هیدروژن یا فیروزه صنعت شیمیایی

اسدالله غلام پور هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در جهان با عدد اتمی ‌‌۱ در جدول تناوبی است و ساده‌‌ترین و سبک‌‌ترین عنصر است. گاز هیدروژن، با داشتن دو اتم (H۲)، بی‌رنگ، بی‌بو، غیر سمی ‌‌و بسیار قابل اشتعال است. یک جایگزین، که به دلیل شدت انرژی بسیار کمتر توجه و ‌‌ رو به رشدی را به خود جلب کرده است. هیدروژن فیروزه‌‌ای است که از تجزیه گاز متان تولید می‌‌شود. هیدروژن فیروزه‌‌ای به فرآیندی گفته می‌‌شود که طی آن از پیرولیز متان هیدروژن و کربن جامد تولید می‌‌شود. هیدروژن تولید شده در اثر تجزیه متان از طریق پلاسمای حرارتی دارای شدت کربن بسیار کم (حدود ٩١) است. منبع گاز طبیعی عامل اصلی تاثیرگذار بر شدت کربن است. هیدروژن فیروزه‌‌ای از نظر زیست محیطی بهتر از هیدروژن خاکستری و آبی است و با استفاده از گاز طبیعی‌‌ تجدید‌‌پذیر یا به عنوان یک حامل انرژی بدون کربن در هنگام ترکیب با گاز طبیعی است. گاز طبیعی تجدیدپذیر RNG) Renewable Natural Energy ) از زیست توده یا سایر منابع تجدیدپذیر تولید می‌‌شود و با کیفیت گاز خطوط لوله اســت که کاملا با گاز طبیعی معمولی قابل جایگزینی است.

گاز طبیعی تجدیدپذیر عملکرد بهتری نسبت به هیدروژن سبز دارد.‌‌ با توجه به اینکه هیدروژن به عنوان یک بردار انرژی امیدوارکننده برای یک جهان کربن‌‌زدایی شده تبلیغ می‌‌شود، روش‌‌های تولید هیدروژن کم کربن برای جایگزینی تولید فعلی بخار-متان-اصلاح هیدروژن «خاکستری» مورد توجه قرار می‌‌گیرد. در حالی که مطالعات موجود روی ارزیابی چرخه زندگی هیدروژن سبز تولید شده توسط الکترولیز آب متمرکز است، یک جایگزین، که به دلیل شدت انرژی بسیار کمتر توجه و‌‌ رو به رشدی را به خود جلب کرده است. هیدروژن فیروزه‌‌ای است که از تجزیه گاز متان تولید می‌‌شود. به طور خاص، این مطالعه یک ارزیابی چرخه زندگی روی هیدروژن تولید شده توسط تجزیه در اثر حرارت متان از طریق پلاسما حرارتی انجام می‌‌دهد. تجزیه و تحلیل حساسیت نیز روی افق زمانی متریک محیطی و نرخ انتشار متان انجام شده است. شدت کربن هیدروژن تولید شده با استفاده از این روش جدید حدود ۸۸.۳-۹۰.۸درصد کمتر از هیدروژن خاکستری است.

علاوه بر این، استفاده از گاز طبیعی تجدیدپذیر با درصد مواد اولیه ۸ تا ۱۸درصد منجر به شدت کربن هیدروژن منفی می‌‌شود، که کمترین مقدار در مقایسه با خاکستری است. هیدروژن آبی و سبز، هیدروژن فیروزه‌‌ای را تبدیل به یک تغییردهنده بازی برای انتقال انرژی می‌‌کند. با آخرین انتشار کمک‌‌های هیات بین دولتی تغییرات آب و هوایی (Intergovernmental Panel on Climate Change )(IPCC) برای ششمین گزارش ارزیابی تغییرات آب و هوا، اظهارات قوی در مورد نقش فعالیت‌‌های انسانی بر گرمایش جهانی ارائه شده است. IPCC در گزارش خود بر اصرار رسیدن به حداقل صفر خالص انتشار CO۲ برای محدود کردن اثر گرمایش جهانی تاکید می‌‌کند. چند استراتژی برای کاهش انتشار دی‌‌اکسید کربن مورد ارزیابی قرار گرفته‌‌اند و هیدروژن به‌‌عنوان یک حامل انرژی بالقوه برای دنیایی که کربن خنثی است، ارتقا می‌‌یابد. شورای هیدروژن، رشد قابل توجهی در تقاضای هیدروژن را تا سال ۲۰۵۰ پیش‌‌بینی می‌‌کند، با نقش هیدروژن که در تولید برق در مقیاس بزرگ، حمل و نقل، استفاده از انرژی صنعتی و گرمایش ساختمان‌‌ها توزیع می‌‌شود. با پیشرفت‌‌ها و رشد پیش‌‌بینی‌‌شده هیدروژن در چند بخش، بحث درباره روش‌‌های تولید آن برای ارزیابی ردپای کربن ضروری است. بر اساس شورای جهانی انرژی در سال ۲۰۱۹، حدود ۹۶ درصد هیدروژن از سوخت‌‌های فسیلی یا از طریق اصلاح متان بخار (Steam Methane Reforming (SMR) گاز طبیعی (با برچسب هیدروژن خاکستری) یا از گازسازی زغال‌سنگ (با برچسب هیدروژن قهوه‌ای) تولید می‌‌شود. در نتیجه، تولید هیدروژن مسوول حدود  ۸۳۰ میلیون تن دی اکسید کربن در سال است. بدیهی است که انتقال به سمت هیدروژن با سهم تولید فعلی یک راه‌‌حل پایدار برای محیط‌زیست نیست. بنابراین، سایر روش‌‌های تولید، عمدتا هیدروژن تولید شده از الکترولیز آب، مورد توجه قرار می‌‌گیرند. اگر الکتریسیته از طریق انرژی‌‌های تجدیدپذیر تامین شود، آنگاه این هیدروژن به عنوان «سبز» برچسب‌‌گذاری می‌‌شود؛ زیرا مشخصات انتشار گازهای گلخانه‌‌ای پایینی دارد. با این حال، مشکل در هزینه چنین هیدروژن الکترولیتی نهفته است. یک راه‌‌حل متوسط با هزینه کمتر برای بهبود ردپای کربن، تولید هیدروژن نسبت به هیدروژن الکترولیتی، جفت کردن اصلاح متان بخار (Steam Methane Reforming (SMR گاز طبیعی یا گازی شدن زغال سنگ با جذب و ذخیره CO۲ یا چیزی است که به عنوان هیدروژن «آبی» شناخته می‌‌شود.

نقش هیدروژن آبی در انتقال انرژی، موضوعی بحث‌‌برانگیز است: طرفداران آن را به عنوان تولید هیدروژن کم کربن مقرون به صرفه معرفی می‌‌کنند، در حالی که مخالفان هیدروژن آبی در مورد انگیزه زیست محیطی آن استدلال و ادعا می‌‌کنند که اگر انتشار متان را در نظر بگیریم، آنگاه هیدروژن آبی صرفا «یک حواس پرتی است، چیزی که ممکن است اقدامات لازم را برای کربن‌زدایی واقعی اقتصاد جهانی انرژی به تاخیر بیندازد». جایگزین دیگری که اغلب در مطالعات زیست‌‌محیطی نادیده گرفته می‌‌شود، هیدروژن فیروزه‌‌ای است، یعنی هیدروژن ساخته شده از تجزیه متان در دمای بالا برای تولید مشترک هیدروژن و کربن سیاه. بنابراین، هیدروژن فیروزه‌ای بر اساس تجزیه مستقیم متان (Direct Methane Decomposition) (DMD) صورت می‌گیرد، تبدیل مستقیم متان به متانول به روش اکسیداسیون جزئی یکی از روش‌‌های مهم در بهره‌‌برداری از منابع گاز طبیعی به شمار می‌‌آید که به دلیل راندمان پایین تولید متانول هنوز صنعتی نشده است. مزیت اصلی هیدروژن فیروزه‌‌ای این است که در مقایسه با الکترولیز آب و SMR از منظر ترمودینامیکی به طور قابل توجهی انرژی کمتری دارد و از زیرساخت‌‌های موجود گاز طبیعی بهره می‌‌برد. چند روش تولید هیدروژن فیروزه‌ای در طول سال‌‌ها مورد بررسی قرار گرفت، مانند تجزیه حرارتی کاتالیزوری و غیر کاتالیزوری، حمام فلز مذاب یا نمک، خورشیدی متمرکز و پلاسماهای غیر حرارتی، که هر کدام دارای معایب خاص خود هستند که مانع پذیرش مقیاس صنعتی می‌‌شوند. چنین فناوری‌‌هایی به عنوان مثال، فرآیندهای مبتنی بر احتراق که برای مدت طولانی در صنایع برای تولید «سیاه حرارتی» استفاده می‌‌شوند، بخشی از هیدروژن تولید شده را برای افزایش سطح سیاه‌‌های حرارتی مصرف می‌‌کنند. در مورد تجزیه حرارتی کاتالیزوری، مشکلاتی در تولید در مقیاس صنعتی به دلیل سوختن کربن رسوب‌‌شده روی کاتالیزور در طول بازسازی ایجاد شد.

در مورد فلز مذاب یا حمام نمک، حداکثر دمای نسبتا پایین آن اجازه نرخ تبدیل کربن بالا را نمی‌‌دهد. روش‌‌های متمرکز انرژی خورشیدی به دلیل هزینه بالایشان هرگز به مقیاس صنعتی نرسیدند و فناوری‌‌های پلاسمای غیرحرارتی با مشکلات تکنولوژیکی در مقیاس صنعتی مواجه شدند و کربن کم‌‌ارزش (هیدروژن اقیانوس اطلس) تولید کردند.‌‌ با این حال، پیرولیز متان از طریق پلاسمای حرارتی اخیرا مورد توجه قرار گرفته است. پلاسمای حرارتی انرژی الکتریکی را به انرژی حرارتی تبدیل می‌‌کند و به دمایی می‌‌رسد که در فرآیندهای احتراق سنتی قابل دستیابی نیست و به چند هزار درجه می‌‌رسد. آنها به ویژه برای فرآیندهای گرماگیر به دلیل آنتالپی قابل تنظیم و عدم انتشار مستقیم CO۲ در خود فرآیند جالبی هستند. از جمله مزیت اصلی این فناوری برای این کاربرد خاص، تبدیل متان بالا با هیدروژن به عنوان یک محصول اصلی است. پس از بحث در مورد فناوری‌‌های مختلف پیرولیز متان، ذکر این نکته مهم است که اطلاعات بسیار کمی‌‌از نظر آکادمیک در مورد مزایای زیست‌‌محیطی هیدروژن تولید شده از طریق تجزیه حرارتی پلاسمای متان وجود دارد. در واقع، اکثر ارزیابی‌‌های چرخه حیات هیدروژن هیدروژن سبز و تا حدی هیدروژن آبی را هدف قرار می‌‌دهند.

منبع:  International Journal of Hydrogen Energy