راهبرد اصلی در مبارزه برای محدود کردن تغییرات آب‌وهوایی، تأمین انرژی همه چیز با استفاده از برق تولید شده از باد، خورشید یا سایر منابع پاک است.
اما یک مشکل وجود دارد: برخی چیزها نمی‌توانند به راحتی با برق کار کنند. مانند کارخانه‌های فولاد، کارخانه‌های سیمان و جت‌های مسافربری دوربرد. آن‌ها به یک سوخت پاک نیاز دارند که بتوان آن را ذخیره و سوزاند، گاهی اوقات در دماهای بالا. اینجاست که هیدروژن سبز وارد می‌شود. بسته به اینکه از چه کسی بپرسید، این فناوری بحث‌برانگیز یا قطعه‌ای حیاتی از پازل برای کاهش گازهای گلخانه‌ای است یا یک عامل حواس‌پرتی پرهزینه و بیش از حد تبلیغ‌شده.
دولت‌ها و شرکت‌های سراسر جهان از این چشم‌انداز حمایت کرده‌اند. برای مثال، استرالیا جاه‌طلبی‌هایی برای تبدیل شدن به رهبر جهانی در زمینه هیدروژن تا سال ۲۰۳۰ دارد. اما سرمایه‌گذاران اکنون از پروژه‌ها خارج می‌شوند و این هدف را به طور فزاینده‌ای بعید می‌سازند. آینده هیدروژن سبز در ایالات متحده نیز پس از بودجه پروژه‌های انرژی پاک توسط دولت ترامپ، با عدم اطمینان مواجه است.
مزیت هیدروژن چیست؟
برق را می‌توان برای تأمین انرژی بیشتر چیزها استفاده کرد، اما هنوز برای برخی فرآیندهای صنعتی یک گزینه عملی نیست. تولید فولاد از سنگ آهن یا تولید سیمان به گرمای شدید نیاز دارد – چیزی که برق در تئوری می‌تواند فراهم کند، اما هنوز در مقیاس بزرگ مقرون‌به‌صرفه نیست. به همین ترتیب، هواپیماها و قایق‌ها می‌توانند برای پروازهای کوتاه با برق کار کنند، اما باتری‌هایی که بتوانند سفرهای دوربرد را تأمین کنند، هنوز وجود ندارند. هیدروژن می‌تواند به پاکسازی این بخش‌های دشوار در کاهش آلودگی کمک کند.
هیدروژن با استفاده از انرژی تولید می‌شود و هنگامی که این انرژی از منابع تجدیدپذیر تأمین شود – بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای – به آن هیدروژن "سبز" می‌گویند. سپس می‌توان آن را مستقیماً به عنوان سوخت، برای مثال در کوره‌های صنعتی با دمای بالا، سوزاند. یا می‌توان آن را در پیل سوختی (fuel cell) استفاده کرد که از طریق واکنش الکتروشیمیایی به جای احتراق، برق تولید می‌کند. هواپیماها، کشتی‌های باری و قطارها می‌توانند در تئوری با پیل‌های سوختی همراه با مخازن هیدروژن کار کنند و راهی برای کاهش انتشار گازها بدون توقف‌های طولانی برای شارژ مجدد ارائه دهند.
در حالی که سوخت‌های سبز دیگر مانند سوخت‌های زیستی یا جایگزین‌های مصنوعی در حال ظهور هستند، هیدروژن سبز یکی از معدود گزینه‌های با انتشار صفر است که در مقیاس بزرگ برای این کاربردها به طور جدی در نظر گرفته شده است.
هیدروژن چگونه تولید می‌شود؟
هیدروژن فراوان‌ترین عنصر جهان است، اما معمولاً در ترکیباتی مانند آب یا متان محبوس است. برای استفاده به عنوان سوخت، هیدروژن خالص باید از این مواد استخراج شود.
یک روش رایج، ریفرمینگ متان با بخار است. این روش شامل واکنش متان – معمولاً گاز طبیعی – با بخار بسیار داغ برای تولید هیدروژن و مونوکسید کربن است. این متداول‌ترین روش امروزی است، اما از آنجا که حجم زیادی کربن منتشر می‌کند، برای محیط زیست مناسب تلقی نمی‌شود. نتیجه این فرآیند به عنوان هیدروژن خاکستری شناخته می‌شود، اما اگر انتشار کربن آن جمع‌آوری و ذخیره شود، به عنوان هیدروژن آبی طبقه‌بندی می‌شود.
روش دیگر با آب شروع می‌شود. دستگاهی به نام الکترولایزر (electrolyzer) مولکول‌های آب را با استفاده از برق به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. اگر این برق از منابع تجدیدپذیر مانند باد یا خورشید تأمین شود و بنابراین هیچ گاز گلخانه‌ای منتشر نکند، آنگاه هیدروژن سبز نامیده می‌شود.
همچنین هیدروژن زمین‌شناختی (geological hydrogen) وجود دارد که در حفره‌های زیرزمینی یافت می‌شود، اگرچه تاکنون تنها تعداد انگشت‌شماری از ذخایر بزرگ و متمرکز آن کشف شده است. با این حال، در این بخش برای جستجوی ذخایر قابل توجهی که می‌توانند استخراج شوند – که بسیار ارزان‌تر از استخراج آن از آب یا گاز طبیعی خواهد بود – شتاب در حال افزایش است.
وضعیت صنعت هیدروژن سبز چگونه است؟
تقاضا و استفاده از هیدروژن به عنوان منبع انرژی محدود باقی مانده است. طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی، هیدروژن کم‌انتشار – شامل هر دو نوع سبز و آبی – تنها ۰.۷ درصد از کل مصرف هیدروژن در سال ۲۰۲۳ را تشکیل داده است. در همین حال، ارائه‌دهنده تحقیقات کالاها و فناوری‌های نوآورانه بلومبرگ‌ان‌ای‌اف (BloombergNEF) انتظار دارد که هیدروژن سبز احتمالاً قبل از سال ۲۰۳۰، و حتی در آن زمان فقط در بازارهای منتخب، با جایگزین‌های مبتنی بر سوخت فسیلی مانند هیدروژن خاکستری، از نظر قیمت رقابتی نخواهد شد.
استفاده فعلی در بخش‌هایی متمرکز است که از قبل هیدروژن استفاده می‌کنند، مانند پالایش نفت و تولید کود. استفاده کامل از هیدروژن برای کاربردهای دیگر مانند تولید فولاد یا ترکیب آن در شبکه‌های گاز طبیعی هنوز در مرحله آزمایش یا ابتدایی است.
تعداد انگشت‌شماری از قطارها در سراسر جهان اکنون با هیدروژن کار می‌کنند، از جمله قطاری که در سال ۲۰۱۸ در آلمان راه‌اندازی شد و قطار دیگری در سال ۲۰۲۲ در ژاپن. در همین حال، شرکت فولادسازی سوئدی SSAB با ولوو برای ساخت قطعات خودروی فولادی سبز که با استفاده از هیدروژن تولید می‌شوند، همکاری می‌کند. این شرکت اولین قطعات کامیون خود را در سال ۲۰۲۱ به خودروساز تحویل داد و قصد دارد تا سال ۲۰۲۶ فولاد بدون سوخت فسیلی را در مقیاس تجاری تولید کند. در استرالیا، یک مرکز تولیدی اکنون هیدروژن تجدیدپذیر را در شبکه گاز طبیعی که به حدود ۴۰۰۰ خانه و کسب‌وکار خدمات می‌دهد، ترکیب می‌کند.
در حالی که وسایل نقلیه با پیل سوختی هیدروژنی وجود دارند، آژانس بین‌المللی انرژی تخمین می‌زند که کمتر از ۱۰۰ هزار دستگاه از آن‌ها در جاده‌ها هستند – کسری از ۴۰ میلیون خودروی برقی باتری‌دار در سراسر جهان. پذیرش به دلیل زیرساخت‌های کم سوخت‌گیری، هزینه‌های بالا و بازده انرژی پایین‌تر در مقایسه با باتری‌ها محدود شده است.
در همین حال، هیدروژن تاکنون در چندین پرواز نمایشی برای تأمین انرژی هواپیماها استفاده شده است و صنعت هوانوردی جهانی متعهد شده است که تا سال ۲۰۵۰ به انتشار خالص صفر برسد. اما با به تعویق افتادن برنامه‌های رهبران صنعت مانند ایرباس برای اتخاذ سوخت سبز، استفاده تجاری گسترده احتمالاً سال‌ها فاصله دارد.
چرا استفاده از هیدروژن سبز به جریان اصلی تبدیل نشده است؟
تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ به مقادیر زیادی برق تجدیدپذیر و الکترولایزرهای پرهزینه نیاز دارد و پذیرش آن مستلزم تجهیز مجدد یا جایگزینی تجهیزات توسط کاربر نهایی است – یک کارخانه فولاد نمی‌تواند به سادگی زغال سنگ را با هیدروژن جایگزین کند، و نیروگاه‌های گازی نمی‌توانند بدون ارتقا آن را بسوزانند. این سرمایه‌گذاری اولیه باعث شده بسیاری از توسعه‌دهندگان تردید کنند.
در طول دهه گذشته، هیدروژن سبز پیشرفت‌های فنی واضحی داشته است – الکترولایزرهای مدرن اکنون بزرگ‌تر، کارآمدتر و ارزان‌تر برای تولید هستند، به ویژه در چین. اما تولید همچنان به شدت به یارانه‌ها متکی است و نمی‌تواند با هزینه کمتر استفاده از سوخت‌های فسیلی رقابت کند.
ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل هیدروژن نیز موانع فنی و مالی عمده‌ای باقی مانده‌اند. در دمای عادی، هیدروژن فضای زیادی را اشغال می‌کند، که آن را برای حمل‌ونقل طولانی‌مدت غیرعملی می‌سازد. فشرده‌سازی آن به گاز یا تبدیل آن به مایع برای حمل‌ونقل منطقی‌تر است، اما هر دو فرآیند و روش‌های ذخیره‌سازی پرهزینه، انرژی‌بر و نسبتاً ناکارآمد هستند.
برای ذخیره هیدروژن به صورت گاز، باید آن را فشرده کرده و در مخازن پرفشار نگهداری کرد، که به انرژی قابل توجهی نیاز دارد و خطرات احتراق و نشت را به همراه دارد. برای تبدیل به فرم مایع، هیدروژن به خنک‌سازی شدید نیاز دارد و سپس باید در دماهای بسیار پایین درون مخازن برودتی نگهداری شود تا تبخیر به حداقل برسد. طبق گزارش بلومبرگ‌ان‌ای‌اف، این فرآیند تا ۴۰ درصد از محتوای انرژی اولیه خود را مصرف می‌کند. گزینه‌های دیگری مانند ذخیره سوخت در غارهای نمکی زیرزمینی وجود دارد، اما این تنها در تشکیلات زمین‌شناختی خاصی امکان‌پذیر است و مشکل حمل‌ونقل آن را حل نمی‌کند.
حمل‌ونقل هیدروژن در مسافت‌های طولانی نیز چالش‌هایی دارد. می‌توان آن را از طریق خطوط لوله به روشی مشابه متان حمل کرد، اما نشت می‌تواند رخ دهد و به گازهای گلخانه‌ای کمک کند. خطوط لوله اختصاصی کمیاب هستند – تنها حدود ۵۰۰۰ کیلومتر در سراسر جهان وجود دارد که بیشتر آن‌ها به مراکز صنعتی خدمات می‌دهند – و ساخت خطوط جدید سال‌ها طول خواهد کشید. لوله‌ها همچنین در برابر اثرات شکننده‌کننده هیدروژن بر فلز که می‌تواند باعث ترک‌خوردگی شود، حساس هستند.
حمل‌ونقل آن از طریق کشتی حتی دشوارتر است. هیدروژن حتی در حالت فشرده نیز چگالی انرژی بالایی ندارد، بنابراین برای مقرون‌به‌صرفه بودن باید در حجم‌های بسیار زیاد حمل شود. در فرم مایع، نگهداری آن به اندازه کافی سرد بسیار دشوار است – اولین محموله هیدروژن مایع از استرالیا در سال ۲۰۲۲ دچار شعله‌ور شدن گاز شد. هیدروژن در حال حاضر در فرم‌های چگال‌تر و پایدارتر مانند آمونیاک و متانول حمل می‌شود، اما هر دو بسیار سمی هستند و در صورت نشت، خطرات زیست‌محیطی و ایمنی ایجاد می‌کنند.
آیا کشورها همچنان روی هیدروژن شرط‌بندی بزرگی می‌کنند؟
به گفته نایجل رامبهون، تحلیلگر هیدروژن در شرکت تحقیقات انرژی مستقل Rystad، هیدروژن سبز بیشترین سرمایه‌گذاری و علاقه را در مقایسه با همتایان آلوده‌کننده‌تر خود به دست آورده است. اما سرمایه‌گذاری نیز در حال کاهش است: هزینه‌های جهانی برای هیدروژن پاک در سال ۲۰۲۴ به ۲۴.۳ میلیارد دلار کاهش یافته است.
با این وجود، بیش از ۶۰ کشور تاکنون نقشه‌های راه هیدروژن را منتشر کرده‌اند و طبق گزارش بلومبرگ‌ان‌ای‌اف، دولت‌ها تا مارس ۲۰۲۵ حداقل ۲۷۵ میلیارد دلار برای هیدروژن پاک اختصاص داده‌اند.
اتحادیه اروپا و کشورهای عضو آن با ۱۱۸ میلیارد دلار تعهد شده تا مارس و مکانیسم‌های تامین مالی جدید مانند بانک هیدروژن – یک ابزار سرمایه‌گذاری اروپایی – در حال پیشبرد این حرکت هستند. با این حال، توسعه خطوط لوله کند پیش می‌رود، اهداف تولید برای سال ۲۰۳۰ دست‌نیافتنی باقی مانده‌اند و پروژه‌ها با وجود حمایت دولت رها شده‌اند.
چشم‌انداز در ایالات متحده پس از تصویب لایحه مالیاتی چند تریلیون دلاری توسط دولت ترامپ که بودجه انرژی پاک، از جمله هیدروژن، را کاهش داد، تیره‌تر شده است. بلومبرگ‌ان‌ای‌اف اکنون انتظار دارد تا سال ۲۰۳۰ تنها ۱۵۰ هزار تن ظرفیت سالانه هیدروژن سبز برای یارانه‌ها واجد شرایط باشد – یک کاهش شدید از ۱.۲ میلیون تن پیش‌بینی شده قبلی. این تغییر توسعه‌دهندگان را به لرزه درآورده و شتاب را در آنچه انتظار می‌رفت به یک بازار هیدروژن برتر تبدیل شود، کند کرده است.
در استرالیا، جاه‌طلبی برای تبدیل شدن به یک ابرقدرت هیدروژن سبز با خط لوله پروژه‌ای به ارزش ۲۲۵ میلیارد دلار استرالیا (۱۴۷ میلیارد دلار) – بزرگترین در جهان – شروع به تزلزل کرده است. توسعه‌دهندگان بزرگی مانند BP از پروژه‌ها خارج شده‌اند و خط لوله کشور در حال کوچک شدن است. در حالی که یارانه‌های فدرال همچنان برقرار هستند، بیشتر بودجه به اثبات پایداری تجاری از پیش وابسته است – که در بازار امروز یک درخواست دشوار است.
در مقابل، چین و هند برای تسلط بر تولید هیدروژن کم‌هزینه در حال پیشروی هستند. چین – بزرگترین مصرف‌کننده هیدروژن در جهان – به سرعت در حال افزایش قابلیت‌های تولید و استقرار خود است، با هدف خودکفایی برای بازار داخلی خود. هند اهداف بلندپروازانه‌ای را تحت مأموریت هیدروژن سبز ۲۱ میلیارد دلاری خود تعیین کرده و مشوق‌هایی را برای افزایش تولید داخلی ارائه می‌دهد.
آیا انتظار می‌رود تقاضا برای هیدروژن سبز افزایش یابد؟
هزینه‌های بالا تقاضای جهانی برای هیدروژن سبز را در کوتاه‌مدت پایین نگه داشته است. قیمت کربن برای تشویق به پذیرش هیدروژن پاک یا مشتقات آن مانند آمونیاک، حتی در اتحادیه اروپا، بسیار پایین است. با این حال، انتظار می‌رود تقاضا برای هیدروژن پاک در بلندمدت افزایش یابد.
انتظار می‌رود بازار هیدروژن خاکستری – که سالانه ۹۰ میلیون تن را شامل می‌شود، تقریباً تمام هیدروژن مصرفی امروز – با ارزان‌تر شدن مولکول‌های سبز در طول زمان، کاهش یابد. طبق گزارش مک‌کینزی، تا سال ۲۰۵۰، انتظار می‌رود هیدروژن پاک ۷۳ تا ۱۰۰ درصد از کل تقاضای هیدروژن را تشکیل دهد.
چه چیزی در خطر است؟
اینکه آیا هیدروژن سبز به ستون اصلی سیستم انرژی جهانی تبدیل می‌شود یا به یک راه‌حل فرعی تبدیل می‌شود، به آنچه در چند سال آینده رخ می‌دهد بستگی دارد.
اگر هیدروژن به اندازه کافی ارزان و فراوان شود، پتانسیل پاداش آن عظیم است. هیدروژن می‌تواند به کاهش میلیاردها تن انتشار کربن، تسریع گذار انرژی و تغییر شکل بازارهای سوخت جهانی کمک کند.
اما اگر اقتصاد به اندازه کافی سریع بهبود نیابد، خطر این است که دولت‌ها و شرکت‌ها صدها میلیارد دلار را در راه‌حلی سرمایه‌گذاری کرده باشند که هرگز مقیاس‌پذیر نمی‌شود و تحت وزن تبلیغات خود فرو می‌پاشد.