فیزیک مهندسی

روش های تولید هیدروژن

زیرساخت سوخت هیدروژن را می توان به روشهای گوناگون طراحی نمود . کارشناسان معتقدند که منابع تولید هیدروژن و نحوه انتقال و توزیع آن متناسب با شرایط و مزایای جغرافیایی متفاوت خواهد بود . بعنوان مثال در مناطقی که منابع گاز طبیعی ارزان وجود دارد تولید هیدروژن از منابع گازی به صرفه ترین روش می باشد. در منطقه ای که منابع برق ارزان در دسترس باشد ، از منابع برق و با روش الکترولیز آب ، تولیدهیدروژن توجیه اقتصادی دارد و در مناطقی که سوختهای دیگری مانند اتانول وجود داشته باشد، اتانول بعنوان منبع اولیه هیدروژن مزیت ویژه ای دارد.

روشهای تولید و توزیع هیدروژن عبارتند از:

1. تولید انبوه هیدروژن بصورت متمرکز

2. تولید گاز هیدروژن در جایگاههای سوخت گیری )غیرمتمرکز(

3. تولید گاز هیدروژن بر روی خودرو

دسته بندی اطلاعات مربوط به روشهای تولید هیدروژن

دورنمای هیدروژن بعنوان یک سوخت در آینده در دو مرحله از زمان حائز اهمیت است:

1. تولید هیدروژن از منابع فسیلی

2. تولید هیدروژن از منابع غیرفسیلی )تجدیدپذیرها(

روشهای تولید هیدروژن

با وجود اینکه هیدروژن دومین عنصر فراوان در طبیعت می باشد ولی هیدروژن بصورت عنصرهمانند سوختهای فسیلی متداول در دسترس نیست . هیدروژن را می توان از سوختها یی همچون زغال سنگ،نفت یا گاز طبیعی بدست آورد.

امروزه هیدروژن را می توان از فرایندهایی همچون الکترولیز آب، رفورمینگ گاز طبیعی و اکسیداسیون جزئی سوختهای فسیلی بدست آورد . درحال حاضر ٩٨ % از کل هیدروژن تولید شده در جهان از سوختهای فسیلی بدست می آید؛ در آینده نزدیک از سوخت هیدروژن برای بحرکت در آوردن وسایل نقلیه، گرم کردن و غذاپختن در خانه ها، استفاده می شود. در حال حاضر هیدروژن تولیدی در صنعت بعنوان یک فرآورده شیمیایی و نه بعنوان یک سوخت تلقی می شود. فروش تجاری هیدروژن کمتر از ١٠ % میزان تولید آن در دنیا می باشدکه این رقم بالغ بر بیست میلیون تن در سال تخمین زده می شود؛ بدین معنی که ٩٠ % هیدروژن تولیدی درمحل تولید به مصرف می رسد؛ بعنوان مثال امروزه صنایع هیدروژنی در ایالات متحده آمریکا سالیانه نه میلیون تن هیدروژن تولید می کند که این میزان سوخت مورد نیاز ٢٠ تا ٣٠ میلیون وسیله نقلیه هیدروژن سوزو تعداد ٥ تا ٨ میلیون خانوار را تأمین می کند.امروزه تنها سهم کوچکی از هیدروژن تولیدی بعنوان یک حامل انرژی مورد استفاده قر ار می گیرد. روشهای مختلف تولید هیدروژن از منابع گوناگون انرژی، نیازهای منحصر به فرد دارند و محصولات جانبی منحصربه فرد تولید یا توزیع می کند. برای بهینه سازی و ایجاد تنوع در روشهای تجاری تولید هیدروژن نیاز به تحقیق و توسعه بیشتر و ساخت نمونه است. روشهای پیشرفته جهت جداسازی مواد آلاینده لازم است تا قیمتهای هیدروژن تولیدی را کاهش داده و راندمان ر ا افزایش دهند . روشهای مناسبتری هم برای تولید هیدروژن بصورت ایستگاهی وهم بصورت پراکنده برای تولید هیدروژن نیازا ست و باید تلاشهایی بر روی فرایندهای تجاری موجود همچون رفورمینگ متان، الکترولایزرها و ... در توسعه تکنیکهای پیشرفته همچون پیرولیز مواد زیست توده و جداسازی آب به روش ترموشیمیایی، الکترولیز فتو الکتروشیمیایی و روشهای بیولوژیکی متمرکز باشد . هیدروژن در پالایشگاههای بزرگ ، در مناطق صنعتی ، پارکهای انرژی، جایگاههای سوخت گیری در جوامع مختلف تولید خواهد شد و بسهولت در مناطق روستایی و منازل مشتریان توزیع وپخش خواهد شد.

هیدروژن مورد نیاز (مثلا" برای پیل سوختی) را می توان ازمنابع مختلفی همانند منابع انرژی اولیه (نفت خام )، منابع انرژی ثانویه) آنهایی که با استفاده از منابع اولیه انرژی تولید می شوند ما نند هیدروژن( منابع تجدیدپذیر (آنهایی که بدون دخالت انسان بطور متناوب تولید می شوند مانند باد، خورشید و آب) بدست آورد ؛ بعلت عدم آلایندگی محیط زیست و عدم تولید دی اکسید کربن و عدم تأثیر درگرم شدن کره زمین،همچنین دانسیته انرژی بالا و امکان استفاده و انتقال آن در مصارف گوناگون انرژی، دانشمندان از هیدروژن بعنوان سوخت آینده یاد می کنند.

دانسیته کم هیدروژن در حالت گازی، کاربرد هیدروژن را بعنوان حامل انرژی با مشکل روبرو ساخته است .بدین معنی که نسبت به سوختهای مایع همچون بنزین یا متانول از محتوای انرژی کمی به ازاء هر واحد حجم برخوردار است )حدود ٧/١٢٠ کیلوژول به ازاء هرکیلوگرم ( و به این دلیل بعنوان سوخت موشک از آن استفاده می گردد.هیدروژن مایع بالاترین دانسیته انرژی را نسبت به کلیه سوختها داراست  . اما باید در دمای بسیار پایین ) ٢٥٣ درجه سانتیگراد  ( و فشارهای بالا ذخیره شود که این مسئله، ذخیره سازی و حمل و نقل آنرا مشکل می سازد.

هیدروژن در طبیعت بطور خالص وجود ندارد، بلکه باید از آنرا از آب و یا سوختهایی نظیر زغال سنگ،گاز طبیعی، نفت، متانول و اتانول که در ساختار مولکولی خود هیدروژن دارند، تهیه نمود. بنابراین سوخت هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی از الکترولیز آب و یا تبدیل سوختهای متداول فراهم می گردد. در صورت دوم وجود مبدلهای سوخت الزامی می باشد؛ بنابراین می توان گفت عملکرد مبدل سوخت تبدیل یک سوخت فسیلی سرشار از هیدروژن به هیدروژن و محصولات فرعی دیگر نظیرCO2 می باشد. مبدلها یابصورت یک واحد مجزا (متمرکز و غیرمتمرکز ) و ساکن در نیروگاهها هستند) مبدلهایی که در محل سوخت گیری نصب می شوند) و یا در کنار پیل سوختی بصورت مبدل نصب شده[1] در وسایل حمل و نقل بکار گرفته می شوند. استفاده از مبدل بصورت مبدلهای نصب شده در کشتیهای مجهز به پیل سوختی وخودروها خصوصًا در مورد خودروها موجب پیچیدگی سیستم می گردد؛ اما دارای این مزیت است که ازسوختهای موجود در زیرساختها و شبکه های توزیع فعلی استفاده می کند.

کارمبدل سوخت، فراهم آوردن هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی با استفاده از سوختهایی است که دردسترس بوده و حمل و نقل آن آسان می باشد. مبدلهای سوخت باید توانایی انجام این کار را با حداقل آلودگی و بالاترین راندمان داشته باشند . عملکرد مبدلهای سوخت به زبان ساده عبارتست از اینکه یک سوخت سرشار از هیدروژن را به هیدروژن و محصولات فرعی دیگر (CO2) تبدیل نماید.

یکی از مشکلات مهم مبدلهایی که بر روی خودروها نصب می گردند، وزن و حجم مبدل می باشد. برای ارتقاء سطح بازده، لازم است وزن و حجم مبدلها به ازای هر واحد انرژی الکتریکی حاصل از سیستم تا حد ممکن کاهش یابد؛ بهمین ترتیب هزینه ساخت مبدلها نیز باید پایین نگاه داشته شود تا گران بودن این فناوری مانع از تولید انبوه خودرو نشود و دومین مشکل در این زمینه میزان خلوص هیدروژن تولید شده ازمبدلها است. در مورد مبدلهایی که سوخت ورودی به آنها گاز طبیعی و یا مشتقات نفت می باشد، وجودناخاصیهای گوگرد دار در سوخت می باشد.این ترکیبات آلی گوگرد دار بایستی از سوخت زدوده شوند؛ زیراگوگرد بعنوان مسموم کننده کاتالستهای مبدل عمل می کند. در مورد گاز طبیعی ترکیبات گوگرد دارعبارتنداز: ترکیبات بوداری که جهت ایمنی به گاز اضافه می گردند. طراحی سیستم گوگرد زدایی باید به دقت انجام گیرد تا از عدم وجود مشتقات گوگرد دار در گاز عبوری از روی کاتالیستهای مبدل اطمینان حاصل گردد وبرای این منظور از راکتوری استفاده می شود که در آن واکنشهای هیدروژناسیون در حضور کاتالیستهای اکسید مولیبدم  نیکل یا اکسید مولیبدم  کبالت صورت م ی پذیرد و طی یک سری واکنشهای شیمیایی،ترکیبات آلی گوگرد دار به گاز سولفید هیدروژن تبدیل می گردند.

روشهای مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد . هیدروژن را می توان از طریق تبدیل سوختهای فسیلی)بنزین، نفت، گاز طبیعی و ( ... در مبدل سوخت بدست آورد و یا با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر)باد،خورشید و( ... و الکترولایزر (تجزیه آب ) هیدروژن استحصال نمود . انواع فناوریهای تولید هیدروژن عبارتست از:

1. مبدل گاز طبیعی  تبدیل با بخار آب

تبدیل گاز طبیعی توسط بخار یکی از روشهای متداول تولید هیدروژن می باشد. متان (عنصر اصلی گازطبیعی) در واکنش تعادلی با بخار شرکت می کند و محصول واکنش بطور عمده هیدروژن و گاز منوکسیدکربن می باشد: