شکاف شدت کربن میان ریفرمینگ با بخار آب، الکترولیز و پیرولیز متان

برقی‌سازی یک خودروی سواری، انتشار آلاینده‌های آن را از اگزوز به نیروگاه منتقل می‌کند، اما ردپای کربن کلی آن، فارغ از ترکیب شبکه برق محلی، به طور قابل‌اطمینانی کاهش می‌یابد. تولید هیدروژن چنین تضمینی ندارد. هنگامی که این مولکول از آب یا گاز طبیعی جدا می‌شود، شدت انرژی فرآیند به قدری بالاست که انتخاب روش تولید نادرست می‌تواند انتشار آلاینده‌ها را نسبت به سوخت‌های فسیلی که قرار است جایگزینشان شود، دو برابر کند؛ موضوعی که زنجیره تأمین را به مهم‌ترین متغیر در اقتصاد هیدروژن تبدیل می‌کند.

فراوان‌ترین عنصر کیهان به ندرت به شکل خالص روی زمین یافت می‌شود. این عنصر در آب با اکسیژن و در هیدروکربن‌ها با کربن پیوند خورده است، به این معنی که پیش از سوختن یا استفاده در پیل سوختی باید استخراج شود. این استخراج نیازمند ورودی عظیم انرژی است و شدت کربنِ این ورودی تعیین می‌کند که آیا هیدروژنِ به‌دست‌آمده به عنوان یک راهکار اقلیمی عمل می‌کند یا یک منبع پنهان انتشار آلاینده‌ها. درک این پویایی مستلزم آن است که فراتر از محصول نهایی، به فرآیندهای صنعتیِ جداسازی آن نگاه کنیم.

روش غالب صنعتی، ریفرمینگ متان با بخار آب (SMR) است که در حال حاضر بخش اعظم تولید جهانی را به خود اختصاص داده است. در این فرآیند، گاز طبیعی در حضور کاتالیزور نیکل و تحت فشار، در معرض بخار آب با دمای بالا (معمولاً بین ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد. این واکنش اتم‌های هیدروژن را از متان (CH4) و آب (H2O) جدا کرده و مونوکسید کربن و دی‌اکسید کربن را به عنوان محصولات جانبی بر جای می‌گذارد. از آنجا که این روش بر یک خوراک سوخت فسیلی ارزان و موجود متکی است، SMR همچنان به عنوان خط پایه‌ای عمل می‌کند که سایر روش‌ها با آن سنجیده می‌شوند.[2]

از آنجا که کربن اکسید شده و مستقیماً در جو رها می‌شود، SMR سنتی هزینه اقلیمی سنگینی به همراه دارد. آژانس بین‌المللی انرژی محاسبه کرده است که SMR بدون مهار، به ازای هر کیلوگرم هیدروژن تولیدی، بین ۹ تا ۱۲ کیلوگرم معادل دی‌اکسید کربن منتشر می‌کند. هنگامی که این مسیر در مقیاس وسیع برای پالایش نفت، تولید آمونیاک و صنایع شیمیایی به کار گرفته می‌شود، سالانه حدود ۹۰۰ میلیون تن دی‌اکسید کربن در سراسر جهان تولید می‌کند که معادل مجموع انتشار گازهای گلخانه‌ای بریتانیا و اندونزی است.[5]

برای کاهش این پیامد، تولیدکنندگان تجهیزات جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) را به واحدهای ریفرمینگ متصل می‌کنند و آنچه را که صنعت «هیدروژن آبی» می‌نامد، به وجود می‌آورند. هدف از این پیکربندی، به دام انداختن تا ۹۰ درصد از دی‌اکسید کربن پیش از ورود به جو است. با این حال، ارزیابی‌های چرخه حیات نشان می‌دهد که نرخ واقعی جذب در تأسیسات عملیاتی اغلب نزدیک به ۶۰ درصد است. علاوه بر این، انرژی اضافی مورد نیاز برای راه‌اندازی کمپرسورهای جذب، مقدار گاز طبیعی مصرفی به ازای هر واحد هیدروژن را اندکی افزایش می‌دهد و یک بارِ انگلی ایجاد می‌کند که بازدهی کلی تأسیسات را محدود می‌سازد.[4]

الکترولیز یک مسیر شیمیایی کاملاً متفاوت ارائه می‌دهد که به طور کامل از خوراک‌های سوخت فسیلی اجتناب می‌کند. به جای شکستن هیدروکربن‌ها، یک دستگاه الکترولایزر جریان مستقیم برق را از آب عبور داده و مولکول‌های H2O را به گازهای خالص هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. از آنجا که این فرآیند تنها از آب و برق استفاده می‌کند، هیچ‌گونه انتشار مستقیم کربن در سطح تأسیسات ندارد و همین امر آن را به محور اصلی اکثر استراتژی‌های ملی کربن‌زدایی و فناوری ترجیحی برای کاربردهای آینده صنایع سنگین تبدیل کرده است.[1]

نقطه ضعف الکترولیز تماماً در مصرف عظیم برق آن نهفته است. تجزیه آب به شدت انرژی‌بر است و برای تولید تنها یک کیلوگرم هیدروژن به حدود ۵۰ تا ۵۵ کیلووات ساعت برق نیاز دارد. اگر این برق از شبکه‌ای متکی به سوخت‌های فسیلی تأمین شود، انتشار آلاینده‌ها در بخش بالادستی بسیار شدید خواهد بود. یک تحلیل تطبیقی منتشر شده در سال ۲۰۲۳ نشان داد که الکترولیز متصل به شبکه می‌تواند بین ۲۰ تا ۲۴ کیلوگرم معادل دی‌اکسید کربن به ازای هر کیلوگرم هیدروژن منتشر کند؛ یعنی تقریباً دو برابر ردپای کربن ریفرمینگ متان با بخار آب بدون مهار.[2]

در نتیجه، الکترولیز تنها زمانی منافع اقلیمی به همراه دارد که توسط منابع تولید برق کم‌کربنِ اختصاصی تغذیه شود. هنگامی که این روش مستقیماً با انرژی بادی، خورشیدی یا هسته‌ای جفت شود، انتشار آلاینده‌ها در چرخه حیات به کمتر از ۱ کیلوگرم معادل دی‌اکسید کربن به ازای هر کیلوگرم هیدروژن کاهش می‌یابد و وعده واقعی هیدروژن سبز محقق می‌شود. چالش ساختاری، توسعه این ظرفیت تجدیدپذیر با سرعتی است که بتواند الکترولایزرهای صنعتی را تغذیه کند، بدون آنکه برق پاکِ مورد نیاز برای کربن‌زدایی از شبکه گسترده‌تر برق را ببلعد؛ تنشی که بر برنامه‌ریزی انرژی در اروپا و آمریکای شمالی سایه افکنده است.[7]

مسیر سوم، یعنی پیرولیز متان، تلاش می‌کند تا حد فاصلی میان نیاز کم به انرژی در گاز طبیعی و پروفایل بدون آلایندگی انرژی‌های تجدیدپذیر ایجاد کند. در یک راکتور پیرولیز، گاز طبیعی در محیطی بدون اکسیژن، اغلب با استفاده از فلز مذاب یا کاتالیزور پلاسما، تا حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند. این گرمای شدید مولکول‌های متان را از هم می‌شکند و گاز هیدروژن و کربن جامد تولید می‌کند. از آنجا که اکسیژنی وجود ندارد، کربن نمی‌تواند دی‌اکسید کربن تشکیل دهد و این امر پروفایل انتشار آلاینده‌های خوراک گاز طبیعی را به طور بنیادین تغییر می‌دهد.[3]

از آنجا که کربن به جای پیوند با اکسیژن به صورت جامد ته‌نشین می‌شود، پیرولیز نیازی به تجهیزات جذب کربن یا خطوط لوله ذخیره‌سازی زمین‌شناختی ندارد. مرکز سیاست‌گذاری دوحزبی (Bipartisan Policy Center) خاطرنشان می‌کند که این فرآیند تنها به یک‌هشتم برق مورد نیاز برای الکترولیز آب نیاز دارد؛ موضوعی که تأمین کامل انرژی آن از طریق منابع تجدیدپذیر را در عین استفاده از زیرساخت‌های موجود گاز طبیعی، بسیار آسان‌تر می‌کند. این مانع انرژی پایین‌تر، پیرولیز را به یک فناوری واسط جذاب برای مناطقی با منابع فراوان گاز طبیعی اما ظرفیت محدود تجدیدپذیر تبدیل می‌کند.[6]

محصول جانبی کربن جامد که اغلب به شکل دوده صنعتی یا گرافیت مصنوعی به دست می‌آید، می‌تواند برای استفاده در تایرها، باتری‌ها و مصالح ساختمانی به فروش برسد. اگر کربن به طور دائم در این محصولات محبوس شود، این فرآیند به یک پروفایل انتشار بسیار مطلوب دست می‌یابد. با این حال، اگر با افزایش مقیاس تولید، بازار کربن جامد اشباع شود، تولیدکنندگان باید روش‌های دفع ایمنی بیابند تا از اکسید شدن نهایی این ماده جلوگیری کنند؛ چالشی لجستیکی که در حجم‌های تجاری تا حد زیادی آزمایش‌نشده باقی مانده است.[3]

در تمامی مسیرهای مبتنی بر گاز طبیعی (هم SMR و هم پیرولیز)، شدت کربن چرخه حیات به شدت نسبت به انتشار فرار در بالادست حساس است. متان یک گاز گلخانه‌ای قدرتمند است و نشت آن در طول استخراج، فرآوری و حمل‌ونقل می‌تواند به راحتی منافع اقلیمی تولید هیدروژن در پایین‌دست را از بین ببرد. مدل‌های چرخه حیات نشان می‌دهند که نرخ نشت متانِ بیش از ۱.۵ درصد در سراسر زنجیره تأمین، هیدروژنِ به‌دست‌آمده از گاز طبیعی را نسبت به سوزاندن مستقیم گاز، برای اقلیم مخرب‌تر می‌سازد؛ مسئله‌ای که فشار عظیمی بر تولیدکنندگان برای پایش و عایق‌بندی زیرساخت‌هایشان وارد می‌کند.[4]

این پروفایل‌های متفاوت کربن، در حال تغییر بنیادینِ نحوه تخصیص یارانه دولت‌ها به این صنعت هستند. چارچوب‌های نظارتی جدیدتر به جای تکیه بر یک طبقه‌بندی رنگیِ خشک (خاکستری برای SMR، آبی برای SMR با CCS، سبز برای الکترولیز و فیروزه‌ای برای پیرولیز)، اعتبارات مالیاتی را مستقیماً با شدت کربن چرخه حیات مرتبط می‌کنند. این تغییر سیاست، تولیدکنندگان را وادار می‌کند تا کل زنجیره تأمین خود را، از نشت متان در بالادستِ چاه گرفته تا شدت کربنِ ساعتیِ منبع تأمین برق خود، محاسبه کنند و به جای فناوری‌های خاص، به کاهش واقعی انتشار آلاینده‌ها پاداش می‌دهد.[7]

گذار از هیدروژن مبتنی بر سوخت‌های فسیلی به جایگزین‌های کم‌کربن، کاملاً به این حسابرسی دقیق انتشار آلاینده‌ها بستگی دارد. تا زمانی که برق تجدیدپذیر به اندازه کافی فراوان شود که بتواند ناوگان‌های عظیم الکترولایزر را به طور پیوسته راه‌اندازی کند، صنعت باید هزینه‌های سرمایه‌ای بالای جذب کربن را در برابر وعده نوظهور اما توسعه‌نیافته پیرولیز متوازن سازد. نقطه عطف قابل‌راستی‌آزماییِ بعدی برای این بخش، استقرار تجاری الکترولایزرهای در مقیاس گیگاوات و انتشار داده‌های واقعی (و نه مدل‌سازی‌شده) از انتشار ساعتی آلاینده‌های آن‌ها خواهد بود.