موضوع مقاله: هیدروژن سبز | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # هیدروژن سبز | مقدمه: هیدروژن سبز (GH2) به هیدروژنی گفته می‌شود که در جریان تولید آن از سوخت‌های فسیلی استفاده نمی‌شود و هیدروژن درون ترکیب آب در جریان فرایند الکترولیز از اکسیژن جدا می‌شود. | ## بخش 1: هیدروژن سبز | روش تولید اصلاح (ریفورمینگ) هیدروکربن‌ها با بخار آب فرآیند اصلی و غالب در تولید هیدروژن در صنایع شیمیایی است. هر دو روش ریفورمینگ و الکترولیز مستلزم مقادیر زیادی انرژی هستند که با استفاده از گاز طبیعی و یا با استفاده از الکتریسیته تامین می‌شوند. البته هیدروژن تولید شده به روش الکترولیز از خلوص بالایی برخوردار است و اگر به هیدروژن خالص نیاز باشد، تقریبا الکترولیز تنها روش منتخب خواهد بود. به‌هرحال، بر اساس برخی گزارش‌ها قیمت هیدروژن تولید شده به روش الکترولیز 3 تا 5 برابر بیشتر از روش ریفورمینگ است و این بستگی به قیمت الکتریسیته دارد که در نقاط مختلف دنیا متفاوت است. از سوی دیگر قیمت گاز (طبیعی) و الکتریسیته با یکدیگر مرتبط هستند، چرا که از گاز می‌توان در تولید هیدروژن استفاده کرد. هرچند تولید الکترولیتی هیدروژن تنها برای تولید مقادیر کوچک هیدروژن جواب‌گو است ولی در صورتی که مقادیر کم اما خلوص بالا مورد نیاز باشد، تنها گزینه مناسب روش‌های الکترولیتی و الکترولیز است. تولید هیدروژن (H2) با انرژی خورشیدی به عنوان یک فرآیند پیشرو برای تبدیل انرژی‌های تجدیدپذیر در راستای دستیابی به یک فرآیند برداشت انرژی پایدار و قابل اعتماد، ظهور کرده است. هیدروژن یک واسطه شیمیایی است که می‌تواند انرژی‌های تجدیدپذیر متناوب و رقیق را به برق تبدیل کند. این فرآیند برای کربن‌زدایی از صنعت انرژی حیاتی است، زیرا اثرات نامطلوب انسانی بر آب و هوا را به حداقل می‌رساند. توسعه سیستم‌های فوتوکاتالیستی بسیار فعال و بادوام با جذب نور گسترده در طیف وسیع خورشیدی برای این تبدیل خورشیدی به هیدروژن ضروری است. فناوری‌های نو اکسیدهای پروسکایت به عنوان یک کاتالیزور رایج که نه تنها نور خورشید را جذب می‌کند، بلکه به صورت کلی تجزیه آب را برای تولید H2 از آب موجود سرعت می‌بخشد، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است. تولید هیدروژن فوتو(الکترو)شیمیایی توسط پروسکایت‌ها، انعطاف‌پذیری ترکیبی استثنایی، خواص الکترونیکی، نوری و مغناطیسی عالی، مقاومت کلی در برابر خوردگی نوری و پایداری حرارتی خوب آنها را برجسته می‌کند. بونومانو و همکارنش در سال ۲۰۲۵، در مطالعه خود، یک سیستم یکپارچه برای تولید هیدروژن سبز با استفاده از آب شیرین‌کن و الکترولایزر مبتنی بر انرژی خورشیدی را مدل‌سازی کردند. نتایج نشان داد که هزینه تراز شده هیدروژن بین ۵ تا ۸ یورو بر کیلوگرم متغیر است و برای رقابت‌پذیری اقتصادی، نیاز به مشوق‌های عمومی بین ۷ تا ۱۲ میلیون یورو دارد. توسعه پایدار همزمان با تلاش جهان برای دستیابی به اهداف بلندپروازانه اقلیمی و کاهش انتشار کربن، هیدروژن سبز به عنوان یک راه حل همه کاره و مقیاس‌پذیر، مسیری مناسب برای توسعه پایدار را ارائه می‌دهد. تقاضای انرژی به دلیل تحولات صنعتی در بسیاری از بخش‌ها که با الزامات فنی بالا برای برآوردن نیازهای نامحدود انسان و جبران افزایش جمعیت جهانی تأمین می‌شوند، به طور گسترده در حال افزایش است. | ## بخش 2: هیدروژن سبز | هدف قرار دادن استفاده فزاینده از انرژی‌های تجدیدپذیر برای جبران افزایش تقاضای انرژی، فرصت خوبی را برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) فراهم می‌کند که به حل مشکلات تغییرات اقلیمی کمک خواهد کرد. یکی از کاربردهای پرطرفدار، تولید هیدروژن سبز از الکترولیز آب با استفاده از برق تجدیدپذیر است. کربن‌زدایی بخش حمل و نقل برای دستیابی به اهداف جهانی آب و هوا که در توافقنامه پاریس ذکر شده است، ضروری است. در پی این ضرورت، ارزیابی سیستماتیکی از ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن با انرژی تجدیدپذیر در چارچوب‌های حمل و نقل پایدار صورت گرفته است. این تحلیل با تکیه بر چهل و یک مطالعه با تأثیر بالا که بین سال‌های 2019 تا 2024 منتشر شده است، حول سه موضوع اصلی ساختار یافته است: ادغام انرژی تجدیدپذیر با تولید هیدروژن(هیدروژن سبز)، طراحی، بهره‌وری عملیاتی، پایداری اقتصادی و ملاحظات ایمنی ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن، مدیریت و بهینه‌سازی سیستم‌های انرژی یکپارچه. این بررسی با ترکیب داده‌های تجربی خاص منطقه و مدل‌سازی محاسباتی از این مطالعات، فرصت‌ها و چالش‌های حیاتی عملیاتی، اقتصادی و زیرساختی مرتبط با ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن را تجمیع می‌کند و به موانع و فرصت‌های موجود در استقرار زیرساخت‌های پایدار هیدروژن برای حمل و نقل می‌پردازد. این بررسی با ارائه تصویری عمیق از وضعیت فعلی تحقیقات در این حوزه چند رشته‌ای که به سرعت در حال تحول است، توصیه‌های سیاستی اساسی را برای سیاست‌گذاران، ذینفعان صنعت و محققان ارائه می‌دهد. برقکافت یکی از مراحل مهم تولید هیدروژن سبز برقکافت است که خروجی آن گاز اکسیژن و گاز هیدروژن است. این عملیات روش‌های متفاوتی دارد: برقکافت قلیایی در حال حاضر در صنایع شیمیایی حجم انبوهی از هیدروژن با خلوص بالا به روش الکترولیز قلیایی تولید می‌‌شود.هیدروژن در این روش همراه با اکسیژن و در یک محلول آبی قلیایی که اغلب پتاسیم هیدروکسید با غلظت تقریبی 30٪ است تولید می‌شود.دمای فرایند معمولا بین 60 تا 90 درجه سانتی گراد است و بازده آن در حدود 70 تا 80 درصد می‌باشد. الکترولیز در سل‌های بر روی هم قرار گرفته یا پشته با تعداد کافی انجام می‌شود تا به ظرفیت مورد نظر دست یابند.یک سل پشته می‌تواند در یک ساعت، تا 740 مترمکعب گاز هیدروژن تولید کند. بزرگترین تاسیسات گزارش شده برای تولید هیدروژن ظرفیتی در حدود 30000 متر مکعب گاز هیدروژن در ساعت، با استفاده از سل‌های پشته‌ای الکترولیزی متعدد بوده است. هر چند اغلب سل‌های الکترولیزی تولید هیدروژن در فشار اتمسفری کار می‌کنند ولی به‌هرحال واحدهای صنعتی که تحت فشار کار می‌کنند نیز وجود دارد. این روش یکی از پرکاربرد ترین روش های برقکافت آب می‌باشد که به لحاظ هزینه هم به صرفه است و معمولا در آن از الکترولیت پتاسیم هیدروکسید استفاده می‌شود. برقکافت غشای تبادل پروتون این روش نسبتا جدید است و بر اساس غشاء تبادل پروتون کار می‌کند که سل‌های الکترولیزی را از یکدیگر تفکیک کرده است. مهمترین مزیت این فناوری زمان پاسخ بسیار کوتاه و محدوده دینامیکی وسیع آن است که آن را برای استفاده از انرژی الکتریکی تجدیدپذیر در تولید هیدروژن بسیار مناسب ساخته است. این روش نسب به برقکافت قلیایی مزیت‌هایی چون تولید هیدروژن با خلوص بالاتر و کار در دمای پایین‌تر را داراست. | ## بخش 3: هیدروژن سبز | اگرچه در حال حاضر به علت استفاده از فلزات گران‌بهایی چون پلاتین و ایریدیم در این روش، هزینه آن نسبت به برقکافت قلیایی بالاتر است، اما محققان به هدف جایگزینی این کاتالیست‌ها به منظور کاهش هزینه‌ی این روش، روی این موضوع کار می‌کنند. برقکافت دما بالا فرآیند های الکترولیز مستلزم حجم زیادی از الکتریسیته برای شکستن پیوندهای شیمیایی آب و تولید حجیم هیدروژن هستند. الکترولیز دما بالا از اصول بکار رفته در پیل‌های سوختی اکسید جامد برای تولید هیدروژن بهره می‌گیرند. الکترولیز اکسید جامد آب همچنین می‌تواند برای الکترولیز هم‌زمان کربن‌دی‌اکسید و تولید گاز سنتز با ترکیب دلخواه مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به به آن که بخشی از انرژی مورد نیازی که توسط دمای بالا تامین می‌شود، مصرف الکتریسیته نسبت به روش الکترولیز مرسوم کاهش می‌یابد. سل‌های پشته‌ای این روش می‌تواند تحت فشار کار کرده و شرایط را برای فرآیندهای پایین دست مانند متانول یا واکنش‌های متانیزاسیون تسهیل کند. اقتصاد در مطالعه‌ای امکان‌سنجی فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی ادغام تولید هیدروژن سبز در یک پالایشگاه نفت موجود در مصر بررسی شده‌است. این تحقیق تأیید می‌کند که جایگزینی هیدروژن خاکستری معمولی با هیدروژن سبز تولید شده از طریق الکترولیز با انرژی خورشیدی، یک استراتژی کربن‌زدایی مناسب و تأثیرگذار است. این تحلیل نشان می‌دهد که پیاده‌سازی یک سیستم الکترولیز قلیایی خورشیدی ۶۰ مگاواتی، که به مساحت سطح پنل ۶۶۰،۰۰۰ متر مربع نیاز دارد، می‌تواند ۱۲۶۰ کیلوگرم در ساعت هیدروژن سبز تولید کند. این ظرفیت ۱۵٪ از تقاضای فعلی هیدروژن پالایشگاه را که به طور سنتی توسط اصلاح متان با بخار آب (SMR) برآورده می‌شود، برآورده می‌کند.از نظر اقتصادی، این مدل پیش‌بینی، پیش‌بینی می‌کند که با تعریف مالیات و اعتبارات کربن، هزینه تراز شده هیدروژن سبز تا سال ۲۰۲۸ از ۲.۶۶ به ۱.۵۶ دلار آمریکا در هر کیلوگرم کاهش می‌یابد و آن را از هیدروژن خاکستری که ۱.۶۵ دلار آمریکا در هر کیلوگرم تخمین زده می‌شود، مقرون به‌صرفه‌تر می‌کند. در مطالعه‌ی دیگری که بر روی اتوبوس‌های هیدروژنی در استانبول انجام شده است، یافته‌ها نشان می‌دهد که اتوبوس‌های هیدروژنی سبز مقرون به صرفه‌تر هستند (۰.۶۸ دلار در هر کیلومتر در مقابل ۰.۸۲۵ تا ۱.۰۹۵ دلار در هر کیلومتر). هزینه تراز شده برق و هیدروژن به ترتیب ۲۹.۹۵ دلار در هر مگاوات ساعت و ۴.۵۱ دلار در هر کیلوگرم H2 تخمین زده می‌شود. این تحقیق یک نقشه راه عملی برای گذار به هیدروژن سبز در حمل و نقل شهری ارائه می‌دهد و بر نیاز به بهینه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و سیاست‌های حمایتی تأکید می‌کند. این تحقیق نقش حیاتی بهینه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و مشوق‌های سیاستی را در پیشبرد حمل و نقل پایدار شهری برجسته می‌کند. محیط زیست در تحقیقی که در رابطه با جایگزینی بخشی از هیدروژن مورد نیاز یک پالایشگاه در مصر می‌باشد،ثابت شده است که تنها با جایگزینی حدود 15٪ از هیدروژن مورد نیاز با هیدروژن سبز می‌توان سالانه تقریباً ۲۱۹ میلیون کیلوگرم انتشار CO₂ را کاهش داد. | ## جمع‌بندی | در تحقیق دیگری که بر روی اتوبوس‌های هیدروژنی در استانبول انجام شده است، یافته‌ها نشان می‌دهد که اتوبوس‌های هیدروژنی سبز در هر کیلومتر به طور قابل توجهی کمتر از اتوبوس‌های دیزلی معادل CO₂ منتشر می‌کنند (۱۷۳.۹۱ گرم CO₂ معادل/کیلومتر در مقابل ۳۳۳۵.۳۴ گرم CO₂ معادل/کیلومتر).