چشم انداز اقتصاد هیدروژن و آینده انرژی جهانی

با به دست آوردن هیدروژن از طریق الکترولیز آب، و ذخیره‌سازی آن (هیدروژن سبز)، از انرژی حاصل از ترکیب هیدوژن با اکسیژن می ‌توان در موتورهای وسایل ‌نقلیه استفاده کرد.

پیش تر نیز در دهه‌ ۱۹۷۰ پس از بحران نفت و در دهه‌ ۱۹۹۰ با شدت گرفتن تغییرات اقلیمی، ایده هایی مبنی بر جایگزینی هیدروکربن‌ ها با هیدروژن مطرح شده بود اما در عمل توسعه ای در این بخش به همراه نداشت. با این حال در دو دهه­ اخیر جهان به سمت توسعه پایدار با استفاده از انرژی هیدروژنی حرکت کرده است. استفاده از هیدروژن همگام با توسعه پیل های سوختی چشم انداز بسیار روشنی را در آینده برای بخش انرژی ترسیم می نماید.

هیدروژن به عنوان فراوان ترین عنصر موجود در سطح زمین یکی از بهترین گزینه ­ها جهت ایفای نقش حامل انرژی در جهان مبتنی بر انرژی های پاک و تجدید پذیر است. پیش بینی می شود که در آینده تولید و مصرف آن به عنوان حامل انرژی در سراسر جهان غالب شود و اقتصاد هیدروژنی تثبیت شود، طبق برآوردها تا سال ۲۰۵۰، ۱۸ درصد از تقاضای انرژی جهان از انرژی هیدروژن تامین خواهد شد.

گرچه پیش روی استفاده از هیدروژن موانعی چون هزینه آن وجود دارد که در رقابت با دیگر سوخت­ ها آن را به لحاظ مالی مقرون به صرفه نمی سازد. با این حال باتوجه به مزایای آن در کنار روند جهانی برای کاهش کربن کشورها را بیش از قبل به سرمایه گذاری و توسعه اقتصاد هیدروژن سوق داده است. آمریکا درکنار آلمان، کانادا پیشرو در این صنعت هستند. برآورد می شود که با روند افزایش اقتصاد هیدروژن، قیمت آن در آینده کاهش پیدا خواهد کرد که خود جذابیت دیگری برای حرکت در مسیر آن ایجاد می کند.

در میان کارشناسان دستیابی به اهداف توافق پاریس در مسیر حرکت برای انرژی بدون کربن را بدون توسعه اقتصاد هیدروژن ممکن نمی دانند. هیدروژن می ‌تواند برای تولید نیرو به کار رود و ذخیره و متراکم شود، انرژی حاصل از سوختن آن بیشتر از سوخت‌ های فسیلی است و آلایندگی آن صفر است. برای همین هیدروژن چشم انداز آینده ای مبتنی بر صنایع پاک و تولید برق بدون آلاینده را نشان می دهد[1]. کارشناسان انرژی معتقدند که جهت توسعه اقتصاد هیدروژن، هیدروژن آبی و سبز باید با هم توسعه یابند.

به طور کلی هیدروژن در سه دسته قرار می­گیرد:

هیدروژن سبز: هیدروژن سبز از طریق الکترولیز آب تولید می شود. این روشی بلند مدت و بدون انتشار کربن است. قیمت الکترولایزرها و در نتیجه هیدروژن سبز در زمان کنونی بالا است. دسترسی به این ماده تقریبا نامحدود است، زیرا می ‌توان با عبور جریان الکتریکی از آب و تقسیم آن به اجزای تشکیل‌ دهنده ‌اش، هیدروژن تولید کرد. سخن از هیدروژن در محافل انرژی پاک، هیدروژن سبز است.

هیدروژن آبی: هیدروژن آبی از سوخت­ های فسیلی عمدتا گاز طبیعی تولید می ­شود و برای جلوگیری از انتشار کربن از فناوری جذب و ذخیره کربن (CCS) استفاده می شود. با وجود فراوانی گاز طبیعی و زغال سنگ، هیدروژن آبی می تواند موجب توسعه­ی اقتصاد هیدروژنی شود.

هیدروژن خاکستری /قهوه­ ای: در فرایندی با عنوان اصلاح بخار متان تولید می ­شود. هیدروژن قهوه ای با استفاده از فرایند گازی سازی زغال سنگ (یا زغال قهو­ه­ ای) تولید می ­شود. علی ­رغم گستردگی و ارزان بودن، این روش موجب انتشار میزان زیادی دی اکسید کربن می شود[2].

قابلیت بهره‌ برداری از این فرآیند در مقیاس بزرگ وجود دارد وانتقال هیدروژن نیز نسبتا آسان است. در بسیاری از موارد، ارتقای خطوط لوله انتقال گاز طبیعی موجود کنونی برای نقل و انتقال هیدروژن ممکن است. همچنین، می‌ توان با استفاده از پیل ‌های سوختی، آن را به برق تبدیل کرد.

هیدروژن را باید استحصال کرد. رایج ترین روش استحصال کنونی آن، حدود ۷۰ میلیون تن هیدروژن که در سال تولید می‌ شود حاصل از گاز است، یعنی تقریبا 6 درصد گاز طبیعی و 2 درصد زغال ‌سنگ جهان در تولید هیدروژن مصرف می ‌شوند. با این حال این روش خود به تولید دی ‌اکسید کربن می انجامد[3].

هیدروژن قابلیت ذخیره انرژی در مقیاس وسیع را دارد که مزیت خوبی را به سوخت هیدروژن برای ذخیره سازی در زمان ‌های آینده و شرایط ضروری می دهد. ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن برای شبکه‌ های برق نیز مفید است، یعنی با ایجاد توازن در میزان تولید در هنگامی­که تولید برق نوسان دارد، در بهبود انعطاف پذیری سیستم و بهره وری انرژی کمک می کند.

عرضه هیدروژن در صنعت رونق بالایی گرفته است. تقاضا از سال 1975 تاکنون بیش از 3 برابر رشد کرده و رو به افزایش است. نقش هیدروژن در صنعت فولاد رو به افزایش است. استفاده از هیدروژن برای کاهش آلایندگی حاصل از سنگ آهن در این صنعت مهم است. طبق برآورد تا سال ۲۰۵۰، ۱۸ درصد از تقاضای انرژی جهان از انرژی هیدروژن تامین خواهد شد. برای همین در چند سال اخیر قیمت سهام شرکت‌ هایی که سلول‌ های سوختی و تجهیزات الکترولیز را می‌ سازند، درحال افزایش بوده است.

هیدروژن و صنعت حمل و نقل[4]: با استفاده از هیدروژن، خودروهای دارای پیل سوختی توانسته‌ اند کاهش به سزایی در انتشار کربن ایجاد کند. هیدروژن حاصل از گاز طبیعی در یک خودروی دارای پیل سوختی، نسبت به خودروی بنزینی حدود 50 درصد کمتر دی‌ اکسیدکربن منتشر می‌کند. از سوی دیگر مصرف هیدروژن به ‌عنوان سوخت جهت حمل و نقل می‌ تواند مصرف نفت ‌خام را پایین بیاورد. گرچه میزان حضور هیدروژن در صنعت حمل و نقل نسبت به دیگر انرژی های تجدید پذیر کمتر است، اما همچنان مزیت هایی دراین صنعت دارد.

طبق اعلام آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) در سال ۲۰۱۸، میزان خودروهای هیدروژنی فقط ۱۱۲۰۰ بوده است، در حالی که شمار خوردروهای الکتریکی ۵/۱ میلیون دستگاه ثبت شده است. فروش خودروهای هیدروژنی در سال ۲۰۱۸، نیز فقط ۴۰۰۰ دستگاه بوده است، اما طبق تحلیل ها، آینده صنعت حمل و نقل بیش از انرژی الکتریکی دست هیدروژن ها خواهد بود که به تراکم انرژی بالای آن باز می گردد. هیدروژن فشرده‌ شده تا ۷۰۰ بار، نسبت‌ به باتری لیتیوم‌ یون، ۲ تا ۵ بار انرژی بیشتری در هر لیتر دارد. اگر هیدروژن به مایع تبدیل شود، این انرژی افزایش می ‌یابد.

برای همین هیدروژن ها برای صنایع حمل و نقل جذاب خواهند بود، چرا که در مسیر حرکت به ایستگاه ‌های سوخت ‌رسانی کمتری نیاز خواهند داشت. برای همین غول های صنعت حمل و نقل چون تسلا و هیوندا به جذب هیدروژن تمایل نشان داده اند.

حتی گزارش ها نشان می دهد حوزه کشتیرانی نیز که تحت فشارها برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ ای قرار دارد به سوخت هیدروژن متمایل شده است. گرچه فرایند استفاده از آن در این حوزه مشخص نشده است.  

فرصت ها و محدودیت های پیش روی هیدروژن؛ چشم اندازهای آینده انرژی

جدا از انفجار‌های سال 2019 در کالیفرنیا و کره جنوبی هنگام جای‌ گذاری تسهیلات سوخت هیدروژنی که انتقادات بسیاری را علیه توسعه هیدروژن منجر شد، استفاده از هیدروژن بازخوردهای دیگری را داشته است.

تغییر کاملِ نوع سوخت به نیروی برق، نمی تواند برای صنایع سنگین چون تولید فولاد، صنایع کشتیرانی و هوافضا عملی باشد. هزینه برق برای فرآیند‌های تولیدی چون شیشه و سرامیک گران است و وزن باتری ‌ها نیز نسبت به مقدار انرژی قابل ‌ذخیره در آن‌ها بسیار زیاد است. در اینجا هیدروژن مزیت هایی دارد. بخش اعظم صنایع سنگین نیاز به حرارت و فشار زیادی دارد و هیدروژن سوختی است که می‌ توان آن را در مقیاس زیاد داخل تجهیزات فعلی احتراقی استفاده کرد.

در عین اینکه نگرانی ها نسبت به سهم سوخت‌ های هیدروژنی و اثرات نهایی آن‌ها بر آلاینده ­های محیط زیست مطرح است؛ چراکه فرایند تولید هیدروژن خود مستلزم صرف انرژی زیادی است و آمارهای فعلی نشان می دهد در تولید هیدروژن سهم سوخت های فسیلی از انرژی آبی یا خورشیدی فزونی دارد.

هیدروژن اگرچه از باتری‌ ها بهتر است، نسبت‌ به سوخت‌ های فسیلی، انرژی کمتری را ذخیره می ‌کند.
در شرایط فعلی هزینه تولید هیدروژن با انتشار کم کربن گران تمام است. وجود تجهیزات برای گرفتن کربن‌ دی ‌اکسید، خواه‌ ناخواه قیمت هیدروژن آبی را افزایش می‌ دهد. شرکت بلومبرگ نیوانرژی فاینانس محاسبه کرده که بسته ‌به اینکه از چه نوع سوخت فسیلی برای تولید هیدروژن استفاده شود، هزینه‌ آن از ۱/۵ دلار تا ۳/۵ دلار در کیلوگرم است. درعین اینکه فرایند گرفتن کربن‌ دی ‌اکسید کامل نیست و بخشی از آن آزاد خواهد شد[5].

هیدروژن مدنظر حامیان انرژی تجدیدپذیر، هیدروژن سبز است. این هیدروژن قیمت بالایی بین ۲/۵ تا ۵ دلار در کیلوگرم (۱۲۵ دلار مگاوات ساعت) دارد. این رقم برای نفت حدود ۴۰ دلار برای هر مگاوات ساعت، و برای گاز طبیعی حدود ۶۰ دلار برای هر مگاوات ساعت در اروپا است که آن را به صرفه قرار نمی دهد.

اینگونه مطرح شده که علی ­رغم به صرفه نبودن هیدروژن در زمان فعلی، این وضعیت با اقبال بیشتر به آن به مانند کاهش در قیمت انرژی خورشیدی و بادی، خود به کاهش قیمت منجر خواهد شد. پیش بینی شده که هیدروژن سبز تا سال ۲۰۵۰ قیمتی بین ۷۰ سنت تا ۱/۶ دلار به ازای هر کیلوگرم یعنی به قیمت فعلی هیدروژن خاکستری برسد. همان‌ طور که هزینه‌ تجهیزات الکترولیز طی پنج سال گذشته عمدتا در اروپا و آمریکا کاهشی 40 درصدی داشته است.

شرکت ­های مبتنی بر انرژی سبز نیز با تشکیل ائتلافی به نام منجنیق هیدروژن سبز[6] اعلام ساخته اند رسیدن به هزینه هیدروژن به ۲ دلار در هرکیلوگرم تا سال ۲۰۲۶ را در دستور کار قرار دارد. وزارت انرژی آمریکا نیز رساندن هیدروژن به ۱ دلار در کیلوگرم تا پایان دهه را مدنظر دارد.

جهت رقابتی کردن قیمت هیدروژن و شکستن آن استفاده از یارانه های دولتی نیز مطرح است. آلمان برنامه‌ یارانه ۷ میلیارد یورویی را مطرح ساخته، ژاپن نیز از تمایل برای کاهش 90 درصدی هیدروژن تا سال ۲۰۵۰ سخن گفته است.باوجود تمایل در صنعت خودرو چون شرکت های هیوندای و تویوتا به روی آوری به هیدروژن، برخی تحلیل ها هیدروژن را در این صنعت قابل امتیاز نمی دانند. طبق محاسبات کمیته (CCC)، یک نیروی الکتریکی بر هیدروژن برتری دارد. یک خودروی برقی که از یک توربین بادی شارژ می ‌شود، ۸۶ درصد از خروجی توربین را به حرکت تبدیل می‌کند. اما این بازده برای یک خودروی دارای سلول سوختی، ۴۰ تا ۵۰ درصد است.
در مقابل این نگاه ها گفته می ­شود گرچه درمواردی انرژی الکتریکی برتری ­هایی دارد اما با توجه به شرایط کنونی و تعهدات در مسیر انرژی سبز، برای کربن‌ زدایی کامل استفاده از هیدروژن ضروری است.

گزارش آژانس بین­المللی انرژی از روند رو به گسترش توسعه هیدروژن در میان صنایع و دولت ها خبر می دهد. در این میان آمریکا پیشتاز توسعه اقتصاد هیدروژن است. در زمینه تکنولوژی‌ های پیل سوختی و کاربردهای آنها در بخش حمل و نقل نیز آمریکا پروژه های موفقی را داشته است.اتحادیه اروپا، ژاپن و کره توسعه و گسترش فعالیت ‌های خودروهای هیدروژنی و سیستم سوخت‌ رسانی آنها را شروع کرده ‌اند. اتحادیه اروپا اعلام ساخته که تا سال 2024، سیزده برابر بیشتر از قبل هیدروژن سبز تولید خواهد کرد و این میزان تا سال 2030، 130 برابر (10 میلیون تن) خواهد شد. همچنین به دنبال افزایش استفاده از هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی و چشم انداز توسعه آن، اتحادیه اروپا گروه اقدام توسعه انرژی هیدروژن را به منظور فراهم نمودن زیر ساخت ­های حقوقی و قانونی توسعه آن در بازار جهانی انرژی شکل داد.

کشورهای جهان نیز قدم در توسعه این انرژی گذاشته اند. آلمان با داشتن برنامه ­ها و بودجه­ کلان در توسعه این انرژی، پیشگام بوده است و کانادا نیز از جمله کشورهای پیشرو با داشتن بخش هیدروژن و پیل سوختی (fuel cells) است. چین نیز علاوه بر تمرکز بر تولید خودروهای برقی، توسعه هیدروژن سبز را در بخش حمل‌ ونقل مدنظر دارد. دولت چین اعلام ساخته تولید ۵۰۰۰ دستگاه خودرو پیل سوختی تا سال ۲۰۲۰ و یک میلیون تا سال۲۰۳۰ و ساخت ۱۰۰ کارخانه تولید پیل ‌های سوختی را در دستور کار دارد. با اینکه در حال حاضر هیدروژن نقش بالایی از سوخت و انرژی انگلیس را تامین نمی کند اما دولت انگلیس مدعی شده تا سال ۲۰۵۰ سهم هیدروژن به ۳۵ درصد انرژی مصرفی خود خواهد رسید. جدا از کره جنوبی، ژاپن نیز با توجه به حرکت تویوتا و هوندا به سمت این انرژی، ژاپن در توسعه خودروهای هیدروژنی پیشروست. عربستان و امارات نیز برای توسعه این انرژی با توجه به منابع فسیلی خود گام هایی برداشته اند. عربستان اعلام ساخته بخشی از گاز پروژه جفوره را برای تولید هیدروژن آبی مورد استفاده قرار خواهد داد.

[1] https://iies.mop.ir/portal/file/?394196/%D8%A7%D9%82%D8%AA%D8%B5%D8%A7%D8%AF-

[2] https://iies.mop.ir/portal/file/?394196/%D8%A7%D9%82%D8%AA%D8%B5%D8%A7%D8%AF

[3]https://www2.deloitte.com/xe/en/pages/energy-and-resources/articles/future-of-energy-pov-on-hydrogen.html

[4]https://www.arup.com/perspectives/publications/research/section/establishing-a-hydrogen-economy-the-future-of-energy-2035

[5] https://iies.mop.ir/portal/file/?394196/%D8%A7%D9%82%D8%AA%D8%B5%D8%A7%D8%AF

[6] Green Hydrogen Catapult