هیدروژن

هیدروژن بازی را عوض می‌کند. این ماده می‌تواند با تأمین و ذخیره انرژی سبز، سیاره را دگرگون کند. می‌شود از آن برای به حرکت درآوردن کامیون‌ها، کشتی‌ها، هواپیماها و حتی شهرها استفاده کرد. اما برای واقعی شدن انقلاب هیدروژن، انسان‌ها باید از چند چالش فنی و اقتصادی عبور کنند. پس آماده شو تا به سطح اتمی سفر کنیم و ببینیم آیا هیدروژن واقعاً می‌تواند دنیا را تغییر دهد!

اگر کتابی درباره جهان باز می‌کردی، هیدروژن را همان فصل اول پیدا می‌کردی. چون یکی از اجزای سازنده جهان است. ۹۰٪ اتم‌های ستاره‌ها را تشکیل می‌دهد ^[1-4] و روی زمین، هیدروژن یکی از اجزای اصلی آب، گیاهان و حتی DNA همه موجودات زنده است ^[4-7].

هیدروژن همچنین سوختی بسیار پرانرژی است، برای همین NASA از آن برای به حرکت درآوردن موشک‌های اکتشاف فضایی استفاده می‌کند ^[8,9,10]. معلوم است که هیدروژن همین حالا هم انسان‌ها را به ارتفاعات تازه می‌برد. و از همه بهتر، هیچ CO₂ تولید نمی‌کند!

پس چرا در سراسر جهان انتخاب اول انرژی نیست؟ خب، قضیه به این سادگی‌ها نیست.

استخراج هیدروژن از زمین به شکل خالص سخت است، با اینکه ذخایر طبیعی‌اش وجود دارند ^[11-17]. معمولاً با عناصر دیگر ترکیب می‌شود و ترکیباتی می‌سازد. مثلاً وقتی با اکسیژن همراه می‌شود، آب یا H₂O می‌سازد. همچنین می‌تواند با کربن ترکیب شود و گاز فسیلی بسازد که به آن متان یا CH₄ هم می‌گویند.

پس برای به دست آوردن هیدروژن خالص، باید آن را از هر عنصری که با آن جفت شده جدا کرد. وقتی هیدروژن از آب گرفته می‌شود، اکسیژن آزاد می‌شود. وقتی از گاز فسیلی جدا می‌شود، کربن آزاد می‌شود. پس خوب یا بد بودن استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت برای سیاره، به روش تولید آن هیدروژن بستگی دارد.

در حال حاضر، سه روش اصلی برای تولید سوخت هیدروژن وجود دارد که به خاکستری، آبی و سبز دسته‌بندی می‌شوند: ^[18-21]

امروز بیشتر هیدروژن از سوخت‌های فسیلی ساخته می‌شود ^[22-28] و رایج‌ترین نوعش هیدروژن خاکستری است که از گاز فسیلی تولید می‌شود. اما چه از گاز استفاده کنی، چه زغال‌سنگ یا نفت، تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی مقدار زیادی CO₂ وارد جو می‌کند ^{[19,26,27,28]}. متأسفانه، این شکل‌ها بیش از ۹۹٪ کل تولید هیدروژن را تشکیل می‌دهند ^[23,24,28]. آخ!

در واقع، تولید هیدروژن خاکستری به‌تنهایی بیشتر از مجموع بریتانیا و استرالیا CO₂ منتشر می‌کند ^[28,29]!

در سال‌های اخیر، پیشرفت در فناوری‌ای به نام جذب و ذخیره‌سازی کربن به نیروگاه‌ها اجازه داده تا انتشار CO₂ خود را بگیرند و زیر زمین ذخیره کنند ^[30,31,32]. وقتی این کار با تولید هیدروژن همراه شود، نتیجه‌اش هیدروژن آبی نام دارد ^[33,34].

اما با اینکه این روش انتشار CO₂ را کم می‌کند، فعلاً مستعد نشت متان (CH₄) است ^[34-37] که در یک دوره ۲۰-ساله می‌تواند بیش از ۸۰ برابر برای جو بدتر باشد ^[38,39,40]. یک پژوهش حتی نشان داده که اگر این کار اشتباه انجام شود، افزایش انتشار CH₄ آن‌قدر زیاد می‌شود که از همان اول سوزاندن سوخت‌های فسیلی بهتر است ^[35].

چیزی که دانشمندان واقعاً دنبالش هستند، الدورادوی انرژی پاک، هیدروژن سبز نام دارد. این هیدروژن از آب و در فرایند شیمیایی‌ای به نام الکترولیز تولید می‌شود: ^[41-45]

یک مخزن بزرگ آب، یا H₂O، را تصور کن. برای به دست آوردن هیدروژن، اول باید پیوندهایش با اکسیژن را بشکنی. برای این کار، با برق پیوندهای مولکول‌های آب را می‌شکنی و گاز هیدروژن ارزشمند تولید می‌کنی. ساده است!

همه این فرایند می‌تواند با انرژی تجدیدپذیر مثل خورشید و باد و با نزدیک به صفر انتشار انجام شود ^[41-45].

این هیدروژن سبز می‌تواند دنیا را از نو شکل بدهد ^{[21,28,43,44,45]}. صنایعی مثل تولید پتروشیمی و فولادسازی ^[44-47] که حدود ۳٫۶٪ و ۷٫۲٪ از انتشار جهانی را تشکیل می‌دهند ^[48]، با استفاده از هیدروژن سبز به‌جای سوخت‌های فسیلی کم‌کم پاک‌تر می‌شوند. بعضی کشورها برای کربن‌زدایی از تولید آمونیاک، ترکیبی که در کودها استفاده می‌شود، روی آن سرمایه‌گذاری می‌کنند که ۱-۲٪ دیگر از انتشار جهانی را کم می‌کند ^{[44-46,49-53]}.

کارشناسان دارند استفاده از آن در سیستم حمل‌ونقل را هم بررسی می‌کنند. خودروها به‌خاطر توانایی خودروهای برقی اولویت پایینی دارند، اما کامیون‌های مسافت‌طولانی، کشتیرانی بین‌المللی و هواپیماهای دوربرد اولویت بالاتری دارند. چون نمی‌توانند برای تأمین نیرو از باتری‌های سنگین استفاده کنند، هیدروژن سبز یک جایگزین ایدئال است ^{[21,28,44,45,54]}.

از نظر تئوری (و تا وقتی پایدار تولید شود)، تنها انتشار مستقیم استفاده از سوخت هیدروژن آب است. در واقع، همین آب حتی در شاتل‌های فضایی NASA استفاده می‌شود، جایی که فضانوردها واقعاً آن را می‌نوشند! ^[55,56]

پس گیر کار کجاست؟

خب، اگر هیدروژن را فقط بسوزانی، می‌تواند باعث واکنش نیتروژن هوا هم بشود و اکسیدهای نیتروژن تولید کند که آلاینده‌های مضر هوا هستند ^[57-61].

این هنوز از سوزاندن سوخت‌های فسیلی پاک‌تر است، اما پاک‌ترین گزینه این است که اصلاً آن را نسوزانی و از پیل سوختی هیدروژنی استفاده کنی که انرژی شیمیایی هیدروژن را مستقیم به برق تبدیل می‌کند ^[62-65]. نه‌تنها بازدهی بیشتری دارد، بلکه صفر انتشار اکسید نیتروژن و البته صفر CO₂ تولید می‌کند! ^{[57-59,63-65]}

خوب به نظر می‌رسد، نه؟ پس چرا کمتر از ۱٪ هیدروژنی که امروز تولید می‌شود سبز است؟ ^[23,24,28] چرا همه سراغ این نسخه سازگار با محیط‌زیست نمی‌روند؟

فعلاً هیدروژن گران است و برای تولیدش برق زیادی لازم دارد ^[66-69]. اگر می‌خواستی به‌جای شارژ مستقیم گوشی‌ات با انرژی تجدیدپذیر، آن را با هیدروژن سبز روشن کنی، اول باید برق منابع تجدیدپذیر را به هیدروژن تبدیل می‌کردی و بعد با پیل سوختی دوباره آن را به برق تبدیل می‌کردی. این کار می‌تواند تا ۷۰٪ از انرژی‌ای را هدر بدهد که اگر از همان اول گوشی‌ات را مستقیم با پنل‌های خورشیدی شارژ می‌کردی، می‌گرفتی! ^[70,71,72]

انگار هیدروژن سبز آن‌قدرها هم به‌صرفه نیست. پس چرا مردم باید از آن برای تأمین انرژی خانه‌ها و شهرهایشان استفاده کنند؟

جواب در یکی از قدرتمندترین ویژگی‌های هیدروژن است… توانایی‌اش برای ذخیره مقدار زیادی انرژی برای استفاده در آینده.

چون توربین‌های بادی به باد نیاز دارند و پنل‌های خورشیدی به نور خورشید، در روزهای تاریک و بی‌باد اغلب گاز و زغال‌سنگ باید وارد عمل شوند تا برق همچنان برقرار بماند. اما یک ایده سبزتر اینجاست:

خانه‌ها را با انرژی تجدیدپذیر و از راه یک شبکه برق هوشمند و انعطاف‌پذیر تأمین می‌کنی، و آن‌قدر مزرعه بادی و خورشیدی می‌سازی که انرژی اضافه تولید کنند. بعد برق اضافی را می‌شود به تأسیسات هیدروژن سبز فرستاد تا برای ساخت هیدروژن استفاده شود. سپس این هیدروژن را می‌شود ذخیره کرد و وقتی خورشید و باد جوابگوی تقاضا نیستند، برای تولید برق به کار برد ^[73-76].

و اگر این کافی نبود، هیدروژن را می‌شود در حجم‌های عظیم و برای مدت طولانی زیر زمین، در معدن‌های قدیمی، غارهای نمکی یا حتی مخازن خالی نفت و گاز ذخیره کرد ^[77-80]. یعنی می‌شود تمام سال از آن استفاده کرد، حتی در ماه‌های سرد زمستان.

به این ذخیره‌سازی بین‌فصلی می‌گویند و خیلی از کشورها همین حالا هم روی آن سرمایه‌گذاری می‌کنند ^{[23,81,82,83]}. یک روز شاید حتی به حذف وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کند. بهتر از آن، این ذخایر عظیم هیدروژن به کشورها استقلال انرژی بیشتری می‌دهند و وابستگی‌شان به واردات انرژی را کم می‌کنند تا برای روشن نگه داشتن چراغ‌ها به کشورهای دیگر تکیه نکنند ^[84,85,86].

اما آیا باتری‌ها نمی‌توانند همین کار را انجام دهند؟

نه دقیقاً. مقدار باتری لازم برای ذخیره انرژی ذخیره چند هفته یا چند ماه یک شهر، خیلی، خیلی گران‌تر می‌شود ^[87-90]. از طرف دیگر، ذخیره‌سازی هیدروژن در مقیاس بزرگ می‌تواند خیلی ارزان باشد و شاید این مشکل ذخیره‌سازی انرژی را حل کند ^[91,92].

پس آیا هیدروژن می‌تواند در کربن‌زدایی از سیاره نقش داشته باشد؟ خب، فقط اگر هیدروژن سبزی باشد که از منابع تجدیدپذیر ساخته شده ^[93]، و فقط اگر هزینه‌اش واقع‌بینانه باشد ^[66-69]. برای عملی شدن این کار، باید زیرساخت‌ها را گسترش داد و به‌روز کرد، و انرژی تجدیدپذیر را در مقیاس بزرگ به کار گرفت.

اما خبر خوب این است! برق بادی و خورشیدی حالا از سوخت‌های فسیلی ارزان‌ترند ^[27,94-97]. و به لطف پیشرفت‌های تازه در فناوری الکترولایزرها، قیمت تولید هیدروژن سبز هم سریع پایین می‌آید ^[98-102].

پس اگر انسان‌ها از این فناوری نوظهور حمایت کنند، هیدروژن سبز می‌تواند یکی از ستاره‌های درخشانی باشد که منتظرش بودیم.