سوخت هیدروژن

سوخت موتور یک وسیله نقلیه می تواند آنقدر تمیز بسوزد که آب خروجی از موتور آن قابل مصرف باشد هیدروژن به عنوان مکانیزم ذخیره یک منبع پاک و پایدار به حساب می آید، وقتی در هوا می سوزد و انرژی ذخیره شده را آزاد می کند به سادگی با اکسیژن ترکیب می شود و دوباره آب تولید می کند.

هیدروژن سه برابر بیشتر از بنزین معمولی انرژی تولید میکند و سبک ترین عنصر و فراوان ترین عنصر در جهان است. هیدروژن همچنین در زیست توده طبیعی که شامل گیاهان و حیوانات می شود نیز یافت می شود. به همین دلیل به عنوان حامل انرژی محسوب می شود نه منبع انرژی.

منابع سوخت هیدروژن

96درصد هیدروژن امروزی مستقیماً از سوخت‌های فسیلی است يا عمدتاً گاز طبیعی و در رتبه ی بعد زغال‌سنگ و در آخر نفت ساخته میشود. همچنین هیدروژن از منابعی از جمله زیست توده و انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد ساخته می‌شود. این ویژگی آن را به یک گزینه مناسب برای کاربردهای حمل و نقل و تولید برق تبدیل می کند.

تولید سوخت هیدروژن

یکی از راه ‌های تولید هیدروژن، تبدیل گاز طبیعی توسط بخار است؛ که حاصل واکنش تعادلی متان و بخار هیدروژن منوکسید میباشد.

تولید هیدروژن ازمنابع تجدید پذیر به روش های زیر است:

فتوالکتروشیمیایی
مواد بیولوژیکی
بیوشیمیایی
ترموشیمیایی
ترمولیز آب
رادیولیز آب
مواد زیست توده
الکترولیز آب

تولید هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر به روش های زیر است:

مبدل گاز طبیعی تبدیل با بخار آب
هیدروژن حاصل از زغال سنگ خالص
مبدل گاز طبیعی تبدیل اوتو ترمال

کاربردهای سوخت هیدروژنی

بشریت سالانه حدود 70 میلیون تن هیدروژن تولید می کند که معمولا برای تولید کود آمونیاکی و مواد شیمیایی مانند متانول و حذف ناخالصی ها در طی پالایش نفت استفاده می شود. هواداران استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت پاک بر این عقیده اند که به زودی می‌تواند نقشی حیاتی در کربن زدایی در بخش‌هایی مانند کامیون‌ها، هوانوردی و صنایع سنگین ایفا کند.

صنعت برای چندین دهه به طور ایمن از هیدروژن در موارد زیر استفاده کرده است:

نفت
تصفیه شیشه
تولید نیمه هادی
کاربردهای هوافضا
تولید کود
جوشکاری، بازپخت و عملیات حرارتی فلزات
داروسازی
به عنوان خنک کننده در ژنراتورهای نیروگاهی
برای هیدروژناسیون اسیدهای چرب غیر اشباع در روغن نباتی

تشخیص انواع مختلف هیدروژن با استفاده از رنگ آن:

هیدروژن خاکستری: از سوخت های فسیلی با استفاده از اصلاح بخار تولید می شوند.
هیدروژن آبی: از سوخت های فسیلی استفاده می کند اما CO2 (کربن دی اکسید) را جذب و ذخیره می کند.
هیدروژن سبز: توسط الکترولیز آب تولید می شود که انرژی های تجدید پذیر را از بین می برد.

پیل های سوختی هیدروژنی

پیل های سوختی هیدروژنی الکتریسیته تولید می کنند.
سوختی شبیه یک باتری ک نیاز به ذخیره شارژ ندارد و تا موقعی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تامین شود، به کار ادامه خواهد داد.
پیل سوختی وسیله‌ای است که هیدروژن را با اکسیژن هوا در یک واکنش الکتروشیمیایی ترکیب می‌کند تا الکتریسیته تولید کند، که می‌تواند یک موتور الکتریکی را به حرکت درآورد و یک وسیله نقلیه را به حرکت درآورد.
پیل های سوختی دو برابر موتورهای احتراقی از نظر انرژی کارآمد هستند.
نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی):
استفاده در وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و …)
حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایل نقلیه عمومی: 9 تولیدکننده بزرگ خودرو در حال توسعه خودروهای پیل سوختی(FCV) هستند که از هیدروژن گازی نیرو می گیرند. در پیل سوختی خودروها، یک ابزار الکتروشیمیایی وجود دارد که هیدروژن (ذخیره شده در برد سیستم) و اکسیژن هوا را به الکتریسیته تبدیل کرده، موتور الکتریکی اتومبیل را به حرکت درآورده و توان آن را تأمین می‌کند.
صنایع نظامی: پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش ها و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند.

معایب و مزایای سوخت های هیدروژنی

مزایای پیل های سوختی هیدروژن

قابل تمدید و به راحتی در دسترس است:

هیدروژن یک عنصر اساسی زمین و بسیار فراوان است و علی رغم چالش هایی که بخاطر استخراج آن از آب است دارای منبع فراوان و تجدید پذیر است. که برای نیازهای آینده ما بدون کربن برای تامین انرژی و حرارت ترکیبی مناسب است.

2. آلایندگی تقریبا صفر:

زمانی که هیدروژن سوزانده می شود، مواد مضر منتشر نمی کند. اساساً بدون سوختن به اکسیژن واکنش نشان می دهد و انرژی آزاد شده را می توان برای تولید برق مورد استفاده برای به حرکت درآوردن موتور الکتریکی استفاده کرد.

3. قدرتمندتر و کارآمدتر از سوخت‌های فسیلی:

هیدروژن بالاترین محتوای انرژی از نظر وزن در بین هرسوخت معمولی را دارد هیدروژن گازی و مایع با فشار بالا حدود سه برابر چگالی انرژی گرانشی (حدود 120 مگاژول بر کیلوگرم) گازوئیل و LNG و چگالی انرژی حجمی مشابهی با گاز طبیعی دارند.

4. مصرف سوخت بهینه است:

در مقایسه با گازوئیل یا گاز، هیدروژن در مصرف سوخت بسیار کارآمدتر است، زیرا می تواند انرژی بیشتری به ازای هر پوند سوخت تولید کند.

پیل های سوختی هیدروژنی دو یا سه برابر احتراق معمولی راندمان دارند.

5. هیدروژن یک منبع انرژی پاک و انعطاف‌پذیر برای پشتیبانی از استراتژی‌های انرژی بدون کربن است:

پیل‌های سوختی هیدروژنی منبع انرژی ذاتاً پاکی را ارائه می دهند بدون هیچ تاثیر منفی محیطی چون محصولات جانبی ان آب و گرما است و نیاز به زمین های بزرگ ندارد.

6. زمان‌های شارژ سریع:

پیل های سوختی هیدروژن بسیار سریع شارژ میشود سلول های سوختی هیدروژنی را میشود در کمتر از پنج دقیقه شارژ کرد در صورتی که خودرو های الکترونیکی بین سی دقیقه تا چند ساعت برای شارژ زمان نیاز دارداز این نظر سوخت هیدروژنی شبیه به خودرو های موتور احتراق داخلی معمولی است .این به این معنی است که وسایل نقلیه هیدروژنی انعطاف پذیری مشابه خودرو های معمولی داردند.

7. ایده‌آل برای استفاده در مناطق دور افتاده:

در مناطق ذور افتاده که حمل و نقل سخت است در دسترس بودن سوخت هیدروژن اژ طریق تولید و ذخیره سازی محلی میتواند جایگزین برق و گرمایش مبتنی بر دیزل شو.د زیرا حمل و نقل را کاهش میدهد و یک سوخت غیر آلاینده که از منابع طبیعی به راحتی در دسترس است ،بهبود میبخشد.

8. بدون آلودگی صوتی:

خودرو های هیدروژنی مانند خودرو های الکترونیکی بسیار کم صدا تر از خودروهایی با موتور های احتراق داخلی معمولی است پیل‌های سوختی هیدروژنی مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند نیروی باد، آلودگی صوتی تولید نمی‌کنند.

9. بدون آلودگی بصری:

برخی از منابع انرژی کم کربن، از جمله انرژی باد و نیروگاه‌های سوخت زیستی می‌توانند چشم را آزار دهند، اما سلول‌های سوختی هیدروژنی نیازهای فضایی یکسانی ندارند، به این معنی که آلودگی بصری کمتری نیز وجود دارد.

معایب پیل های سوختی هیدروژن

استخراج هیدروژن:

با وجود اینکه هیدروژن فراوان ترین عنصر در کیهان است، به خودی خود وجود ندارد، بنابراین باید از آب از طریق الکترولیز استخراج شود یا از سوخت های فسیلی کربن جدا شود. هر دوی این فرآیندها برای دستیابی به مقدار قابل توجهی انرژی نیاز دارند. این انرژی می تواند بیشتر از انرژی بدست آمده از خود هیدروژن باشد و همچنین گران باشد. علاوه بر این، این استخراج معمولاً نیاز به استفاده از سوخت‌های فسیلی دارد که در غیاب CCS اعتبار سبز هیدروژن را تضعیف می‌کند.

هزینه مواد خام:

هزینه های پیل های سوختی هیدروژنی بخاطر استفاده از فلزات گرانبها مانند پلاتین و ایریدیوم که معمولاً به عنوان کاتالیزور در پیل‌های سوختی و برخی از انواع الکترولیز آب مورد نیاز هستند، می تواند بالا باشد اگر این هزینه های زیادبرای تولید پیل های سوختی کاهش یابد سوخت هیدروژن به منبع سوختی بینظری تبدیل می شود.

بسیار قابل اشتعال:

هیدروژن یک منبع سوخت بسیار قابل اشتعال است که نگرانی های ایمنی قابل درک را به همراه دارد. گاز هیدروژن در هوا در غلظت های بین 4 تا 75 درصد می سوزد.

کشورهای در حال توسعه و استفاده از سوخت هیدروژن

چین:

چین بیش از هر کشور دیگری هیدروژن مصرف و تولید می کند – مصرف سالانه آن در حال حاضر بیش از 24 میلیون تن است. بیشتر تولیدات این کشور هیدروژن خاکستری است، به این معنی که با استفاده از سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ تولید می شود، اما بیش از 30 پروژه شامل هیدروژن سبز – ایجاد شده با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر بدون آلایندگی – از سال 2019 راه اندازی شده است.

ایالات متحده

ایالات متحده دومین تولید کننده و مصرف کننده هیدروژن در جهان است و 13درصد از تقاضای جهانی را به خود اختصاص داده است.ایالاتی مانند کالیفرنیا از رشد بازار FCEV کشور برای بیش از یک دهه با ابتکاراتی مانند برنامه تخفیف خودروی پاک حمایت کردند. آمریکا تا سال 2020 در این زمینه پیشتاز جهان بود.

اتحادیه اروپا:

اروپا قصد دارد به رهبر صنعتی در هیدروژن پاک تبدیل شود اتحادیه اروپا در سال 2020با صدور استراتژی ملی هیدروژن هیدروژن را به عنوان یک فناوری کلیدی برای دستیابی به اهداف سیاستی مانند قرارداد سبز اروپا به رسمیت شناخته است.

استراتژی بلوک به شدت بر هیدروژن سبز بدون آلایندگی متمرکز است و هدف آن نصب 40 گیگاوات ظرفیت الکترولیز هیدروژن تجدیدپذیر تا سال 2030 است.

هندوستان:

نارندرا مودی، نخست وزیر هند در جریان راه اندازی ماموریت ملی هیدروژن این کشور در سال 2021 گفت که هیدروژن سبز می تواند به هند کمک کند تا سال 2047 یک “جهش کوانتومی” به سمت استقلال انرژی داشته باشد.

سیاست گذاران هندوستان در حال بررسی قوانینی هستند که پالایشگاه های نفت و کارخانه های کود شیمیایی را ملزم می کند از حداقل سهمیه هیدروژن سبز در فرآیندهای صنعتی خود استفاده کنند.

ژاپن:

بر اساس گزارش ایرنا اولین کشوری که استراتژی ملی هیدروژن را به عنوان بخشی از جاه طلبی خود برای تبدیل شدن به اولین جامعه هیدروژنی جهان استفاده ژاپن بوده است از سوخت در همه بخش ها تدوین کرد ژاپن بوده است.این کشور فاقد منابع طبیعی مورد نیاز برای استقرار سطوح کافی باد یا خورشید برای تولید هیدروژن پاک در مقیاس است، بنابراین در حال توسعه قراردادهای تامین بلندمدت برای واردات هیدروژن از خارج از کشور است.

کره جنوبی

نقشه راه هیدروژن 2019 کره جنوبی از هیدروژن پاک به عنوان محرک اصلی رشد اقتصادی و ایجاد شغل استقبال کرد. کره جنوبی در تلاش است که به دنبال تبدیل شدن به یک رهبر جهانی در تولید و استقرار FCEV و سلول‌های سوختی ثابت در مقیاس بزرگ برای تولید برق هیدروژنی است همچنین کره جنوبی طرح‌هایی برای تامین انرژی هیدروژن تا سال 2030 برای تامین 10 درصد از انرژی مورد نیاز شهرها، شهرستان‌ها و شهرستان‌ها در نظر گرفته شده است و سهم آن تا سال 2040 به 30 درصد افزایش می‌یابد تا اینکه تا اواسط قرن به بزرگترین حامل انرژی کشور تبدیل شود.

کشورهای دیگر

واردکنندگان خالص انرژی مانند شیلی در آمریکای جنوبی و کشورهای آفریقایی مانند مراکش و نامیبیا به عنوان صادرکنندگان هیدروژن سبز بدون آلایندگی در حال ظهور هستند. صادرکنندگان سوخت فسیلی مانند استرالیا، عمان، عربستان سعودی و امارات متحده عربی به دنبال پاکسازی هیدروژن برای کمک به تنوع بخشیدن به اقتصاد خود هستند.

چشم انداز اینده سوخت هیدروژنی

سیستم انرژی هیدروژنی به دلیل داشتن ویژگی هایی از جمله استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دایمی، پایدار، فناناپذیر، فراگیر و تجدیدپذیر وبا هدف تأمین امنیت ارائه انرژی، حفظ محیط زیست و ارتقاء کارایی سیستم انرژی، هیدروژن از الکتریسیته تولیدی از منابع تجدیدپذیر مانند باد، خورشید، زمین گرمایی و نظایر آن تولید شده و پس از ذخیره‌سازی و انتقال به محل‌های مصرف برای استفاده در امور مختلف از جمله تجهیزات الکترونیکی کوچک (میلی وات)، صنعت حمل و نقل و صنایع نیروگاهی قابل بکارگیری است.

بر اساس شواهد و ویژگی های هیدروژن بسیاری بر این باورند که سوخت نهایی بشر هیدروژن خواهد بود و در آینده نه چندان دور تولید و مصرف هیدروژن به عنوان حامل انرژی بر سراسر اقتصاد جهانی سرایت نموده و اقتصاد هیدروژنی تثبیت میشود و بشر عصر هیدروژن را تجربه خواهد کرد.