هیدروژن سبز چیست و چرا به آن نیاز داریم؟

زمان مناسبی است که از پتانسیل هیدروژن برای ایفای نقشی کلیدی در مقابله با چالش‌های حیاتی انرژی استفاده کنیم. موفقیت‌های اخیر فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر و وسایل نقلیه الکتریکی نشان داده‌اند که سیاست‌گذاری و نوآوری فناوری قدرت ایجاد صنایع انرژی پاک جهانی را دارد.

هیدروژن به عنوان یکی از گزینه‌های پیشرو برای ذخیره انرژی از انرژی‌های تجدیدپذیر با سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن در حال ظهور است که به طور بالقوه انرژی را از انرژی‌های تجدیدپذیر در فواصل طولانی انتقال می‌دهد - از مناطقی با منابع انرژی فراوان، به مناطق تشنه انرژی در هزاران کیلومتر دورتر.

هیدروژن سبز در تعدادی از تعهدات کاهش انتشار در کنفرانس آب و هوا سازمان ملل، COP26، به عنوان وسیله ای برای کربن زدایی صنایع سنگین، حمل و نقل طولانی مدت، کشتیرانی و هوانوردی به چشم می خورد. دولت ها و صنعت هر دو هیدروژن را به عنوان یک ستون مهم اقتصاد خالص صفر پذیرفته اند.

منجنیق هیدروژن سبز، یک ابتکار سازمان ملل برای کاهش هزینه هیدروژن سبز اعلام کرد که هدف خود را برای الکترولیزهای سبز تقریباً دو برابر می کند از 25 گیگاوات تعیین شده در سال گذشته به 45 گیگاوات تا سال 2027. کمیسیون اروپا مجموعه ای از قوانین را تصویب کرده است. پیشنهادهایی برای کربن زدایی بازار گاز اتحادیه اروپا با تسهیل جذب گازهای تجدیدپذیر و کم کربن از جمله هیدروژن و تضمین امنیت انرژی برای همه شهروندان اروپا. امارات متحده عربی نیز در حال افزایش جاه طلبی است، با استراتژی جدید هیدروژن این کشور که هدف آن حفظ یک چهارم بازار جهانی هیدروژن کم کربن تا سال 2030 است و ژاپن اخیراً اعلام کرد که 3.4 میلیارد دلار از صندوق نوآوری سبز خود برای تسریع تحقیق و توسعه سرمایه گذاری خواهد کرد. ارتقای استفاده از هیدروژن در 10 سال آینده

ممکن است هنگام توصیف فناوری های هیدروژنی با اصطلاحات "خاکستری"، "آبی"، "سبز" مواجه شوید. همه چیز به نحوه تولید آن برمی گردد. هیدروژن در هنگام سوختن فقط آب ساطع می کند اما ایجاد آن می تواند کربن فشرده باشد. بسته به روش های تولید، هیدروژن می تواند خاکستری، آبی یا سبز – و گاهی اوقات حتی صورتی، زرد یا فیروزه ای باشد. با این حال، هیدروژن سبز تنها نوع تولید شده به روشی خنثی از نظر آب و هوا است که رسیدن به صفر خالص تا سال 2050 حیاتی است.

ما از دکتر امانوئل طیبی، رئیس استراتژی‌های تحول بخش انرژی، آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر (IRENA) خواستیم توضیح دهد که هیدروژن سبز چیست و چگونه می‌تواند راه را برای انتشار خالص صفر هموار کند. او در حال حاضر در مرکز نوآوری و فناوری IRENA در بن، آلمان مستقر است، جایی که او مسئول کمک به کشورهای عضو در ابداع استراتژی‌هایی برای دگرگونی بخش برق است و در حال حاضر مدیریت کار روی انعطاف‌پذیری سیستم قدرت، هیدروژن و ذخیره‌سازی به عنوان کلیدی است. توانمندسازهای انتقال انرژی دکتر طیبی همچنین یکی از متصدیان پلتفرم اطلاعات استراتژیک مجمع جهانی اقتصاد است، جایی که تیم او نقشه تحول هیدروژن را توسعه داد.

فن آوری های هیدروژن سبز

انگیزه شما برای توسعه تخصص خود در فناوری های انرژی چیست و کار شما در ایرنا چگونه به آن کمک می کند؟

در طول پایان نامه کارشناسی ارشد من بود. من یک دوره کارآموزی را در آژانس ملی انرژی و محیط زیست ایتالیا (ENEA) گذراندم، جایی که در مورد توسعه پایدار و انرژی و ارتباط بین این دو یاد گرفتم. من پایان نامه خود را در زمینه مهندسی مدیریت در مورد آن نوشتم و تصمیم گرفتم این منطقه ای باشد که می خواهم زندگی کاری خود را در آن متمرکز کنم. تقریباً 20 سال تجربه در زمینه انرژی و همکاری های بین المللی، دکترا در فناوری انرژی و زمان صرف شده در بخش خصوصی، تحقیقات و آژانس های بین دولتی، در حال حاضر از سال 2017 تیم تحول بخش برق در ایرنا را رهبری می کنم.

کار من در IRENA این است که با تیمم و با همکاری نزدیک با همکاران در سراسر آژانس و شرکای خارجی مانند مجمع جهانی اقتصاد، در حمایت از 166 کشور عضو خود در انتقال انرژی، با تمرکز بر تامین برق تجدیدپذیر و آن مشارکت کنم. برای کربن زدایی بخش انرژی از طریق الکترون های سبز و همچنین مولکول های سبز مانند هیدروژن و مشتقات آن استفاده می شود.

هیدروژن سبز چیست؟ چه تفاوتی با هیدروژن خاکستری «خاکستری» سنتی و هیدروژن آبی با شدت انتشار دارد؟

هیدروژن ساده ترین و کوچکترین عنصر جدول تناوبی است. مهم نیست که چگونه تولید می شود، در نهایت به همان مولکول بدون کربن ختم می شود. با این حال، مسیرهای تولید آن بسیار متنوع است، و همچنین انتشار گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن (CO2) و متان (CH4) است.

هیدروژن سبز به هیدروژنی گفته می شود که با تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از برق تجدید پذیر تولید می شود. این یک مسیر بسیار متفاوت در مقایسه با خاکستری و آبی است.

هیدروژن خاکستری به طور سنتی از متان (CH4) تولید می شود که با بخار به CO2 - مقصر اصلی تغییرات آب و هوا - و H2، هیدروژن تقسیم می شود. هیدروژن خاکستری به طور فزاینده ای از زغال سنگ نیز تولید می شود، با انتشار گازهای CO2 به میزان قابل توجهی در واحد هیدروژن تولید شده، به طوری که اغلب به جای خاکستری، هیدروژن قهوه ای یا سیاه نامیده می شود. امروزه در مقیاس صنعتی تولید می‌شود، با انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با انتشار ترکیبی بریتانیا و اندونزی. این هیچ ارزش انتقال انرژی ندارد، کاملا برعکس.

هیدروژن آبی از همان فرآیند خاکستری پیروی می کند، با فناوری های اضافی لازم برای جذب CO2 تولید شده هنگام جدا شدن هیدروژن از متان (یا از زغال سنگ) و ذخیره آن برای طولانی مدت. این یک رنگ نیست، بلکه یک درجه بندی بسیار گسترده است، زیرا 100 درصد از CO2 تولید شده را نمی توان جذب کرد، و همه ابزارهای ذخیره آن در دراز مدت به یک اندازه موثر نیستند. نکته اصلی این است که با جذب بخش بزرگی از CO2، تأثیر آب و هوای تولید هیدروژن می تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

فن‌آوری‌هایی (به عنوان مثال تجزیه متان) وجود دارند که نویدبخش نرخ جذب بالا ({0}} درصد) و ذخیره‌سازی طولانی‌مدت موثر CO2 به شکل جامد هستند، به‌طور بالقوه آنقدر بهتر از آبی که شایسته رنگ خاص خود هستند. تاکسونومی هیدروژن رنگین کمان، هیدروژن فیروزه ای. با این حال، پیرولیز متان هنوز در مرحله آزمایشی است، در حالی که هیدروژن سبز به سرعت بر اساس دو فناوری کلیدی - انرژی تجدید پذیر (به ویژه از خورشیدی فتوولتائیک و باد، اما نه تنها) و الکترولیز در حال افزایش است.

برخلاف انرژی تجدیدپذیر، که ارزان ترین منبع برق در اکثر کشورها و مناطق امروزی است، الکترولیز برای تولید هیدروژن سبز نیاز به افزایش قابل توجهی دارد و هزینه آن را حداقل تا سه برابر طی یک یا دو دهه آینده کاهش می دهد. با این حال، برخلاف CCS و پیرولیز متان، الکترولیز امروزه به صورت تجاری در دسترس است و می توان آن را ازچندین تامین کننده بین المللی در حال حاضر

محلول های انرژی هیدروژن سبز

مزیت راه حل های انتقال انرژی به سمت اقتصاد هیدروژنی "سبز" چیست؟ چگونه می‌توانیم از جایی که در حال حاضر با هیدروژن خاکستری هستیم، به اقتصاد هیدروژن سبز تبدیل شویم؟

هیدروژن سبز بخش مهمی از انتقال انرژی است. این گام فوری بعدی نیست، زیرا ابتدا نیاز داریم که استقرار برق تجدیدپذیر را برای کربن زدایی سیستم‌های برق موجود، تسریع در برق‌رسانی بخش انرژی برای استفاده از برق تجدیدپذیر کم‌هزینه تسریع کنیم، قبل از اینکه در نهایت بخش‌هایی را که برق‌رسانی آنها دشوار است کربن‌زدایی کنیم. مانند صنایع سنگین، کشتیرانی و هوانوردی – از طریق هیدروژن سبز.

توجه به این نکته مهم است که امروزه مقدار قابل توجهی هیدروژن خاکستری با انتشار CO2 (و متان) بالا تولید می کنیم: اولویت شروع کربن زدایی تقاضای هیدروژن موجود است، به عنوان مثال با جایگزینی آمونیاک از گاز طبیعی با آمونیاک سبز.

مطالعات اخیر بحثی را در مورد مفهوم هیدروژن آبی به عنوان سوخت انتقالی تا زمانی که هیدروژن سبز مقرون به صرفه شود، برانگیخته است. چگونه هیدروژن سبز در مقایسه با هیدروژن آبی رقابتی می شود؟ چه نوع سرمایه گذاری استراتژیک باید در فرآیند توسعه فناوری رخ دهد؟

اولین قدم ارائه سیگنالی برای هیدروژن آبی است که جایگزین رنگ خاکستری شود، زیرا بدون قیمتی برای انتشار CO2، هیچ مورد تجاری برای شرکت ها برای سرمایه گذاری در سیستم پیچیده و پرهزینه جذب کربن (CCS) و ذخیره سازی های زمین شناسی CO2 وجود ندارد. هنگامی که چارچوب به گونه‌ای باشد که هیدروژن کم کربن (آبی، سبز، فیروزه‌ای) با هیدروژن خاکستری قابل رقابت باشد، آنگاه این سوال پیش می‌آید: اگر خطر داشتن دارایی‌های سرگردان است، آیا باید در CCS سرمایه‌گذاری کنیم، و چقدر زود سبز ارزان‌تر از آبی.

پاسخ البته بسته به منطقه متفاوت خواهد بود. در دنیای صفر خالص، هدفی که کشورهای بیشتری به آن متعهد هستند، انتشار باقی مانده از هیدروژن آبی باید با انتشار منفی جبران شود. این کار هزینه ای خواهد داشت. به موازات آن، اخیراً قیمت گاز بسیار نوسان بوده است و قیمت هیدروژن آبی را به شدت با قیمت گاز مرتبط کرده است و نه تنها در معرض عدم قطعیت قیمت CO2، بلکه در معرض نوسان قیمت گاز طبیعی نیز قرار دارد.

با این حال، برای هیدروژن سبز، ممکن است شاهد داستانی مشابه با PV خورشیدی باشیم. این کار سرمایه بر است، بنابراین ما باید هزینه سرمایه گذاری و همچنین هزینه سرمایه گذاری را از طریق افزایش تولید فناوری های تجدیدپذیر و الکترولیزها کاهش دهیم، در حالی که یک برداشت کم خطر برای کاهش هزینه سرمایه برای سرمایه گذاری های هیدروژن سبز ایجاد کنیم. این منجر به کاهش هزینه پایدار و کاهشی هیدروژن سبز می شود، برخلاف هزینه فرار و بالقوه افزایش هیدروژن آبی.

فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر در حال حاضر به سطحی از بلوغ رسیده‌اند که امکان تولید برق تجدیدپذیر رقابتی را در سراسر جهان فراهم می‌کند، که پیش نیازی برای تولید رقابتی هیدروژن سبز است. اگرچه الکترولیزورها هنوز در مقیاس بسیار کوچک به کار گرفته می‌شوند و برای کاهش سه برابری هزینه‌هایشان، در سه دهه آینده نیاز به مقیاس بزرگتر از سه مرتبه بزرگی دارند.

امروزه خط لوله پروژه های هیدروژن سبز در مسیری است که هزینه الکترولیز را تا قبل از سال 2030 به نصف کاهش می دهد. این، همراه با پروژه های بزرگی که بهترین منابع تجدیدپذیر در آن قرار دارند، می تواند منجر به عرضه هیدروژن سبز رقابتی در مقیاس بعدی در {{11} شود. }} سال ها. این زمان زیادی را برای هیدروژن آبی - که هنوز در مرحله آزمایشی است - باقی نمی‌گذارد تا از مقیاس آزمایشی به مقیاس تجاری ارتقا یابد، پروژه‌های پیچیده (مثلاً ذخیره‌سازی طولانی‌مدت CO2 زمین‌شناسی) در مقیاس تجاری و هزینه رقابتی، و بازیابی سرمایه‌گذاری‌های انجام شده در 10-15 سال آینده.

اکنون چندین دولت فناوری های سوخت هیدروژنی را در استراتژی های ملی خود گنجانده اند. با توجه به افزایش تقاضا برای انتقال به سمت کربن زدایی از اقتصاد و توانمندسازی فناوری هایی با نرخ جذب کربن بالاتر، توصیه شما به سیاست گذاران و تصمیم گیرندگانی که در حال ارزیابی جوانب مثبت و منفی هیدروژن سبز هستند، چیست؟

ما برای رسیدن به انتشار خالص صفر به هیدروژن سبز نیاز خواهیم داشت، به ویژه برای صنعت، کشتیرانی و هوانوردی. با این حال، آنچه که ما فوری نیاز داریم این است:

1) بهره وری انرژی؛

2) برق رسانی؛

3) رشد سریع تولید برق تجدیدپذیر.

هنگامی که این به دست آمد، ما با حدود باقی می ماند. 40 درصد تقاضا باید کربن زدایی شود و اینجاست که ما به هیدروژن سبز، انرژی زیستی مدرن و استفاده مستقیم از انرژی های تجدیدپذیر نیاز داریم. هنگامی که انرژی تجدیدپذیر را برای کربن زدایی برق افزایش دهیم، در موقعیتی خواهیم بود که ظرفیت انرژی تجدیدپذیر را برای تولید هیدروژن سبز رقابتی و کربن زدایی بخش‌هایی که به سختی کاهش می‌دهند با حداقل هزینه اضافی گسترش دهیم.

در کجا می بینید که فن آوری های انرژی مرتبط با هیدروژن تا سال 2030 تکامل یابد؟ آیا می‌توانیم خودروهای تجاری هیدروژنی را پیش‌بینی کنیم؟

ما فرصتی را برای جذب سریع هیدروژن سبز در دهه آینده می بینیم، جایی که تقاضای هیدروژن از قبل وجود دارد: کربن زدایی آمونیاک، آهن و سایر کالاهای موجود. بسیاری از فرآیندهای صنعتی که از هیدروژن استفاده می کنند می توانند رنگ خاکستری را با سبز یا آبی جایگزین کنند، مشروط بر اینکه CO2 قیمت مناسبی داشته باشد یا مکانیسم های دیگری برای کربن زدایی این بخش ها ایجاد شود.

برای حمل و نقل و حمل و نقل هوایی، وضعیت کمی متفاوت است. سوخت‌های ریخته‌شده، مبتنی بر هیدروژن سبز، اما اساساً مشابه سوخت جت و متانول تولید شده از نفت هستند، می‌توانند در هواپیماها و کشتی‌های موجود، با حداقل یا بدون تنظیمات، استفاده شوند. با این حال، آن سوخت ها حاوی CO2 هستند که باید از جایی گرفته شود و به هیدروژن اضافه شود تا در طی احتراق دوباره آزاد شود: این امر باعث کاهش اما مشکل انتشار CO2 نمی شود. سوخت های مصنوعی را می توان قبل از سال 2030 مستقر کرد، اگر مشوق های مناسب برای توجیه هزینه اضافی کاهش (نه حذف) آلاینده ها وجود داشته باشد.

در سال‌های آینده، کشتی‌ها می‌توانند به آمونیاک سبز، سوختی که از هیدروژن و نیتروژن سبز از هوا تولید می‌شود، که حاوی CO2 نیست، روی آورند، اما برای جایگزینی موتورها و مخازن به سرمایه‌گذاری نیاز است و آمونیاک سبز در حال حاضر بسیار گران‌تر از نفت سیاه.

هواپیماهای هیدروژنی (یا آمونیاکی) دورتر هستند، و این هواپیماها اساساً هواپیماهای جدیدی هستند که باید طراحی، ساخته و به خطوط هوایی فروخته شوند تا جایگزین هواپیماهای با سوخت جت موجود شوند - به وضوح تا سال 2030 امکان پذیر نیست: از این نظر، جت سبز سوخت - تولید شده با ترکیبی از هیدروژن سبز و انرژی زیستی پایدار - راه حلی است که می تواند در کوتاه مدت به کار گرفته شود.

در نتیجه، اقدامات اصلی برای سرعت بخشیدن به کربن زدایی از هم اکنون تا سال 2030 عبارتند از: 1) بهره وری انرژی 2) برق رسانی با انرژی های تجدید پذیر 3) تسریع سریع تولید برق تجدید پذیر (که هزینه های کم انرژی برق تجدیدپذیر را بیشتر کاهش می دهد) 4) افزایش مقیاس پایدار بیوانرژی مدرن، از جمله برای تولید سوخت‌های سبز که نیاز به CO دارند2 5) کربن زدایی هیدروژن خاکستری با هیدروژن سبز مورد نیاز است، که مقیاس را به ارمغان می‌آورد و هزینه الکترولیز را کاهش می‌دهد و هیدروژن سبز را رقابتی و آماده برای کارهای بیشتر می‌کند. در دهه 2030 به سمت هدف دستیابی به انتشار صفر خالص تا سال 2050 افزایش یابد.

مجمع جهانی اقتصاد از سال 2017 حامی دیرینه دستور کار هیدروژن پاک است و از جمله به ایجاد شورای هیدروژن، ایجاد چالش نوآوری هیدروژن با مشارکت Mission Innovation و ایجاد همراه با کمیسیون انتقال انرژی، از پلتفرم Mission Possible برای کمک به انتقال بخش‌هایی که به سختی کاهش می‌یابند به انتشار خالص صفر تا سال 2050. اطلاعات بیشتر در مورد ابتکار عمل هیدروژن پاک را در اینجا بخوانید.