هیدروژن و آمونیاک به عنوان راه حلهای ذخیره انرژی
هیدروژن و آمونیاک به عنوان اجزای کلیدی در حال ظهور در انتقال به سیستمهای انرژی پایدار، به ویژه در زمینه راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی، هستند،. ویژگیهای منحصر به فرد و کاربردهای بالقوه آنها مزایای قابل توجهی را در مدیریت انرژی تولید شده از منابع تجدیدپذیر فراهم می‌کند.
هیدروژن و آمونیاک به طور فزاینده ای به عنوان جایگزین های مناسب برای سوخت های فسیلی در فرآیندهای مختلف صنعتی شناخته می شوند و مسیرهایی را برای کاهش قابل توجه انتشار کربن ارائه می دهند. این انتقال برای دستیابی به اهداف آب و هوایی جهانی، به ویژه در بخش هایی که کربن زدایی آنها سخت است، ضروری است.
نیاز به کربن زدایی
فرآیندهای صنعتی مانند تولید فولاد، تولید سیمان و تولید مواد شیمیایی به شدت به سوختهای فسیلی وابسته هستند و به میزان قابل توجهی در انتشار جهانی CO2 نقش دارند. انتقال به هیدروژن و آمونیاک می تواند با ارائه منابع انرژی پاکتر به کاهش این اثرات کمک کند.
نقش هیدروژن در ذخیره‌سازی انرژی
ویژگیهای هیدروژن
هیدروژن (H2): سبک ترین و فراوان ترین عنصر، هیدروژن می تواند از طریق روش های مختلفی از جمله الکترولیز، اصلاح متان با بخار و تبدیل به گاز زیست توده تولید شود. این سوخت به عنوان یک سوخت تمیز عمل می کند که در صورت احتراق یا استفاده در سلول های سوختی فقط آب منتشر می کند. تنوع آن به عنوان یک حامل انرژی آن را به گزینه‌ای جذاب برای ذخیره‌سازی انرژی تبدیل می‌کند. ویژگیهای کلیدی که هیدروژن را برای این هدف مناسب می‌سازد شامل:
چگالی انرژی بالا: هیدروژن دارای محتوای انرژی خاص بالایی است، به این معنی که می‌تواند مقدار زیادی انرژی را نسبت به وزن خود ذخیره کند.
انعطاف‌پذیری در ذخیره‌سازی: هیدروژن می‌تواند در اشکال مختلفی از جمله گاز فشرده، هیدروژن مایع یا ترکیبات شیمیایی ذخیره شود.
تولید تجدیدپذیر: وقتی که از طریق الکترولیز با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر تولید شود (هیدروژن سبز)، یک روش پایدار برای ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌دهد.
الکترولیز و تولید هیدروژن
الکترولیز فرآیندی است که از برق برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کند. این روش به ویژه برای ذخیره‌سازی برق اضافی تولید شده از منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید مرتبط است. در دوره‌های تولید بالا، برق اضافی می‌تواند برای تولید هیدروژن استفاده شود که سپس می‌توان آن را برای استفاده بعدی ذخیره کرد.
قابلیت مقیاس‌پذیری: الکترولیزورها می‌توانند برای پاسخگویی به تقاضای رو به افزایش هیدروژن به عنوان یک رسانه ذخیره‌سازی مقیاس‌بندی شوند.
ثبات شبکه: با تبدیل انرژی اضافی تجدیدپذیر به هیدروژن، می‌توانیم شبکه را تثبیت کنیم و تأمین برق مداوم را در دوره‌های کم تولید تضمین کنیم.
کاربردهای هیدروژن در ذخیره‌سازی انرژی
هیدروژن نقش‌های متعددی را در چشم‌انداز انرژی ایفا می‌کند:
حامل انرژی: هیدروژن می‌تواند انرژی را بر مسافت‌های طولانی حمل کند، که آن را برای مناطقی با منابع تجدیدپذیر فراوان اما مصرف محلی محدود مناسب می‌سازد.
سوخت برای تولید برق: هیدروژن می‌تواند در سلولهای سوختی برای تولید برق یا در نیروگاه‌های حرارتی سوزانده شود و پشتیبانی قابل اعتمادی زمانی که تولید تجدیدپذیر کافی نیست، فراهم کند.
کاربردهای صنعتی: صنایعی مانند فولادسازی و تولید سیمان می‌توانند از هیدروژن به عنوان منبع سوخت کم کربن استفاده کنند.
نقش آمونیاک در ذخیره‌سازی انرژی
ویژگیهای آمونیاک
آمونیاک (NH3): ترکیبی از نیتروژن و هیدروژن، آمونیاک به طور سنتی با استفاده از فرآیند Haber-Bosch تولید می شود. چگالی انرژی بالاتری نسبت به هیدروژن دارد که ذخیره و حمل و نقل آن را آسان تر می کند. آمونیاک همچنین می تواند به عنوان یک حامل هیدروژن عمل کند که چندین مزیتهایی به عنوان یک راه‌حل ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌دهد:
چگالی انرژی بالاتر: آمونیاک دارای چگالی انرژی حجمی بالاتری نسبت به هیدروژن است که اجازه می‌دهد تا مقدار بیشتری از انرژی در حجم کمتری ذخیره شود.
سهولت در ذخیره‌سازی و حمل و نقل: آمونیاک می‌تواند در دماهای محیطی ذخیره شود و نیازی به شرایط کریوژنی ندارد، که نیازهای لجستیکی و زیرساختی را ساده‌تر می‌کند.
آمونیاک به عنوان حامل هیدروژن
آمونیاک به دلیل توانایی خود در ذخیره‌سازی هیدروژن در فرم فشرده‌تر، به عنوان یک حامل موثر برای هیدروژن عمل می‌کند. این ویژگی به ویژه برای حمل هیدروژن بر مسافت‌های طولانی که حمل مستقیم ممکن نیست، مفید است.
فرآیند شکستن: در نقطه استفاده، آمونیاک می‌تواند دوباره به هیدروژن و نیتروژن "شکسته" شود که اجازه استفاده انعطاف‌پذیر بسته به تقاضا را فراهم می‌آورد.
زیرساخت‌های موجود: زنجیره تأمین جهانی موجود برای آمونیاک، که عمدتاً برای استفاده کشاورزی توسعه یافته است، ادغام آن را در سیستمهای جدید انرژی تسهیل می‌کند.
کاربردهای آمونیاک در ذخیره‌سازی انرژی
تنوع آمونیاک فراتر از صرفاً یک حامل هیدروژنی است:
منبع سوخت: آمونیاک می‌تواند مستقیماً به عنوان سوخت در تولید برق یا حمل و نقل دریایی استفاده شود و به تلاش‌های کاهش کربن در بخش‌های مختلف کمک کند.
صادرات انرژی: کشورهایی با منابع تجدیدپذیر فراوان می‌توانند آمونیاک سبز برای صادرات تولید کنند و فرصت‌های اقتصادی جدیدی ایجاد کنند در حالی که از اهداف جهانی کاهش کربن حمایت می‌کنند.
چگونه هیدروژن و آمونیاک می توانند جایگزین سوخت های فسیلی در فرآیندهای صنعتی شوند؟
چگونه هیدروژن می تواند جایگزین سوخت های فسیلی شود
کاربرد در صنعت
تولید فولاد: هیدروژن می تواند به عنوان یک عامل کاهنده در احیای مستقیم سنگ آهن (DRI) استفاده شود و جایگزین روش های کربن فشرده ای است که در حال حاضر در فولادسازی سنتی به کار می رود. این فرآیند نه تنها انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد، بلکه امکان تولید "فولاد سبز" را نیز فراهم می کند.
ساخت شیمیایی: هیدروژن در تولید آمونیاک برای کودها ضروری است. انتقال به هیدروژن سبز که از انرژی های تجدیدپذیر منبع می شود می تواند این بخش حیاتی را کربن زدایی کند.
فرایندهای پالایش : در پالایش نفت از هیدروژن برای هیدروکراکینگ و گوگردزدایی استفاده می شود. جایگزینی هیدروژن مشتق شده از فسیل با هیدروژن سبز می تواند به طور قابل توجهی انتشار گازهای گلخانه ای از پالایشگاه ها را کاهش دهد.
ذخیره انرژی و پایداری شبکه
هیدروژن می تواند در طول دوره های تولید بیش از حد انرژی تجدید پذیر از طریق الکترولیز تولید شود. سپس این هیدروژن ذخیره شده می تواند در طول دوره های تقاضای بالا یا زمانی که تولید انرژی تجدیدپذیر کم است مورد استفاده قرار گیرد و یک راه حل ذخیره انرژی انعطاف پذیری را که سوخت های فسیلی در حال حاضر ارائه می دهند ارائه می دهد.
سوخت حمل و نقل
سلولهای سوختی هیدروژنی برای وسایل نقلیه سنگین و سیستمهای حمل و نقل عمومی در حال توسعه هستند و جایگزینی برای موتورهای دیزلی ارائه می دهند. این تغییر نه تنها آلودگی هوای محلی را کاهش می دهد، بلکه به کاهش کلی انتشار نیز کمک می کند.
چگونه آمونیاک می تواند جایگزین سوختهای فسیلی شود
استفاده مستقیم به عنوان سوخت
آمونیاک را می توان مستقیماً در نیروگاه های حرارتی سوزاند یا در موتورهای احتراق داخلی که برای سوخت آمونیاک طراحی شده اند استفاده کرد. این نرم افزار جایگزینی با کربن کم برای تولید برق با گاز طبیعی یا زغال سنگ فراهم می کند.
صنعت حمل و نقل
زیرساخت های مستقر آمونیاک آن را به یک کاندیدای امیدوارکننده برای سوخت دریایی تبدیل می کند. از آنجایی که صنعت کشتیرانی به دنبال کاهش ردپای کربن خود است، آمونیاک می تواند به عنوان جایگزین سوخت بدون آلایندگی، به ویژه برای سفرهای طولانی مدت باشد.
حامل هیدروژن
توانایی آمونیاک در ذخیره هیدروژن به آن اجازه می دهد تا به عنوان یک حامل کارآمد برای انتقال هیدروژن در فواصل طولانی که حمل و نقل مستقیم ممکن است امکان پذیر نباشد، عمل کند. در مقصد، آمونیاک را می توان برای استفاده در کاربردهای مختلف به هیدروژن تبدیل کرد.
چالش‌ها و ملاحظات
در حالیکه هیدروژن و آمونیاک راه‌حل‌های امیدوارکننده‌ای برای ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌دهند، چندین چالش باید مورد توجه قرار گیرد:
روش‌های تولید
اکثر روش‌های فعلی تولید هیدروژن و آمونیاک وابسته به سوختهای فسیلی هستند (تولید خاکستری). انتقال به روش‌های کم کربن (تولید سبز یا آبی) ضروری است تا پتانسیل کامل آنها به عنوان راه‌حل‌های پایدار انرژی تحقق یابد.
نگرانی‌های ایمنی
سمیت و قابلیت اشتعال آمونیاک نیازمند تدابیر ایمنی سختگیرانه‌ای هنگام حمل و نقل و استفاده است. صنایع باید پروتکل‌هایی برای کاهش خطرات مرتبط با استفاده از آمونیاک توسعه دهند.
توسعه زیرساخت
سرمایه‌گذاری قابل توجهی برای گسترش زیرساخت تولید، ذخیره‌سازی و توزیع هیدروژن و آمونیاک مورد نیاز است. سیاستگذاران باید شرایط مناسبی را برای حمایت از این توسعه‌ها ایجاد کنند.
هیدروژن و آمونیاک آماده‌اند تا نقش‌های حیاتی را در آینده راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی ایفا کنند. توانایی آنها در ذخیره کارآمد انرژی اضافی تجدیدپذیر باعث قرار گرفتن آنها به عنوان بازیگران کلیدی در دستیابی به اهداف انتشار صفر کربن خواهد شد. با پیشرفت فناوری و توسعه زیرساخت‌ها، این گازها احتمالاً اجزای اساسی سیستمهای پایدار انرژی در سطح جهانی خواهند بود. انتقال به هیدروژن و آمونیاک سبز نه تنها از تلاش‌های کاهش کربن حمایت می‌کند بلکه فرصت‌های اقتصادی جدیدی را نیز در بخش‌های مختلف ایجاد خواهد کرد.
پی نوشت
انواع مختلف منابع هیدروژن
اصطلاح "منابع هیدروژن" شامل منابع و روش‌های مختلف تولید هیدروژن است، که یک حامل انرژی چندمنظوره با پتانسیل قابل توجه در انتقال به یک اقتصاد کم‌کربن به شمار می‌آید. درک انواع مختلف منابع هیدروژن برای ارزیابی تأثیرات زیست‌محیطی، قابلیت اقتصادی و آمادگی فنی آنها بسیار حائز اهمیت است.
هیدروژن مبتنی بر سوختهای فسیلی
هیدروژن خاکستری: از گاز طبیعی از طریق فرآیندی به نام اصلاح بخار متان (SMR) تولید می‌شود. این فرآیند مقادیر قابل توجهی دی‌اکسید کربن (2CO) را به جو آزاد می‌کند و هیدروژن خاکستری را به یکی از عوامل اصلی انتشار گازهای گلخانه‌ای تبدیل می‌کند.
هیدروژن آبی: مشابه هیدروژن خاکستری است، اما با فناوری‌های اضافی جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) برای جذب و ذخیره‌سازی انتشار 2CO. در حالیکه این امر ردپای کربن را کاهش می‌دهد، فناوری CCS هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد و با چالش‌هایی از نظر هزینه و کارایی مواجه است.
هیدروژن قهوه‌ای: از زغال‌سنگ با استفاده از فرآیندهای مشابه هیدروژن خاکستری تولید می‌شود. این نوع هیدروژن دارای ردپای کربن بالاتری نسبت به هیدروژن خاکستری بوده و به طور کلی کمتر دوستدار محیط زیست محسوب می‌شود.
هیدروژن مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر
هیدروژن سبز: از طریق الکترولیز تولید می‌شود، جایی که آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از منابع برق تجدیدپذیر مانند خورشیدی، بادی یا هیدرولیکی تجزیه می‌شود. هیدروژن سبز به عنوان پاک‌ترین شکل تولید هیدروژن شناخته می‌شود، زیرا در طول فرآیند تولید هیچ گاز گلخانه‌ای منتشر نمی‌کند.
هیدروژن صورتی: از طریق الکترولیز با استفاده از برقی که از انرژی هسته‌ای تولید می‌شود، تولید می‌شود. در حالی که انرژی هسته‌ای نگرانی‌های زیست‌محیطی خاص خود را دارد، هیدروژن صورتی می‌تواند جایگزینی کم‌کربن برای هیدروژن مبتنی بر سوختهای فسیلی باشد.
هیدروژن زرد: از طریق الکترولیز با استفاده از برقی که از ترکیبی از منابع تجدیدپذیر و غیرتجدیدپذیر تولید می‌شود، تولید می‌شود. ردپای کربن هیدروژن زرد بستگی به ترکیب خاص منابع انرژی مورد استفاده دارد.
منابع دیگر هیدروژن
هیدروژن سیاه: بدون هیچ‌گونه تدابیر جذب کربن از زغال‌سنگ تولید می‌شود و بالاترین میزان انتشار کربن را در بین تمام انواع هیدروژن دارد.
هیدروژن فیروزه‌ای: از طریق پیرولیز متان تولید می‌شود، فرآیندی که متان را به هیدروژن و کربن جامد تجزیه می‌کند. این روش پتانسیل تولید هیدروژنی با انتشار کربن کمتر نسبت به هیدروژن خاکستری را دارد، اما هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد.
هیدروژن سفید: هیدروژنی است که به طور طبیعی در برخی سازندهای زمین‌شناسی وجود دارد. در حالیکه این منبع تمیز است، دسترسی به آن محدود بوده و روش‌های استخراج آن هنوز در حال توسعه هستند.
عوامل قابل توجه
هنگام ارزیابی منابع مختلف هیدروژن، چندین عامل باید مورد توجه قرار گیرد:
ردپای کربن (میزان انتشار کربن): مقدار انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با تولید هیدروژن.
کارایی انرژی: مقدار انرژی مورد نیاز برای تولید مقدار معینی از هیدروژن.
هزینه: هزینه اقتصادی تولید هیدروژن، شامل هزینه ورودی‌های انرژی، زیرساخت و فناوری.
قابلیت مقیاس‌پذیری: پتانسیل افزایش تولید هیدروژن برای پاسخگویی به تقاضای آینده.
بلوغ: سطح توسعه فناوری و آمادگی تجاری روش‌های مختلف تولید هیدروژن.
هیدروژن پتانسیل زیادی برای ایفای نقش مهمی در انتقال به یک اقتصاد کم‌کربن دارد، اما انتخاب منبع هیدروژنی بستگی به عوامل مختلفی دارد، از جمله تأثیرات زیست‌محیطی، قابلیت اقتصادی و آمادگی فنی. در حالی که هیدروژنی مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر، مانند هیدروژن سبز و صورتی، گزینه‌های پاکتر و پایدارتر را ارائه می‌دهد، هیدروژنی مبتنی بر سوختهای فسیلی با جذب و ذخیره کربن ممکن است در کوتاه‌مدت نقشی ایفا کند. با پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌ها، انتظار می‌رود سهم هیدروژن تجدیدپذیر در بازار کلی هیدروژن افزایش یابد.