چالش های اصلی توسعه نیروگاه های هیدروژن محور

چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور سبب شده‌اند که کشورهای مختلف علیرغم نیاز مبرم به چنین مراکزی، نتوانند از آنها بهره‌ ببرند. توسعه این نیروگاه‌ها نیازمند تصویب قوانین حمایتگر، سرمایه‌گذاری کلان و زیرساخت‌های مناسب و پیشرفته جهت تولید، حمل و نقل و ذخیره سازی است. از طرفی محدودیت‌هایی در زمینه تامین انرژی تجدید پذیر و متناسب سازی راندمان تبدیل انرژی نیز وجود دارند که تنها با تکیه بر فناوری‌های نوین قابل رفع هستند. با رفع این چالش‌ها می‌توان از مزایا و کاربردهای هیدروژن در نیروگاه‌ها بهره برد و علاوه بر ایجاد امنیت در تامین انرژی و سوخت، ارزش اقتصادی قابل توجهی نیز ایجاد کرد.

چالش ها و موانع توسعه نیروگاه های هیدروژن‌محور

موارد مختلفی به عنوان چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور ذکر می‌شوند. هزینه تولید بالا و دشواری‌هایی که در زمینه احتراق و کارکرد توربین‌ها با هیدروژن وجود دارند را می‌توان به عنوان چالش‌های اصلی در نظر گرفت. با این حال عدم وجود زیرساخت مناسب برای حمل و نقل، ذخیره سازی و توزیع هیدروژن و همچنین راندمان پایین در فرایند تبدیل انرژی نیز در توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور اختلال ایجاد می‌نمایند. از طرف دیگر محدودیت‌های مربوط به زنجیره تامین و جذب سرمایه‌گذار و همچنین عدم وجود چارچوب‌های قانونی شرایط را دشوارتر می‌کنند. در این مسیر چالش‌های زیست محیطی و محدودیت منابع تجدید پذیر برای تولید هیدروژن سبز را نیز باید مد نظر قرار داد. برای دریافت مشاوره در ساعات کاری با شماره تلفن 02188385540 تماس بگیرید.

زیر ساخت های ناکافی برای حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی

بخشی از چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور مربوط به ساختار و خصوصیات ویژه هیدروژن می‌شود. به عنوان مثال این سوخت چگالی حجمی کمی دارد و بسیار سبک است. این امر سبب می‌شود که انتقال و ذخیره سازی آن نیازمند شرایطی ویژه باشد. برای این منظور باید هیدروژن را تحت فشار بسیار بالا فشرده کرد و یا دمای آن را بسیار پایین آورد تا به حالت مایع درآید. در نتیجه فرایندهای حمل و نقل و انباشت این سوخت از طریق روش‌های مرسوم قابل انجام نبوده و باید به کمک ترمینال‌های مخصوصی صورت بگیرند که متاسفانه در حال حاضر به دلیل هزینه بالایی که دارند، بسیار محدود هستند.

هزینه تولید هیدروژن سبز

یکی از چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور، هزینه بسیار بالای این مراکز است. هیدروژن سبز از طریق فرایند الکترولیز به دست می‌آید. سایت PubMed Central درباره این مسئله چنین گفته است:

الکترولیز یعنی تجزیه مولکول آب به اکسیژن و هیدروژن با استفاده از جریان الکتریکی. در این روش هیدروژن تولید شده در مخازن خاص ذخیره می‌گردد و سپس به یک سلول سوختی هدایت می‌شود. در آنجا، دوباره با اکسیژن هوا ترکیب شده و برق به دست می‌آید. بنابراین، تنها محصول جانبی این فرآیند آب است که منجر به یک سیستم پاک و پایدار می‌شود.

اجرای این فرایند نیازمند مقادیر بسیار بالای انرژی است. از آنجا که تولید هیدروژن سبز با تکیه بر منابع تجدید پذیر صورت می‌گیرد، می‌توان حدس زد که هزینه تولید به مراتب‌تر بالاتر از هزینه تولید برق به روش معمولی است. دستگاه‌هایی که برای الکترولیز مورد استفاده قرار می‌گیرند به دلیل تولید محدود و وابستگی به فناوری‌های نوظهور قیمت نسبتا بالایی دارند. این امر سبب بالا رفتن هزینه تولید هیدروژن سبز می‌شود.

چالش‌های فنی در احتراق و کارکرد توربین‌ها با هیدروژن

یکی از مواردی که در مسیر توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور باید مورد توجه قرار بگیرد، تفاوتی است که در فرایند احتراق وجود دارد. احتراق هیدروژن با شعله بسیار بالاتری نسبت به گاز طبیعی رخ می‌دهد و باعث ایجاد دمای بالاتری می‌شود. در نتیجه می‌توان گفت که احتراق سریعتر و شاید کنترل ناپذیرتر باشد. توربین‌های فعلی اصولاً برای کار با گاز طبیعی طراحی شده‌اند و به سختی با هیدروژن سازگار می‌شوند.

از آنجا که خصوصیات احتراقی هیدروژن با سوخت‌های فسیلی متفاوت است، استفاده از هیدروژن گاهی باعث کاهش راندمان یا آسیب رساندن به توربین‌های موجود می‌شود. همچنین ممکن است محدودیت‌هایی در بارگذاری و سرعت پاسخگویی نیروگاه به وجود آید. برای مرتفع کردن این مشکل باید محفظه احتراق، سیستم تزریق، فرایند مخلوط سازی سوخت با هوا  و سیستم کنترل احتراق ارتقا پیدا کنند.

نیاز به توسعه فناوری‌های ایمن برای ذخیره و توزیع

ایمن سازی فرایند ذخیره و توزیع از جمله چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور است. برای ذخیره سازی موثر، هیدروژن باید فشرده شود. برای این کار نیاز به زیرساخت‌های مقاوم و ویژه است. همچنین باید توجه داشت که مولکول‌های هیدروژن بسیار کوچک بوده و نشت پذیری بالایی دارند و برای نگهداری از آن باید از فلزاتی استفاده کرد که احتمال نشت را به صفر می‌رسانند. اما به کارگیری تمام تجهیزات ذکر شده نیاز به بهره‌گیری از فناوری‌های جدید دارد.

به عنوان مثال باید از فناوری ذخیره در حالت جامد بهره برد که  فلزات مناسبی را برای جذب هیدروژن به خدمت می‌گیرد. سنسورهای هوشمند نشت یابی نیز از دیگر تجهیزات مدرنی هستند که در زمینه افزایش ایمنی و بروز واکنش سریع به خطرات احتمالی کاربرد دارند.

محدودیت منابع تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن سبز

هیدروژن سبز از طریق الکترولیز آب به وجود می‌آید. این کار با استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر انجام می‌شود و همین امر یکی از اصلی‌ترین چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور را شکل می‌دهد. از آنجا که میزان تولید برق از منابع تجدید پذیر به شرایط طبیعی بستگی دارد، میزان تولید هیدروژن از طریق این منابع نیز ناپایدار و متغیر خواهد بود.

یکی دیگر از مشکلاتی که در مسیر بهره‌مندی از منابع تجدید پذیر وجود دارد، هزینه‌بر و زمان‌بر بودن پروسه ساخت نیروگاه‌های بادی،خورشیدی و غیره است. در صورتی که زیرساخت‌های مذکور موجود باشند هم در اکثر مواقع برق تولید شده از این منابع بین مصرف کنندگان خانگی و صنعتی تقسیم خواهد شد. در این شرایط اگر تولید برق به هر دلیلی با محدودیت مواجه شود، تولید هیدروژن سبز در اولویت دوم یا سوم قرار خواهد گرفت.

عدم وجود چارچوب‌های قانونی و سیاست‌گذاری مناسب

بسیاری از کشورها هنوز قوانین مشخصی برای تولید، حمل، ذخیره و استفاده از هیدروژن وضع نکرده‌اند. این موضوع به یکی از چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور تبدیل شده است. بدون سیاست‌های روشن در این حوزه، موسسه‌ها و نهادهای سرمایه‌گذار دچار عدم قطعیت شده و نسبت به امنیت سرمایه‌گذاری خود دچار تردید می‌گردند.

همچنین عدم وجود مجوزهای مشخص، فرایند راه‌اندازی نیروگاه‌های هیدروژن‌محور را بسیار کند و حتی غیر ممکن می‌سازد. از آنجا که معافیت مالیاتی، یارانه یا قیمت گذاری حمایتی نیز برای تولید هیدروژن سبز وجود ندارد، توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور پر ریسک و پر هزینه خواهد شد.

راندمان پایین در فرآیند تبدیل انرژی و تلفات بالا

در نیروگاه‌های هیدروژن‌محور انرژی الکتریسیته به شکل هیدروژن ذخیره می‌شود تا در صورت لزوم دوباره به برق تبدیل گردد. در اولین مرحله برقی که از منابع تجدید پذیر به دست آمده با راندمان تقریبی ۶۵ تا ۷۵ درصد به هیدروژن تبدیل می‌شود. طی مرحله بعدی هیدروژن فشرده شده یا به حالت مایع در‌می‌آید. در این مرحله بین ۵ تا ۱۵ درصد از انرژی هدر می‌رود.

در مرحله حمل و نقل نیز که انتقال با لوله یا تانکر انجام می‌شود، حدود ۱۰ درصد تلفات خواهیم داشت. در آخرین مرحله که شامل تبدیل مجدد هیدروژن به انرژی الکتریسیته است، شاهد راندمان ۴۰ تا ۶۰ درصدی خواهیم بود. به طور کلی می‌توان گفت که راندمان نهایی گاهی به کمتر از ۳۰ درصد می‌رسد و این مسئله یکی از نگران کننده‌ترین چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور است.

محدودیت‌های زنجیره تامین و تامین‌کنندگان تجهیزات

برخی از چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور کمتر مورد توجه قرار می‌گیرند از جمله محدودیت‌هایی که در خصوص زنجیره تامین وجود دارند. ساخت نیروگاه‌های هیدروژن‌محور و بهره‌برداری از آنها نیازمند تجهیزات خاصی است از جمله الکترولایزرها، کمپرسورها و مخازن ذخیره‌سازی، توربین‌های خاص، تجهیزات حمل و نقل ویژه و سیستم‌های خنک کننده.

این تجهیزات در حال حاضر تنها توسط چند شرکت بزرگ در دنیا تولید می‌شوند. در نتیجه ظرفیت تولید این تجهیزات بسیار محدود بوده و باعث می‌شود که هزینه و زمان انتظار مورد نیاز برای تامین آنها بالا رود. چالش مذکور سبب می‌شود که راه‌اندازی نیروگاه‌ هیدروژن‌محور مقرون به صرفه نباشد و وابستگی شدیدی به واردات پیدا کند.

ریسک‌های اقتصادی و عدم جذب سرمایه‌گذاری کافی

سرمایه‌گذاری در زمینه ساخت و راه‌اندازی نیروگاه‌های هیدروژن‌محور ریسک بسیار بالایی دارد. یکی از دلایل اصلی این امر بالا بودن هزینه‌های اولیه است. از طرفی بازار رسمی و قابل اتکایی برای هیدروژن هنوز شکل نگرفته و در نتیجه سود قابل پیش بینی برای پروژه‌های هیدروژن‌محور وجود ندارند. این چالش‌ها سبب می‌گردند که جذب سرمایه برای پروژه‌های مذکور با چالش‌های فراوانی روبرو شود. در ضمن نباید فراموش کرد که بازار انرژی همیشه نوسانات گسترده‌ای را تجربه می‌کند.

به عنوان مثال اگر به هر دلیلی قیمت سوخت‌های فسیلی پایین بیاید، تولید هیدروژن خاصیت رقابت پذیری خود را از دست خواهد داد. به این ترتیب از آنجا که سیاست‌های حمایتی و چارچوب قانونی پایدار برای تولید این نوع انرژی وجود ندارد، وضعیت بازگشت سرمایه دچار ابهام خواهد شد.

چالش‌های زیست‌محیطی و انتشار کربن در تولید هیدروژن خاکستری

نیروگاه‌های هیدروژن‌محور توانایی تولید هیدروژن‌های مختلفی را دارند. در حال حاضر رایج‌ترین نوع هیدروژنی که این مراکز تولید می‌کنند، هیدروژن خاکستری است. این نوع از هیدروژن با استفاده از گاز طبیعی به دست می‌آید و تولید آن هزینه کمتری نسبت به سایر انواع هیدروژن دارد. اما بزرگترین مشکل تولید هیدروژن خاکستری که به یکی از چالش‌های توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور تبدیل شده، پاک نبودن آن ذکر می‌شود.

لازم به ذکر است که طی پروسه تولید یک تن هیدروژن خاکستری، حدود ۸ تا ۱۲ تن کربن تولید می‌گردد. این حجم از آلایندگی تهدیدی جدی برای محیط زیست محسوب می‌شود و در تضاد با هدف‌گذاری‌های جهانی در جهت کاهش تغییرات اقلیمی قرار دارد.

کاربرد هیدروژن در توسعه نیروگاه ها

از هیدروژن می‌توان به عنوان سوخت جایگزین در نیروگاه‌ها بهره برد. همچنین می‌توان از آن در پیل‌های سوختی استفاده کرد و انرژی تجدید پذیر را ذخیره نمود.

سوخت جایگزین در نیروگاه‌های حرارتی

نکته قابل توجهی که در مورد هیدروژن وجود دارد این است که می‌توان از آن به عنوان یک سوخت پاک‌تر در نیروگاه‌هایی که پیش از این با گاز طبیعی و زغال سنگ کار می‌کردند، استفاده کرد.

استفاده در پیل‌های سوختی

با استفاده از هیدروژن در پیل‌های سوختی، می‌توان بدون نیاز به فرایند احتراق برق تولید کرد. استفاده از این پیل‌ها در نیروگاه‌های کوچک یا پشتیبان متداول است.

ذخیره سازی انرژی تجدید پذیر

یکی از مزیت‌های نیروگاه‌های هیدروژن‌محور آن است که می‌توان از طریق آنها انرژی مازادی که از خورشید یا باد به دست می‌آید را به هیدروژن سبز تبدیل کرد. در زمان‌ اوج مصرف و یا در زمان قطعی برق، می‌توان هیدروژن ذخیره شده را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل کرد و پایداری شبکه برق را تضمین نمود.

تاثیر هیدروژن بر توسعه نیروگاه ها

هیدروژن با کاهش میزان آلایندگی، انعطاف پذیر نمودن منابع سوخت و تغییر ماهیت نیروگاه‌های قدیمی سبب سهولت بخشیدن به فرایند توسعه نیروگاه‌ها می‌شود.

کاهش آلایندگی

استفاده از هیدروژن و به ویژه هیدروژن سبز به نیروگاه‌ها کمک می‌کند تا انتشار گازهای گلخانه‌ای را به حداقل برسانند. به این ترتیب نیروگاه‌های هیدروژن‌محور در تحقق پیدا کردن تعهدات اقلیمی موفق عمل می‌نمایند.

 انعطاف پذیری منابع سوخت

هیدروژن می‌تواند به صورت مستقل به عنوان یک منبع انرژی مورد استفاده قرار بگیرد و یا در ترکیب با گاز تبدیل به یک سوخت شود. این ویژگی انعطاف پذیری بالایی را برای نیروگاه‌های هیدروژن‌محور به ارمغان می‌آورد.

 تغییر ماهیت نیروگاه‌های قدیمی

استفاده از هیدروژن سبب می‌گردد تا نیروگاه‌ها از تولید‌کنندگان صرف به واحدهای چند منظوره انرژی تبدیل شوند. این واحدها علاوه بر توانایی تولید برق، قادر به ذخیره سازی انرژی مازاد و تبدیل مجدد آن به برق نیز هستند. برای دریافت مشاوره در ساعات کاری با شماره تلفن 02188385540 تماس بگیرید.

فرصت ها و دستاوردهای هیدروژن در نیروگاه ها

استفاده از هیدروژن فرصت‌ها و دستاوردهای متعددی را برای نیروگاه به ارمغان می‌آورد از جمله بهینه سازی زیرساخت‌های موجود، ایجاد ارزش اقتصادی و افزایش امنیت انرژی.

بهینه‌سازی زیرساخت‌های موجود

با بهره‌گیری از هیدروژن، امکان گذار تدریجی و کم هزینه نیروگاه‌های فعلی به سمت فناوری‌های نوین فراهم می‌شود.

ایجاد ارزش اقتصادی

نیروگاه‌های هیدروژن‌محور قابلیت ایجاد ارزش اقتصادی چشمگیری را دارند. ایجاد صنایع جدید، جذب سرمایه‌گذاری‌های خارجی و داخلی، توسعه صادرات سوخت پاک از جمله فرصت‌هایی هستند که این مراکز تولید می‌کنند.

افزایش امنیت انرژی

در مناطقی که گاز طبیعی از طریق واردات تامین می‌شود، هیدروژن می‌تواند به عنوان جایگزینی داخلی مورد استفاده قرار بگیرد. به این ترتیب افزایش خودکفایی و کاهش تاثیرپذیری از نوسانات بازارهای جهانی اتفاق خواهد افتاد.

جمع‌بندی

نیروگاه‌های هیدروژن‌محور می‌توانند راه حل‌های نوینی برای رفع مشکلات مربوط به تامین انرژی ارائه دهند. با  این حال توسعه این نیروگاه‌ها با چالش‌های متعددی از جمله هزینه بالا و عدم وجود زیرساخت‌های مناسب مواجه است.

سوالات متداول

1- چرا توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور با چالش مواجه است؟

ضعف زیرساخت‌های ذخیره سازی و حمل و نقل، هزینه بالای تولید، محدودیت منابع تجدید پذیر، راندمان پایین تبدیل انرژی و نبود سیاستگذاری‌های موثر، از جمله مواردی هستند که توسعه نیروگاه‌های هیدروژن‌محور را دچار چالش می‌کنند.

2- هزینه تولید هیدروژن سبز چقدر است و چگونه کاهش می‌یابد؟

در حال حاضر هزینه تولید هیدروژن سبز بین ۴ تا ۱۰ دلار به ازای هر کیلوگرم اعلام می‌شود. با بهبود زیرساخت‌ها، کاهش هزینه برق، بهره‌گیری از فناوری‌های نوین و افزایش حمایت‌های دولتی از نیروگاه‌های هیدروژن‌محور می‌توان هزینه مذکور را به شکل موثری کاهش داد.

3- آیا زیرساخت‌های موجود برای حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی هیدروژن کافی است؟

خیر. برای این کار نیاز به شبکه خطوط لوله پیشرفته، مخازن فشار بالا و ایستگاه‌های توزیع ویژه‌ای هست که در حال حاضر در بسیاری از کشورها ناموجود و یا بسیار محدود هستند.

4- چالش‌های زیست‌محیطی استفاده از هیدروژن خاکستری چیست؟

انتشار نسبتاً بالای دی اکسید کربن، وابستگی به سوخت‌های فسیلی و آلودگی آب و خاک مهمترین چالش‌های زیست محیطی هیدروژن خاکستری هستند.

5- چگونه می‌توان فناوری‌های تولید هیدروژن را در نیروگاه‌ها پیاده‌سازی کرد؟

پیاده سازی چنین فناوری‌هایی اصولاً در قالب پروژه‌های آزمایشی شروع شده و به صورت تدریجی تکامل می‌یابد. برای این منظور نیاز به سرمایه‌گذاری موثر، سیاست گذاری حمایتی و آموزش تخصصی است.