آیا ایلان ماسک در کنار گذاشتن استفاده از هیدروژن برای ذخیره انرژی کم کربن درست است یا اشتباه؟

زمینه در حال گذار از انرژی فسیلی به انرژی های تجدیدپذیر است. یکی از جنبه های کلیدی این امر حمل و نقل از طریق وسایل نقلیه بنزینی یا دیزلی و انتقال آن به موتورهای الکتریکی است که توسط باتری یا هیدروژن هدایت می شوند. صنعت سوخت های فسیلی باید نگران کارایی و هزینه حمل و نقل پایدار باشد، زیرا این امر سرعت انتقال را تعیین می کند که احتمالاً بر کاهش تولید نفت و شاید خود صنعت نفت و گاز تأثیر می گذارد.

ایلان ماسک باتری ها را می شناسد. او آنها را می‌سازد: برای به حرکت درآوردن اتومبیل‌ها و کامیون‌ها، در یک انتهای کتاب، به سمت غول‌های بزرگ در مقیاس شبکه که انرژی الکتریکی را برای صدها خانه و شرکت تجاری ذخیره و تثبیت می‌کنند، در انتهای کتاب دیگر.

هفته گذشته، 12 می 2022، مشک گفت: هیدروژن احمقانه ترین چیزی است که می توانم برای ذخیره انرژی تصور کنم. این اولین بار نیست که ماسک در سال‌های گذشته اظهارنظرهای منفی مشابهی کرده است. چند سال پیش، ماسک به خبرنگاران گفت که سلول های سوختی هیدروژنی "بسیار احمقانه" هستند.

اظهار نظر گنگ ذخیره سازی هیدروژن یک بیانیه گسترده بود. آیا ماسک به ذخیره سازی برق در مقیاس شبکه اشاره داشت؟ یا برای ذخیره سازی در وسایل نقلیه الکتریکی - خودروهای برقی مانند کامیون و اتوبوس؟ یا هر دو؟

بیایید نگاهی عمیق‌تر به کاربردهای انرژی هیدروژن و نقش آن در ذخیره‌سازی الکتریسیته در مقایسه با باتری‌ها بیندازیم.

ذخیره سازی هیدروژن در مقیاس شبکه

در نگاه اول، به نظر می رسد که ماسک در مورد ذخیره سازی برق در مقیاس شبکه صحبت می کند، زیرا او در مورد مخازن عظیم سوخت هیدروژن مایع یا گازی صحبت می کند که برای ذخیره سازی هیدروژن مورد نیاز است. گزارش دیگری این را پشتیبانی می کند

اما باتری های بزرگ تسلا را فراموش نکنید
TSLA
ساخت‌ها در مقیاس شبکه نیز بزرگ هستند. در آن زمان، بزرگترین باتری بزرگ جهان توسط تسلا در سال 2017 در Hornsdale استرالیا برای ذخیره 100 مگا وات (MW) برق ساخته شد. در سال 2020 به 150 مگاوات ارتقا یافت.

این باتری انرژی مزارع بادی را ذخیره و تثبیت می‌کند که برق را در استرالیای جنوبی تقریباً بدون کربن می‌سازند. این باتری می تواند 8,000 خانه را به مدت 24 ساعت یا بیش از 30,000 خانه را برای یک ساعت تغذیه کند.

اما ماسک ممکن است در مورد هیدروژن به عنوان منبع انرژی در خودروها و کامیون ها صحبت کرده باشد.

انرژی هیدروژن برای خودروهای برقی خودرو و کامیون

تا کنون رایج ترین منبع برق برای خودروهای الکتریکی برق ذخیره شده در باتری ها است.

اما الکتریسیته را می توان از یک پیل سوختی شیمیایی تامین کرد که در آن هیدروژن با اکسیژن در یک سلول باتری مانند برای تولید برق و آب واکنش می دهد. انواع مختلفی از سلول های سوختی وجود دارد. اما هیدروژن قابل اشتعال است و می تواند باعث آتش سوزی یا انفجار شود. یک پیل سوختی می تواند خطرناک باشد، به خصوص اگر یک خودروی الکتریکی تصادف کند.

پیل‌های سوختی هیدروژنی دارای مزایای خاصی هستند: (1) چگالی ذخیره انرژی بسیار بیشتر از باتری‌های لیتیوم یونی، (2) برد رانندگی بیشتر، (3) سبک‌تر و اشغال فضای کمتر، و (4) زمان شارژ مجدد بسیار کوتاه‌تر.

در یک نظر گیج کننده در توییتر، در اول آوریل سال جاری، ماسک اعلام کرد که او خودروهای تسلا را معرفی خواهد کرد که از سلول های سوختی هیدروژنی استفاده می کنند. به نظر می رسد این یک شوخی هوشمندانه اول آوریل است.

مزایا و معایب ضروری باتری های EV در مقابل سلول های سوختی هیدروژنی مستند شده اند. در اینجا خلاصه ای وجود دارد:

یک باتری ماشین مدرن می تواند 250 وات ساعت انرژی به ازای هر کیلوگرم لیتیوم یون ذخیره کند. این در حالی است که یک کیلوگرم هیدروژن دارای 33,200 وات ساعت در هر کیلوگرم است. نه، این یک اشتباه نیست. بله، هیدروژن بیش از 100 برابر چگالی انرژی یک باتری لیتیوم یونی است.

خودروهای برقی با باتری کارایی فوق العاده ای دارند. بسته به مدل، آن‌ها می‌توانند بازدهی مناسبی در حدود 70 تا 80 درصد داشته باشند. در مقایسه، یک وسیله نقلیه الکتریکی با پیل سوختی هیدروژنی (FCEV) با بازده کلی حدود 30 تا 35 درصد بسیار مقرون به صرفه است... واقعیت این است که تبدیل الکتریسیته به هیدروژن فقط برای تبدیل مجدد آن هرگز انجام نخواهد شد. به اندازه تغذیه مستقیم باتری کارآمد است.

بر اساس این گزارش، زمان سوخت‌گیری کوتاه‌تر باعث صرفه‌جویی در پیل‌های سوختی هیدروژنی می‌شود. ایستگاه های شارژ کنونی به حدود 6 ساعت برای سوخت گیری یک نیمه تریلر با برد 500 مایلی نیاز دارند. اما تویوتا و کنورث در حال حاضر نیمه تریلرهای هیدروژنی دارند که می توانند در 15 دقیقه سوخت گیری کنند. این یک تغییر دهنده بازی برای حمل و نقل طولانی مدت بدون کربن است.

کامیون های هیدروژن توسط Hyzon.

اگرچه باتری‌های لیتیوم یونی بازار تجاری برای خودروهای الکتریکی سبک‌وزن و مسافربری هستند، نیروی هیدروژنی برای حمل‌ونقل در مسافت‌های طولانی با یک سیستم محرکه با وزن سبک‌تر آزمایش می‌شود.

هایزون موتورز یک شرکت در روچستر، نیویورک است که سلول های سوختی را توسعه می دهد و کامیون می سازد. Hyzon پس از 20 سال تحقیق به پشته های پیل سوختی دست یافته است که بالاترین قدرت را در جهان دارند، وزنشان تا نصف کمتر است و به نصف ارزانتر است.

انتظار می‌رفت کامیون‌های پایلوت تا سال 2022 در جاده‌ها راه یابند. برای کوچک‌ترین کامیون، 5 سیلندر هیدروژن را می‌توان روی یک قفسه ذخیره کرد. نسخه دوم برای نگهداری 10 سیلندر هیدروژن برای سفرهای طولانی تر طراحی شده است.

سایر نیازها به سوخت هیدروژنی

در گذار از انرژی‌های فسیلی به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر، بخش‌هایی به‌اصطلاح کم‌کاهش وجود دارد که نمی‌توان به راحتی آن‌ها را برای استفاده از برق سبز برق‌رسانی کرد.

علاوه بر کامیون‌های دوربرد، هواپیماها و کشتی‌ها مواردی هستند که باتری‌ها برای حمل آن‌ها خیلی بزرگ یا سنگین هستند. هیدروژن حاوی حدود سه برابر انرژی در هر کیلوگرم گازوئیل یا بنزین است.

کوره های زغال سنگ صنعتی بسیار داغ یا گران تر از آن هستند که با برق سبز گرم شوند. به جای زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی، هیدروژن می تواند به عنوان سوخت برای تامین گرمای بسیار زیاد مورد نیاز در کوره های بلند عمل کند. برای ایجاد فولاد سبز. فولادساز سوئدی SSAB AB در حال همکاری با Volvo Cars برای توسعه فولاد بدون فسیل است. ولوو اولین شرکت خودروسازی خواهد بود که فولاد سبز را در یک خودروی مفهومی آزمایش و استفاده می کند. تولید تجاری فولاد سبز قرار است در سال 2026 آغاز شود.

سبز در مقابل هیدروژن آبی.

هیدروژن سبز با الکترولیز آب ساخته می شود، اما این ناکارآمد است. به گفته ماسک، مقدار انرژی مورد نیاز - الکتریسیته ای که در حالت ایده آل باید سبز باشد به اضافه انرژی برای فشرده سازی و مایع شدن هیدروژن - خیره کننده است.

هیدروژن آبی شکل جایگزینی است که از گاز متان ساخته شده است. 99 درصد هیدروژنی که امروزه تولید می‌شود، هیدروژن آبی است، زیرا بسیار ارزان‌تر از هیدروژن سبز است. اما زمانی که به عنوان راه حلی بدون کربن برای ذخیره سوخت یا انرژی ارائه می شود، یک فرض نادرست است.

گاز متان به عنوان ماده اولیه در فرآیند ساخت هیدروژن آبی استفاده می شود. متان از حفاری و شکستن چاه‌های گاز یا نفت به دست می‌آید، جایی که شعله‌ور شدن گاز و نشت متان در چاه‌ها و خطوط لوله می‌تواند به طور قابل‌توجهی بر گرمایش جهانی بیفزاید. بنابراین، یک انرژی فسیلی کربناته برای تولید هیدروژن بدون کربن از انرژی استفاده می شود.

اما دقیقاً بدون کربن نیست زیرا تجزیه شیمیایی متان منجر به هیدروژن و یک دو محصول به نام CO2 می شود که خود گاز گلخانه ای اصلی (GHG) است که باید دفع شود.

بین این دو منفی یک سوخت بدون کربن قرار دارد که می سوزد و فقط آب تولید می کند. یکی از راه‌هایی که می‌توان این فرآیند را بهبود بخشید، به‌عنوان مثال، به‌دست آوردن مواد اولیه متان از منابع بیوگاز مانند محل‌های دفن زباله یا کود گاوی است.

هیدروژن قابل حمل است.

آژانس بین المللی انرژی (IEA) به مزیت دیگری اشاره کرد ذخیره سازی هیدروژن به عنوان مایع فشرده است و می توان آن را با احتیاط در مسافت های طولانی حمل کرد. به عنوان مثال، کشورهایی مانند استرالیا با منابع عظیم انرژی های تجدیدپذیر خورشیدی و بادی می توانند هیدروژن را با الکترولیز تولید کرده و آن را با تانکرها به شهرهایی در جنوب شرقی آسیا منتقل کنند که کمبود انرژی دارند.

تولید هیدروژن در نیومکزیکو

BayoTech شرکتی است که در واقع سوخت هیدروژن تولید می کند در نیومکزیکو BayoGas Hub ادعا می‌کند که یک ژنراتور کوچکتر و کارآمدتر که هیدروژن را ارزان‌تر و با ردپای کربن کمتری نسبت به کارخانه‌های متمرکز بزرگی که هیدروژن را به سازندگان شیمیایی و پالایشگاه‌ها می‌رسانند، می‌کند.

مواد اولیه می توانند گاز طبیعی تمیز یا سایر منابع بیوگاز تجدید پذیر باشند که می توانند هیدروژن کربن منفی بسازند.

سه هاب هیدروژن در سال 2022 در ایالات متحده مستقر می شود و برنامه هایی برای گسترش این شبکه در بریتانیا و در سطح جهان وجود دارد. هر یک از هاب های هیدروژن در شبکه BayoTech روزانه 1-5 تن هیدروژن تولید می کند. هیدروژن به صورت محلی در تریلرهای حمل و نقل با فشار بالا که سیلندرهای گاز را حمل می کنند، تحویل داده می شود.

شهر Champaign-Urbana در ایلینویز برای برنامه های حمل و نقل انبوه خود دارای ناوگان رو به رشدی از اتوبوس های الکتریکی هیبریدی و سلول سوختی هیدروژنی است. این شهر در سال 2021 دو اتوبوس پیل سوختی هیدروژنی را مستقر کرد.

قبل از اینکه ژنراتور هیدروژن در محل تکمیل شود. BayoTech برای ارائه فراخوان داده شد هیدروژن قابل حمل در کامیون های حمل و نقل پرفشار، که سلول های سوختی را شارژ می کردند تا کارکنان بتوانند اتوبوس ها را آزمایش کنند.

طبق گفته BayoTech، اتوبوس‌های پیل سوختی هیدروژنی عملکرد خوبی مانند اتوبوس‌های دیزلی معمولی دارند اما انتشار گازهای گلخانه‌ای در لوله اگزوز آنها صفر است. از مزایای موتورهای الکتریکی با باتری می‌توان به برد 300 مایل، زمان سوخت‌گیری تنها 10 دقیقه و ایستگاه‌های سوخت‌رسانی با ظرفیت 100 اتوبوس اشاره کرد.

قابل توجه است که بخش بزرگی از پول - 8 میلیارد دلار - در قانون زیرساخت 2021 برای راه اندازی تمیز اختصاص داده شد. هاب های هیدروژنی، حداقل چهار نفر از آنها در سراسر ایالات متحده است.

دید هیدروژنی BP در Teesside، UK.

در سال 2020، bp خود را به عنوان یک شرکت یکپارچه که در چشم انداز انرژی 2020 خلاصه شده است، دوباره اختراع کرد.

آخرین سرمایه‌گذاری تجدیدپذیر آنها هیدروژن Teesside است که به یک مرکز صنعتی در سواحل شمال شرقی انگلستان اشاره دارد.

La چشم انداز برای Teesside است تبدیل شدن به هاب هیدروژنی اصلی برای حمل و نقل در حمل و نقل هوایی، کشتیرانی و کامیون های سنگین - همه بخش هایی که استفاده از باتری در آنها دشوار است. اما این مفهوم همچنین شامل برق برای صنایعی مانند سیمان و فولادسازی می شود که به سختی کاهش می یابد.

طرح اولیه، H2Teesside نامیده می شود، برای تولید هیدروژن آبی با تجزیه متان، CH4، در حالی که دو محصول CO2 گرفته شده و توسط فرآیندی به نام CCS در زیر اقیانوس دفن می شود.

افزودن HyGreen اخیر آب را به الکترولیز می کند هیدروژن سبز و اکسیژن این به دلیل هزینه الکترولیز و برق تمیز در صورت استفاده از آن گران تر است.

Bp دارد تفاهم امضا کردند با دای
DAI
mler Truck برای راه اندازی زیرساخت های مورد نیاز برای کامیون های هیدروژنی سلول سوختی در بریتانیا.

پروژه های Teesside bp مش با اهداف دولت بریتانیا. ترکیب HyGreen و H2Teesside می توانند 1.5 گیگاوات هیدروژن تولید کنند و 30 درصد از هدف 5 گیگاواتی دولت را تا سال 2030 تحویل دهند.

غذاهای آماده

دو نکته منفی بزرگ وجود دارد که مزایای هیدروژن آبی را از بین می برد و ردپای کربن قابل توجهی از آن باقی می گذارد. هیدروژن سبز در حال حاضر بسیار گران است.

مطابق با Rystad انرژی، یک صنعت سوخت هیدروژنی مقرون به صرفه و سبزتر که اکنون گران است، خیلی کمی دیر خواهد شد. تا سال 2050، تنها 7 درصد از انرژی جهانی هیدروژن برای خدمات رسانی به صنعت ویژه برای تامین سوخت هوانوردی، کشتیرانی و کارخانه های فلزات و مواد شیمیایی خواهد بود.

علیرغم پیش‌بینی‌های محدود ریستاد برای آینده هیدروژن و محکوم کردن هیدروژن به‌عنوان ذخیره‌سازی انرژی توسط ایلان ماسک، به نظر می‌رسد که هیدروژن نقش فعالی در ذخیره‌سازی انرژی خواهد داشت.

پروژه‌های هیدروژنی در مقیاس کوچک و بزرگ در مراحل برنامه‌ریزی هستند یا در حال حاضر در حال بهره‌برداری هستند و نوآوری‌های بیشتر ارزش هیدروژن را به‌عنوان جزء اصلی آینده‌ای با کربن کم تقویت می‌کند.