سوخت هیدروژنی، انرژی پاک دنیای آینده
 

وقت آن رسیده که از دوران خیزش هیدروژن در دنیای فناوری بیشترین بهره را ببریم و از پتانسیل این سبک ترین عنصر در جهان به عنوان یک منبع انرژی پایدارتر و ایمن تر استفاده کنیم.

هیدروژن می تواند در آینده جایگاه پاک ترین منبع تولید انرژی را از آن خود کند. در سال ۱۹۶۶ شرکت جنرال موتورز نخستین وسیله نقلیه خود را که سوختش از هیدروژن تأمین می شد ساخت. اما خودروی ون الکتریکی ساخت این شرکت به جای این که صنعت خودروسازی را متحول کند، از موزه سر درآورد. نیم قرن بعد، یعنی زمانی که ما در آن حضور داریم، هنوز منتظریم تا هیدروژن به قول خود علم کند و فناوری انرژی پاک را برایمان به ارمغان بیاورد.

آژانس بین المللی انرژی در گزارش جدیدی تحت عنوان «آینده هیدروژن: ربودن فرصت های امروز» که در نشست وزرای محیط زیست و انرژی کشورهای G20در ژاپن بازخوانی شد اعلام کرده است که تعداد سیاست ها و پروژه های مرتبط با هیدروژن در سراسر دنیا به طور افزون بالا می رود، اما هنوز چالش هایی وجود دارند که باید از سر راه برداشته شوند. هیدروژن تطبیق پذیری بالایی دارد و می تواند مشکلات بغرنج انرژی در جهان را حل کند. برای مثال این توانایی را دارد که از بخش هایی مثل حمل و نقل در مسافت های طولانی و تولید و مصرف مواد شیمیایی که کاهش انتشار آلاینده ها در آنها مشکل است کربن زدایی کند.

همچنین هیدروژن پتانسیل ذخیره انرژی حاصل از منابع تجدیدپذیر مانند صفحات خورشیدی فوتوولتائیک و باد را دارد تا بتواند پاسخ گوی نیاز جوامع باشد. به علاوه، می توان آن را به راحتی به حالت گاز از طریق لوله یا به حالت مایع از طریق کشتی به عنوان گاز طبیعی مایع حمل و نقل کرد.

علی رغم این مزایا، موانعی وجود دارند که مرحله گذار کشورهای دنیا به دوران مصرف گسترده هیدروژن به عنوان سوخت پاک را به تأخیر می اندازند. یکی از موانع این است که نمی تواند به حد مورد انتظار یک سوخت پاک تلقی شود، چون تولید سوخت از یک منبع انرژی کم کربن در حال حاضر کاری پرهزینه است. بنابراین تولید آن تقریباً به طور کامل از گاز طبیعی و ذغال سنگ تأمین می شود. انتشار گازهای آلاینده از این دو منبع هم به طور سالانه بسیار زیاد و معادل گازهای آلاینده ای است که انگلستان و اندونزی در مجموع به هوا می پراکنند.

آژانس بین المللی انرژی معتقد است که در گذشته چند شروع اشتباه برای مصرف هیدروژن صورت گرفته است. برای مثال، تمایل به بهره برداری از هیدروژن به عنوان منبع سوخت در دهه ۱۹۷۰ به سرعت افزایش یافت. این زمانی بود که کشورهای عربی عضو اوپک اعلام تحریم نفتی کردند. اما پیش از این که پیشرفتی در جایگزین شدن هیدروژن صورت گیرد، بازار نفت تعادل از دست رفته خود را بازیافت.

اما این بار گرایش به هیدروژن علت دیگری دارد و آن تلاش های جهانی در راستای کاهش انتشار گازهای کربنی است. تنوع کاربردی هیدروژن روز به روز دولت ها و شرکت های مختلف سراسر دنیا را در جایگزین کردن این منبع انرژی راغب تر می کند. کشورهایی که منابع انرژی را وارد و صادر می کنند، به علاوه تأمین کنندگان انرژی الکتریکی تجدیدپذیر، تولیدکنندگان گاز صنعتی، نیروگاه های

برق و گاز، کارخانه جات خودروسازی، شرکت های نفت و گاز، شرکت های بزرگ مهندسی و شهرها همه از این رویکرد پشتیبانی می کنند و حمایت همه این بخش ها همواره بیشتر می شود.

برای این که پروژه های هیدروژنی بیشتری رواج پیدا کنند، آژانس بین المللی انرژی ۷ توصیه به کشورها دارد. برای مثال دولت ها سیاست هایی اتخاذ کنند که تقاضا برای هیدروژن پاک در بازار جهانی بالا برود و نیز از پروژه های پژوهش و توسعه برای کاستن هزینه ها حمایت کنند.

وام های هدفمند و زمان بندی شده می توانند بخش خصوصی را در سرمایه گذاری برای هیدروژن تشویق کنند. تبدیل درگاه های صنعتی به هاب هایی که باعث کاهش هزینه ها شوند، کاستن هیدروژن کربنی و استفاده از زیرساخت های گازی موجود برای ایجاد ذخایر جدیدی از هیدروژن پاک، همچنین برقراری مسیرهای حمل و نقل آبی برای تجارت بین المللی هیدروژن و گسترش مسیرهای حمل و نقل زمینی به منظور رقابتی کردن وسایل نقلیه ای که با پیل های سوختی حرکت می کنند، از جمله استراتژی های دراز مدت در بهره برداری از هیدروژن هستند.

می گویند هیدروژن سوخت آینده است، اما عده ای این را یک شوخی تعبیر می کنند که البته می تواند نادرست باشد. چالش های مربوط به تغییرات آب و هوایی و رونق صنایع خورشیدی و بادی اهمیت هیدروژن را برجسته تر کرده و توجه دولت ها و بخش های تجاری غیر از صنایع خودروسازی را به سوی آن جلب می کنند.

بیشتر مقدار هیدروژنی که امروزه تولید می شود ناپاک است، اما فناوری لازم برای پاک سازی آن را در اختیار داریم. برای درک این که چگونه هیدروژن از میدان های بحث و مناظره و تبلیغات وارد میدان واقعیت می شود، باید از وضعیت حساسی که سیستم کنونی انرژی در جهان با آن مواجه است آگاهی داشته باشیم.

متأسفانه اکنون دنیا در حال فاصله گرفتن از اهداف پیمان پاریس در رابطه با تغییر اقلیم است که به هدف کاستن سریع گازهای گلخانه ای امضا شده است. برای دوباره معطوف کردن توجه جهانی به این موضوع، لازم است منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید سهم زیادی در ذخیره انرژی داشته باشند. اما مشکلاتی برای عملکرد بهینه و سریع تر این منابع وجود دارد؛ مقدار انرژی تولید شده از این منابع به شرایط آب و هوایی یا زمان روز و سال بستگی دارد. بنابراین، شاید در ساعتی که برق حاصل از منابع تجدیدپذیر مورد نیاز باشد، افراد خانه یا کارگران کارخانه آن را در اختیار نداشته باشند.

هیدروژن یکی از راه های ذخیره این انرژی متغیر است. البته گزینه های دیگری مانند باتری های لیتیوم ـ یون که برق مورد نیاز تلفن های هوشمند و خودروهای الکتریکی را تأمین می کنند هم وجود دارند، اما نمی توانند از لحاظ مقیاس و مقدار با هیدروژن رقابت کنند. به عنوان مثال، یک ساختمان تأسیساتی بزرگ ذخیره هیدروژن در تگزاس می تواند حدود ۱۰۰۰ برابر بیشتر از بزرگ ترین مجموعه نگهداری باتری های لیتیوم ـ یون که در جنوب استرالیا قرار دارد الکتریسیته ذخیره کند.

چندین کشور این هدف بلند پروازانه را دارند که تا سال ۲۰۳۰ وسایل نقلیه الکتریکی مبتنی بر پیل های سوختی را تولید کنند و در دسترس مردم قرار دهند. اما هیدروژن پاک بیش از راه انداختن موتور خودروهای الکتریکی کاربرد دارد. این سوخت جدید می تواند نیروی محرکه کامیون ها و کشتی ها را فراهم کند، علاوه بر این که یک ماده خام کلیدی برای پالایشگاه ها، تصفیه خانه ها، نیروگاه های شیمیایی و کارخانجات تولید فولاد به شمار می رود. هیچ کدام از این صنایع راه حل مناسبی برای جلوگیری از آلودگی که خودشان به هوا منتشر می کنند ندارند.

جای خوشبختی دارد که این بخش ها در حال تبدیل شدن به درگاه های صنعتی عمده هستند و این فرصت را فراهم می آورند که زیرساختارهای مشترکی برای چند بخش، مثلاً چند کارخانه یا تصفیه خانه ساخته شوند.

هیدروژن وعده صنایع پاک تر و تولید برق بدون آلاینده را می دهد. به دنبال تبدیل هیدروژن به انرژی تنها چیزی که باقی می ماند آب است و نه گازهای گلخانه ای. به علاوه، هیدروژن فراوان ترین مولکول در جهان است. البته نباید فراموش کرد که به حالت آزاد در زمین وجود ندارد و باید اول آن را تولید کنیم تا در مرحله بعد به مصرف برسانیم.

تولید هیدروژن به دنبال تجزیه آب به دو عنصر هیدروژن و اکسیژن با استفاده از الکتریسته تجدیدپذیر که از نیروی خورشید یا باد به دست می آید میسر است. اما روش ارزان تر استخراج آن از گاز طبیعی و ذغال سنگ است.

یکی از مهم ترین مسائل مطرح شده کنونی این است که متداول ترین راه برای تولید هیدروژن استفاده از سوخت های فسیلی است. مقدار هیدروژن استخراج شده از ذغال و گاز طبیعی برای مصارف صنعتی در طول یک سال در تئوری برای تأمین سوخت نیمی از خودروهای در حال تردد در سراسر جهان کافی خواهد بود.

اما این سوخت ها دی اکسید کربن متصاعد می کنند. همان طور که گفته شد تولید هیدروژن با استفاده از سوخت های فسیلی به اندازه مجموع گازهای گلخانه ای منتشر شده در دو کشور انگلستان و اندونزی گازهای گلخانه ای ایجاد می کند. پاک سازی این صنایع با گرفتن آلاینده های کربنی از هوا و ذخیره کردن آنها یا تجهیز صنایع با هیدروژن حاصل از منابع تجدیدپذیر کار دشواری است، اما در عین حال فرصت بزرگی جهت تأسیس یک صنعت هیدروژنی جهانی برای دنیای آینده است.

مشکل دیگر در تولید هیدروژن هزینه بالای آن است. هیدروژن حاصل از منابع تجدیدپذیر دو یا سه برابر گران تر از تولید آن از گاز طبیعی است اما با توجه به این که انرژی های بادی و خورشیدی ارزان تر شده اند، برخورداری از هیدروژن پاک بیشتر میسر می شود.

سوختی که کمک کرد بشر قدم به ماه بگذارد، هیدروژن به تنهایی نبود.

پیل های سوختی که ۵۰ سال پیش سوخت ماه نشین های مأموریت آپولو را تأمین کردند تابع همان اصل تولید الکتریسیته ای هستند که ما از دو قرن پیش می شناسیم. به عبارتی دیگر، با واکنش دادن هیدروژن و اکسیژن الکتریسیته تولید می کنیم و تنها ماده زاید و البته پاکی که به جا می ماند آب است.

آب ماده ای است که وجودش هم در زمین و هم در فضا برای انسان ها فایده و ضرورت دارد. ما در دنیای امروز نیازمند سوخت های قابل حملی غیر از نفت هستیم. هیدروژن چه در پیل های سوختی و چه در موتورهای درون سوز به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی یک گزینه سبز و پاک به شمار می رود. آلایندگی سوخت هیدروژنی در هنگام مصرف صفر درصد است، بنابراین می تواند راه حلی برای جلوگیری از آلودگی هوای شهرها باشد. در شمال انگلستان، پروژه H21که بزرگ ترین پروژه تولید انرژی پاک است، قرار است از سال ۲۰۲۸ به بعد منبع گاز خانگی ۷ر۳ میلیون خانوار را تبدیل به هیدروژن کند. برآورد شده است که تا سال ۲۰۵۰ هیدروژن، ۲۴ درصد از نیاز مردم سراسر اروپا به انرژی را تأمین خواهد کرد.

محدود کردن گرمایش زمین و رساندن آن به سطحی بی خطر یک چالش بزرگ است که فناوری های پیشرفته ای را می طلبد. کاربرد هیدروژن می تواند بخشی از راه حل برای مقابله با این پدیده تهدیدآمیز باشد.

گروهی از پژوهشگرهای آکادمی علوم چین به تازگی روشی ابداع کرده اند که طی آن می توانند با به کارگیری انرژی نوری، یعنی نور خورشید و نور مصنوعی و نیز زیست توده سوخت دیزل و هیدروژن تولید کنند.

زیست توده، شامل کاه و خاشاک کشاورزی و زایدات جنگلی، بزرگ ترین منبع ذخایر کربنی پایدار در طبیعت است و می تواند جایگزین منابع پتروشیمیایی برای تولید مقادیر زیادی محصولات ثانویه شود.

تجزیه زیست توده یا مشتقات آن به جای تجزیه فوتوکاتالیکی آب برای رسیدن به هیدروژن معمولاً استفاده از نور خورشید یا نور مصنوعی را در فرایند تبدیل بالاتر می برد؛ علاوه بر این که در طول این فرایند میزان بیشتری هیدروژن تولید می شود. در ضمن باید یادآور شد که واکنش تبدیل در دمای محیط صورت می گیرد.

از سوی دیگر، محصولات اکسایشی که از زیست توده مشتق می شوند بلااستفاده هستند. بنابراین اشکال کار در این است که زیست توده پایدار به هدر می رود و آلودگی زیست محیطی ایجاد می شود. با این وصف، ایجاد فناوری هایی

که تولید هیدروژن و تبدیل زیست توده به مواد شیمیایی مفید یا سوخت را با هم ادغام کنند به معنی تضمین دو برابر استفاده بهینه از مواد و انرژی هم در صنعت و هم در زندگی روزمره است.

***

روشی جدید و کم هزینه در تولید سوخت هیدروژنی

پژوهشگرهای دانشگاه آرکانزاس ثابت کرده اند که نانوذرات متشکل از نیکل و آهن نسبت به مواد گران قیمت تر بهتر و بیشتر می توانند در فرایند تولید سوخت هیدروژنی از طریق الکترولیز آب نقش کاتالیست را ایفا کنند.

آنها نشان دادند که استفاده از نانوکاتالیست هایی از جنس نیکل و آهن عملکرد مفید الکترولیز آب را افزایش می دهد. الکترولیز آب روشی برای تجزیه آن به مولکول های اکسیژن و هیدروژن با کمک جریان الکتریسیته و سپس ترکیب آنها با الکترون به منظور ایجاد هیدروژن گازی است.

پژوهشگران متوجه شدند زمانی که نانوذرات متشکل از پوسته آهن و نیکل که در اطراف هسته نیکل هستند به این فرایند اضافه می شوند، با اتم های اکسیژن و هیدروژن واکنش انجام می دهند تا پیوندهای اتمی را سست کنند.

در واقع نانوذرات با بهتر کردن کارایی واکنش، اجازه می دهند اکسیژن با سهولت بیشتری تولید شود. به علاوه، نیکل و آهن از دیگر کاتالیست ها که از مواد کمیاب ساخته می شوند ارزان قیمت تر هستند.

این کشف کمک می کند تا الکترولیز آب به منظور تولید سوخت هیدروژنی به روشی کاربردی تر و کم هزینه تر تبدیل شود. روش های فعلی الکترولیز آب نیازمند صرف انرژی زیاد هستند تا نتیجه مؤثری از خود نشان دهند.

***

مغناطیس، نیروی افزایش دهنده تولید هیدروژن

امروزه میزان گاز CO2 به حدی بالا رفته است که با میزان ۴۱۵ ppm(واحدی برای سنجش غلظت مواد رقیق) در تاریخ بشر رکورد شکسته است. این واقعیت تأسف بار اهمیت یافتن جایگزینی برای سوخت های تولیدکننده این گاز را پررنگ تر می کند. یکی از منابع انرژی دوستدار محیط زیست هیدروژنی است که از طریق تجزیه آب به اتم های تشکیل دهنده اش به دست می آید. پژوهشگرهای «مؤسسه پژوهش های شیمیایی کاتالونیا» در اسپانیا با روش ابداعی خود تولید هیدروژن را یک گام جلوتر برده اند.

این پژوهشگران موفق شده اند با استفاده از آهن ربا و با عمل الکترولیز به طور مستقیم تولید هیدروژن را در تجزیه آب قلیایی افزایش دهند. سادگی این روش و کم هزینه بودن این فناوری، استفاده از آن را در مقیاس وسیع در کاربردهای صنعتی امکان پذیر می کند.

آنها با نزدیک کردن یک آهن ربا به الکترولایزر، فعالیت الکتروکاتالیتیک در قطب آند را تسریع کردند، به طوری که میزان تولید هیدروژن به دو برابر رسید. میدان مغناطیسی به طور مستقیم در روند واکنش تأثیر می گذارد. به عقیده آنها در میان آهنرباها، آهنربای فریت با نیروی مغناطیسی بسیار زیاد است که بیشترین اثر را در میان دیگر آهنرباها در ایجاد میدان مغناطیسی دارد. این فریت همچنین می تواند با نیروی مغناطیسی، خود را به یک تکیه گاه فلزی از جنس نیکل بچسباند، بنابراین دیگر نیازی نیست که یک ماده پیونده (binder) برای اتصال کاتالیست ها به یک تکیه گاه فیزیکی به کار رود.

code

Email this page

نسخه مناسب چاپ