تقویت شبکه‌های برق تجدیدپذیر با هیدروژن

دنياي اقتصاد : رابطه بین هیدروژن و انرژی قرن‌‌ها ذهن بشر را درگیر خود کرده است. این عنصر فراوان‌ترین عنصر در سیاره ما است. گازی که تمیز می‌سوزد، سبک و پر‌انرژی است و ما تازه در حال کشف پتانسیل واقعی آن هستیم. هنگامی که صحبت از حفظ ثبات و تداوم در شبکه‌های انرژی می‌شود که ۱۰۰ درصد از انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌کنند، هیدروژن می‌تواند حلقه مفقوده باشد.

چالش‌های هیدروژن

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌‌ها درباره منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند خورشید و باد، غیرقابل پیش‌‌بینی بودن آنهاست. برخی استدلال می‌کنند که به دلیل تنوع آنها، نمی‌توانند پایه و اساس یک شبکه انرژی قابل اعتماد باشند. زمانی که کالیفرنیا در سال ۲۰۲۰ خاموشی‌های گسترده‌ای را تجربه کرد، کارشناسان گفتند این اتفاق ناشی از ماهیت «مقطعی» انرژی‌های تجدیدپذیر است که یک شبکه برق ناپایدار ایجاد می‌کنند و مدیریت آنها دشوار است.

در حالی که ممکن است هنوز چالش‌هایی برای غلبه بر مشکلات وجود داشته باشد، می‌توانید از هیدروژن برای حل مشکل متناوب انرژی تجدیدپذیر و سبزتر کردن شبکه‌های برق استفاده کنید. پیل‌های سوختی هیدروژنی می‌توانند حجم بیشتری از الکتریسیته تمیز را نسبت به باتری‌ها و خازن‌ها ذخیره کنند. با این حال، روش‌هایی که برای استخراج H۲ برای ساخت پیل‌‌های سوختی استفاده می‌شود، هنوز تا حد زیادی به فناوری‌‌های کاهش انتشار CO۲ وابسته هستند. از آنجا که برای جداسازی هیدروژن از اکسیژن باید به زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی روی آوریم، این امر پتانسیل سبز H۲ را تضعیف می‌کند. خوشبختانه، برای بلندمدت دیگر این‌طور نخواهد بود.

تولید کارآمد هیدروژن

فرآیند الکترولیز را می‌توان برای جداسازی هیدروژن از اکسیژن به روشی استفاده کرد که تولید گازهای گلخانه‌ای نداشته باشد. اگر برق تجدیدپذیر مازاد تولید شده در ساعات غیر اوج مصرف را بتوان برای تامین انرژی دستگاه‌های الکترولیز برای تولید هیدروژن استفاده کرد، انرژی‌‌های تجدیدپذیر را می‌توان به‌‌گونه‌‌ای ذخیره کرد که ۱۰۰ درصد بدون کربن باشد. استفاده از برق تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن، سپس ذخیره آن و تولید الکتریسیته، روشی است که به عنوان فرآیند انرژی به گاز به انرژی یا P۲G۲P شناخته می‌شود.

یکی از نمونه‌های این فرآیند استفاده از پنل‌‌های خورشیدی برای تامین انرژی یک دستگاه الکترولیز برای تولید هیدروژن است. سپس آن هیدروژن را می‌توان فشرده و در یک مخزن تحت فشار ذخیره کرد. پس از ذخیره‌سازی، می‌توان آن را با استفاده از یک پیل سوختی تعبیه شده در شبکه برق به الکتریسیته تبدیل کرد و این روش می‌تواند به‌طور موثر شکاف‌هایی را که منابع متناوب مانند باد یا خورشید به‌طور اجتناب‌ناپذیر ایجاد می‌کنند، پر کند. اما فرآیند P۲G۲P در حالت فعلی بسیار گران و هزینه‌بر و در عین حال نسبتا ناکارآمد است.  هر بار که پیوند مولکولی بین هیدروژن و اکسیژن شکسته می‌شود، انرژی آزاد می‌شود و زمانی که هیدروژن تفکیک‌شده در توربین سوزانده می‌شود، انرژی خود را از دست می‌دهد. به گفته دهریک مالاپراگادا، دانشمند پژوهشی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) که در حال مطالعه در این زمینه است، رفت و برگشت صورت‌پذیرفته از طریق P۲G۲P حدود ۴۰ درصد از برق مصرفی در ابتدای فرآیند را برمی‌گرداند.

بهره مندی از مزایای هیدروژن

برای بهره‌مندی از پتانسیل کامل P۲G۲P، این فرآیند باید بسیار بهینه شود. این به معنای ارزیابی مداوم چرخه از نظر عملکرد، ذخیره‌سازی، ایمنی و هزینه است. توانایی بررسی و ایجاد اصلاحات در کل زنجیره صنعتی هیدروژن و همچنین خود فرآیند الکترولیز، به صنعت درک بسیار بهتری می‌دهد از اینکه کجا باید تلاش‌های خود را برای بهره بردن از حداکثر مزایای هیدروژن به عنوان مکانیزم ذخیره انرژی متمرکز کند. پلتفرم آزمایشی MYRTE دانشگاه کورس در حال حاضر در حال انجام تحقیقات در این زمینه است. هدف نهایی این پروژه جفت شدن انرژی خورشیدی با زنجیره هیدروژنی به عنوان یک حامل انرژی با کمترین تلفات ممکن است. تاکنون، این پلتفرم پیشرفت‌های بزرگی داشته و راه‌حل‌هایی را برای تغذیه متناوب انرژی خورشیدی به‌طور مستقیم به یک شبکه انرژی کوچک آزمایش کرده است. با این حال، برای تبدیل شدن به یک راه‌حل جهانی، هنوز کارهای بیشتری باید برای تولید، ذخیره‌سازی و توزیع هیدروژن انجام دهیم.

به عنوان مثال، نیاز به تولید و استفاده از خطوط لوله مقاوم در برابر خورندگی هیدروژن برای حمل و نقل در فواصل طولانی وجود دارد. هیدروژن از پلاستیک عبور می‌کند و خواص فلز را در طول زمان تضعیف می‌کند، به این معنی که شبکه‌های فولادی سنتی، اگرچه در کوتاه‌مدت مفید هستند، اما در طولانی‌مدت قابل دوام نخواهند بود. از نظر ذخیره‌سازی، آمونیاک یک حامل هیدروژنی بسیار موثر است، اما همچنان انرژی زیادی برای آزاد کردن H۲ از آن پس از ذخیره شدن لازم است. همه اینها چالش‌هایی هستند که باید برای بهینه‌سازی زنجیره هیدروژن به نحوی که بتوان در شبکه‌های انرژی ملی اعمال کرد، مقابله کرد.

مدل‌های انرژی جدید

نرم‌افزارهای مدل‌سازی می‌توانند تفاوت واقعی را در تلاش برای بهینه‌سازی زنجیره هیدروژن ایجاد کنند. برای مهار هیدروژن به عنوان یک عامل مهم در انتقال به انرژی‌های تجدیدپذیر، مدل‌‌سازی انواع سناریوها که تمام جنبه‌های تولید، ذخیره و استفاده هیدروژن را پوشش می‌دهند، ضروری است. شبیه‌سازی دقیق P۲G۲P می‌تواند برخی از خطرات را برای سرمایه‌گذاران و تصمیم‌گیرندگان برطرف و پتانسیل واقعی هیدروژن را آشکار کند. گزارشی در سال ۲۰۲۱ از موسسه تحقیقاتی Capgemini درباره دوران گذار به انرژی‌های پاک، به آمادگی صنعت نیرو برای مدل‌های انرژی جدید پرداخت.

براساس این گزارش حدود ۳۴ درصد از سازمان‌ها از مدل‌های انرژی جدید برای هیدروژن استفاده می‌کنند یا به دنبال استفاده بهینه از آنها هستند. این اتفاقی امیدوار‌کننده است، اما کماکان فضای زیادی برای بهبود و نوآوری وجود دارد. این درحالی است که کسب و کارها تازه شروع به کشف مزایای واقعی هیدروژن کرده‌اند. از میان تمام مزایایی که ارائه می‌کند، نقش هیدروژن در قوی‌‌تر و پایدارتر کردن شبکه‌های انرژی می‌تواند در زمانی که محققان، سازمان‌ها و سیاستگذاران به دنبال یک انرژی قابل‌‌اعتماد و ۱۰۰ درصد تجدیدپذیر هستند، ارزشمندترین آن باشد. با این حال، برای دستیابی به یک انرژی ۱۰۰ درصد تجدیدپذیر یکپارچه، فرآیند P۲G۲P باید بهینه شود و مدل‌سازی آن باید دقیق‌تر باشد. زمان ‌آن رسیده که پتانسیل واقعی هیدروژن را کشف و نیروی آن را برای دستیابی به یک انرژی تجدیدپذیر قابل اطمینان آزاد کنیم.