اقتصاد هیدروژن

این طور به نظر می‌آید که هر روز خبر جدیدی در اخبار درباره‌ی اتومبیل‌هایی که از سلول‌های سوختی استفاده می‌کنند وجود دارد. نویدهایی که داده می‌شود بسیار جذاب است. زیرا سلول‌های سوختی پتانسیل این را دارند که خیلی سریع بازدهی اتومبیل‌ها را دو برابر کنند و در عین حال به طور چشم گیری آلودگی هوا را کاهش دهند.
نیز به طور هم زمان برای چند دهه است که مطالبی خبری برای مشکلات مرتبط با نفت خام وجود دارد. هر چیزی از نفت که به لایه های اوزون می‌رود و درباره‌ی پدیده های گرمای جهانی هشدار می‌دهد موجب سرزنش ما درباره‌ی وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی می‌گردد.
این دو دلیل موجب هدایت جهان به سمت چیزی می‌شود که هم اکنون به طور گسترده ای با نام اقتصاد هیدروژن شاخته می‌شوند. اگر پیش بینی‌ها درست باشد طی چندین دهه‌ی آینده ما می‌توانیم تغییر شگفت انگیزی از اقتصاد سوخت فسیلی که اکنون داریم به سمت آینده‌ی هیدروژنی بسیار پاک‌تری را شاهد باشیم.
آیا واقعاً جامعه می‌تواند این تغییر را انجام دهد یا موانع سیاسی، اقتصادی و تکنولوژیکی هم چنان ما را به نفت و دیگر سوخت‌های فسیلی در طی قرن آینده و پس از آن محدود خواهد کرد؟ در این مقاله شما درباره‌ی مزایای اقتصاد هیدروژنی و هم چنین مشکلات احتمالی آن خواهید خواند.

مشکلات مرتبط با اقتصاد سوخت‌های فسیلی

در حال حاضر ایالات متحده و بیشتر دنیا در چیزی که به نام اقتصاد سوخت فسیلی نامیده می‌شود قفل شده‌اند. اتومبیل‌ها، قطارها و هواپیماهای ما تقریباً به طور انحصاری با تولیدات نفتی همانند بنزین و سوخت دیزل، سوخت گیری می‌کنند. درصد عظیمی از نیروگاه های ما از نفت، گاز طبیعی و ذغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می‌کنند.
در صورتی که جریان سوخت‌های فسیلی به ایالات متحده برای همیشه قطع شود اقتصاد متوقف می‌شود. هیچ راهی برای حمل محصولاتی که کارخانه‌ها تولید می‌کنند وجود ندارد، مردم نمی‌توانند با اتومبیل خود سرکار بروند، کل اقتصاد و درحقیقت کل جامعه‌ی غرب در حال حاضر به سوخت‌های فسیلی وابسته است.
درحالی که سوخت‌های فسیلی نقش مهمی در رسیدن جامعه به نقطه ای که هم اکنون در آن قرار داریم بازی کرده‌اند، چهار مشکل بزرگ وجود دارد که سوخت‌های فسیلی ایجاد کرده‌اند.
آلودگی هوا: هنگامی که اتومبیل‌ها بنزین را می‌سوزانند به طور ایده آل آن را کامل می‌سوزانند و هیچ چیزی غیر از کربن دی اکسید و آب در اگزوز آن‌ها ایجاد نمی‌شود. متأسفانه موتور احتراق داخلی کامل نیست. در فرآیند سوزاندن بنزین این موتورها چیزهای دیگری نیز تولید می‌کنند:
کربن منو اکسید که یک گاز سمی است، نیتروژن اکسید که منبع اصلی دودهای شهری است و هیدروکربن‌های نسوخته که منبع اصلی اوزون شهری است.
کاتالیزورها بیشتر این آلودگی‌ها را از بین می‌برند، اما آن‌ها کامل نیستند. آلودگی هوا ناشی از اتومبیل‌ها و نیروگاه‌ها مشکلی واقعی در شهرهای بزرگ است.
این به اندازه‌ی کافی بد هست که در تابستان بسیاری از شهرها دارای سطح خطرناکی از اوزون در هوا هستند.
آلودگی‌های زیست محیطی: فرآیند انتقال و ذخیره سازی نفت هنگامی که اشتباهی رخ دهد، تأثیر بزرگی بر روی محیط زیست دارد.
نشت نفت، انفجار خطوط لوله یا آتش گرفتن چاه‌ها می‌تواند یک آشفتگی بزرگ ایجاد کند. حادثه‌ی نشت اِکسون والدز در سال 1989 شناخته شده ترین مثال از این مشکل است. اما نشت‌های کوچک دائماً رخ می‌دهند.
گرمایش جهانی: هنگامی که شما یک گالن بنزین را در خودرو خود می‌سوزانید حدود پنج پوند ( 2/3 کیلوگرم) کربن وارد اتمسفر می‌کنید. اگر این کربن، کربن جامد بود به شدت جلب توجه می‌نمود. این همانند بیرون انداختن یک کسیه ی 5 پوندی شکر از پنجره‌ی خودرو به بیرون به ازای سوزاندن هر گالن از سوخت بود. اما از آنجا که 5 پوند از کربن به صورت گاز نامرئی کربن دی اکسید می‌آید، بیشتر ما به آن بی توجه هستیم. کربن دی اکسیدی که از اگزوز هر خودرویی بیرون می‌آید گازی گلخانه ای است که آرام آرام دمای سیاره‌ی ما را بالا می‌برد. تأثیرات نهایی نامشخص هستند اما احتمال خیلی قوی وجود دارد که سرانجام این روند موجب تغییرات چشم گیر آب وهوایی خواهد شد که هر کسی را بر روی زمین تحت تأثیر قرار می‌دهد. به طور مثال اگر یخ‌های اقیانوس‌ها آب شوند سطح آب به طور قابل ملاحظه ای بالا می‌آید و موجب تخریب و سرازیر شدن سیل به شهرهای ساحلی که امروزه وجود دارند می‌شود. این یک عارضه‌ی جانبی بزرگ است.
وابستگی: ایالات متحده و بیشتر کشورها نمی‌توانند نفت کافی برای برآورد کردن تقاضا تولید کنند. بنابراین آن‌ها نفت را از کشورهای صاحب نفت وارد می‌کنند. چنین چیزی موجب وابستگی اقتصادی می‌شود. هنگامی که تولید کنندگان نفت خاورمیانه تصمیم بگیرند که قیمت نفت را بالا ببرند، دیگر کشورهای جهان انتخاب کمی دارند و باید قیمت بالاتری را پرداخت کنند.

مزایای اقتصاد هیدروژنی

در قسمت‌های قبلی ما مشکلات جهانی و قابل ملاحظه‌ی ایجاد شده توسط سوخت‌های فسیلی را دیدیم. اقتصاد هیدروژنی این نوید را می‌دهد که همه‌ی مشکلاتی که اقتصاد سوخت‌های فسیلی ایجاد کرده است، مرتفع نماید. بنابراین مزایای اقتصاد هیدروژنی شامل موارد زیر می‌شوند:
1- زدودن آلودگی ایجاد شده توسط سوخت‌های فسیلی: هنگامی که هیدروژن در پیل های سوختی برای تولید قدرت به کار می‌رود یک تکنولوژی کاملاً پاک است. تنها محصول ثانویه‌ی آن آب است. هم چنین خطرهای زیست محیطی همانند نشت نفت برای هیدروژن وجود ندارد.
2- از بین رفتن گازهای گلخانه: اگر هیدروژن از الکترولیز آب به دست آید بنابراین هیدروژن موجب اضافه شدن هیچ گاز گلخانه ای به محیط زیست نمی‌شود. یک چرخه‌ی کامل وجود دارد. الکترولیز هیدروژن را از آب تولید می‌کند، هیدروژن دوباره با اکسیژن ترکیب می‌شود و آب را تولید می‌کنند و در پیل های سوختی نیز تولید نیرو می‌کنند.
3- از بین رفتن وابستگی اقتصادی: حذف نفت بدین معنی است که وابستگی به خاورمیانه و ذخایر نفت آن وجود نخواهد داشت.
4- تولید در همه جا: هیدروژن را می‌توان درهر جایی که شما آب و برق در اختیار داشته باشید تولید کرد. مردم می‌توانند آن را حتی در خانه‌هایشان با یک تکنولوژی نسبتاً ساده تولید کنند.
مشکلات ناشی از اقتصاد سوخت فسیلی بسیار بزرگ هستند و مزایای زیست محیطی اقتصاد هیدروژنی بسیار چشم گیرند. همین موجب می‌شود که فشار حرکت به سمت اقتصاد هیدروژنی بسیار قوی باشد.

موانع تکنولوژیکی

بزرگ‌ترین سؤالی که درباره‌ی اقتصاد هیدروژنی مطرح می‌شود این است که هیدروژن از کجا می‌آید؟ پس از آن سؤال درباره‌ی حمل، توزیع و ذخیره‌ی هیدروژن پیش می‌آید. هیدروژن در شکل طبیعی گازی خود تمایل به حجیم بودن و چالش برانگیز بودن دارد.
هنگامی که این دو سؤال با روشی مقرون به صرفه پاسخ داده شود؛ صحبت از اقتصاد هیدروژن به جا خواهد بود.
ما در قسمت‌های بعدی به هر کدام از این سؤال‌ها به طور مجزا خواهیم پرداخت.

هیدروژن از کجا می‌آید؟

یکی از جالب‌ترین مشکلات اقتصاد هیدروژنی است: از کجا هیدروژن می‌آید؟ در اقتصاد سوخت فسیلی شما به طور ساده سوخت فسیلی را از زمین به بیرون پمپ می‌کنید و آن را پالایش می‌کنید، سپس آن را به عنوان منبعی از انرژی می‌سوزانید.
بسیاری از ما نفت، بنزین، ذغال سنگ و گاز طبیعی را به طور چشم بسته می‌پذیریم اما آن‌ها در واقع کاملاً معجزه آسا هستند این سوخت‌های فسیلی در بردارنده ی انرژی خورشیدی ذخیره شده از میلیون‌ها سال قبل هستند. میلیون‌ها سال قبل گیاهان با استفاده از انرژی خورشیدی برای قدرت بخشیدن به رشد خود، رشد نمودند، گیاهان از بین رفتند و سرانجام به نفت، ذغال سنگ و گاز طبیعی تبدیل شدند. هنگامی که ما نفت را از زمین به بیرون پمپ می‌کنیم به این انبار سرپوشیده‌ی عظیم انرژی خورشیدی به طور رایگان یک شیر وصل می‌کنیم. هر گاه که ما گالنی از بنزین را می‌سوزانیم آن انرژی خورشیدی ذخیره شده را آزاد می‌کنیم.
در اقتصاد هیدروژنی هیچ مخزن سرپوشیده ای وجود ندارد که بتوان به آن شیر وصل کرد. ما باید عملاً انرژی را در زمان واقعی تولید کنیم.

دو منبع ممکن برای هیدروژن وجود دارند:

الکترولیز آب: با استفاده از الکتریسته دو نیم کردن مولکول‌های آب و ایجاد اکسیژن و هیدروژن خالص کار آسانی است. یک مزیت بزرگ این فرآیند این است که شما می‌توانید این کار را هر جا که بخواهید انجام دهید. به طور مثال شما می‌توانید جعبه ای در گاراژتان داشته باشید که به وسیله‌ی آن از آب شیر، هیدروژن تولید کنید و می‌توانید با آن هیدروژن باک خودروی خود را پر کنید.
اصلاح سوخت‌های فسیلی:
نفت و گاز طبیعی دارای هیدروکربن‌ها هستند. هیدروکربن‌ها مولکول‌هایی هستند که از هیدروژن و کربن تشکیل شده‌اند. با استفاده از وسیله ای که عمل آورنده‌ی سوخت یا یک بهساز (اصلاح گر) نامیده می‌شود، شما می‌توانید هیدروژن‌های یک هیدروکربن را به صورت تقریباً آسانی از آن جدا کنید و سپس از هیدروژن آن استفاده کنید. شما کربن باقی مانده را به صورت کربن دی اکسید در اتمسفر دفع می‌کنید.
البته گزینه‌ی دوم کمی ناخوشایند است. شما از سوخت‌های فسیلی به عنوان منبعی از هیدروژن برای اقتصاد هیدروژنی استفاده می‌کنید. این روش آلودگی هوا را کاهش می‌دهد اما هنوز هم مشکل گازهای گلخانه ای را حل نمی‌کند ( زیرا هم چنان کربنی که وارد جو می‌شود وجود دارد). هم چنین مشکل وابستگی را حل نمی‌کند. شما هنوز هم به نفت نیاز دارید. اما شاید این یک گام موقتی خوب در مسیر دست یابی به اقتصاد هیدروژن باشد. هنگامی که شما درباره‌ی خودروهای با منبع پیل سلول سوختی تولید شده توسط کارخانجات اتومبیل سازی در زمان فعلی چیزی می‌شنوید، باید بدانید تقریباً همه‌ی آن‌ها برای گرفتن هیدروژن لازم برای سلول‌های سوختی از بنزین با استفاده از یک بهساز گر یا اصلاح کننده برنامه ریزی شده‌اند. دلیل آن، این است که بنزین یک منبع به آسانی قابل دسترس از هیدروژن است. تا زمانی که جایگاه های هیدروژن در هر گوشه ای همانند اکنون که پمپ‌های بنزین را در هر گوشه ای می‌یابیم، برقرار شوند این آسان‌ترین راه برای بدست آوردن هیدروژن جهت به کار اندازی سلول سوختی یک وسیله نقلیه است.
چیز جالب درباره‌ی گزینه‌ی اول این است که این گزینه هسته‌ی اقتصاد هیدروژنی واقعی است. برای داشتن یک اقتصاد هیدروژنی خالص، هیدروژن حتماً باید از منابع قابل تجدید و نه سوخت‌های فسیلی تأمین شود تا بتوانیم انتشار کربن در اتمسفر را متوقف کنیم. داشتن الکتریسته ی کافی برای جدا کردن هیدروژن از آب و تولید آن الکتریسته بدون استفاده از سوخت‌های فسیلی بزرگ‌ترین تغییری خواهد بود که ما در خلق اقتصاد هیدروژنی شاهد خواهیم بود.
الکتریسته ی لازم برای الکترولیز آب از کجا خواهد آمد؟ هم اکنون 68 درصد از الکتریسته ی تولید شده در ایالات متحده از ذغال سنگ و گاز طبیعی تولید می‌شوند. همه این ظرفیت تولید کننده‌ی نیرو در اقتصاد هیدروژنی باید با منابع تجدید پذیر جایگزین گردند. به علاوه همه‌ی انرژی سوخت‌های فسیلی که هم اکنون برای حمل و نقل ( اتومبیل‌ها، کامیون‌ها، قطارها، قایق‌ها، هواپیماها و...) استفاده می‌شوند باید به هیدروژن تبدیل گردند و باز هم این هیدروژن باید به وسیله‌ی برق تولید گردد. به عبارت دیگر توانایی ظرفیت تولید نیروی برقی که در آمریکا وجود دارد. باید برای پاسخ گویی به نیازهای حمل و نقل دو برابر شود و باید پس از آن همه‌ی آن از سوخت‌های فسیلی به منابع تجدیدپذیر تبدیل گردد. و فقط در همان زمان جریان سرازیر شدن کربن به جو متوقف خواهد شد.
هم اکنون چندین راه مختلف برای تولید برق وجود دارند که سوخت‌های فسیلی استفاده نمی‌کنند: انرژی هسته ای، سدهای هیدروالکتریک، سلول‌های خورشیدی، توربین‌های برق بادی، قدرت انرژی زمین گرمایی، قدرت امواج و جزر و مد و...
هم اکنون در ایالات متحده حدود 20 درصد از انرژی برق توسط انرژی هسته ای و 7 درصد از آن توسط هیدروالکتریک (سدها) تولید می‌شود. انرژی باد، خورشیدی، زمین گرمایی و دیگر منابع فقط 5 درصد از برق را تولید می‌کنند که به سختی برای حل موضوع کافی به نظر می‌رسد.
به نظر می‌آید که در آینده به جز برخی از پیشرفت‌های فوق العاده ی تکنولوژیکی احتمالاً یکی از این دو راه برای ایجاد اقتصاد هیدروژنی پیموده خواهد شد: یا ظرفیت انرژی هسته ای یا ظرفیت انرژی خورشیدی به صورت چشمگیری افزایش پیدا خواهد کرد. باید به خاطر بسپاریم که در اقتصاد هیدروژنی خالص ظرفیت تولید برق باید تقریباً دو برابر شود زیرا همه‌ی انرژی لازم برای حمل و نقل هم اکنون از نفت تأمین می‌شود. باید با الکتریسته ی تولید شده توسط هیدروژن جایگزین گردد. بنابراین تعداد نیروگاه‌ها دو برابر خواهد شد و همه‌ی نیروگاههای سوخت‌های فسیلی جایگزین خواهند شد.
احتمالاً مشکل تولید برق بزرگ‌ترین مانع اقتصاد هیدروژنی خواهد بود. به محض این که تکنولوژی تصحیح شود و ارزان گردد، خودروهای سلول‌های سوختی که از هیدروژن استفاده می‌کنند می‌توانند جایگزین موتورهای احتراق داخلی بنزینی در طی یک یا دو دهه گردند. اما تبدیل نیروگاهها به نیروگاه های هسته ای و خورشیدی ممکن است چندان آسان نباشد. برق هسته ای دارای مشکلات سیاسی و زیست محیطی است و برق خورشیدی نیز در حال حاضر دارای مشکلات هزینه ای و مکان یابی است.

چگونه شما هیدروژن را ذخیره و جا به جا می‌کنید؟

در این لحظه مشکل قرار گرفتن خودروهای با سوخت هیدروژن خالص در جاده‌ها مشکل ذخیره و حمل هیدروژن است. هیدروژن یک گاز حجیم است و کار با آن به آسانی کار با بنزین نیست. فشرده کردن گاز نیازمند انرژی است و هیدروژن فشرده شده دارای انرژی کمتری در مقایسه با همان حجم از بنزین است. اما راه های مشکل ذخیره‌ی هیدروژن در حال نمایان شدن هستند.
به طور مثال هیدروژن را می‌توان در یک فرم جامد که در اصطلاح شیمیایی به نام سدیم برم هیدراید نامیده می‌شود. ذخیره کرد و این تکنولوژی اخیراً در خبرها ظاهر شده است. زیرا کارخانه‌ی کرایسلر در حال آزمایش آن می‌باشد. این ماده‌ی شیمیایی از براکس که - یک جزء ترکیبی رایج در برخی از شوینده‌هاست ایجاد می‌شود. هنگامی که سدیم برم هیدراید، هیدروژنش را آزاد می‌کند تبدیل به براکس می‌شود بنابراین قابل بازیابی است.
هنگامی که مشکل ذخیره‌ی هیدروژن حل شد و استاندارد گردید باید شبکه ای از جایگاه های هیدروژن و زیر ساخت‌های حمل هیدروژن برای آن شبکه ایجاد گردد. شاید مانع اصلی برای این قسمت فرآیند طبقه بندی تکنولوژیکی باشد. مادامی که یک تکنولوژی ذخیره سازی که کاملاً به بازار غالب باشد، وجود نداشته باشد جایگاه‌ها سریعاً ایجاد نخواهند شد. به طور مثال اگر همه‌ی خودروهای با منبع قدرت هیدروژنی از سدیم برم هیدراید استفاده کنند، پس از آن شبکه ای از جایگاه‌ها سریعاً ایجاد خواهند شد. این نوع از یکنواخت سازی احتمالاً به طور سریع رخ نخواهد داد.
هم چنین شاید یک پیشرفت تکنولوژیکی بوجود بیاید که بتواند زمین بازی را سریعاً تغییر دهد به طور مثال اگر کسی بتواند یک باطری قابل شارژ ارزان با ظرفیت بالا و زمان سریع شارژ دوباره تولید کند، خودروهای الکتریکی به سلول‌های سوختی نیاز نخواهند داشت و نیازی به قرار گرفتن هیدروژن در جایگاه‌ها نخواهد بود. خودروها مستقیماً با استفاده از الکتریسته دوباره شارژ می‌شوند.

دورنماهای آینده

شما در آینده بیش‌تر و بیش‌تر درباره‌ی اقتصاد هیدروژنی در اخبار خواهید شنید. چرا که صدای طبل در حال بلندتر شدن است. مشکلات زیست محیطی اقتصاد سوخت فسیلی در حال ترکیب شدن با پیشرفت‌های تکنولوژی سلول سوختی است. و هم زمانی این دو به ما اجازه‌ی برداشتن قدم‌های اولیه را می‌دهد.
واضح‌ترین گامی که ما شاهد خواهیم بود بازاریابی خودروهای با منبع قدرت سلول سوختی است. اگرچه آن‌ها در اصل با بنزین و بهسازگرها قدرت خود را بدست می‌آورند اما سلول‌های سوختی دو ترقی بزرگ برای موتورهای احتراق داخلی در بر دارند: آن‌ها دارای بازدهی دو برابر هستندو آن‌ها می‌توانند به طور چشمگیری آلودگی هوا در شهرها را کاهش دهند.
خودروهای سلول سوختی با منبع قدرت بنزینی به خاطر مزایایشان یک گام انتقالی عالی هستند. حرک به سمت یک اقتصاد هیدروژنی خالص سخت‌تر خواهد بود. نیروگاه های تولید برق باید به منابع تجدید پذیر انرژی رو بیاورند و بازار باید بر روی راه های ذخیره سازی و انتقال هیدروژن به توافق برسد. چنین موانعی احتمالاً موجب خواهد شد که گزار به اقتصاد هیدروژنی فرآیندی نسبتاً طولانی‌تر گردد.
منبع:tlowstuffworks.com