نگاهی به نقش هیدروژن در آینده و تحولات جهان بر اساس پروژه تحقیقاتی مرکز هوافضای آلمان (DLR)

هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی پتانسیل بسیار زیادی دارد. و همچنین انرژی زیادی دارد و به طور تمیز می سوزد و حمل و نقل آن آسان است و می توان آن را برای مدت طولانی ذخیره کرد.مرکز هوافضای المان (DLR) در تمام زمینه های تحقیق در مورد هیدروژن و در کل زنجیره فرآیند فعال است. دانشمندان وی با چندین دهه تجربه در تلاشند تا از آن به طور کامل استفاده شود.

نقش هیدروژن در آینده

نقشه مراکز تحقیقاتی هیدروژن در آلمان

هیدروژن عملاً فقط به صورت پیوند شیمیایی روی زمین ، به عنوان مثال در آب ، متان یا زیست توده وجود دارد. برای اینکه بتوان از آن به عنوان حامل انرژی استفاده کرد ، ابتدا باید hydrogen از این ترکیبات خارج شود. این کار با استفاده از انرژی به شکل برق یا گرمای دمای بالا انجام می شود. هیدروژن به اصطلاح “خاکستری” اساساً از گاز طبیعی به دست می آید ؛ در حال حاضر حدود 95 درصد از تولید جهانی را تشکیل می دهد. این کار باعث ایجادCO 2 قابل توجهی میشود. در مورد هیدروژن “آبی” ، این گازهای گلخانه ای جدا شده و ذخیره می شوند – یا هیدروژن با استفاده از الکترولیز و با استفاده از الکتریسیته انرژی هسته ای تولید می شود.

فقط هیدروژن “سبز” پایدار و خنثی از نظر آب و هوا است. در تولید آن از آب و انرژی خورشیدی ، بادی ، انرژی آبی یا زیست توده استفاده می شود. تاکنون تولید آن در مقادیر مربوطه بیش از حد گران ارزیابی شده است. پروفسور کارستن لمر ، عضو هیئت اجرایی DLR مسئول امور انرژی و حمل و نقل ، اطمینان دارد که این مسئله در آینده تغییر خواهد کرد:

“اول از همه ، گسترش انرژی های تجدیدپذیر باید پیشرفت کند. علاوه بر این ، سیستم های الکترولیز بزرگ باید در آلمان نصب شوند. بنابراین ما اولین گام ها را در راه رقابت با هیدروژن سبز برمی داریم. “

سیستم تولید هیدروژن

راه های رسیدن به هیدروژن سبز: الکترولیز و فرایندهای خورشیدی

به منظور تولید Hydrogen در مقیاس صنعتی ، DLR در درجه اول در حال تحقیق بر روی دو روش است: الکترولیز و فرآیندهای حرارتی خورشیدی.

الکترولیز پیشرفته ترین فناوری است و هم اکنون به صورت تجاری در دسترس است. اصل آنها بیش از 200 سال است که شناخته شده است: آب با کمک برق به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می شود. در حال حاضر تمرکز بر روی سه فرآیند است: قلیایی ، غشای تبادل پروتون و الکترولیز در دمای بالا. DLR بیشتر در حال توسعه هر سه روش است.

در حال حاضر در کل 30 مگاوات برق الکترولیز در آلمان نصب شده و از طریق برق تجدیدپذیر تأمین می شود. برای روی آوردن اقتصاد به هیدروژن ، این ظرفیت ها باید به طور گسترده گسترش یابد. یک مطالعه توسط سازمان ملی فناوری Hydrogen و سلول سوختی (NOW) فرض می کند که ظرفیت الکترولیزر نصب شده تا ۲۰۵۰ به 137 تا 275 گیگاوات افزایش یابد. این امر به هر دو سیستم الکترولیز غیر متمرکز کوچکتر – به عنوان مثال در ایستگاههای سوخت – و الکترولیزهای مرکزی در مقیاس بزرگ با بازده بسیار بالا نیاز دارد.

فرایندهای حرارتی خورشیدی برای تولید هیدروژن نوید بهره وری بالاتری را می دهند ، اما به مناطق وسیعی نیاز دارند. در این فرآیند ، سیستم های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشیدی برای تولید گرما برای تقسیم آب ترموشیمیایی استفاده می کنند. DLR در حال توسعه موالفه ها و فرآیندهایی است که این سیستم ها را تا حد ممکن کارآمد ، با دوام و مناسب برای استفاده های صنعتی کند. اولین کارخانه های آزمایشی هم اکنون در حال بهره برداری هستند ، اما چند سال طول می کشد تا مسیر خورشیدی تولید هیدروژن برای بازار آماده شود.

تقاضای زیاد هیدروژن به تولید و واردات نیاز دارد

به منظور پاسخگویی به سرعت در حال افزایش تقاضا برای هیدروژن سبز ، گسترش قابل توجه ظرفیت در زمینه انرژی های تجدید پذیر ضروری است. آلمان پتانسیل و فضای محدودی برای این امر دارد. مشکلاتی نیز وجود دارد ، مانند مواردی که در حال حاضر توسط نیروی باد تجربه می شود ، به عنوان مثال. “ما قادر به تولید مقدار هیدروژن سبز مورد نیاز برای بخش انرژی ، صنعت و تحرک در آلمان نخواهیم بود. راه حل های بین المللی مورد نیاز است. تولید Hydrogen در مقیاس بزرگ باید در کشورهای آفتابی برقرار شود. فرآیندهای حرارتی خورشیدی بیشترین پتانسیل را برای کاهش شدید هزینه های تولید دارند. پس باید تدارکات جهانی هیدروژن برای توزیع ایجاد شود. “، نتیجه گیری کرد کارستن لمر ، عضو هیئت اجرایی DLR.

در داخل اروپا ، مناطق اسپانیا ، یونان یا جنوب ایتالیا به ویژه مناسب است. تولید و صادرات Hydrogen می تواند به عناصری از “معامله سبز” اروپا تبدیل شود و محرک اقتصاد پس از همه گیری کرونا باشد. کشورهای شمال آفریقا و خاورمیانه از این نظر برای آلمان و اروپا جالب توجه هستند.

حمل و نقل ، ذخیره سازی ، توزیع: ایجاد و تبدیل زیرساخت ها

علاوه بر تولید ، انتقال اقتصادی و قابل اعتماد هیدروژن نیز عاملی تعیین کننده برای اقتصاد هیدروژن در آینده است. این شامل مسیرهای حمل و نقل از سایت های تولید جهانی به گره های کشورهای مشتری و توزیع محلی برای کاربر نهایی است. رویکردهای مختلفی مورد سوال قرار میگیرد: هیدروژن مایع ، تبدیل هیدروژن به آمونیاک و متان یا حامل هیدروژن آلی مایع. در حال حاضر هنوز مشخص نیست که کدام یک از این رویکردها اقتصادی تر است. برای طی مسیر و تحویل دادن به کاربر نهایی ، هیدروژن احتمالاً به صورت گاز مایع یا فشرده شده و با کامیون تحویل داده می شود.

روش دیگر انتقال و توزیع هیدروژن تبدیل تدریجی شبکه گاز طبیعی به شبکه هیدروژن است. شبکه گاز آلمان متشکل از یک شبکه حمل و نقل 40 هزار کیلومتری و یک شبکه توزیع 470 هزار کیلومتری است. در حال حاضر سازگاری خاصی با هیدروژن دارد. برای بهره وری بالاتری از هیدروژن ، مواد و اجزا و حالت کار و نیازهای کاربر باید به دقت بررسی و بهینه شوند.

تاسیسات بزرگ ذخیره بخشی اساسی از زیرساخت های هیدروژنی کلی خواهد بود. با کمک آنها ، می توان قله های فصلی مورد تقاضا ، مانند آغاز فصل گرما یا فصل سرما را با خیال راحت پوشش داد. در آلمان ، امکانات ذخیره سازی زیرزمینی در غارهای نمکی مناسب است. DLR در حال بررسی ایمنی ، کیفیت هیدروژن و دوام مواد مورد استفاده در چنین سیستم های ذخیره سازی است. همچنین در مورد مدل های ممکن تجاری برای تولید و ذخیره سازی تحقیق می کند و پتانسیل مکان یابی آن را به ویژه در شمال آلمان تحلیل می کند.که به دلایل زمین شناسی خصوصاً برای چنین زیرساخت هایی مناسب است.

تحرک پایدار هیدروژن برای جاده ها ، راه آهن ، هوا و دریا

هیدروژن سبز یک جایگزین پایدار است که امروزه از بنزین ، گازوئیل ، نفت سفید یا روغن سنگین استفاده می شود. در عین حال ، راحتی معمول در بازه های طولانی و فرآیندهای سوخت گیری سریع را فراهم می کند. سلول های سوختی با کارایی بالا شناخته می شوند و جدا از بخار آب ، هیچ گاز دیگری تولید نمی کنند (بر خلاف احتراق مستقیم هیدروژن در موتورها و توربین ها).

DLR هم پیل های سوختی ویژه و هم مخازن هیدروژن جدیدی را برای استفاده تولید می کند و آنها را در سیستم های کلی مربوطه ، اعم از اتومبیل ، اتوبوس ، کامیون ، قطار ، هواپیما یا کشتی ادغام می کند. راه حل های محرکه مبتنی بر هیدروژن هنگام انتقال بارهای سنگین در مسافت های طولانی ، دارای مزایای زیادی نسبت به استفاده از باتری هستند.

وسایل نقلیه سلول سوختی برای حمل و نقل فردی در حال حاضر در بازار موجود است. متخصصان DLR بازار و پتانسیل کاربرد آنها را تجزیه و تحلیل می کنند. وسیله نقلیه مفهومی (DLR Safe Light Regional Vehicle SLRV) دارای یک موتورهیدروژنی بسیار کارآمد است و احتمالاً اولین آزمایش های خود را به عنوان نمونه اولیه در پاییز سال 2020 آنجام میدهد. قطارهای سلول سوختی یک جایگزین بدون تولید آلودگی برای چندین واحد دیزلی در مسیرهای بدون خطوط هوایی هستند. در یک مطالعه ، DLR بازار قطارهای دارای مفاهیم محرکه ترکیبی را مورد بررسی قرار داد و همراه با تولید کننده وسایل نقلیه ریلی Alstom ، اولین واحد چندگانه سلول سوختی جهان را تولید و آزمایش کرد. قطارها و مناطق آزمایشی بعدی باید دنبال شوند. اولین اتوبوس های دارای پیل سوختی در حال حاضر در جاده ها در پروژه های آزمایشی هستند

در انستیتوی جدید DLR برای سیستم های انرژی دریایی ، تمرکز بر استفاده از هیدروژن برای تأمین انرژی کشتی ها است. متخصصان در حال تحقیق در مورد جنبه هایی از قبیل عمر مفید و مناسب بودن برای استفاده روزمره و یکپارچه سازی به خصوص کارآمد چنین سیستم هایی هستند ، به عنوان مثال وقتی کشتی برای پیشرانش به برق و در عین حال برای خنک سازی بار به سرما احتیاج دارد. DLR همراه با شرکت ها و مرکز های تحقیقاتی در حال کار بر روی راه اندازی اولین کشتی اقیانوس پیمای هیدروژنی جهان با سلول های سوختی است.

در هوانوردی می توان از هیدروژن به عنوان سوخت در توربین های گازی اصلاح شده استفاده کرد. این امر به ویژه برای کلاس های بزرگ هواپیما جالب است ، اما به توسعه سیستم های ذخیره سازی هیدروژن سازگار با هواپیما و سیستم های جدید اتاق احتراق نیاز دارد. پرواز با پیل های سوختی و درایو های الکتریکی تاکنون یک چالش فنی بسیار پیچیده بوده است ، اما نوید می دهد که به خصوص آرام ، کارآمد و بدون تولید آلودگی باشد.

هیدروژن سبز برای برق و گرما

بخش انرژی همچنین می تواند در آینده از استعداد همه جانبه منابع انرژی بهره مند شود. با پیل های سوختی و توربین های گازی می توان برق قابل کنترل و گرمای قابل کنترل تولید کرد. هر دو مورد نیاز اصلی در سیستم انرژی فردا است که مبتنی بر نوسان منابع تجدیدپذیر است. به این ترتیب می توان قله های مصرف را جبران کرد. دستیابی به بالاترین بازده ممکن بسیار مهم است.

برای تبدیل نیروگاههای گازی که از قبل بسیار کارآمد کار می کنند به هیدروژن فقط تنظیمات جزئی لازم است. DLR در حال حاضر به همراه تولیدکنندگان توربین و نیروگاه در زمینه انعطاف پذیری سوخت در حال تحقیق است و مفاهیمی را در مورد چگونگی سوختن مخلوط های گاز طبیعی و هیدروژن با پایداری و تا حد ممکن انتشار آلودگی کمتر در دست بررسی دارد.

حمل و نقل آینده

شبکه عامل موفقیت

در عین حال ، هزینه های زیست محیطی نباید به مرحله تولید اجزای مورد نیاز منتقل شوند – و با توجه به منابع حیاتی یافتن راه حل هایی برای جایگزینی یا بازیافت آنها مهم است.

با وجود همه چالش ها ، پروفسور Karsten Lemmer امیدوارانه به آینده نگاه می کند: “فقط اگر به روش شبکه ای فکر کنیم ، بخش های برق ، گرمایش ، تحرک و صنعت را با هم در نظر بگیریم و راه حل های جامع پیدا کنیم ، می توانیم به سمت اقتصاد هیدروژن پایدار پیش برویم. بنابراین DLR در کل زنجیره سیستم در حال تحقیق است.

مطالعات روی مدلهای مخزن هیدروژن

اقتصادی بدون گازهای گلخانه ای طی 30 سال آینده – این همان هدف اعلام شده اروپا برای جلوگیری از تغییر آب و هوا است. انرژی های تجدید پذیر جایگزین سوخت های فسیلی مانند نفت ، زغال سنگ و گاز می شوند. در جریان تحول پایدار تأمین انرژی ، هیدروژن نقش مهمی را ایفا می کند.

برای حمل و نقل پاک ، تأمین کارآمد برق و گرما ، به عنوان یک وسیله ذخیره سازی برای جبران نوسانات انرژی های تجدیدپذیر ، به عنوان پایه ای برای سوخت های جایگزین یا به عنوان گاز فرآیندی در صنعت – Hydrogen یک حامل انرژی بسیار متنوع است ، می تواند مورد استفاده قرار گیرد و بنابراین پتانسیل همکاری بالایی را ارائه می دهد. هیدروژن پایدار و اقتصادی تولید شده ، یک موالفه اصلی در کاهش گسترده انتشار آلودگی، به ویژه گاز مضر CO2 گلخانه ای ، در تولید انرژی ، حمل و نقل و صنعت و در نتیجه خنثی کردن تغییرات آب و هوایی است. توسعه اقتصاد هیدروژن بین بخشی و در صورت امکان ، فرصتهای عظیمی را برای فناوریهای جدید و مدلهای تجاری ایجاد می کند.

اتصال بخش برق / گرما / تحرک در سیستم انرژی آینده

DLR در همه زمینه های تحقیق در مورد Hydrogen و در کل زنجیره فرآیند – از تولید تا ذخیره سازی و استفاده فعال است. دانشمندان وی با چندین دهه تجربه در تلاشند تا از آن به طور کامل استفاده شود. برای اینکه به زودی بتوانید هیدروژن را به صورت پایدار و اقتصادی در مقیاس بزرگ صنعتی تولید کنید ، DLR در درجه اول در حال تحقیق بر روی دو روش است: الکترولیز و فرآیندهای حرارتی خورشیدی. DLR همچنین در حال بررسی چگونگی ذخیره هیدروژن با حداکثر کارآیی و ایمنی و انتقال آن در فواصل طولانی است. DLR سلولهای سوختی ویژه و مخازن هیدروژن جدیدی را برای استفاده تولید می کند و آنها را در سیستم های کلی مربوطه ، اتومبیل ، اتوبوس ، کامیون ، دوچرخه باری ، قطار ، هواپیماها یا کشتی ها دانشمندان همراه با تولیدکنندگان توربین و نیروگاه های برق تحقیقاتی را در زمینه انعطاف پذیری سوخت انجام داده و مفاهیمی را در مورد چگونگی سوختن مخلوط های گاز طبیعی و هیدروژن با پایدارترین و با انتشار کمترین حد ممکن ارائه می دهند.