آشنايى با طرح مفهومى جديد ميدركس براى حفاظت از محيط‌‌‎‎‎‎ زيست؛
“ميدركس هيدروژنى” راه مؤثر براى توليدDRI با كمترين هزينه؛
قسمت دوم

هیدروژن”سبز”

تکنولوژی دیگر برای تولید H2 الکترولیز است که از برق برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کند. الکترولیز آب ۴ درصد از تولید جهانی هیدروژن را تشکیل می‌دهد. از آنجا که این مولکول‌های هیدروژن از آب و نه هیدروکربن‌ها ایجاد می‌شوند، این روش می‌تواند “سبز” تلقی گردد. اما، دو مشکل برای استفاده از آن در اقتصاد هیدروژنی وجود دارد: ۱) در اکثر کشورها، برق عمدتا با سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود، بنابراین اثرات کلی بزرگ CO2 باقی‌می‌ماند و ۲) هزینه هیدروژن برای بسیاری از کاربردها با توجه به قیمت‌های متداول برق خیلی زیاد است (حدود دو برابر هزینه هیدروژن از مبدل‌های بخاری).

در سال ۲۰۱۶، وزارت انرژی آمریکا (DOE) ابتکار عمل را برای “پیشبرد تولید، حمل و نقل، ذخیره‌سازی و مصرف اقتصادی هیدروژن برای افزایش فرصت‌های درآمد در بخش‌های متنوع انرژی” معرفی کرد. کنسرسیوم DOE شامل دانشگاه‌ها، آزمایشگاه‌‌های ملی، صنعت و کانون‌‌های پروژه‌‌‌های تحقیق و توسعه و فراهم کردن فرصت‌‌های تامین بودجه است.

رویکرد کلی فقط تولید هیدروژن از منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند خورشیدی و بادی نیست، بلکه بیشتر استفاده از هیدروژن به عنوان پاسخی برای تولید نوسانی برق در مقابل تقاضا و افزایش استفاده از کلیه منابع انرژی از جمله زغال‌سنگ، گاز طبیعی، هسته‌ای و تجدیدپذیر است.

برای مثال، هیدروژن را می‌توان در مواقع تولید انرژی اضافی، تولید و ذخیره کرد (مثلا هنگامی که خورشید می‌درخشد و یا باد می‌وزد)، سپس در مواقع تقاضای بالای انرژی دوباره به انرژی تبدیل کرد. هیدروژن همچنین می‌تواند به مصرف‌کنندگان صنعتی، همچون تولیدکنندگان فولاد منتقل شود. این طرح واقع‌بینانه‌تر از تولید هیدروژن صرفاً از منابع انرژی تجدیدپذیر است.

زمینه‌‌‌های رشد زیادی برای هیدروژن سبز وجود دارد و حمل و نقل پیشرو است. استفاده از هیدروژن در وسایل نقلیه تجاری مانند اتوبوس‌‌ها، کامیون‌‌های (کوتاه‌برد) یا لیفتراک‌‌ها به سرعت در حال افزایش است.

خودروهای سواری هیدروژن‌سوز در مکان‌‌های منتخبی همانند کالیفرنیا در حال اثبات شدن هستند. اما، برقراری اتصال تولید متمرکز هیدروژن به ناوگان وسایل نقلیه سلولی سبک، نیاز به احداث زیرساخت توزیع پرهزینه برای توسعه بیشتر دارد. علاوه بر این، باید بر چالش تکنولوژیکی تأمین ایمن و ذخیره انرژی متراکم هیدروژن در ایستگاه‌‌های توزیع و روی وسیله نقلیه فائق آمد تا دامنه کافی بین پرکردن‌‌های مخزن را فراهم کند.

استفاده صنعتی از هیدروژن، مثلا در تولید آهن، مزیت محل ثابت و تقاضای زیاد را نشان می‌دهد. هیدروژن را می‌توان در محل مصرف آن تولید کرد یا از بیرون از کارخانه با هزینه زیرساخت قابل توجه کمتر به ازای هر واحد حجم گاز تامین کرد. کارخانه‌های فولاد همچنین توانایی یکپارچه‌سازی واحد تولید هیدروژن با سایر امکانات تولیدی موجود در سایت خود مانند واحد تولید بخار و سایر گازها را دارند.

از بین چالش‌‌های حمل و نقل، ذخیره‌سازی و مصرف هیدروژن، مورد علاقه اصلی مصرف‌کنندگان صنعتی تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ است.

چند تکنولوژی در سطوح مختلف آمادگی فنی برای تولید هیدروژن از آب وجود دارند. کاملترین آنها الکترولیزکننده قلیایی است. اما، غشای تبادل پروتون (PEM) در مرحله تجاری‌سازی قرار دارد و سلول الکترولیز اکسید جامد (SOEC) در مرحله اثبات شدن است. هزینه هیدروژن حاصل از این تکنولوژی‌‌ها در حال حاضر با SMR، حداقل با ضریب دو برابر قابل رقابت نیست.

شکل (۱) دیدگاه اقتصادی را نشان می‌دهد: با استفاده از برق ۰/۰۱ دلار به ازای هر kWh، هزینه هیدروژن تقریباً مشابه با مبدل بخار است (نوار دوم از سمت چپ در شکل (۱) را ببینید). پیشرفت‌‌های بیشتر تولید و تحقیق و توسعه می‌تواند حتی به هزینه سرمایه‌ای کمتر برای هیدروژن الکترولیتی منتج شود.

بدون‌شک، افزایش تولید، هزینه سرمایه‌ای این الکترولیزکننده‌ها را کاهش خواهد داد. کل ظرفیت نصب شده جهان به سرعت در حال رشد است: در سال ۲۰۱۷، DOE تخمین زد میزان فروش جهانی الکترولیزکننده‌ها MW 100 باشد.

امروزه الکترولیزکننده‌هایی در محدوده MW1 به صورت تجاری قابل دسترس هستند، اما الکترولیزکننده‌های با ظرفیت بزرگ در حال تحقق یافتن می‌باشند. برای مثال شرکت Voestalpine در حال راه‌اندازی یک واحدMW PEM  ۶ در اتریش است، و شرکت گازهای صنعتی AirLiquide در فوریه ۲۰۱۹ ساخت یک واحدPEM  MW 20 در کانادا را اعلام کرد.

در سال ۲۰۱۸، شرکت Nel (اسلو، نروژ) قرارداد ساخت GW1 ظرفیت بین شرکت Nikola Motor و بزرگترین کارخانه الکترولیزکننده قلیایی (MW 360) در نروژ را منعقد کرد.

تکنولوژی‌‌های فعلی منحصر به فردNm3/h  200~ گاز H2 به ازای هر MW تولید می‌کنند، گرچه ارقام بر اساس تکنولوژی متفاوت است، حجم‌‌های قابل تولید فعلی، ما را به سمت احتمال بسیار واقعی استفاده از H2 برای تولید آهن و فولاد سوق می‌دهد.

در حالی که افزایش اندازه کارخانه هزینه تولید را کاهش خواهد داد، افزایش مقیاس الکترولیزکننده به صرفه‌جویی قابل توجه ناشی از مقیاس همانند سایر تجهیزات صنعتی نمی‌انجامد.

افزایش مقیاس با تکثیر سلول‌‌ها و تنوره‌‌‌ها انجام می‌شود، نه با افزایش حجم آنها. کاهش در هزینه‌های سرمایه‌ای باید ناشی از بازدهی در تولید و انتخاب مواداولیه باشد. از طرف دیگر، این افزایش مقیاس خطی ریسک‌‌های فنی قابل توجه کمتری را در برمی‌گیرد.

جنبه دیگر کاهش هزینه، مربوط به هزینه برق است که بیشتر هزینه عملیاتی مربوط به الکترولیز، صرف‌نظر از تکنولوژی را تشکیل می‌دهد. شکل(۱) نشان می‌دهد که یک سنت به ازای هر kWh برای دستیابی به رقابت با SMR لازم است. هزینه برق بین کشور‌‌ها و حتی در داخل مناطق بسیار متفاوت است، اما به طور کلی در دوره‌‌‌های طولانی مدت با این قیمت قابل دسترس نیست.

هرچند قابل تصور است كه در مواقعی كه عرضه بسیار فراتر از تقاضا باشد، می‌توان برق ارزان را به طور متناوب تأمین نمود و از آن برای تولید هیدروژن استفاده كرد.

این موضوع خارج از محدوده این مقاله است، اما آژانس‌‌های ملی مانند DOE به دنبال موازنه کلی تکنولوژی‌‌ها (تجدیدپذیر، فسیلی و هسته‌ای) هستند تا بتوانند هم تاب‌آوری شبکه (برای مثال خاموشی) و هم برق با هزینه رقابتی را تأمین کنند.