هیدروژن بهعنوان یکی از حاملهای انرژی، با موانع و فرصتهای زیادی همراه است که استفاده گسترده از آن را در آینده تحتتأثیر قرار میدهد.
هیدروژن ظرفیت تبدیلشدن به یکی از حاملهای انرژی مهم در سیستم انرژی پاک و مکمل انرژی برق را دارد؛ اما این حامل انرژی برای انجام نقش خود در ابتدا باید بر موانع فنی بسیاری غلبه کند. براساس گزارش اخیر آژانس بینالمللی انرژی (IEA)، هیدروژن هرگز از علاقهی بینالمللی و چندجانبه، حتی در مواجهه با پیشرفتهای چشمگیر اخیر در سایر فناوریهای انرژی پاک مانند باتریها و انرژیهای تجدیدپذیر برخوردار نبوده است.
طبق گفتههای آژانس بینالمللی انرژی (IEA)، هیدروژن میتواند بهعنوان بخش مهمی از ابزارهای موردنیاز برای دستیابی به اهداف کاهش آلایندگی در نظر گرفته شود که سیاستگذاران در موافقتنامههای اقلیمی امضا کردهاند.
طرحهایی که برخی از دولتها با هدف پایین نگهداشتن و به صفر رساندن میزان آلایندگی تا اواسط قرن جاری اعلام کردهاند، توجه ویژهای را به بخشهایی معطوف میکند که در آن، برق حامل انرژی اصلی نیست. چنین بخشهایی شامل حملونقل هوایی، کشتیرانی، آهن و فولاد، تولید مواد شیمیایی، گرمایش صنعتی با درجه حرارت بالا، حملونقل جادهای در مسیرهای طولانی و گرمایش ساختمانها میشود. تحول دوطرفه برنامهریزیشده (تغییر سیستم تحویل انرژی به برق و تولید برق پاک) ممکن است در این حوزهها کار نکند. براساس اعلام آژانس بینالمللی انرژی، حداقل در برخی از این حوزهها ممکن است هیدروژن حامل انرژی بهتری باشد.
هیدروژن منافع دیگری نیز دارد؛ مانند مبارزه با آلودگی هوا و تسهیل تبدیل انرژی پاک. تولید جهانی هیدروژن خالص در حدود ۷۰ میلیون تن در سال است و ۴۵ میلیون تن هیدروژن اضافی بهعنوان بخشی از مخلوط با سایر گازها تولید میشود. از هیدروژن خالص عمدتا در پالایش نفت و تولید آمونیاک برای کود و از هیدروژن مخلوط با سایر گازها برای تولید متانول و فولاد استفاده میشود. با این حال، هیدروژن خالص هنوز عموما بهعنوان سوخت به کار گرفته نمیشود.
الکترولیز آب بهطور مستقیم هیدروژن را میتواند تولید کند؛ اما تقریبا تمام هیدروژن استفادهشده در شرایط کنونی، از بهسازی متان با بخارآب یا گازیکردن زغالسنگ تولید میشود. الکترولیز راه کاملی برای تبدیل برق پاک اضافی بهدستآمده از خورشید و باد و سایر منابع تجدیدپذیر به هیدروژن است. در مقابل، بهسازی متان با بخارآب و گازیکردن زغالسنگ، هر دو فرایندی متمرکز بر انرژی هستند که مقدار زیادی دیاکسیدکربن تولید میکنند. تولید هیدروژن خالص هماکنون ۶ درصد از مصرف گاز طبیعی در سراسر جهان و ۲ درصد استفاده از زغالسنگ در سراسر جهان تخمین زده میشود که مورد آخر بیشتر در چین به کار برده میشود. تولید حدود ۸۳۰ میلیون تن گاز آلاینده دیاکسیدکربن در سال، برابر با مجموع آلایندههای اندونزی و انگلستان تخمین زده شده است.
در سیستم انرژی پاک آینده، هیدروژن و برق میتوانند حامل انرژی مکمل باشند؛ زیرا برق میتواند بهراحتی به هیدروژن تبدیل شود و برعکس. بنابراین، هیدروژن میتواند به حل مشکلات تولید برق متناوب تجدیدپذیر ازطریق فراهمآوردن ابزار ذخیرهی انرژی در طول زمان و حمل آن در فواصل طولانی کمک کند.
آژانس بینالمللی انرژی در این زمینه میگوید:
از آنجا که هیدروژن میتواند در بخشهای مختلف ذخیره و استفاده شود، تبدیل برق به هیدروژن میتواند از نظر زمانی و جغرافیایی به تطبیق عرضه و تقاضای متغیر انرژی کمک کند. بدون وجود هیدروژن، سیستم انرژی پاک برقمحور بیشتر میتواند مبتنی بر جریان باشد. سیستمهای انرژی مبتنی بر جریان با عرضه و تقاضای لحظهای در فواصل وسیع باید مطابقت داشته باشد. البته، این سیستمها ممکن است دربرابر به قطع موجودی نیز آسیبپذیر باشند.
با توجه به مزایای بالقوه برای بسیاری از گروههای مختلف، جای تعجب نیست که ائتلاف گستردهای از هیدروژن حمایت کنند. سیاست باعث میشود هیدروژن پل کاملی بین گروههای علاقهمند از جمله تولیدکنندگان سوخت فسیلی و صنایع انرژی تجدیدپذیر و مبارزان زیستمحیطی و کشورهای صادرکننده نفت باشد. با وجود این، اگر هیدروژن بتواند به این سطح برسد، باید بر مشکلات فنی ناشی از تولید و توزیع و ذخیرهسازی غلبه کند.
هیدروژن عنصری فراوان، اما بسیار واکنشپذیر است که در طبیعت شیمیایی بهصورت آزاد موجود نیست و اغلب به اتمهای اکسیژن و کربن وابستگی دارد. رام گوپتا، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه ویرجینیا کامنولث میگوید:
برای بهدستآوردن هیدروژن از ترکیبات طبیعی، هزینهی انرژی زیادی باید پرداخت. بنابراین، هیدروژن باید بهعنوان یکی از حاملهای انرژی محسوب شود؛ یعنی وسیلهای برای ذخیره و انتقال انرژی حاصل از منبع انرژی.
مولکولهای هیدروژن کوچک و سبک و بسیار واکنشپذیر با سایر عناصر و بسیار اشتعالپذیر هستند و در مقایسه با گاز طبیعی (متان) با شعلهی داغتری میسوزند. از نظر ایمنی، هیدروژن به مراقبت شدید نیاز دارد؛ زیرا بهآسانی نشت میکند و میتواند بهراحتی به انفجار منجر شود. هرچند تراکم آن نیز کمتر از هوا است و بهسرعت منتشر میشود که به کاهش خطرهای انفجار کمک میکند.
واکنشپذیری هیدروژن مشکلات بیشتری بههمراه دارد؛ زیرا به فولاد نفوذ میکند و باعث ایجاد نقص در خطوط لوله میشود؛ مگر اینکه فولاد گرانقیمت و با کیفیت خاص در این صنعت استفاده شود. با این حال، بزرگترین مشکلات به چگالی انرژی بسیار کم هیدروژن در مقایسه با سوختهای معمولی مانند گاز طبیعی یا بنزین مربوط است. از نظر جرم، هیدروژن بیشترین مقدار انرژی را در مقایسه با سوختهای دیگر دارد. براساس وزن، هر کیلوگرم هیدروژن تقریبا سه برابر انرژی بیشتری از هر کیلوگرم بنزین خواهد داشت.
با وجود این، هیدروژن از نظر حجمی، انرژی کمتری در مقایسه با سایر سوختها دارد. اگر هیدروژن بهعنوان گاز ذخیره شود، به مخزنی حدود سه هزار برابر حجم مخزن بنزین نیاز دارد که حاوی همان مقدار انرژی باشد. بنابراین، استفاده از هیدروژن خالص فقط در صورتی عملی است که آن را برای افزایش تراکم انرژی، فشرده یا حتی مایع کنیم.
در حالت مایع با انرژی متراکمتر، انرژی هر مترمکعب هیدروژن حدودا یکچهارم انرژی هر مترمکعب بنزین است. فشردهسازی یا مایعسازی هیدروژن نیز بسیار گرانتر از گاز طبیعی است و هزینههای انرژی درخورتوجهی را شامل میشود. ازاینرو، تراکم انرژی پایین مانع اصلی استفاده از هیدروژن در سیستمهای حملونقل و حتی برخی از کاربردهای ثابت خواهد بود. طبق آمار آژانس بینالمللی انرژی، تنها ۱۱ هزار خودرو هیدروژنی در جادهها تردد میکنند؛ در حالی که ۲۰ هزار دستگاه لیفتراک در انبارها و گمرکها استفاده میشود؛ جایی که سوختگیری آنها سادهتر است.
مسیرهای دوگانه برای تولید هیدروژن (الکترولیز و گازیکردن یا بهسازی متان با بخارآب)، دلیل اصلی محبوبیت هیدروژن در جذب چنین طیف متنوعی از گروههای علاقهمند و دولتها به شمار میرود. آژانس بینالمللی انرژی چند شیوهی عملی را پیشنهاد کرده که در آن، امکان استفاده از هیدروژن با پشتیبانی دولتها افزایش مییابد؛ از جمله این روشها میتوان به ترکیب هیدروژن با غلظتهای پایین به خطوط گاز طبیعی موجود اشاره کرد.
شایان ذکر است فقط در صورت ترکیب فرایند تولید هیدروژن ناشی از بهسازی متان با بخارآب و گازیکردن زغالسنگ با فناوریهای جذب و ذخیرهسازی، این ترکیب میتواند بهجای افزایش آلایندگی باعث کاهش انتشار گازهای گلخانهای شود. بنابراین، استفاده از سیستمهای سوخت هیدروژنی در زمینههای مختلف مانند قابلیت ذخیرهسازی و استفاده و نگهداری کربن در مقیاس وسیع، بسیارخطرپذیر هستند.
در شرایط کنونی، با توجه به هزینههای بسیار زیاد، جذب و ذخیرهسازی کربن بدون لحاظکردن هزینه درخورتوجه برای انتشار و آلایندگی دیاکسیدکربن همچنان دور از دسترس به نظر میرسد. بنابراين، بزرگترين مانع اقتصادی برای آيندهی هيدروژن، مهندسی ذخيره و توزيع گاز نيست؛ بلکه سياست قيمتگذاری آلایندهها است.
اگر مسئلهی سیاست قیمتگذاری آلایندهها حل شود، هیدروژن روشی پذیرفتنی برای سیستم انرژی پاکتر است؛ هرچند با فناوریهای دیگر باید رقابت کند که ممکن است ارزانتر و راحتتر باشند. اگر مسئلهی قیمت کربن حلنشده باقی بماند، به احتمال زیاد هیدروژن برای استفادهی گسترده همچنان گرانقیمت باقی خواهد ماند.