هیدروژن در مسیر انرژی آینده؛ چالش بزرگ ذخیره‌سازی و انتقال

با این حال، مسئله فقط تولید هیدروژن نیست، بلکه ذخیره‌سازی آن نیز یک چالش اساسی به شمار می‌رود. هیدروژن با وجود آنکه از نظر وزنی انرژی بسیار بالایی دارد، از نظر حجمی چگالی انرژی پایینی دارد؛ به زبان ساده، برای نگهداری مقدار قابل توجهی از آن باید شرایط ویژه‌ای فراهم شود. مایع‌کردن هیدروژن هزینه‌بر است و نگهداری آن در این حالت نیز به فناوری‌های خاص نیاز دارد. از طرف دیگر، ویژگی‌هایی مانند اندازه بسیار کوچک مولکول، نفوذپذیری بالا، وزن مولکولی کم و دانسیته پایین باعث می‌شود انتقال و ذخیره‌سازی آن ساده نباشد. همین خصوصیات می‌تواند استفاده از برخی مواد و خطوط لوله را محدود کند و حتی نیاز به بازسازی یا تغییر کاربری زیرساخت‌های موجود را به وجود آورد. بنابراین اگر قرار باشد هیدروژن در آینده سهمی جدی در تأمین انرژی داشته باشد، باید برای ذخیره‌سازی، انتقال و توزیع آن راه‌حل‌های قابل اتکا، ایمن و اقتصادی پیدا شود.

در همین زمینه، نگار شاهدعلی، محقق دانشکده مهندسی شیمی و نفت دانشگاه تبریز، به همراه دو همکار هم‌دانشگاهی خود، پژوهشی درباره شیوه‌های مختلف ذخیره‌سازی هیدروژن انجام داده‌اند. این پژوهش که بر مرور روش‌های نگهداری این حامل انرژی تمرکز دارد، تلاش کرده تصویری روشن و ساده از گزینه‌های موجود، مزایا، محدودیت‌ها و مسیرهای پیش‌روی این حوزه ارائه دهد. اهمیت این کار از آن جهت است که ذخیره‌سازی، یکی از حلقه‌های اصلی در زنجیره ارزش هیدروژن به شمار می‌رود و بدون حل آن، استفاده گسترده از هیدروژن در صنعت، حمل‌ونقل، تولید برق و گرمایش با دشواری روبه‌رو خواهد شد.

روش انجام این پژوهش از نوع مطالعه مروری بوده است. در مطالعات مروری، پژوهشگران به‌جای انجام یک آزمایش یا نمونه‌گیری میدانی تازه، مجموعه‌ای از یافته‌ها، تجربه‌ها و گزارش‌های علمی موجود را کنار هم می‌گذارند و آن‌ها را به‌صورت منظم بررسی می‌کنند. در این مطالعه نیز تمرکز اصلی بر ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن بوده و در کنار آن، رویکردهای پیشرو در این فناوری مرور شده است. چنین روشی کمک می‌کند وضعیت فعلی دانش در یک موضوع مشخص شود، مزایا و چالش‌های هر روش بهتر دیده شود و زمینه برای تصمیم‌گیری‌های بعدی در حوزه فناوری و زیرساخت فراهم آید. به بیان ساده، این پژوهش کوشیده است نقشه‌ای کلی از روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن و موانع پیش روی آن ترسیم کند.

یافته‌های این بررسی نشان می‌دهند هیدروژن می‌تواند در کربن‌زدایی از سیستم انرژی جهانی نقشی اساسی داشته باشد و در بخش‌هایی مانند صنعت، تولید برق، حمل‌ونقل و گرمایش به جایگزینی سوخت‌های فسیلی کمک کند. اما برای تحقق این هدف، فقط ارزان‌تر شدن تولید هیدروژن کافی نیست و باید زیرساخت‌های مناسب برای ذخیره‌سازی، انتقال و توزیع آن نیز شکل بگیرد. بر اساس این پژوهش، ذخیره‌سازی هیدروژن به‌طور کلی در دو دسته اصلی قرار می‌گیرد: روش‌های فیزیکی و روش‌های مبتنی بر مواد.

در روش‌های فیزیکی، هیدروژن به‌صورت گاز فشرده، مایع یا فوق‌بحرانی نگهداری می‌شود. در مقابل، در روش‌های مبتنی بر مواد، هیدروژن با کمک موادی مانند حامل‌های آلی مایع، هیدریدهای فلزی یا برخی سوخت‌های توان‌زا ذخیره می‌شود. همچنین ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن نیز به‌عنوان یک گزینه امیدوارکننده مطرح شده است، هرچند تجربه عملی در این زمینه هنوز محدود است. این بررسی همچنین تأکید می‌کند که در کنار ظرفیت بالای هیدروژن برای پشتیبانی از انرژی‌های تجدیدپذیر، چالش‌های مهمی مانند ایمنی، بهینه‌سازی زیرساخت‌ها و مدیریت هزینه‌ها همچنان پابرجاست.

مجریان این تحقیق می‌گویند هنوز یک شکل واحد از هیدروژن نتوانسته بر کل زنجیره ارزش آن غلبه کند. دلیل این موضوع آن است که نیازها بسیار متفاوت‌اند: مقدار ذخیره‌سازی، مدت نگهداری، فاصله حمل‌ونقل، حجم انتقال و نوع مصرف نهایی، همگی بر انتخاب روش مناسب اثر می‌گذارند. به همین علت، ممکن است برای کاربردهای مختلف، زیرساخت‌های متفاوتی لازم باشد. برای مثال، در برخی موارد هیدروژن خالص به‌صورت گازی یا مایع ترجیح داده می‌شود، به‌ویژه وقتی سامانه‌هایی مانند سلول‌های سوختی در میان باشد، زیرا این سامانه‌ها به آلودگی‌های گازی بسیار حساس هستند. همچنین در انتقال حجم زیاد هیدروژن گازی در مسافت‌های طولانی، خط لوله می‌تواند از نظر اقتصادی مناسب‌ترین گزینه باشد، هرچند ساخت آن سرمایه‌گذاری اولیه بالایی می‌خواهد.

این پژوهش همچنین توضیح می‌دهد که برای ذخیره‌سازی میان‌مدت و بلندمدت، فناوری‌های مبتنی بر مواد می‌توانند به دلیل چگالی حجمی بیشتر، پایداری شیمیایی بهتر و ایمنی بالاتر، گزینه‌های مطلوب‌تری باشند. در صورتی که مشکل آزادسازی انرژی‌بر هیدروژن از این مواد برطرف شود، آمونیاک، حامل‌های آلی هیدروژن و حتی هیدروژن مایع می‌توانند برای حمل‌ونقل در مسافت‌های طولانی بسیار امیدوارکننده باشند. در مورد هیدریدهای فلزی نیز مانع اصلی، دشواری‌های مربوط به ترمودینامیک و سینتیک فرایند جذب و آزادسازی هیدروژن است؛ یعنی هم شرایط انجام واکنش‌ها چندان ایده‌آل نیست و هم سرعت آن‌ها هنوز برای استفاده گسترده مناسب نشده است. بر همین اساس، پژوهش بر لزوم توسعه مواد نوین، کاهش هزینه ساخت مخازن فشار بالا، بهبود عایق‌بندی مخازن هیدروژن مایع و همچنین تدوین و بومی‌سازی استانداردهای ایمنی تأکید می‌کند؛ زیرا بدون جلب اعتماد عمومی و تضمین ایمنی، توسعه این فناوری‌ها دشوار خواهد بود.

این نتایج علمی در «فصلنامه مهندسی گاز ایران» منتشر شده‌اند؛ نشریه‌ای وابسته به انجمن مهندسی گاز ایران که به انتشار پژوهش‌های تخصصی مرتبط با فناوری‌ها، زیرساخت‌ها و مسائل فنی حوزه گاز و انرژی می‌پردازد./ ایسنا