اغلب تحت فشار است. با این حال، فشار دادن (فشرده سازی) گاز هیدروژن نیز به انرژی لازم (حدود 10٪) نیاز دارد.

هیدروژن خاکستری و آبی چیست؟
تقریباً تمام هیدروژنی که در حال حاضر در سراسر جهان تولید می‌شود، به اصطلاح «هیدروژن خاکستری» است. تولید در حال حاضر از طریق Steam Methane Reforming (SMR) انجام می شود. در اینجا بخار فشار بالا (H2O) با گاز طبیعی (CH4) واکنش می دهد و در نتیجه هیدروژن (H2) و گاز گلخانه ای CO2 ایجاد می شود. در هلند، تقریباً 0.8 میلیون تن H2 از این طریق با استفاده از چهار میلیارد متر مکعب گاز طبیعی تولید می‌شود و تولید گاز CO2 معادل 12.5 میلیون تن می‌کند.
اصطلاح "هیدروژن آبی" یا "هیدروژن کم کربن" زمانی استفاده می شود که CO2 آزاد شده در فرآیند تولید هیدروژن خاکستری تا حد زیادی (80-90%) جذب و ذخیره شود. به این CCS: جذب و ذخیره کربن نیز می گویند. این می تواند در میدان های گازی خالی در زیر دریای شمال اتفاق بیفتد. در هیچ کجای دنیا هیدروژن آبی در مقیاس بزرگ تولید نمی شود.

هیدروژن سبز چیست؟
هیدروژن سبز، همچنین به عنوان "هیدروژن تجدید پذیر" شناخته می شود، هیدروژنی است که با انرژی پایدار تولید می شود. شناخته شده ترین الکترولیز است که در آن آب (H2O) از طریق الکتریسیته سبز به هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) تقسیم می شود. تعداد زیادی از احزاب در هلند در حال آزمایش با این الکترولیزهای مقیاس مگاوات هستند. هیدروژن همچنین در حین تبدیل زیست توده به گاز در دمای بالا آزاد می شود.

هیدروژن فیروزه چیست؟
هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی با استفاده از فن‌آوری به اصطلاح پیرولیز فلز مذاب، «هیدروژن فیروزه‌ای» یا «هیدروژن کم کربن» نامیده می‌شود. گاز طبیعی از یک فلز مذاب عبور می کند که گاز هیدروژن و همچنین کربن جامد آزاد می کند. دومی می تواند کاربرد مفیدی را برای مثال در تایرهای خودرو پیدا کند. این فناوری هنوز در مرحله آزمایشگاهی است و حداقل ده سال طول می کشد تا اولین کارخانه آزمایشی محقق شود.

تفاوت های اساسی دیگر بین آبی و سبز چیست؟
علاوه بر روش تولید، تعدادی تفاوت کلیدی دیگر نیز وجود دارد:
فقط هیدروژن سبز تولید شده از طریق الکترولیز تضمین می کند که مقادیر زیادی از برق پایدار تولید شده در دریا و خشکی می تواند به درستی در سیستم انرژی ما ادغام شود. فقط الکترولیز می تواند الکتریسیته را به طور انعطاف پذیر (در صورت نیاز) به هیدروژن تبدیل کند و سپس آن را ذخیره کند.
علاوه بر این، توسعه الکترولیز در مقیاس بزرگ به تامین تقاضای فزاینده برای الکتریسیته و در نتیجه تحریک رشد انرژی پایدار کمک خواهد کرد.
در کیفیت نیز تفاوت وجود دارد. هیدروژن سبز درجه خلوص بالاتری دارد و می تواند بلافاصله استفاده شود، مثلاً در پیل سوختی خودرو. هیدروژن آبی سطح خلوص کمتری دارد که برای کاربردهای صنعتی کافی است.
تولید هیدروژن آبی راهی برای کربن زدایی صنعت، یعنی کاهش CO2 در مقیاس بزرگ و با هزینه نسبتا کم است.

هیدروژن سفید از خاک منبع انرژی پاک آینده است؟
ما قبلاً هیدروژن خاکستری، آبی و سبز را می شناسیم، اما اکنون به نظر می رسد که هیدروژن سفید یا طبیعی نیز در دسترس است. که از خاک می آید، درست مانند گاز طبیعی. هنگامی که هیدروژن با اکسیژن سوزانده می شود، فقط آب آزاد می شود. هیدروژن سفید یک هیدروژن طبیعی از سطح زیرین است که اگر با الکترولیز آب با نیروی باد یا انرژی خورشیدی (سبز) ساخته شود، پتانسیل تبدیل شدن به یک منبع انرژی مهم در آینده را دارد.
پس از آن از خاکستر طبیعی یا زغال سنگ (خاکستری) ساخته نمی‌شود، حتی با گرفتن اولین CO2 (آبی). این گاز عمدتاً برای گرم کردن فرآیندها در صنایع شیمیایی و در تولید فولاد و کود استفاده می شود. در گذار از انرژی فسیلی به انرژی سبز، می تواند به عنوان یک بافر ذخیره الکتریسیته در دوره های بدون خورشید و باد عمل کند.

هیدروژن چه نقشی در انتقال انرژی دارد؟
در ترکیب انرژی فعلی ما، تقریباً 20٪ به صورت برق و 80٪ به صورت گاز طبیعی یا سوخت فسیلی مایع (بنزین، گازوئیل) تامین می شود. اهداف آب و هوایی ما در آینده نزدیک این وضعیت را به طور قابل توجهی تغییر خواهند داد. سهم برق تولید شده توسط نیروی باد و خورشید به شدت افزایش خواهد یافت. برای تعدادی از کاربردها مانند حمل و نقل سنگین، فرآیندهای با دمای بالا در صنعت و هوانوردی، یک راه حل الکتریکی خوب هنوز وجود ندارد و هنوز نیاز به یک گاز پایدار وجود دارد. در اینجا هیدروژن می تواند نقش مفیدی داشته باشد. علاوه بر این، هیدروژن به شکل ذخیره سازی در مقیاس بزرگ برای آن لحظاتی که بدون باد و ابری است، مهم است.

کدام کشورها نیز روی هیدروژن کار می کنند؟
کشورهایی مانند نروژ، استرالیا، مراکش، شیلی، عربستان سعودی، چین و ژاپن در زمینه هیدروژن سبز بسیار فعال هستند، عمدتاً به این دلیل که در دسترس بودن (بالقوه) قابل توجهی از انرژی تجدیدپذیر ارزان قیمت از باد، خورشید یا نیروی آبی برای تولید هیدروژن سبز وجود دارد. یک استثنا در این مورد، ژاپن است که تا حد زیادی به واردات برای تامین انرژی خود وابسته است و یک استراتژی برای واردات هیدروژن (سبز) در مقیاس بزرگ ایجاد کرده است. نقش کلیدی آن در توسعه فناوری نهفته است. هلند تا حدی به لطف دانش ما در مورد فناوری گاز و الکترولیز، پتانسیل بزرگ برای انرژی باد در دریای شمال و صنعت انرژی بر که نیاز به تعهد قوی به پایداری دارد، در موقعیت خوبی قرار دارد.

برای چه کاری از هیدروژن استفاده کنیم؟
هیدروژن برای صنعت فرآیند اهمیت ویژه ای دارد. در حال حاضر عمدتاً برای تولید کود استفاده می شود، اما در آینده می توان از آن برای فرآیندهای با دمای بالا مانند تولید فولاد استفاده کرد که در حال حاضر از گاز طبیعی یا زغال سنگ استفاده می شود. علاوه بر این، هیدروژن در تحرک نقش دارد، به عنوان مثال برای اتوبوس های بین شهری که باید مسافت های طولانی تری را طی کنند و رانندگی الکتریکی راه حلی نیست.

هیدروژن برای شهروندان چه معنایی دارد؟
در کوتاه مدت چیز زیادی مشهود نخواهد بود. به عنوان مثال، استفاده از هیدروژن در خانه ها در صورتی که اصلاً این اتفاق بیفتد، مدت ها دیر شده است. برای اکثر خانه ها، یک شبکه حرارتی جمعی یا یک پمپ حرارتی الکتریکی راه حل بهتری ارائه می دهد. در ترافیک، تعداد خودروهای هیدروژنی (در حال حاضر کمتر از صد) و تعداد ایستگاه های سوخت هیدروژن (در سال 2018: 3) به آرامی افزایش می یابد.

خطرات چیست؟
هیدروژن گازی بسیار سبک، بسیار قابل اشتعال است و در فشارهای تا 700 بار در تحرک استفاده می شود. درست مانند هر گاز دیگری، مهم است که هنگام تولید، حمل و نقل و استفاده با آن دقت کنید و آن را منحصراً به شرکت های حرفه ای بسپارید. اگر قرار است از هیدروژن در خطوط لوله گاز موجود استفاده شود، بررسی بیشتر چگونگی «رفتار» هیدروژن در عمل بسیار مهم است. هیدروژن سبک تر از گاز طبیعی است و می تواند راحت تر از شیرها و آب بند ها خارج شود.

TNO از نظر تحقیقات هیدروژن چه می کند؟
TNO یک سازمان مستقل است که تحقیقات کاربردی پیشرفته را انجام می دهد. تحقیقات آن در مورد هیدروژن بر تولید، زیرساخت و کاربردها (تبدیل و استفاده نهایی) متمرکز است. در سال 2020، TNO بیش از 50 پروژه مرتبط با این موضوعات را انجام داد. پیوندهای منتخبی از این پروژه ها را می توان در زیر (مورد 15) یافت.

توسعه هیدروژن سبز چقدر طول می کشد؟
حدود 230 پروژه الکترولیز بین سال‌های 2000 و 2018 با ظرفیت کل حدود 100 مگاوات (منبع: آژانس بین‌المللی انرژی 2019، آینده هیدروژن) وارد عملیات شدند. در سال 2020، ظرفیت نصب شده جهانی 200 مگاوات و تقریباً 2400 مگاوات تا پایان سال 2023 بود. این ارقام نشان می‌دهد که ما تازه شروع کرده‌ایم و نیاز به توسعه یک زنجیره تامین کاملاً جدید داریم.
ما به شرکت‌های جدید، تامین‌کنندگان جدید و تولیدکنندگان جدید برای توسعه مواد و قطعات برای سیستم‌های الکترولیز بزرگتر و نسل بعدی نیاز داریم. این یک فرصت طلایی برای صنعت فناوری پیشرفته هلند است. هدف اتحادیه اروپا نصب 40 گیگاوات ظرفیت الکترولیز در اتحادیه تا سال 2030 و 40 گیگاوات دیگر در شمال آفریقا است. دستیابی به این هدف ما را ملزم به سرعت بخشیدن به سرعت نوآوری فناوری و پروژه های واقعی می کند.

بزرگترین چالش های فنی ناشی از الکترولیز چیست؟
از نظر الکترولیز آب، در حال حاضر چهار فناوری (AEM، SOE، PEM و Alkaline) موجود است که هر کدام دارای مزایا، معایب و سطح بلوغ خاص خود هستند. به ویدیوی ما در مورد تولید هیدروژن با استفاده از الکترولیز (در یک پنجره یا برگه جدید باز می شود) نگاهی بیندازید (به یک وب سایت دیگر مراجعه می کند). برای هر چهار فناوری، سه چالش اصلی تحقیق عبارتند از:
برای کاهش هزینه های سرمایه ای مرتبط با سیستم
برای بهبود کارایی سیستم
برای غلبه بر موانع بر سر راه تولید در مقیاس بزرگ به طوری که ظرفیت تولید سالانه الکترولیزور در سراسر جهان تا سال 2030 به 30 گیگاوات برسد.

محصولات در تمام مناطق چین به فروش می رسد و به کشورهای سراسر جهان صادر می شود. آنها در بیش از 20 کشور و منطقه از جمله ایالات متحده، آلمان، مراکش، کنیا، عربستان سعودی، ویتنام، الجزایر، هند، تانزانیا و تایوان فروخته شده اند. با موفقیت شرکت های معروفی مانند هوافضای چین، پتروچاینا، گروه هسته ای چین، بی وای دی، جیولی تخصصی، تونی الکترونیک، گروه انرژی ژنگ و سایر شرکت های معروف را ارائه کرد. بسیاری از ایستگاه های هیدروژن هیدروژن هیدروژن سبز مانند Wulanchabu، Haikou، Hainan، Hainan Haikou، Yunnan Kunming و غیره پروژه های سبز و هیدروژن سازی را ارائه می دهند.