هیدروژن و جایگاه جهانی آن

مریم وریج کاظمی

پژوهشگر مسائل ژئوپلیتیک

مرکز بین المللی مطالعات صلح- IPSC

صنعت برای چندین دهه به طور مداوم از هیدروژن در تصفیه نفت، تولید نیمه هادی ها، کاربردهای هوافضا، تولید کود، بُتن، جوشکاری، عملیات حرارتی فلزات، داروسازی، تولید آمونیاک، به عنوان خنک کننده در ژنراتورهای نیروگاهی، برای هیدروژناسیون اسیدهای چرب غیر اشباع در روغن نباتی استفاده کرده است. در حال حاضر نیز هیدروژن کاربردهای متنوعی دارد که در فرآیندهای صنعتی به عنوان سوخت موشک و در سلول های سوختی برای تولید برق و تامین انرژی وسایل نقلیه استفاده می شود.

 بازارهای جدیدی برای کامیون‌های صنعتی (مانند لیفتراک) و خودروهای سواری با سلول‌های(پیل) سوختی هیدروژنی در حال ظهور هستند و ایستگاه های سوخت هیدروژن داخلی و خارجی برای پشتیبانی از این وسایل نقلیه ساخته می شوند. لازم به ذکر است 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. پیل های سوختی دو برابر موتورهای احتراقی از نظر انرژی کارآمد هستند و هیدروژن مورد استفاده برای تامین انرژی آنها می تواند از منابع مختلفی از جمله منابع انرژی تجدید پذیر تامین شود. یک پیل سوختی هیدروژنی تنها گرما و آب ساطع می کند، بدون اینکه آلاینده هوا یا گازهای گلخانه ای تولید کند. در این راستا در حال حاضر شرکت‌های خصوصی و سازمان‌های دولتی (به عنوان مثال وزارت دفاع) با انبارها و مراکز توزیع بزرگ شروع به استفاده از سلول‌های سوختی برای تامین انرژی تجهیزات حمل و نقل خود کرده‌اند(1). ضمن اینکه اپراتورهای چندین نیروگاه حرارتی در حال بررسی استفاده از هیدروژن برای جایگزینی با سوخت گاز طبیعی هستند. علاوه بر اینکه هیدروژن پتانسیل ذخیره سازی موثر انرژی برای تولید برق را دارد تولیدکنندگان سوخت زیستی نیز از هیدروژن جهت تولید روغن نباتی تصفیه شده هیدروژنی برای استفاده به عنوان دیزل تجدید پذیر(سبز) استفاده می کنند.

تمام هیدروژن مصرفی در بخش صنعت ایالات متحده برای پالایش نفت، تصفیه فلزات، تولید کود و سایر مواد شیمیایی و فرآوری مواد غذایی استفاده می شود. به هر حال زمانی که تولید انرژی تجدیدپذیر زیاد است، هیدروژن را می توان با منابع تجدیدپذیر تولید کرد و زمانی که منابع تجدیدپذیر محدود است و تقاضای برق زیاد است، می توان برای تولید برق ذخیره کرد(2). همانطور که هیدروژن پاک ارزان‌تر می‌شود و نیاز به کاهش انتشار کربن اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، نقشه راه اقتصاد هیدروژنی ایالات متحده یک انقلاب هیدروژنی را پیش‌بینی می‌کند و انتظار می رودکه هیدروژن به عنوان سوخت برای بسیاری از صنایع مختلف استفاده شود.

طبق آخرین آمار در سال2022 تقریباً 47٪ از تولید هیدروژن جهانی از گاز طبیعی، 27٪ از زغال سنگ، 22٪ از نفت (به عنوان یک محصول جانبی) و تنها حدود 4٪ از الکترولیز حاصل شد. برق در همین سال حدود 33 درصد سهم تجدیدپذیر جهانی داشت که به این معنی است که تنها حدود 1 درصد از تولید جهانی هیدروژن با انرژی های تجدیدپذیر تولید می شود.تقاضای هیدروژن در سال 2022 به بالاترین حد تاریخی رسید، اما همچنان در کاربردهای سنتی متمرکز است. مصرف جهانی هیدروژن در سال 2022 به 95 میلیون تن رسید که افزایشی تقریباً 3 درصدی نسبت به سال گذشته را نشان می‌دهد. تقاضا همچنان در صنعت و پالایش متمرکز است و کمتر از 0.1 درصد ناشی از کاربردهای جدید در صنایع سنگین، حمل و نقل یا تولید برق است(3).

پالایش نفت به شدت به هیدروژن برای تبدیل نفت خام به سوخت تمیز و مفیدتر وابسته است. نفت خام به پالایشگاه ها وارد می شود و هیدروژن معمولاً به مخلوط اضافه می شود. روغن پالایشی مستلزم حذف گوگرد تا رسیدن به سطوح قابل قبول برای نوع سوخت مورد نظر است که در این بین هیدروژن به گوگرد پیوند می زند و سولفید هیدروژن ایجاد می کند که می تواند در طول فرآیند پالایش از سوخت استخراج شود(4).

استفاده از هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی محدود است و اصولاً به وسایل نقلیه جاده ای محدود می شود. بر طبق آخرین آمار بیش از 40000 وسیله نقلیه الکتریکی سلول سوختی در سراسر جهان در گردش بودند که تقریبا 90 درصد آنها در چهار کشور کره جنوبی، ایالات متحده امریکا، چین و ژاپن تردد داشتند به طوری که حدود 6000 اتوبوس برقی (95 درصد آن در چین) و بیش از 3100 کامیون برقی وجود دارد که با انرژی هیدروژنی عمل می کردند(5).

یکی دیگر از مهمترین اثرات استفاده از هیدروژن کاهش ردپای کربن است. سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن می‌توانند نقش مهمی در کربن‌زدایی بخش‌هایی داشته باشند که در آن‌ها کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به سختی انجام می پذیرد و حتی راه‌حل‌های جایگزین یا در دسترس وجود ندارد یا پیاده‌سازی آن‌ها در صنایعی مانند صنایع سنگین و حمل‌ونقل از راه دور دشوار است(6). از سوی دیگر با توجه به اینکه استفاده از نفت برای اقتصاد جهانی ضروری است و انتظار می‌رود که تقاضا تا سال 2040 به اوج خود برسد، بنابراین فرصت‌های قابل توجهی برای کاهش انتشار کربن در فرآیند پالایش نفت وجود دارد که با استفاده از هیدروژن از طریق الکترولیز، هیدروژن تمیز می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد و در عین حال امکان پالایش پیشرفته را نیز فراهم نماید.

بحران انرژی ناشی از تنش و درگیری در اوکراین نیز نقشی را که هیدروژن می‌تواند در افزایش امنیت انرژی ایفا کند، افزایش داده است که در این راستا اخیرا چندین اقتصاد بزرگ استراتژی‌های صنعتی جدیدی را اتخاذ کرده‌اند که در آن فناوری‌های هیدروژن نقش کلیدی ایفا می‌کنند. با این حال به نظر می رسد سیاست‌های دولت و برنامه‌های بخش خصوصی به افزایش جریان سرمایه در بخش هیدروژن توجه بیشتری نشان دهند. اما با وجود این شتاب، هیدروژن هنوز کمتر از 1٪ از تولید و مصرف جهانی آن را تشکیل می دهد که باید تا سال 2030 بیش از 100 برابر شود(7).

چشم انداز

در سال های پیش رو به تدریج انرژی های تجدیدپذیر و سبز جایگزین سوخت های هیدروکربنی خواهند شد و در چرخه صنعت به شکل نامحدود مورد استفاده قرار خواهند گرفت. با توجه به اینکه استفاده از سوخت های فسیلی می تواند پر هزینه باشد از این رو تلاش برای ایجاد زیرساخت ها برای استفاده از هیدروژن به خصوص در صنعت خودروسازی به اولویتی برای دولتها تبدیل خواهد شد و بدین ترتیب کشورهای نظیر چین و ایالات متحده که هم اینک جزو پیشگامان استفاده از سوخت هیدروژن هستند امنیت اقتصادی خود را برای آینده تضمین خواهند کرد. 

کلید واژگان: هیدروژن، انرژی، چین، امریکا، مریم وریج کاظمی

1-https://h2tools.org/bestpractices/hydrogen-applications

2-https://www.eia.gov/energyexplained/hydrogen/use-of-hydrogen.php
3-https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2023/executive-summary

4-https://www.fchea.org/hydrogen-in-industrial-applications

5-https://www.iea.org/reports/towards-hydrogen-definitions-based-on-their-emissions-intensity

6-https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/hydrogen

7-https://www.irena.org/Energy-Transition/Technology/Hydrogen