کمبود زیرساخت و هزینه‌ زیاد؛ چالش‌های توسعه فناوری‌ هیدروژنی و پیل‌ سوختی

به گزارش گروه علمی ایرنا، پیل سوختی وسیله‌ای است که سوخت‌هایی مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می‌کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باتری بوده ولی بر خلاف باتری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد. محققان سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران از مدت‌ها قبل روی توسعه پیل‌های سوختی و توسعه سوخت هیدروژن به عنوان جایگزین سوخت‌های فسیلی کار می‌کنند.

ناهید خندان دانشیار گروه فناوری‌های شیمیایی سبز پژوهشکده صنایع شیمیایی سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران در گفت‌وگویی با روابط عمومی این سازمان ضمن تشریح نقاط مثبت این نوع سوخت‌ها و اقدامات انجام شده تاکنون در سازمان پرداخت. شرح این گفت‌وگو را می‌خوانید.

مهم‌ترین موانع برای توسعه و تجاری‌سازی این فناوری‌ها در ایران چیست؟
یکی از مهمترین چالش‌های توسعه و تجاری سازی فناوری‌های مربوط به تولید هیدروژن و پیل سوختی در ایران، مسائل اقتصادی و فقدان حمایت مالی کافی است. هزینه‌های تولید هیدروژن (خصوصاً به روش تجدیدپذیر) و پیل‌های سوختی به دلیل نیاز به فناوری‌های پیشرفته و مواد گران‌قیمت، مانع از رقابت‌پذیری این فناوری‌ها در بازار شده و کمبود سرمایه‌گذاری و حمایت‌های دولتی برای تحقیق و توسعه در این حوزه نیز، انگیزه برای توسعه فناوری های جدید را کاهش می دهد.

اگرچه در کشور علاقه فزاینده ای به فناوری های هیدروژنی وجود دارد، هنوز شکاف قابل توجهی در تحقیق و توسعه در مقایسه با سایر فناوری های انرژی قدیمی‌تر، دیده می‌شود. این موارد شامل نیاز به پیشرفت در کاتالیست‌ها و مواد اولیه همچنین طراحی مناسب پیل است که به شدت بر کارایی و عمر مفید پیل‌های سوختی اثرگذار است.

افزون بر این، زیر ساخت‌های لازم برای تولید، ذخیره‌سازی و توزیع هیدروژن، یکی از موانع اصلی در راه توسعه این فناوری است. این موضوع شامل نبود ایستگاه‌های سوخت‌گیری مناسب برای خودروهای هیدروژنی نیز می‌شود. آگاهی پایین مصرف‌کنندگان درباره مزایای هیدروژن و پیل‌های سوختی، نیز پذیرش این فناوری‌ در بازار را با مشکل مواجه و نبود تقاضای کافی برای این محصولات، توسعه آنها را محدودتر می‌کند. وجود منابع انرژی سنتی مانند نفت و گاز در ایران، باعث شده به فناوری‌های جدید مانند هیدروژن کمتر توجه شود و نبود مقررات و سیاست‌های مشخص برای حمایت از اقتصاد هیدروژنی، مانع از سرمایه گذاری و کاهش تلاش‌ها برای توسعه آن شده است. این موانع باید با توجه دولت و بخش خصوصی رفع شود.

نانوکاتالیست‌ها برای تولید هیدروژن از متانول و گازهای سنتزی چگونه می‌توانند به بهبود کارایی پیل‌های سوختی کمک کنند؟
تولید هیدروژن از متانول و گاز سنتز به طور کلی در مقایسه با روش‌های سنتی کارآمدتر است. یعنی هیدروژن بیشتری را می توان با انرژی ورودی کمتر تولید کرد که منجر به بازده کلی بهتر سیستم پیل سوختی می شود. همچنین متانول و گاز سنتز نسبتاً ارزان و در مقایسه با سایر منابع هیدروژنی در دسترس است. این امر می تواند هزینه کلی تولید هیدروژن را کاهش دهد و پیل‌های سوختی را از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر کند. فرایند تولید هیدروژن از متانول و گاز سنتز، به راحتی قابلیت افزایش مقیاس دارد و این مقیاس پذیری برای توسعه فناوری پیل سوختی مهم است.

تولید هیدروژن از متانول و گاز سنتز یک فناوری محوری است، این فرایند میتواند با تولید هیدروژن با خلوص بالا، عملکرد پیل های سوختی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. تولید هیدروژن با خلوص بالا خصوصاً در پیل‌های حساس به ناخالصی، کلیدی است. خلوص هیدروژن به طور مستقیم بر واکنش‌های الکتروشیمیایی داخل پیل سوختی تاثیر گذاشته و منجر به بهبود توان خروجی و کاهش هزینه های عملکردی آن می شود. علاوه بر این ادغام فناوری‌های جذب کربن در فرایند تولید متانول میتواند انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با تولید هیدروژن را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد که همسو با سیاست‌های جهانی کربن زدایی از سیستم های انرژی و بهبود کیفیت محیط زیست است.
در نتیجه، فناوری پیرامون تولید هیدروژن از متانول و گاز سنتز نه تنها عملکرد پیل سوختی را از طریق افزایش بازده و خلوص افزایش می‌دهد، بلکه اهداف فراتری شامل تولید انرژی پایدار و با دوام اقتصادی را نیز پوشش می دهد.

آیا سیستم‌های آزمایشگاهی و تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر در آینده نزدیک می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی شوند؟
بله، با توجه به پیشرفت‌های فناوری، صرفه اقتصادی و تقاضای عمومی، فناوری تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر می‌تواند در آینده نزدیک جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. با وجود سرعت تحولات در این زمینه، انرژی‌های تجدیدپذیر مانند باد، آب، خورشید و بیوانرژی، به تدریج جایگزین سوخت‌های فسیلی می‌شوند. در حال حاضر منابع انرژی تجدیدپذیردر مقایسه با سوخت های فسیلی مقرون به صرفه تر شده اند. فناوری هایی مانند انرژی خورشیدی و بادی در حال حاضر اغلب ارزان تر از زغال سنگ و گاز طبیعی هستند و برخی از پروژه های خورشیدی در دنیا، برق را با نصف هزینه سوخت های فسیلی سنتی تولید می کنند. در دنیا انرژی های تجدیدپذیر به سرعت در حال گسترش است؛ طوری‌که در سال‌های اخیر، تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در بسیاری مناطق از رشد سوخت‌های فسیلی پیشی گرفته است. این تغییرات نه تنها به کاهش انتشار گاز کربنی می‌انجامد و خطرهای بهداشتی مرتبط با آلودگی هوا را کمتر می کند، بلکه برای مقابله با تغییرات آب و هوایی کره زمین ضروری است. اراده سیاسی و حمایت عمومی برای گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر رو به افزایش است و به رغم وجود چالش‌هایی در این مسیر، با ادامه پیشرفت فناوری و کاهش هزینه ها، امکان تغییر کامل به سمت انرژی های تجدیدپذیر، نه تنها ممکن است، بلکه در دهه های آینده نیز محتمل به نظر می رسد.

یکی از پروژه‌های در حال انجام تولید دی‌متیل‌اتر (DME) به عنوان سوخت جایگزین است، آیا امکان جایگزینی این سوخت با سوخت‌های فسیلی در حمل و نقل هست؟
دی متیل اتر ظرفیت قابل توجهی برای جایگزینی سوخت های فسیلی در صنعت حمل و نقل، به ویژه به عنوان جایگزین پاک برای سوخت دیزل دارد. خواص و روش های تولید آن، آن را به گزینه ای مناسب برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و بهبود کیفیت هوا تبدیل کرده است. احتراق دی متیل اتر به دلیل ساختار منحصر به فرد آن (فاقد پیوند کربن-کربن )، منجر به انتشار کمتر اکسیدهای نیتروژن (NOx) و ذرات معلق در مقایسه با سوخت دیزل سنتی می شود. عدد ستان بالای آن، باعث می شود راحت تر مشتعل شده و کاملاً بسوزد و راندمان حرارتی بالاتر و عملکرد بهتری در مقایسه با دیزل معمولی داشته باشد. علاوه بر این سازگاری خوبی با زیرساخت‌های موجود دارد.
البته استفاده از دی متیل اتر چالش‌ها و ملاحظاتی نیز دارد که نیازمند تحقیق و توسعه بیشتری است. به عنوان مثال استفاده از آن به جای دیزل تقریباً به دو برابر حجم سوخت برای همان انرژی خروجی نیاز دارد که می تواند برای طراحی خودرو و ذخیره سوخت چالش هایی ایجاد کند.
در مجموع دی متیل اتر یک جایگزین مناسب برای سوخت های فسیلی در بخش حمل و نقل، به ویژه برای کاربردهای سنگین است. مزایای زیست‌محیطی، سازگاری با زیرساخت‌های موجود و پتانسیل تولید انرژی‌های تجدیدپذیر، آن را به گزینه‌ای جذاب برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و انتقال به سمت منابع انرژی پایدارتر در حمل‌ونقل تبدیل می‌کند. تحقیقات و توسعه بیشتر برای رسیدگی به چالش های مرتبط با استفاده از آن و بهینه سازی ادغام آن در سیستم های فعلی مورد نیاز است.