انرژی تجدید پذیرسیاست گذاری انرژی
موضوعات داغ

انرژی هیدروژن، اقتصاد هیدروژن

آینده ای بدون بازگشت، استفاده از انرژی هیدروژن در سطح عمومی جامعه بصورت گسترده

 

سوخت هیدروژنی سوختی پاک است که وقتی جایگزین سوخت های فسیلی می شود آلودگی هایی که از سوخت های فسیلی تولید می شود را ندارد و فقط آب تولید می کند. پیش بینی می شود که هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک در قرن ۲۱، برای انتقال انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

هیدروژن و تهیه آن

هیدروژن اولین عنصر جدول تناوبی در گروه اول است که در سال ۱۷۷۶ توسط کاوندیش شناخته و توسط لاوازیه نام گذاری شد. هیدروژن سبک ترین عنصر در جهان است که به صورت گاز دواتمی وجود دارد. در آزمایشگاه هیدروژن از واکنش اسیدها بر فلز روی و همچنین از الکترولیز آب با استفاده از جریان الکتریکی به دست می آید. امروزه سعی برآن است که هیدروژن را از جلبک های سبز و باکتری ها که از نور خورشید برای تولید آن استفاده می کنند، به دست آورند.. هیدروژن تجاری از تجزیه گاز طبیعی توسط بخار به دست می آید. در روشی دیگر زغال سنگ را در دما و فشار بالا با اکسیژن خالص قرار می دهند و هیدروژن گازی را به دست می آورند.

 

کاربرد هیدروژن

فکر کنیم در آشپزخانه سوختی که استفاده می کنیم آنقدر پاک و دوستدار محیط زیست است که احتیاج به دودکش ندارد و حتی زایده ای که از آن تولید می شود (آب) نیز قابل استفاده است. هیدروژن به مقدار زیادی در فرآیند هابر (تولید آمونیاک)، تولید متانول، گوگردزدایی آبی، تولید اسید هیدروکلریک، سوخت های موشکی و همچنین از تریتیوم در ساخت رآکتورهای اتمی استفاده می شود. یکی از مهم ترین استفاده ای که از هیدروژن می شود و امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است در پیل های سوختی است که راه کاری مهم در تولید سوخت ارزان و پاک و بدون آلودگی است. به عبارتی دیگر ماده ای که از سوختن آن تولید می شود، نه گازهای گلخانه ای و نه باران اسیدی ایجاد می کند. در آینده از هیدروژن علاوه بر سوخت خودرو، به عنوان سوخت هواپیماها، و همچنین تولید برق خانه ها و ادارات استفاده خواهد شد.

 

از عمده ویژگی‌هایی که هیدروژن را از سایر نمونه‌های مشابه سوختی متفاوت می‌نماید، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مصرف منحصر به فرد، انتشار بسیار نا چیز آلاینده‌ها، برگشت‌پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثرات گلخانه‌ای.
• انرژیی هیدروژنی به دلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر محسوب می‌شود.
• موتورهای الکتریکی و پیل‌های سوختی جایگزین بسیار مناسبی برای موتورهای احتراقی برای کنترل آلودگی و آلایندگی در شهرها می‌باشند.
• اقتصادی‌ترین سوخت در دراز مدت به منظور استفاده در خودروهای پیل سوختی؛ از پتانسیل بسیار مناسبی بر خوردار است.

فناوری ذخیره سازی

در سراسر دنیا طراحی وسا یل نقلیه ای که از هیدروژن بعنوان سوخت استفاده می کنند، مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است و دامنه این مطالعات هر روز در حال گسترش هستند . درحال حاضر دو روش، هیدریدهای فلزی و لوله های نازک کربن برای ذ خیره سازی هیدورژن در وسایل نقلیه وجود دارد که نسبت به سا یرروشها برتری داشته و بیشتر مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است و این دو فناوری هنوز در فاز تحقیقاتی می باشنددر امر ذخیره سازی هیدروژن، ١۵ % درصد از انرژی کل ذخیر ه سازی صرف فشرده سازی هیدروژن می شود و در حدود ٣٠ تا ۴٠ درصد آن نیز صرف فرایند مایع سازی هیدروژن می گرددسیستمهای فوق سرد  که در آنها هیدروژن بصورت مایع درآمده و ذ خیره می شوند، باید کاملا ً ایزوله بوده و نباید کمترین تبادل گرمایی و حرارتی با محیط اطراف داشته باشند؛ زیرا دمای جوش هیدروژن بسیار پایین بود

K٢٨ /٢٠ (و با دریافت مقادیر ناچیزی از گرما به سرعت بجوش می آیددر موتور وسایل نقلیه می توان گاز هیدروژن را به روش هیدرید ذخیره نمود . روشهای ذخیره سازی مناسب به روش هیدرید فلزی و موتورهای مجهز به سیستم هیدروژن به تکنولوژی بالا یی نیاز دارند . فلزات و آلیاژهای شناخته شده در تماس با هیدروژن وتحت فشاربه هیدرید تبدیل شده وحین این عمل حرارت آزاد می گردد و فقط فلزاتی برای خودروها مناسب هستند که در پروسه به تناوب بتوانند شارژ و دشارژ شوند و صنایع فضا یی از بزرگترین مصرف کنندگان هیدروژن مایع است . درحال حاضر در اکثر نقاط جهان، هیدروژن چه بصورت گاز و چه بصورت مایع توسط کشتی وکامیون جابجا می شود و راندمان انتقال و جابجایی هیدروژن به این روش بسیار کم است ولی درآینده نزدیک با افزایش کاربردهای هیدروژن می توان از خطوط لوله نیز برای جابجایی هیدروژن استفاده کرد که راندمان آن نسبت به جابجایی با کامیون و کشتی بالاترست.

کاربردهیدروژن جهت تولید شکلهای مختلف انرژی کاملا ً میسر است ولی یکی از مشکلات عمده، نحوه ذخیره سازی موثر و ایمن آن است . وجود ویژگیهایی نظیر نفوذ سریع، بیرنگ بودن شعله، گرم شدن در اثرانبساط و بنابراین خود اشتعالی در فضای آزاد پس از نشت و اثر تردی هیدروژن رو ی فولاد از جمله مشکلاتی است که در حال حاضر در کاربرد روشهای گوناگون ذخیره سازی این ماده خودنمایی می کند.

هیدروژن به سه روش اولیه ذخیره سازی می شود:

  • ذخیره بصورت گاز   
  • ذخیره بصورت مایع
  • ذخیره بوسیله آلیاژهای فلزی مخصوص و تشکیل هیدریدهای فلزی

۱. ذخیره سازی بصورت گاز

مخزن ذخیره هیدروژن گازی تحت فشار جزء تکنولوژیهای قدیمی و متداول می باشدهیدروژن گازی معمولا ً در مخازن لوله ای در فشارهایی به بزرگی Mpa۴١ ذخیره می گردنددر کاربردهای ویژه، مخازن لوله ای از جنس فولاد کم کربن ساخته شده است. و در فشارهایی به بزرگیMpa ٧٠ استفاده می شود ظروف مذکور دیواره دو جداره دارد که لایه داخلی طوری ساخته شده است که با فشار هیدروژن سازگار است ودیواره خارجی نیزازفولاد جوش داده شده با مقاومت بالا تهیه شده می شودکلا ً طراحی مخزن به گونه ای است که در مقابل فشار تحمل زیادی دارد . زمانی که نیاز باشد تا حجم زیادی از هیدروژن با سرعت معین از مخزن خارج شود در آن صورت از مخازن یا ظروف تقسیم کننده استفاده می شودزمانی که هیدروژن به مقدار زیاد تولید می شود امکان ذخیره آن در سیستم خط لوله در فشارهای بالا نیز وجود دارد.

امکان ذخیره سازی گازها در مخازن زیرزمینی نیز وجود دارد . ذخیره سازی زیر زمینی گازها به دو صورت انجام می گیرد:

  • ذخیره سازی در محیطهای خلل و فرج دار،جاههایی که گاز بطور طبیعی فضای بین طبقات معدنی یا کریستالها در سنگها را اشغال می نماید
  • ذخیره سازی در غارها که در این مورد، گاز در فضاها ی حفاری شده یا طبیعی موجود در سنگهای فشرده قرارمی گیرد.

در حال حاضر روش اصلی برای ذخیره زیر زمینی گاز طبیعی، روش اول می باشدمخازن زیر زمینی هیدروژن که هزینه ترین روش برای ذخیره هیدروژن هستند . مخازن خالی گاز و نفت برای ذخیره زیر زمینی گاز با کمترین سرمایه گذاری، قابل استفاده می باشند.

 

۲. ذخیره سازی بصورت مایع

ذخیره هیدروژن بعنوان یک مایع کرایوژنیک اخیرًا تنها روش در مقیاس بالا می باشد که در صنایع مختلف به خدمت گرفته شده است . هیدروژن مایع بالاترین دانسیته انرژی موجود را در میان سایر سوختهای شیمیایی دارد؛ از اینرو هیدروژن مایع سوخت اساسی برای همه برنامه های ملی فضایی است . یکی از مشکلات کاربرد هیدروژن مایع، فرایند مایع سازی آن است که در چند مرحله صورت می گیرداین مراحل شامل:

  • فشرده کردن گاز هیدروژن با استفاده از کمپرسورهای رفت و برگشتی.
  • سرد کردن اولیه گاز فشرده شده تا دمای نیتروژن (K)٧٨

انبساط توسط توربینها

فرایند اضافی دیگری نیز برای تبدیل ایزومرهای اسپین هیدروژن ارتو به پارا لازم است . این فرایند بدین دلیل مورد نیاز است که هیدروژن نرمال در درجه حرارت اتاق شامل ٧۵ % درصد هیدروژن ارتو و ٢۵ % درصد هیدروژن پارا است؛ در حالی که مخلوط فوق در ٢٠ درجه کلوین تقریبًا از هیدروژن پارا تشکیل شده است .پس اگر هیدروژن در حالت نرمال سرد شود، مقدار زیادی از مایع در اثر گرمای حاصل از تبدیل هیدروژن ارتو به پارا تبخیر می شودکلا ً انرژی لازم برای فرایند مایع سازی برابر ۴٠ % درصد ا نرژی احتراق هیدروژن به تنهایی می باشددرصد معینی از هیدروژن مایع بصورت تبخیر از دست می رود

در مایع سازی هیدروژن که در دمای ٢۵٣ – درجه سانتیگراد صورت می گیرد، تجهیزات ویژه ای مورد استفاده قرار می گیرد که به تجهیزات کرایوژنیک موسوم استانواع سیکلهای مایع سازی هیدروژن عبارتند از:

  • سیستم Linde-Hampson
  • سیستم Claude
  • مبرد Collins برای مایع سازی هلیم جهت استفاده در سیکل مایع سازی هیدروژن
  • سیستم استرلینگ
  • سیستم مگنتوکالریک

با توجه به اینکه دمای عمل کرایوژنیک فوق العاده پایین است و از آنجایی که گاز هیدروژن قابلیت نفوذ پذیری فوق العاده ای دارد، مصالح مورد نیاز در تجهیزات فوق خاص بوده و دارای تکنولوژی مخصوص به خود می باشداز نظر طراحی و ساخت نیز تکنولوژی بالایی دارد . در حال حاضر تکنولوژی این فرایند درایران موجود نیست و چون میزان تولید هیدروژن مایع پایین است، از نظر اقتصادی تولید چنین تجهیزاتی مقرون به صرفه نمی باشد.

۳. ذخیره سازی بصورت جامد

هیدروژن می تواند بوسیله ترکیب با فلزات و آلیاژهای فلزی بصورت هیدرید نیز ذخیره شود . ذخیره سازی هیدریدی چندین مزیت دارد . بعلت نزدیک بودن شبکه اتمی فلز و پیوند فلزی متشکله بین فلز و هیدروژن،مقدار بیشتری هیدروژن در واحد حجم ذخیره می شودانرژی در واحد حجم چنین سیستمی از حالت مایع بیشتر است ولی وزن واحد حجم نیز تا ده برابر بیشتر خواهد بود . بدلیل فشار پایین ذخیره سازی ، این روش کاملا” با فشار سیستم الکترولیز همخوانی دارد و ایمن ترین روش ذخیره سازی است . مخازن ذخیره هیدرید معمولا ً در ابعاد کوچک بکار برده می شود و بطور عمده درصنایع خودرو مورد استفاده دارند .هیدریدهای بکار گرفته شده می بایست قابلیت شارژ و دشارژ به دفعات را داشته باشد . اگر چه تعدادی عناصر فلزی مانند Mg,Ti,V,Pdوجود دارد که برای ذخیره سازی هیدریدی استفاده می شوند ولی تقریبًاهمه ترکیبات کاربردی هیدریدی قابل شارژ شدن ترکیبات بین فلزی هستند.

سوخت رسانی در یک دستگاه پیل سوختی می تواند به طرق متفاوتی صورت گیرد . انتخاب نوع سیستم سوخت رسانی بستگی به نوع کاربری پیل سوختی دارد.

اقتصاد هیدروژن مجموعه روش‌هایی مبتنی بر جایگزینی انرژی حاصل از هیدروژن به جای سوخت‌های فسیلی به عنوان یک حامل انرژی می‌باشد. با بدست آوردن هیدروژن از طریق الکترولیز آب، وذخیره‌سازی آن، از انرژی حاصل از ترکیب هیدوژن با اکسیژن می‌توان در موتورهای وسایل‌نقلیه استفاده کرد خروجی آن نیز آب می‌باشد که یک ماده پاک محسوب می‌شود.

جرج بوش در زمان ریاست‌جمهوری خود مقدار ۱٫۲ میلیارد دلار برای طرح‌های ابتکاری به منظور استفاده از انرژی هیدروژن برای جایگزینی به جای سوخت‌های فسیلی اختصاص داد. در ایرلند از اتوبوس‌هایی با مصرف سوخت هیدروژنی استفاده می‌شود. با این وجود استفاده از هیدروژن مشکلات عملی را نیز دارد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به در دسترس نبودن مولکول هیدروژن به صورت یکه در زمین اشاره کرد یا حجم بالای هیدروژن برای استفاده در سلول سوختی است زیرا این هیدروژن در حال حاضر فقط به‌صورت گاز ذخیره می‌شود و تولید‌کنندگان اتومبیل سوخت به شکل مایع را ترجیح می‌دهند.

download

پیل‌های سوختی یک فن آوری امیدوارکننده هستند که می‌توانند به عنوان منبع گرما و الکتریسیته در ساختمان‌ها، و به عنوان یک منبع توان الکتریکی در وسایل نقلیه مورد استفاده قرار گیرد. شرکت‌های خودروسازی در حال حاضر بر روی ساخت ماشین‌ها و کامیون‌هایی کار می‌کنند که مجهز به پیل‌های سوختی باشند. در پیل سوختی خودروها، یک ابزار الکتروشیمیایی وجود دارد که هیدروژن (ذخیره شده در برد سیستم) و اکسیژن هوا را به الکتریسیته تبدیل کرده، موتور الکتریکی اتومبیل را به حرکت درآورده و توان آن را تأمین می‌کند. گرچه استفاده از این کاربردهای ایدئال برای هیدروژن خالص، اندکی دور از انتظار به نظر می‌رسد، اما در مقیاس واقعی و نزدیک به آن می‌توان به سوخت‌هایی مانند گاز طبیعی، متانول یا حتی بنزین اشاره کرد. اصلاح این نوع سوخت‌ها برای تولید هیدروژن، امکان استفاده در بسیاری از زیرساخت‌های فعلی انرژی، مانند پمپ بنزین‌ها، لوله‌کشی‌های گاز طبیعی و غیره، را برای ما فراهم می‌کند. این در حالی است که استفاده از سلول‌های سوختی در مرحله بهره‌برداری است. در آینده، هیدروژن نیز می‌تواند مانند برق به عنوان یک حامل مهم انرژی محسوب شود. حامل انرژی، انرژی را ذخیره و منتقل کرده و آن را به صورت قابل استفاده‌ای در اختیار مصرف‌کنندگان قرار می‌دهد. برخی از کارشناسان بر این گمان هستند که هیدروژن، در آینده زیرساخت‌های اصلی انرژی را تشکیل داده و جایگزین گاز طبیعی، نفت، زغال سنگ و نیروگاه‌های کنونی برق خواهد شد. آن‌ها بر این باورند که «اقتصاد نوین هیدروژن» می‌تواند جایگزین جریان «اقتصاد مبتنی بر سوخت‌های فسیلی» شود، هر چند که این طرح احتمالاً در آینده‌ای دور عملی خواهد شد.

 

https://www.jahaneshimi.com/9769

https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D9%87%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%DA%98%D9%86

نمایش بیشتر

سید محسن مدنی بجستانی

مهندس برق قدرت - فوق لیسانس علوم سیاسی

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا