گرما، امید و هیدروژن

استفاده از برق برای انجام کارهایی که این روزها با سوخت‌های فسیلی انجام می‌شود به این معنی است که نیازمند تولید بیشتر برق هستیم. اگر تمام خودروهای موجود درجاده‌های آمریکا برقی بودند و مردم آمریکا از همان زمانی که امروزه خودروی بنزینی سوار می‌شوند، خودروی برقی سوار می‌شدند، برق مصرفی این کشور تا 28 درصد بالاتر از مقدار کنونی بود. کلاووس اشمیت، از مرکز مشاوره آرتور دی لیتل، می‌گوید اگر تنها دو سایت از بزرگ‌ترین سایت‌های صنعتی آلمان- مجتمع لودویشافن که باسف، غول مواد شیمی، آن را اداره می‌کند و نیروگاه دیسبورگ که متعلق به غول فولادی تیسن‌کروپ است- با برق و نه با هیدروکربن‌ها سوخت‌رسانی می‌شدند، مصرف برق کل کشور تا 15 درصد افزایش می‌یافت. این ارقام برای کشورهای در حال توسعه که ظرفیت کافی برای تامین تقاضای برق خود را ندارند ارقامی ترسناک هستند. اما برای کشورهایی چون آمریکا، آلمان و ژاپن که ظرفیت‌های تولید برق آنها قابل دستیابی است و شبکه‌هایی دارند پیشرفته، چندان رعب‌آور نیست. اما به هر حال حتی برای همین کشورها هم چالش بزرگی هستند. هنوز هم بر سر تصمیم‌گیری درباره اینکه برقی‌سازی مستقیم و برقی‌سازی غیرمستقیم با هیدروژن سبز به‌ چه معنی است، اختلافاتی وجود دارد.

هزینه تولید هیدروژن از انرژی‌های تجدیدپذیر بالاست. اما این هزینه‌ها در حال کاهش هستند. هزینه‌های رو به کاهش انرژی‌های تجدیدپذیر با بهبود تکنولوژی تولید هیدروژن- به ویژه در بخش هیدرولیز که مولکول‌های آب را برای تولید اکسیژن و هیدروژن از هم جدا می‌کند- در کنار هم تقویت شده است. الکترولیز هم در بخش‌های ابتکارات جدید و هم از نظر اقتصادی درحال بالغ شدن است. باور بر این است که این تکنولوژی از نظر کاهش هزینه همان راهی را خواهد رفت که منحنی هزینه برای سلول‌های خورشیدی و باتری‌ها طی کرد. اِما چمپیون از بلومبرگ ان‌ایی‌اف، که یک شرکت تحقیقاتی است، معتقد است که تا انتهای این دهه هیدروژن سبز با هیدروژن حاصل از سوخت‌های فسیلی از نظر هزینه قابل رقابت خواهد بود حتی اگر هیدروژن حاصل از سوخت‌های فسیلی بدون سیستم‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن تولید شود.

و این روند ادامه دارد. وینود خوسلا، یک فعال اقتصادی که علاقه طولانی‌مدتی هم به کار درباره تغییرات اقلیم دارد، پیش‌بینی می‌کند تجدیدپذیرهای ارزان، به تولید هیدروژن ارزان ختم خواهد شد که خود باعث خواهد شد بازار این سوخت پاک شکوفا شود. او می‌گوید «اگر این روند آغاز شود، تا سال 2040 نیاز ما به برق تا صدها درصد از میزان پیش‌بینی‌های فعلی‌مان بیشتر خواهد شد، و همین امر انرژی خورشیدی را ارزان هم خواهد کرد». البته چنین هیدروژنی به معنی جایگزین نظیر به نظیر گاز طبیعی در تمامی کاربردهای آن نخواهد بود. در توربین‌های با دمای بالا این روند منطقی است. در بویلرهای شهری اما نه. تبدیل یک بویلر گاز سوز به هیدروژن‌سوز از خیلی جهات عالی است و کمتر مخرب خواهد بود. اما استفاده از برق برای تولید کافی هیدروژن برای احتراق در یک بویلر، بسیار کم‌بهره‌ورتر از استفاده از آن در روشن‌کردن یک لامپ حرارتی است. پمپ‌های حرارتی برقی همان دستگاه‌های تهویه مطبوع هوا هستند که به‌صورت معکوس کار می‌کنند. انرژی که این دستگاه‌ها استفاده می‌کنند چیزی را به صورت مستقیم گرم نمی‌کند. درعوض، گرما را از جایی به جایی دیگر انتقال می‌دهند و گرمای در حال حرکت می‌تواند از تولید آن بسیار کارآمدتر عمل کند. یک پمپ حرارتی که خانه‌ای را گرم می‌کند از حرارت زمین زیر آن استفاده می‌کند و قادر است 400 وات حرارت از 100 وات برق مصرفی تولید کند.

بازسازی منازل برای تجهیز آنها به پمپ حرارتی می‌تواند هزینه‌بر و سخت باشد و نیازمند نیروی کاری است که در این مقیاس احتمالا در دسترس نخواهد بود. اما باز هم معقول‌تر از احتراق هیدرژن به نظر می‌رسد، فرایندی که معمولا انرژی کمتری نسبت به فرایند تولید هیدروژن نیاز دارد. برای فضاهای مسکونی، ادارات و فرایندهای صنعتی، به حرارت با «گرید کمتری» نیاز دارید، به این معنی که درجه حرارت کمتر از درجه حرارت جوش آب است. در این حالت به نظر می‌رسد پمپ‌های حرارتی موفق عمل می‌کنند.

این البته نامعقول است. در سناریویی که برای محدود سازی گرمایش جهانی به کمتر از 1.5 درجه سانتی‌گراد نسبت به سطح دما در دوران پیشاصنعتی که آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر (IRENA)، زیرمجموعه سازمان ملل متحد برای انرژی‌های تجدیدپذیر، آن را ارئه کرده است، تعداد پمپ‌های حرارتی صنعتی در سال 2030 باید از کمتر از یک میلیون پمپ سال 2019 به 35 میلیون و تا سال 2050 به 80 میلیون دستگاه برسد. در ساختمان‌ها این رقم از 53 میلیون دستگاه سال 2019 به 142 میلیون دستگاه در 2030 و 290 میلیون دستگاه در 2050 برسد. برای دماهای بسیار بالا، بالاتر از 500 درجه سانتی‌گراد، احتمالا این هیدروژن است که میدان‌داری خواهد کرد. یکی از دلایلی که صنایع شیمیایی و فولاد در بند مصرف سوخت‌های فسیلی هستند این است که این صنایع هم از شیمی این سوخت‌ها استفاده می‌کنند- یعنی آنچه که باعث واکنش کربن و هیدروژن می‌شود- و هم از انرژی ذخیره شده در آن. تولید آهن از سنگ آهن و بعد فولاد از آهن نیازمند مواد شیمیایی و نیز حرارت است و صنایع فولاد به این دو دلیل با رشد خود بیشتر به سوخت‌های فسیلی وابسته شدند.

در کارخانه‌ای در تولدو در کلیولند اوهایو، که بزرگ‌ترین تامین کننده صنایع خودروسازی آمریکاست، از گاز طبیعی برای جداسازی اکسیژن از سنگ آهن استفاده می‌شود و به این ترتیب با احیای مستقیم آهن، بریکت درست می‌شود (DRI). هیدروژن چنین عملیاتی را خیلی بهتر می‌تواند انجام دهد. لورنزو گانکالوز، رئیس شرکت، می‌گوید که جایگزینی 30 درصد گاز طبیعی با هیدروژن در صورت داشتن منبع قابل اعتماد هیدروژن آسان است و اما برای بقیه 70 درصد باید اصلاحاتی صورت گیرد و در این صورت سالانه یک میلیون تن از میزان انتشارات کاسته می‌شود. استفاده انحصاری از هیدروژن شاید سخت باشد اما ساخت چنین کارخانجاتی امکان‌پذیر است.

DRI تولیدی در تولدو هنوز هم در کوره‌های زغال‌سنگ سوز مصرف می‌شود. اما از این هیدروژن می‌توان در کوره‌های برقی (EAFS) استفاده کرد که با استفاده از برق آهن را ذوب می‌کند. از سویی برای تبدیل آهن به فولاد به کربن نیاز است اما حرارت تولیدی توسط سوخت‌های فسیلی نیاز نیست. در سناریوی انتشارات صفر خالص که توسط آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) منتشر شده است تا سال 2050 حدود دو سوم از تولید اولیه فولاد در کشورهای صنعتی پیشرو تولید فولاد با استفاده از مسیر DRI-EAF انجام خواهد شد. شرکت هندی فولاد تاتا سال گذشته گفته بود که از این رویکرد برای تولید فولاد سبز در یک کارخانه بزرگ در هلند بهره خواهد برد. برای اینکه رویکردی چندوجهی و یکپارچه به زیرساخت‌های انرژی داشته باشیم که اقدامات اقلیمی آن را ضروری می‌شمارند و تکنولوژی آن را امکان‌پذیر می‌سازد، به برلین بازمی‌گردیم. روچروست، یکی از بزرگ‌ترین ژنراتورهای شبکه 50هزتری، در یک نیروگاه بزرگ زغال‌سنگی است که شرکت سوئدی واتن‌فال آن را اداره می‌کند. این شرکت امیدوار است تا سال 2030 بتواند با گاز طبیعی کار کند و آماده تولید هیدروژن باشد. سیستم‌های گرمایشی مجزا که به آب گرم نیاز دارند هم با پمپ‌های حرارتی در حال تقویت هستند. همچنین آب گرم به صورت فلاسک بسیار بزرگی که گنجایش 56 هزار تن آب را با دمای چند درجه کمتر از دمای آب جوش دارد، برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده خواهد شد. آینده تمامی این مسیرهایی که در این گزارش به آنها اشاره شد بر این متکی است که پیشتر چه اتفاقی افتاده است. تمام آنچه که گفته شد تا حدی آرمان‌گرایانه به نظر می‌رسد، تصوراتی فنی از مهندسی خوب. اما این راه‌حل‌ها وابسته هستند به یکپارچه‌سازی تکنولوژی‌های قدیمی و جدید برای کنترل جریان بسیار عظیم برق. و این کاری است که در حال انجام است.