هیدروژن آبی: این نوع از هیدروژن نیز از گاز طبیعی تولید می‌شود اما با استفاده از فناوری‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن ، بخش عمده‌ای از گازهای گلخانه‌ای آن جذب و ذخیره می‌شود. این روش می‌تواند در دوران گذار به انرژی‌های پاک نقش کلیدی ایفا کند. مزایا و چالش‌های آن به قرار زیر است:
مزایا: انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتر (نسبت به خاکستری (با استفاده از فناوری جذب و ذخیره سازی کربن/ قابل استفاده در زیرساخت‌های موجود گاز طبیعی/ امکان تولید در مقیاس بالا
چالش‌ها: فناوری جذب و ذخیره‌سازی کربن هنوز پرهزینه و پیچیده است/ به مکان مناسب برای ذخیره‌سازی کربن نیاز دارد/ همچنان متکی به سوخت‌های فسیلی است/ ممکن است نشت متان در زنجیره تولید، مزایای آن را کاهش دهد.
هیدروژن سبز: این نوع از هیدروژن از طریق الکترولیز آب با برق تولیدشده از منابع تجدیدپذیر (خورشید، باد) تولید می‌شود. این روش بدون انتشار مستقیم کربن است و به‌عنوان پاک‌ترین شکل تولید هیدروژن شناخته می‌شود، اگرچه هزینه تولید آن در حال حاضر نسبتاً بالا است. مزایا و چالش‌های آن به قرار زیر است:
مزایا: کاملاً بدون انتشار کربن، با استفاده از منابع تجدیدپذیر (باد، خورشید، برق‌آبی)/ سازگار با اهداف بلندمدت زیست‌محیطی و خنثی‌سازی کربن/ پتانسیل بالای رشد در آینده
چالش‌ها: در حال حاضر بسیار پرهزینه است (الکترولیز + برق تجدیدپذیر)/ به دسترسی و پایداری برق تجدیدپذیر وابسته است/ مستلزم سرمایه‌گذاری بالا برای توسعه زیرساخت‌ها است/ در شرایط فعلی، بازده فرآیند الکترولیز نسبتاً پایین است.
هیدروژن صورتی: با استفاده از برق حاصل از نیروگاه‌های هسته‌ای در فرایند الکترولیز تولید می‌شود. این روش از نظر انتشار کربن، پاک به شمار می‌آید، اما به پذیرش اجتماعی و امنیت انرژی هسته‌ای وابسته است. مزایا و چالش‌های آن به قرار زیر است:
مزایا: تولید بدون انتشار کربن، با استفاده از برق نیروگاه‌های هسته‌ای/ تولید پایدار و شبانه‌روزی (بر خلاف تجدیدپذیرها)/ مناسب برای تأمین پایدار و قابل پیش‌بینی در صنعت
چالش‌ها: نگرانی‌ها در خصوص ایمنی و پسماند هسته‌ای/ هزینه بالای ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای جدید/ پذیرش اجتماعی پایین در برخی کشورها/ نیاز به سیاست‌گذاری روشن در زمینه انرژی هسته‌ای
هیدروژن سفید: به هیدروژن طبیعی استخراج‌شده از منابع زیرزمینی بدون فرایند صنعتی گفته می‌شود. این منابع که به‌عنوان «هیدروژن ژئولوژیکی» نیز شناخته می‌شوند، هنوز در مراحل ابتدایی کشف و تجاری‌سازی هستند اما در صورت توسعه، یک منبع پاک و کم‌هزینه به شمار خواهند آمد. مزایا و چالش‌های آن به قرار زیر است:
مزایا: بدون آلایندگی زیست‌محیطی/ کاملاً طبیعی و پایدار/ هزینه استخراج نسبت به تولید صنعتی پایین‌تر است.
چالش‌ها: شناخت علمی ناکافی از منابع و نیاز به اکتشاف/ فناوری‌های شناسایی، حفاری و بهره‌برداری از این منابع هنوز به بلوغ نرسیده‌اند/ پراکندگی جغرافیایی و عدم توزیع یکنواخت منابع/ ریسک‌های زیست‌محیطی فرایند حفاری و استخراج/ عدم سیاست گذاری های لازم و کمبود قوانین و مقررات
با توجه به پیشرفت فناوری‌ها و فشارهای زیست‌محیطی جهانی، تمرکز کشورها بیش‌تر بر هیدروژن سبز و آبی است، اما سایر انواع نیز در برنامه‌های میان‌مدت یا بلندمدت کشورها نقش دارند.
شکل 1. روند تغییر الگوی تقاضای هیدروژن طی سال‌های آینده (شکل‌گیری بازارهای جدید)
شکل 2. تقاضای هیدروژن در تولید سوخت‌های پالایشی و مصنوعی در سناریوهای تعهدات اعلام‌شده و انتشار صفر آژانس بین‌المللی انرژی از 2020 تا 2050
2. آمونیاک
آمونیاک یک ترکیب شیمیایی حاوی نیتروژن و هیدروژن است که قابلیت ذخیره‌سازی و انتقال بالایی دارد و به‌عنوان حامل انرژی و سوخت تمیز شناخته می‌شود. آمونیاک می‌تواند بدون انتشار مستقیم دی اکسید کربن، به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد یا به‌عنوان حامل برای هیدروژن عمل کند. تولید آمونیاک سبز از هیدروژن سبز، مسیری نوظهور در جهان است.
• تولید: آمونیاک معمولاً از طریق فرایند هابر-بوش و با استفاده از هیدروژن تولید می‌شود. اگر هیدروژن مورد استفاده از منابع تجدیدپذیر تأمین شود، به آن «آمونیاک سبز» گفته می‌شود.
• ویژگی‌ها: آمونیاک برخلاف هیدروژن، به‌راحتی به مایع تبدیل شده و در فشارهای پایین‌تر ذخیره می‌شود. همچنین زیرساخت‌های حمل‌ونقل و مخازن ذخیره‌سازی آن (به‌ویژه در صنایع کود شیمیایی) در بسیاری از کشورها از قبل وجود دارد.
• کاربردها: به‌عنوان سوخت مستقیم در موتورهای دریایی، توربین‌ها و پیل‌های سوختی کاربرد دارد. همچنین می‌توان آن را تجزیه کرد و هیدروژن آن را در محل، استخراج و استفاده کرد.
• مزایا: حمل‌ونقل آسان‌تر نسبت به هیدروژن، زیرساخت‌های موجود، پتانسیل بالای صادرات انرژی.
• چالش‌ها: سمی بودن بالا، خطرات زیست‌محیطی در صورت نشت، و نیاز به فناوری‌های جدید برای احتراق یا تبدیل مجدد به هیدروژن.
شکل 3. پروژه های جاری و اعلام شده برای تولید آمونیاک با انتشار نزدیک به صفر تا 2030
شکل 4. تولید جهانی آمونیاک بر اساس فناوری و سناریوهای سیاست های اعلام شده، توسعه پایدار و انتشار صفر خالص آژانس بین المللی انرژی
شکل 5. مقایسه تولید آمونیاک در 2050 نسبت به 2020، بر اساس فرایند تولید و سناریوهای سیاست های اعلام شده، توسعه پایدار و انتشار صفر خالص آژانس بین المللی انرژی در مناطق برتر تولید آمونیاک
3. متانول
متانول می‌تواند به‌عنوان نوعی سوخت مایع قابل ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل عمل کند که انرژی را به‌صورت شیمیایی در خود نگه می‌دارد. این ویژگی، متانول را به گزینه‌ای جذاب برای ذخیره‌سازی انرژی به‌ویژه از منابع تجدیدپذیر (مثل خورشیدی یا بادی) تبدیل کرده است.
تولید و کاربرد
• تبدیل برق به متانول : در این روش، ابتدا هیدروژن از طریق الکترولیز با برق تجدیدپذیر تولید می‌شود. سپس با گاز دی‌اکسیدکربن واکنش داده و متانول سنتز می‌شود:
CO2+3H2→CH3OH+H2O
به این ترتیب، انرژی الکتریکی در قالب یک سوخت مایع پایدار ذخیره می‌شود.
• استفاده به‌عنوان سوخت مستقیم: متانول را می‌توان در خودروها، نیروگاه‌ها یا پیل‌های سوختی متانولی به عنوان سوخت مورد استفاده قرار داد.
• بازگرداندن انرژی به شکل برق : استفاده از متانول برای بازگرداندن انرژی به شکل برق یکی از کاربردهای کلیدی این سوخت مایع در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی است. این فرآیند به‌طور عمده از طریق سوزاندن متانول در نیروگاه‌ها یا استفاده از آن در پیل‌های سوختی انجام می‌شود.
مزایای استفاده از آن به قرار زیر است:
• قابلیت ذخیره‌سازی و حمل آسان: برخلاف هیدروژن، متانول در دمای اتاق مایع است و حمل‌ونقل آن ساده‌تر و ایمن‌تر است.
• استفاده از زیرساخت‌های موجود: می‌توان از زیرساخت‌های سوخت مایع موجود (مخازن، خطوط لوله) برای ذخیره‌سازی و انتقال متانول استفاده کرد.
• تولید از منابع تجدیدپذیر: متانول را می‌توان از انرژی‌های تجدیدپذیر ودی اکسید کربن بازیافتی تولید کرد (کربن خنثی).
• سوخت برای پیل سوختی: متانول را می‌توان مستقیماً در برخی از انواع پیل‌های سوختی متانولی استفاده کرد.
چالش‌های استفاده از آن به قرار زیر است:
• بازده پایین‌تر نسبت به ذخیره‌سازهای مستقیم: تبدیل برق به متانول و سپس برگشت آن به برق بازده کمتری نسبت به باتری‌ها دارد.
• سمی بودن: متانول یک ماده سمی است و در صورت نشت، ممکن است خطراتی برای سلامت و محیط زیست ایجاد کند.
• انتشار آلاینده‌ها: در صورت سوختن مستقیم، ممکن است گازهای آلاینده تولید شود (اگرچه نسبت به سوخت‌های فسیلی کمتر است).
• هزینه بالای تولید تجدیدپذیر: تولید متانول سبز (از انرژی‌های پاک) فعلاً هزینه‌بر است و به پشتیبانی سیاستی نیاز دارد.
متانول، به‌عنوان یک حامل انرژی شیمیایی مایع، امکان ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی تجدیدپذیر، حمل‌ونقل ساده و استفاده چندمنظوره (از سوخت تا تولید برق) را فراهم می‌کند. با این حال، نیاز به توسعه فناوری‌های پاک و مقرون‌به‌صرفه برای تولید آن و نیز کاهش اثرات زیست‌محیطی در استفاده از آن، از جمله چالش‌های پیش روست.
شکل 6. پیش‌بینی ارزش بازار جهانی متانول
شکل 7. روند رشد تولید و تجارت متانول (میلیون تن)؛ منبع: ماهنامه بورس
4. سایر سوخت‌های سنتزی
سایر سوخت‌های سنتزی شامل گاز طبیعی (متان) سنتزی ، دی‌متیل‌اتر ، انواع سوخت‌های مایع سنتزی با فرایند فیشر تروپش و سوخت های زیستی سنتزی هستند که با استفاده از فناوری‌های برق به مایع یا برق به گاز تولید می‌شوند. نقش سوخت‌های سنتزی در ذخیره‌سازی انرژی، به‌ویژه در سناریوهای گذار به انرژی پاک، بسیار مهم است. این سوخت‌ها به‌عنوان حامل‌های انرژی می‌توانند انرژی مازاد تولیدی (مثلاً از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید و باد) را در خود ذخیره کرده و در زمان نیاز، آن را دوباره به شکل‌های قابل استفاده مانند برق یا حرارت بازگردانند.
متان سنتزی
متان سنتزی، از ترکیب هیدروژن و دی‌اکسید کربن در یک واکنش شیمیایی به نام متاناسیون تولید می‌شود. این واکنش، گرمازا و به شدت به کاتالیزور نیازمند است.
روش تولید: ابتدا از برق حاصل از انرژی‌های تجدیدپذیر (خورشیدی، بادی) برای الکترولیز آب و تولید هیدروژن سبز استفاده می شود. سپس دی‌اکسید کربن از منابع زیستی، صنعتی یا مستقیماً از هوا گرفته می‌شود. در نهایت در راکتور متاناسیون، هیدروژن و دی‌اکسید کربن واکنش داده و متان سنتزی تولید می‌شود.
نقش متان سنتزی در ذخیره‌سازی انرژی: متان سنتزی یکی از کارآمدترین روش‌های ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی الکتریکی است. این فرآیند از طریق فناوری برق به گاز صورت می پذیرد.
مراحل ذخیره‌سازی
1. تبدیل برق به گاز: تولید هیدروژن از برق تجدیدپذیر مازاد و ترکیب آن با دی‌اکسید کربن در فرایند متاناسیون و تولید متان سنتزی
2. ذخیره‌سازی متان سنتزی در شبکه یا مخازن: در خطوط لوله، ذخایر زیرزمینی یا مخازن تحت فشار
3. بازگردانی انرژی به برق : سوزاندن متان سنتزی در نیروگاه‌ها برای تولید دوباره برق
مزایای استفاده از آن عبارتست از:
• قابلیت ذخیره‌سازی طولانی‌مدت: برخلاف باتری‌ها، متان سنتزی را می‌توان برای ماه‌ها و حتی سال‌ها ذخیره کرد.
• سازگاری با زیرساخت فعلی: می‌توان آن را در خطوط گاز طبیعی تزریق یا مستقیماً جایگزین گاز کرد.
• کاربرد چندگانه: سوخت برای نیروگاه، گرمایش خانگی، حمل‌ونقل، صنعت
• تبدیل برق تجدیدپذیر مازاد به سوخت: جلوگیری از هدررفت انرژی خورشیدی و بادی در زمان کمی مصرف
• کاهش وابستگی به گاز طبیعی فسیلی: به‌ویژه برای کشورهای فاقد منابع گاز طبیعی
• امکان تولید محلی: می‌توان آن را در مقیاس کوچک تا صنعتی در محل مصرف تولید کرد.
چالش‌های استفاده از آن عبارتست از:
• بازده پایین کل فرآیند: در تبدیل برق به هیدروژن و تولید متان سنتزی و سپس تبدیل دوباره آن به برق، انرژی زیادی تلف می‌شود
• هزینه‌های بالا: نیاز به تجهیزات پیشرفته و گران‌قیمت برای الکترولیز، جذب دی‌اکسید کربن و متاناسیون
• نیاز به منابع پایدار دی‌اکسید کربن: یافتن دی‌اکسید کربن با منشأ زیستی یا صنعتی که تداوم‌پذیر باشد یک چالش است.
• توسعه‌نیافتگی فناوری: فرآیندها هنوز در مرحله پایلوت یا تجاری‌سازی اولیه‌اند.
• مسائل زیست‌محیطی احتمالی: اگر دی‌اکسید کربن مورد استفاده، از منابع فسیلی باشد، اثر خالص کربن ممکن است بالا باقی بماند.
5- دی‌متیل اتر
دی‌متیل اتر در دمای اتاق گازی شکل است، ولی به‌راحتی تحت فشار کم به مایع تبدیل می‌شود. از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی، شباهت زیادی به ال‌پی‌جی دارد. دی‌متیل اتر را می‌توان به‌عنوان یک حامل انرژی شیمیایی به کار برد.
روش تولید: روش‌های مختلفی برای سنتز و تولید این گاز وجود دارد. برای مثال می‌توان آن را از دهیدراتاسیون متانول در حضور کاتالیزور آلومینا تهیه کرد. همچنین می‌توان آن را از طریق سنتز مستقیم گاز سنتز با استفاده از سیستم دو کاتالیستی تولید کرد. در واقع ابتدا برق مازاد از انرژی تجدیدپذیر (مثل خورشیدی یا بادی) برای تولید هیدروژن از آب (الکترولیز) استفاده می‌شود. سپس با دی‌اکسید کربن یا مونوکسید کربن حاصل از منابع زیستی یا صنعتی، گاز سنتز تولید می‌شود و از واکنش هیدروژن الکترولیزی و گاز سنتز، دی‌متیل اتر تولید می‌شود که می‌تواند انرژی الکتریکی را به شکل پایدار در خود نگه دارد. به عبارت دیگر دی‌متیل اتر مانند یک «باتری شیمیایی مایع» عمل می‌کند.
مزایای استفاده از آن عبارتست از:
• قابلیت ذخیره‌سازی و حمل آسان: مانند ال‌پی‌جی می‌توان آن را در مخازن تحت فشار پایین ذخیره کرد.
• جایگزین مستقیم ال‌پی‌جی و گازوئیل: در بسیاری از سیستم‌ها بدون تغییر عمده در زیرساخت قابل استفاده است.
• احتراق پاک: بدون دوده و با میزان بسیار پایین گاز آلاینده ناکس می‌سوزد.
• قابل تولید از منابع تجدیدپذیر: با استفاده از متانول سبز یا گاز سنتز حاصل از زیست‌توده می‌توان آن را به‌صورت کاملاً تجدیدپذیر تولید کرد.
• کاربرد چندگانه : هم در حمل‌ونقل، هم در نیروگاه‌ها و هم به‌عنوان سوخت خانگی قابل استفاده است.
چالش‌های استفاده از آن عبارتست از:
• زیرساخت‌های محدود: استفاده گسترده از دی‌متیل اتر نیازمند توسعه زیرساخت‌های توزیع و سوخت‌رسانی است.
• هزینه تولید بالا: به‌ویژه در مسیرهای سبز و مبتنی بر تجدیدپذیر، هزینه تمام‌شده فعلاً بالا است.
• چالش‌های احتراقی: در برخی موتورهای دیزلی نیاز به تنظیم دقیق دارد چون عدد ستان آن بالا است.
• نبود بازار گسترده در حال حاضر: هنوز استفاده گسترده‌ای در بازارهای جهانی برای آن شکل نگرفته است.
6- سوخت‌های مایع سنتزی حاصل از فرایند فیشر تروپش
سوخت‌های فیشر تروپش از طریق واکنش شیمیایی گاز سنتز (ترکیبی از هیدروژن و مونوکسید کربن) به دست می‌آیند. در این فرآیند، گاز سنتز در حضور کاتالیزور فلزی (اغلب آهن یا کبالت) به زنجیره‌های بلند هیدروکربنی تبدیل می‌شود که بسته به شرایط واکنش، می‌توانند به شکل مایع (مانند گازوئیل، بنزین، نفت سفید) یا موم باشند.
مزایا
• سازگاری با زیرساخت‌های موجود: می‌توان از آن‌ها به‌صورت مستقیم یا ترکیبی در موتورهای فعلی استفاده کرد.
• کاهش آلاینده‌ها: نسبت به سوخت‌های فسیلی، دارای میزان گوگرد و ترکیبات آروماتیک بسیار پایین‌تری هستند.
• امکان تولید از منابع تجدیدپذیر: در صورت استفاده از زیست توده یا هیدروژن سبز، تولید آن‌ها کاملاً سبز خواهد بود.
• قابل ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آسان: به‌صورت مایع بوده و نیاز به زیرساخت ویژه‌ای ندارند.
• امنیت انرژی بالا: کشورها می‌توانند به‌جای واردات سوخت، خودشان از منابع داخلی مانند زباله یا زیست‌توده، سوخت تولید کنند.
چالش‌ها
• راندمان پایین: فرآیند تولید آن چندمرحله‌ای است و بخشی از انرژی در مسیر از بین می‌رود.
• هزینه‌های سرمایه‌گذاری بالا: تأسیسات تولید سوخت‌های فیشر تروپش به سرمایه‌گذاری قابل توجهی نیاز دارند.
• نیاز به گاز سنتز با کیفیت: تولید گاز سنتز از منابع پایدار مانند زیست توده پیچیده‌تر از منابع فسیلی است.
• آثار زیست‌محیطی در صورت استفاده از زغال‌سنگ: اگر منبع گاز سنتز زغال‌سنگ باشد، فرآیند کربن‌زا می‌شود.
• چالش در تولید مقیاس‌پذیر سبز: تولید مقیاس‌پذیر و سبز آن مستلزم تولید هیدروژن سبز و جذب دی اکسید کربن است که هنوز در حال توسعه است.
سوخت‌های فیشر تروپش گزینه‌های مناسبی برای ذخیره‌سازی انرژی و کربن‌زدایی در مقیاس وسیع هستند. این فناوری برای کشورهایی که به دنبال امنیت انرژی، کاهش آلاینده‌ها و استفاده از منابع تجدیدپذیر هستند، فرصت بزرگی فراهم می سازد. اما برای رقابت‌پذیر شدن با سوخت‌های فسیلی، همچنان مستلزم به توسعه فناورانه و حمایت سیاستی است.
شکل 8. پیش‌بینی حجم بازار سوخت‌های سنتزی تا 2034 (میلیارد دلار)
شکل 9. سهم مناطق مختلف جهان از بازار جهانی سوخت‌های فسیلی در سال 2025
شکل 10. سهم مصارف نهایی از بازار جهانی سوخت‌های سنتزی در سال 2025
منابع:
https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024/hydrogen-demand
https://www.iea.org/reports/ammonia-technology-roadmap
https://www.dnv.com/about/statistics-and-insights/hydrogen
https://www.marknteladvisors.com/research-library/global-green-ammonia-market.html
https://www.alliedmarketresearch.com/synthetic-fuel-market-A53653
https://www.marketresearchfuture.com/reports/synthetic-fuels-market-25458
https://www.precedenceresearch.com/synthetic-fuel-market?utm_source=chatgpt.com
https://www.mdpi.com/1996-1073/18/3/552
https://www.bcinsight.crugroup.com/2022/11/30/green-fischer-tropsch-technology-routes
https://knowablemagazine.org/content/article/technology/2023/green-hydrogen-latin-america
https://www.coherentmarketinsights.com/market-insight/synthetic-fuel-market-6151
https://www.precedenceresearch.com/synthetic-fuel-market
