هیدروژن سبز چیست؟ تولید و نقش آن در آینده انرژی پایدار

هیدروژن سبز به‌عنوان یکی از نویدبخش‌ترین راه‌حل‌ها برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و دستیابی به اهداف کربن‌صفر، در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این نوع هیدروژن، که از منابع تجدیدپذیر تولید می‌شود، می‌تواند در بخش‌های مختلف از جمله صنعت، حمل‌ونقل و تولید انرژی به کار رود. با توجه به افزایش فشارهای جهانی برای مقابله با تغییرات اقلیمی و پیشرفت فناوری، هیدروژن سبز به یکی از ستون‌های اصلی گذار به اقتصاد سبز تبدیل شده است.

هیدروژن سبز چیست؟

هیدروژن سبز (Green Hydrogen) نوعی هیدروژن است که از طریق الکترولیز آب با استفاده از برق تولیدشده از منابع تجدیدپذیر مانند باد، خورشید یا انرژی آبی به دست می‌آید. بر اساس کتاب “Hydrogen Economy” نوشته‌ی جرمی ریفکین (Jeremy Rifkin)، هیدروژن به خودی خود یک منبع انرژی نیست، بلکه یک حامل انرژی (Energy Carrier) است که می‌تواند انرژی را ذخیره و منتقل کند. آنچه هیدروژن سبز را متمایز می‌کند، فرآیند تولید بدون انتشار کربن آن است که در تضاد با هیدروژن خاکستری (تولیدشده از گاز طبیعی) و هیدروژن آبی (تولیدشده با جذب کربن) قرار دارد.

هیدروژن به‌طور طبیعی در طبیعت به صورت آزاد وجود ندارد و باید از ترکیباتی مانند آب (H₂O) یا هیدروکربن‌ها استخراج شود. هیدروژن سبز به دلیل استفاده از منابع پاک در تولید، به‌عنوان پاک‌ترین شکل هیدروژن شناخته می‌شود و پتانسیل بالایی برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی در آینده دارد.

روش‌های تولید هیدروژن سبز

1. الکترولیز آب (Water Electrolysis)

الکترولیز اصلی‌ترین روش تولید هیدروژن سبز است. در این فرآیند، آب به هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂) تجزیه می‌شود. طبق مقاله‌ای از “Renewable and Sustainable Energy Reviews”، این روش شامل سه نوع فناوری اصلی است:

• الکترولیز قلیایی (Alkaline Electrolysis): قدیمی‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین روش که از محلول قلیایی به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌کند.
• الکترولیز غشای تبادل پروتون (PEM Electrolysis): روشی پیشرفته‌تر با بازده بالاتر و اندازه کوچک‌تر، که از غشاهای پلیمری استفاده می‌کند.
• الکترولیز اکسید جامد (SOEC): فناوری نوظهور با بازده بسیار بالا که در دماهای بالا عمل می‌کند.

برق موردنیاز برای این فرآیند از منابع تجدیدپذیر تأمین می‌شود. به عنوان مثال، مزارع بادی در دریای شمال اروپا انرژی لازم برای تولید هیدروژن سبز را فراهم می‌کنند.

2. استفاده از انرژی خورشیدی و بادی

ترکیب الکترولیز با انرژی خورشیدی و انرژی بادی، ستون فقرات تولید هیدروژن سبز است. بر اساس کتاب “Renewable Energy Systems” نوشته‌ی هنریک لوند (Henrik Lund)، توربین‌های بادی و پنل‌های خورشیدی می‌توانند برق پاک را به‌طور مستقیم به الکترولایزرها (Electrolyzers) منتقل کنند. این روش به‌ویژه در مناطقی با منابع بادی یا خورشیدی فراوان، مانند خاورمیانه و استرالیا، بسیار مؤثر است.

3. سایر روش‌های نوظهور

• فتوالکتروشیمی (Photoelectrochemical Production): استفاده از نور خورشید برای تجزیه مستقیم آب بدون نیاز به برق جداگانه.
• زیست‌هیدروژن (Biohydrogen): تولید هیدروژن از زیست‌توده یا میکروارگانیسم‌ها با استفاده از انرژی تجدیدپذیر.

این روش‌ها هنوز در مراحل تحقیقاتی هستند، اما پتانسیل بالایی برای آینده دارند.

کاربردهای هیدروژن سبز

1. صنعت

هیدروژن سبز در صنایعی که به انرژی بالا یا مواد اولیه شیمیایی نیاز دارند، کاربرد گسترده‌ای دارد. طبق گزارش IEA (آژانس بین‌المللی انرژی)، در تولید فولاد، هیدروژن می‌تواند جایگزین زغال‌سنگ در فرآیند احیای مستقیم آهن (DRI) شود و انتشار کربن را به صفر برساند.

مثال: شرکت سوئدی SSAB در پروژه HYBRIT از هیدروژن سبز برای تولید فولاد بدون کربن استفاده می‌کند.

2. حمل‌ونقل

هیدروژن سبز به‌عنوان سوخت در خودروهای پیل سوختی (Fuel Cell Vehicles – FCVs) و حمل‌ونقل سنگین مانند کامیون‌ها، قطارها و کشتی‌ها استفاده می‌شود. بر اساس کتاب “Hydrogen and Fuel Cells” نوشته‌ی بنت سورنسن (Bengt Sørensen)، این خودروها تنها بخار آب تولید می‌کنند و برای مسافت‌های طولانی مناسب‌اند.

مثال: شرکت تویوتا با مدل Mirai و هیوندای با Nexo از هیدروژن در خودروهای خود بهره می‌برند.

3. تولید برق

هیدروژن سبز می‌تواند در توربین‌های گازی یا پیل‌های سوختی برای تولید برق استفاده شود. این کاربرد به‌ویژه در زمان‌هایی که منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید در دسترس نیستند، مفید است.

مثال: نیروگاه‌های هیدروژنی در ژاپن برای ذخیره‌سازی و تولید برق در حال توسعه هستند.

4. گرمایش و مصارف خانگی

هیدروژن می‌تواند در سیستم‌های گرمایشی یا به‌صورت مخلوط با گاز طبیعی در شبکه‌های موجود استفاده شود. طبق مقاله‌ای از “Energy Policy”، این کاربرد در کشورهایی مانند بریتانیا در حال آزمایش است.

مزایای هیدروژن سبز

• کاهش انتشار کربن: مهم‌ترین مزیت هیدروژن سبز، تولید بدون کربن آن است. بر اساس گزارش IPCC، جایگزینی سوخت‌های فسیلی با هیدروژن سبز می‌تواند سالانه میلیون‌ها تن CO2 را حذف کند.
• ذخیره‌سازی انرژی:هیدروژن سبز راهی برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر در طولانی‌مدت است. وقتی برق خورشیدی یا بادی اضافی تولید می‌شود، می‌توان آن را به هیدروژن تبدیل کرد و در زمان نیاز به برق بازگرداند.
• انعطاف‌پذیری در کاربرد: از صنعت سنگین تا حمل‌ونقل سبک، هیدروژن سبز قابلیت استفاده در بخش‌های متنوع را دارد و به‌عنوان یک حامل انرژی چندمنظوره عمل می‌کند.
• پشتیبانی از اقتصاد سبز: توسعه هیدروژن سبز فرصت‌های شغلی در زمینه تولید، زیرساخت و تحقیق ایجاد می‌کند. طبق برآورد IRENA، تا سال 2050، این صنعت می‌تواند 12 میلیون شغل جهانی ایجاد کند.

چالش‌های هیدروژن سبز

تولید هیدروژن سبز در حال حاضر گران‌تر از هیدروژن خاکستری است. طبق گزارش IEA، هزینه هر کیلوگرم هیدروژن سبز در سال 2025 بین 3 تا 6 دلار است، در حالی که هیدروژن خاکستری حدود 1 تا 2 دلار هزینه دارد. این اختلاف به دلیل قیمت الکترولایزرها و انرژی تجدیدپذیر است. الکترولیز تنها 70-80 درصد انرژی ورودی را به هیدروژن تبدیل می‌کند، که به معنای اتلاف انرژی است. بر اساس کتاب لوند، بهبود بازده این فرآیند یکی از چالش‌های اصلی است. حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی هیدروژن نیاز به خطوط لوله، مخازن تحت فشار و ایستگاه‌های سوخت‌رسانی دارد که هنوز به‌طور گسترده توسعه نیافته‌اند. هیدروژن به دلیل اشتعال‌پذیری بالا نیاز به اقدامات ایمنی سخت‌گیرانه دارد. نشت هیدروژن می‌تواند خطر انفجار ایجاد کند.

فناوری‌های نوین در هیدروژن سبز

1. الکترولایزرهای پیشرفته
الکترولایزرهای PEM و SOEC با بازده بالاتر و اندازه کوچک‌تر در حال توسعه هستند. طبق مقاله‌ای از “Journal of Power Sources”، این فناوری‌ها هزینه تولید را تا 30 درصد کاهش می‌دهند.
2. ادغام با انرژی‌های تجدیدپذیر
پروژه‌های ترکیبی مانند Solar-to-Hydrogen و Wind-to-Hydrogen در حال گسترش‌اند. به عنوان مثال، پروژه Neom در عربستان سعودی از خورشید و باد برای تولید 4 گیگاوات هیدروژن سبز استفاده می‌کند.
3. ذخیره‌سازی بهبودیافته
فناوری‌هایی مانند هیدروژن مایع (Liquid Hydrogen) و هیدریدهای فلزی (Metal Hydrides) ذخیره‌سازی را کارآمدتر کرده‌اند. طبق کتاب سورنسن، این روش‌ها چگالی انرژی را افزایش می‌دهند.
4. کاتالیزورهای جدید
استفاده از کاتالیزورهای ارزان‌تر و بادوام‌تر (مانند نیکل به جای پلاتین) هزینه‌های الکترولیز را کاهش می‌دهد. مقاله‌ای از “Nature Energy” به پیشرفت در این زمینه اشاره دارد.

هیدروژن سبز در سال 2025

طبق گزارش BloombergNEF، بازار هیدروژن سبز تا سال 2025 به ارزش 12 میلیارد دلار رسیده و انتظار می‌رود تا 2030 به 700 میلیارد دلار برسد. کشورهایی مانند آلمان، ژاپن و استرالیا پیشگام این صنعت هستند. طرح‌هایی مانند استراتژی هیدروژن اتحادیه اروپا و برنامه‌های یارانه‌ای در آمریکا، توسعه هیدروژن سبز را تسریع کرده‌اند. در سال 2025، بیش از 30 کشور استراتژی ملی هیدروژن دارند. پیشرفت فناوری و افزایش مقیاس تولید، هزینه هیدروژن سبز را کاهش داده است. IEA پیش‌بینی می‌کند که تا سال 2030، این هزینه با هیدروژن خاکستری برابر شود.

تا سال 2050، هیدروژن سبز می‌تواند 15 درصد از انرژی جهانی را تأمین کند، به‌ویژه در بخش‌هایی که برقی‌سازی دشوار است (مانند حمل‌ونقل سنگین و صنعت). انتظار می‌رود شبکه‌های خطوط لوله هیدروژن و ایستگاه‌های سوخت‌رسانی تا دهه 2030 به‌طور گسترده گسترش یابند. پروژه‌هایی مانند انتقال هیدروژن سبز از استرالیا به ژاپن نشان‌دهنده شروع تجارت جهانی این انرژی است.

این نوع هیدروژن، که از طریق الکترولیز با انرژی تجدیدپذیر تولید می‌شود، می‌تواند جایگزینی پایدار برای سوخت‌های فسیلی باشد و به کاهش انتشار کربن کمک کند. با وجود چالش‌هایی مانند هزینه تولید و زیرساخت محدود، پیشرفت‌های فناوری و حمایت‌های جهانی در سال 2025، هیدروژن سبز را به یکی از امیدبخش‌ترین راه‌حل‌ها برای آینده انرژی تبدیل کرده‌اند.

منبع: ابرار صنعتی