از گاز طبیعی به‌‌‌‌‌جای متانول، هیدروژن تولید کنیم

فرهنگ اقتصاد _ این یک مسیر فناوری مهم برای تولید هیدروژن در کوتاه‌مدت است. چگونه کار می‌‌‌‌‌کند؟ گاز طبیعی حاوی متان (CH۴) است که می‌‌‌‌‌تواند برای تولید هیدروژن با فرآیندهای حرارتی، مانند اصلاح بخار- متان و اکسیداسیون جزئی استفاده شود. اگرچه هیدروژن در کیهان فراوان است، لیکن هیدروژن آزاد به راحتی در زمین یافت نمی‌شود.

در اینجا به مولکول‌‌‌‌‌هایی متصل می‌شود که فراوان‌‌‌‌‌ترین آنها آب (H۲O) و هیدروکربن‌‌‌‌‌ها، به‌‌‌‌‌ویژه متان (CH۴) است. برای به دست آوردن هیدروژن آزاد، این مولکول‌‌‌‌‌ها باید با تامین انرژی تقسیم شوند، که بعدا می‌‌‌‌‌توان آن را با ترکیب مجدد با اکسیژن برای تولید آب جبران کرد. از این رو توصیف هیدروژن به عنوان یک بردار انرژی به جای منبع اولیه انرژی است. مسیرهای زیادی وجود دارد که منابع مختلفی از انرژی اولیه را در بر می‌گیرد که می‌‌‌‌‌تواند به صورت نور، گرما، انرژی الکتریکی یا ترکیبی از این منابع باشد. اولین و تا حد زیادی جهانی‌ترین روش، اصلاح گاز طبیعی با بخار است که اغلب به نام اصلاح متان بخار، شناخته می‌شود. در اینجا، بخار و گاز طبیعی که برای حذف آلاینده‌‌‌‌‌ها تصفیه می‌‌‌‌‌شوند، با هم در فشار بالا در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌‌‌‌‌گراد روی یک کاتالیزور مبتنی بر نیکل، گرم می‌‌‌‌‌شوند. نتیجه مخلوطی از مونوکسیدکربن (CO) و هیدروژن است که به عنوان گاز سنتز شناخته می‌شود. گاز سنتز بیشتر در واکنش جابه‌‌‌‌‌جایی آب-گاز برای تولید هیدروژن و دی اکسید‌کربن بیشتر تصفیه می‌شود. CO۲ تولید شده در حال حاضر در اتمسفر آزاد می‌شود، اما می‌‌‌‌‌تواند به عنوان یک محصول جانبی استفاده شود. فرآیند اصلاح بخار گرمای لازم برای هدایت واکنش را از احتراق گاز طبیعی که CO۲ بیشتری تولید می‌‌‌‌‌کند، به دست می‌‌‌‌‌آورد.

اصلاح گاز طبیعی ارزان قیمت می‌‌‌‌‌تواند امروزه هیدروژن را برای وسایل نقلیه الکتریکی سلول سوختی (FCEVs) و همچنین سایر کاربردها فراهم کند. در درازمدت، انتظار می‌‌‌‌‌رود که تولید هیدروژن از گاز طبیعی با تولید از انرژی‌‌‌‌‌های تجدیدپذیر، هسته‌‌‌‌‌ای، زغال‌‌‌‌‌سنگ (با جذب و ذخیره کربن) و سایر منابع انرژی داخلی با کربن پایین افزایش یابد. اصلاح بخار متان می‌‌‌‌‌تواند به تولید بیشتر هیدروژن منجر شود. بیشتر هیدروژنی که امروزه در ایالات متحده تولید می‌شود از طریق رفرمینگ بخار- متان ساخته می‌شود، یک فرآیند تولید بالغ که در آن بخار با دمای بالا (۷۰۰ درجه سانتی‌گراد تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) برای تولید هیدروژن از منبع متان، مانند گاز طبیعی، استفاده می‌شود. در رفرمینگ بخار متان، متان با بخار تحت فشار ۳-۲۵ بار (۱ بار = ۱۴.۵ psi) در حضور کاتالیزور واکنش می‌‌‌‌‌دهد و هیدروژن، مونوکسید کربن و مقدار نسبتا کمی‌‌‌‌‌ دی‌اکسید کربن تولید می‌‌‌‌‌کند. رفرمینگ بخار گرماگیر است، یعنی برای ادامه واکنش، باید گرما به فرآیند داده شود. متعاقبا، در آنچه «واکنش جابه‌‌‌‌‌جایی آب-گاز» نامیده می‌شود، مونوکسید‌کربن و بخار با استفاده از یک کاتالیزور برای تولید دی اکسید کربن و هیدروژن بیشتر واکنش نشان می‌‌‌‌‌دهند. در مرحله نهایی فرآیند به نام «جذب نوسان فشار»، دی اکسید کربن و سایر ناخالصی‌‌‌‌‌ها از جریان گاز حذف می‌‌‌‌‌شوند و اساسا هیدروژن خالص باقی می‌‌‌‌‌ماند. اصلاح بخار همچنین می‌‌‌‌‌تواند برای تولید هیدروژن از سوخت‌‌‌‌‌های دیگر مانند اتانول، پروپان یا حتی بنزین استفاده شود.

هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در کیهان است. همچنین ساده‌ترین است که از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. قرار است هیدروژن نقش مهمی‌‌‌‌‌ در برنامه‌‌‌‌‌های کربن‌‌‌‌‌زدایی تولید و توزیع جهانی انرژی در آینده ایفا کند. یکی از نقش‌‌‌‌‌های مهم آن به عنوان یک بردار انرژی است، یعنی به عنوان یک حامل انرژی از یک منبع انرژی اولیه به جایی که آن انرژی موردنیاز است. یک مزیت عمده این است که وقتی از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌شود، به عنوان مثال در پیل‌‌‌‌‌های سوختی، بسیار تمیز است. آب تنها محصول است و از انتشار آلاینده‌‌‌‌‌های مضر تولید شده در احتراق سوخت‌‌‌‌‌های هیدروکربنی عاری است و آن را برای استفاده در محیط‌‌‌‌‌های شهری برای حمل‌‌‌‌‌ونقل سنگین مانند اتوبوس و واحدهای حرارتی و نیروگاهی در ساختمان‌‌‌‌‌های خانگی و تجاری ایده‌‌‌‌‌آل می‌‌‌‌‌کند. هیدروژن نقش مهم دیگری به عنوان یک ماده اولیه شیمیایی دارد، در واقع بیشترین استفاده فعلی از هیدروژن برای استفاده از آن در پالایشگاه‌‌‌‌‌ها، تولید آمونیاک برای کود و در تولید فولاد است. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) تخمین زده است که در سال ۲۰۱۸ تولید جهانی هیدروژن بالغ بر ۷۴ میلیون تن بوده است.

در حال حاضر تولید هیدروژن (۹۵درصد) تحت‌تاثیر فرآیندهای استفاده از گاز طبیعی (متان) است که منجر به انتشار ۸۳۰ میلیون تن دی اکسید کربن (CO۲) به عنوان یک محصول جانبی می‌شود. بنابراین نیاز مبرمی‌ ‌‌‌‌به یافتن راه‌‌‌‌‌هایی برای کربن‌‌‌‌‌زدایی تولید هیدروژن برای رسیدن به اهداف انتشار جهانی CO۲ وجود دارد.