نقش الکترولایزرها در کاهش CO₂ و فرآیند تولید گاز سنتز در صنایع پتروشیمی

مقدمه

با رشد صنایع و نیاز به انرژی پاک، تکنولوژی‌هایی که بتوانند تولید انرژی و مواد شیمیایی را با کمترین میزان آلایندگی فراهم کنند، بیش از هر زمان دیگری اهمیت یافته‌اند. در این میان، الکترولایزرها به عنوان یکی از فناوری‌های کلیدی، نقش مهمی در ایجاد و گسترش فرایندهای صنعتی ایفا می‌کنند. این دستگاه‌ها با استفاده از جریان الکتریکی، واکنش‌های شیمیایی را انجام می‌دهند و به‌ویژه در فرایندهای تولید گاز سنتز و حذف دی‌اکسید کربن (CO₂) از جو، نقش بسزایی دارند.

گاز سنتز به‌عنوان یکی از پایه‌های مهم در تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد و از سوی دیگر، حذف CO₂ به کاهش اثرات مخرب تغییرات اقلیمی کمک می‌کند. در این مقاله به طور جامع به بررسی فناوری الکترولایزرها، فرایندهای تولید گاز سنتز، حذف CO₂ و نقش آن‌ها در صنایع پرداخته خواهد شد.

فناوری الکترولایزرها

فناوری الکترولایزرها به دلیل قابلیت‌های گسترده در تولید مواد شیمیایی پاک، تولید انرژی، و حذف آلاینده‌ها به یک جزء حیاتی در صنایع مختلف تبدیل شده است. برای درک بهتر این فناوری، باید به جزئیات عملکرد، انواع مختلف آن، و نوآوری‌های اخیر که استفاده صنعتی از الکترولایزرها را تقویت کرده‌اند، بپردازیم.

اصول عملکرد الکترولایزرها

الکترولایزرها دستگاه‌هایی هستند که با استفاده از انرژی الکتریکی واکنش‌های شیمیایی را هدایت می‌کنند. فرآیند الکترولیز زمانی اتفاق می‌افتد که جریان الکتریکی از طریق یک الکترولیت (که می‌تواند مایع یا جامد باشد) عبور داده شود. این الکترولیت می‌تواند شامل مواد مختلفی باشد که توانایی هدایت یون‌ها را دارند. در الکترولایزرها، دو الکترود (کاتد و آند) وجود دارند که واکنش‌های شیمیایی در سطح آن‌ها انجام می‌شود.

در هر الکترولیز دو نوع واکنش اصلی اتفاق می‌افتد:

• واکنش اکسایش: که در آند (الکترود مثبت) رخ می‌دهد و شامل از دست دادن الکترون‌ها توسط مولکول‌ها است.
• واکنش کاهش: که در کاتد (الکترود منفی) رخ می‌دهد و شامل دریافت الکترون‌ها توسط مولکول‌ها است.

این واکنش‌ها در ترکیب با یکدیگر، مولکول‌های اولیه را به اجزای سازنده آن‌ها تجزیه می‌کنند. به عنوان مثال، در الکترولیز آب، مولکول‌های آب (H₂O) به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند.​

انواع الکترولایزرها

الکترولایزرها بر اساس نوع الکترولیت و شرایط عملیاتی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند که هر یک کاربردها و مزایای خاص خود را در صنایع مختلف دارند:

الف) الکترولایزرهای قلیایی (Alkaline Electrolyzers)

این نوع الکترولایزرها یکی از قدیمی‌ترین و پراستفاده‌ترین فناوری‌ها در تولید هیدروژن است. در این الکترولایزرها از محلول‌های قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) یا هیدروکسید پتاسیم (KOH) به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. مزایای اصلی الکترولایزرهای قلیایی عبارتند از:

• کارایی بالا: به دلیل ساختار ساده و واکنش‌های شیمیایی پایدار، این نوع الکترولایزرها بازده بالایی در تولید هیدروژن دارند.
• دوام بالا: الکترودهای مورد استفاده در این سیستم‌ها معمولاً از فلزات مقاوم به خوردگی هستند و در نتیجه طول عمر بالایی دارند.

معایب اصلی این الکترولایزرها:

• نیاز به فشار بالا برای تولید هیدروژن با حجم بیشتر
• نسبت به سایر تکنولوژی‌های جدیدتر، شروع کندتر

ب) الکترولایزرهای غشای تبادل پروتون (PEM)

در الکترولایزرهای غشای تبادل پروتون (PEM) از یک غشای پلیمری برای هدایت یون‌های هیدروژن (پروتون‌ها) استفاده می‌شود. این غشا به عنوان یک الکترولیت جامد عمل کرده و پروتون‌ها را از کاتد به آند منتقل می‌کند. مزایای این نوع الکترولایزر عبارتند از:

• کارایی بالا: به دلیل غشای پروتون‌رسان، بازده الکتروشیمیایی در این الکترولایزر بسیار بالاست.
• زمان پاسخ سریع: الکترولایزرهای PEM توانایی شروع سریع‌تری نسبت به الکترولایزرهای قلیایی دارند و این ویژگی در کاربردهای صنعتی بسیار مفید است.
• طراحی فشرده: به دلیل طراحی فشرده و فشار عملیاتی بالا، این نوع الکترولایزرها در کاربردهای نوین مانند خودروهای هیدروژنی بسیار استفاده می‌شوند.

با این حال، معایب این تکنولوژی شامل هزینه بالای غشاهای پروتونی و نیاز به استفاده از فلزات گران‌بها به عنوان کاتالیست است.

ج) الکترولایزرهای اکسید جامد (SOEC)

الکترولایزرهای اکسید جامد نوعی الکترولایزر با الکترولیت جامد هستند که در دماهای بالا (بیش از 700 درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند. در این نوع، یون‌های اکسیژن (O²⁻) از طریق الکترولیت جامد عبور می‌کنند. مزایای این فناوری شامل:

• بهره‌وری بسیار بالا: به دلیل کارکرد در دماهای بالا، این نوع الکترولایزر می‌تواند مستقیماً از گرمای تلف شده در فرایندهای صنعتی برای تأمین بخشی از انرژی لازم استفاده کند.
• تولید همزمان گرما و برق: این ویژگی SOEC را به گزینه‌ای عالی برای ترکیب با نیروگاه‌های تولید همزمان گرما و برق (CHP) تبدیل می‌کند.

چالش‌های اصلی این فناوری شامل دمای عملیاتی بسیار بالا و نیاز به مواد مقاوم به حرارت بالا برای اجزای الکترولایزر است.

نوآوری‌ها و پیشرفت‌های اخیر

در سال‌های اخیر، با توجه به نیازهای صنعتی و الزامات محیط‌زیستی، تلاش‌های زیادی برای بهبود فناوری الکترولایزرها صورت گرفته است. برخی از این نوآوری‌ها شامل:

الف) الکتروکاتالیست‌های پیشرفته

یکی از چالش‌های اصلی در الکترولایزرها، افزایش کارایی کاتالیست‌های استفاده شده در این فرایندهاست. کاتالیست‌ها موادی هستند که سرعت واکنش‌های الکتروشیمیایی را افزایش می‌دهند. در الکترولایزرهای PEM، از فلزات گران‌بها مانند پلاتین به عنوان کاتالیست استفاده می‌شود، اما هزینه بالای این فلزات یک چالش اقتصادی بزرگ است.

پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهد که استفاده از نانومواد کاتالیستی و ترکیبات فلزی جایگزین می‌تواند به بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌های تولید هیدروژن کمک کند. این کاتالیست‌ها به دلیل داشتن سطح بیشتر و واکنش‌پذیری بالاتر، بهره‌وری واکنش‌های الکترولیزی را افزایش می‌دهند.

ب) استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر

یکی از مهم‌ترین نوآوری‌ها در حوزه الکترولایزرها، اتصال آن‌ها به منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر انرژی خورشیدی و بادی است. این روش به تولید هیدروژن سبز کمک می‌کند که بدون استفاده از سوخت‌های فسیلی تولید شده و کاملاً با محیط‌زیست سازگار است. این هیدروژن می‌تواند در صنایع مختلف برای تولید گاز سنتز، سوخت‌های پاک، و حذف آلاینده‌ها استفاده شود.

ج) الکترولیز فشار بالا

یکی دیگر از پیشرفت‌های صنعتی، توسعه الکترولایزرهایی است که در فشارهای بالا کار می‌کنند. این الکترولایزرها می‌توانند هیدروژن فشرده‌تری تولید کنند که برای کاربردهای صنعتی مانند ذخیره‌سازی هیدروژن و انتقال آن بسیار مفید است. تولید هیدروژن در فشار بالا به کاهش هزینه‌های فشرده‌سازی و ذخیره‌سازی کمک می‌کند.

آینده فناوری الکترولایزرها در صنعت

با توجه به نیاز روزافزون به انرژی‌های پاک و راه‌حل‌های زیست‌محیطی، انتظار می‌رود که الکترولایزرها نقشی محوری در آینده صنایع ایفا کنند. از تولید هیدروژن سبز گرفته تا حذف CO₂، این فناوری می‌تواند به طور مستقیم به کاهش اثرات تغییرات اقلیمی کمک کند و زیرساخت‌های انرژی پاک را تقویت کند.

برنامه‌های آینده در این حوزه شامل بهینه‌سازی هزینه‌ها، افزایش بهره‌وری و توسعه الکترولایزرهای پیشرفته‌تر برای کاربردهای صنعتی گسترده‌تر است.

الکترولایزرها در تولید گاز سنتز

الکترولایزرها در صنایع شیمیایی و انرژی، به‌ویژه در فرایندهای تولید گاز سنتز و حذف CO₂، اهمیت ویژه‌ای دارند. در سال‌های اخیر، تمرکز بر کاهش کربن و بهینه‌سازی انرژی سبب شده است تا الکترولایزرها به‌عنوان یکی از فناوری‌های کلیدی در دنیای انرژی پاک و پایدار شناخته شوند. گاز سنتز، که ترکیبی از هیدروژن و کربن مونواکسید است، برای تولید مواد شیمیایی و سوخت‌های صنعتی، از جمله متانول، هیدروکربن‌های مایع و آمونیاک، به‌کار می‌رود.

تولید هیدروژن: نقش الکترولایزرها در هیدروژن سبز

هیدروژن یکی از مهم‌ترین اجزای گاز سنتز و یکی از ارکان کلیدی در فرایندهای تبدیل کربن است. با استفاده از الکترولایزرها، هیدروژن از طریق تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن تولید می‌شود. فرایند الکترولیز آب (H₂O) به‌ویژه با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند خورشیدی یا بادی، منجر به تولید هیدروژن سبز بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود.

در فناوری‌های رایج برای تولید هیدروژن، دو نوع الکترولایزر قلیایی و PEM (Proton Exchange Membrane) بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. الکترولایزرهای قلیایی با استفاده از الکترولیت‌های قلیایی و دمای عملیاتی متوسط کار می‌کنند و نسبت به PEM ارزان‌تر و قابل‌اعتمادتر هستند. با این حال، PEM ها که از غشاهای مبادله پروتون استفاده می‌کنند، به دلیل چگالی جریان بالاتر و واکنش‌های سریع‌تر، برای کاربردهای با مقیاس کوچک‌تر اما با نیاز به دینامیک بالا، مناسب‌تر هستند.

به‌کارگیری هیدروژن تولیدشده از الکترولیز به‌ویژه در صنایع سنگین مانند فولادسازی و تولید آمونیاک از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از هیدروژن سبز در این صنایع، پتانسیل قابل توجهی در کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی و حذف CO₂ از چرخه تولید دارد. افزون بر این، پروژه‌های مختلفی در سطح جهانی، از جمله پروژه‌های مبتنی بر تولید هیدروژن در مناطق با انرژی تجدیدپذیر زیاد مانند شمال آفریقا و خاورمیانه، بر بستر الکترولیز آب در حال توسعه هستند که در صورت تحقق، تغییرات چشم‌گیری در چشم‌انداز جهانی هیدروژن ایجاد خواهند کرد.

استفاده از CO₂ به عنوان منبع کربن برای تولید گاز سنتز

در بسیاری از فرایندهای شیمیایی سنتی، CO₂ به‌عنوان محصولی زائد و آلاینده در اتمسفر رها می‌شود. با این حال، استفاده از CO₂ به‌عنوان منبعی برای تولید کربن مونواکسید (CO) به‌جای سوزاندن سوخت‌های فسیلی، می‌تواند راهکار مناسبی برای تولید مواد شیمیایی و سوخت‌های پاک باشد. الکترولایزرهای CO₂ که می‌توانند CO₂ را به CO و اکسیژن تجزیه کنند، این پتانسیل را دارند که نه‌تنها از انتشار CO₂ به اتمسفر جلوگیری کنند، بلکه آن را به محصولی مفید و ارزشمند تبدیل نمایند.

فرایند الکترولیز CO₂ معمولاً در دو حالت اسیدی و قلیایی انجام می‌شود. در روش اسیدی، از غشاهای مبتنی بر مبادله پروتون برای انتقال یون‌های H⁺ از کاتد به آند استفاده می‌شود که در آن CO₂ بر روی سطح کاتالیست کاهش می‌یابد. در مقابل، در روش قلیایی، CO₂ در محیط قلیایی با یون‌های OH⁻ واکنش داده و به CO و آب تجزیه می‌شود. کاتالیست‌های به‌کار رفته در این فرایند نقش بسیار مهمی در افزایش بازدهی و انتخاب‌پذیری CO دارند. به‌عنوان مثال، استفاده از نانوذرات طلا و نقره، بازدهی تولید CO را تا حد قابل‌توجهی افزایش داده است.

در سطح صنعتی، استفاده از الکترولایزرهای CO₂ می‌تواند به کاهش وابستگی به منابع فسیلی و همچنین کمک به تحقق اقتصاد چرخشی کربن کمک کند. پروژه‌های بسیاری در سطح جهانی، به‌ویژه در کشورهای پیشرفته، در حال توسعه این فناوری هستند. این پروژه‌ها معمولاً با هدف کاهش انتشار CO₂ و همزمان تولید مواد شیمیایی ارزشمند از CO₂ صنعتی انجام می‌شوند.

ترکیب الکترولایزرها با فرایندهای تولید گاز سنتز: بهینه‌سازی تولید و کاهش هزینه‌ها

یکی از ایده‌های نوین و پیشرو در حوزه تولید گاز سنتز، ترکیب فناوری الکترولیز آب و CO₂ برای تولید مخلوطی از هیدروژن و CO به‌صورت مستقیم است. این رویکرد می‌تواند جایگزین روش‌های سنتی مانند ریفرمینگ بخار آب (Steam Methane Reforming) و فرایندهای مشابه شود که اغلب با انتشار زیاد CO₂ و استفاده از منابع فسیلی همراه هستند.

در این روش‌های ترکیبی، الکترولایزرها با قابلیت تولید هم‌زمان H₂ و CO می‌توانند از منابع ارزان‌تر و تجدیدپذیر مانند آب و CO₂ صنعتی برای تولید گاز سنتز استفاده کنند. این فرایندها که تحت عنوان “الکترولیز دوگانه” نیز شناخته می‌شوند، نیاز به مبدل‌های حرارتی پرهزینه و پیچیده را از بین برده و از نظر هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی بهبود قابل‌توجهی ایجاد می‌کنند.

از دیگر مزایای این روش، کنترل دقیق نسبت H₂ به CO است که می‌تواند بر اساس نیازهای فرایندی به‌صورت بهینه تنظیم شود. برای مثال، در تولید متانول نسبت H₂ به CO باید به طور خاص تنظیم شود تا بازدهی فرایند افزایش یابد. استفاده از الکترولایزرها در این روش‌ها، امکان تغییر سریع نسبت‌ها و انعطاف‌پذیری بیشتری در شرایط عملیاتی فراهم می‌آورد که در مقایسه با روش‌های سنتی مزیت بزرگی محسوب می‌شود.

چالش‌ها و فرصت‌ها: توسعه و پیشرفت فناوری الکترولیز

اگرچه الکترولایزرها به‌عنوان فناوری‌های کلیدی در آینده انرژی و صنایع شیمیایی شناخته می‌شوند، هنوز چالش‌های متعددی در مسیر به‌کارگیری گسترده این فناوری‌ها وجود دارد. از جمله این چالش‌ها می‌توان به هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری اولیه برای نصب و راه‌اندازی واحدهای الکترولیز و همچنین هزینه‌های عملیاتی مربوط به تولید برق از منابع تجدیدپذیر اشاره کرد.

یکی دیگر از چالش‌ها، نیاز به توسعه کاتالیست‌های پایدارتر و ارزان‌تر است. در حال حاضر، کاتالیست‌های مبتنی بر فلزات گرانبها مانند پلاتین و پالادیوم در بسیاری از الکترولایزرها به‌کار می‌روند که این امر هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. تحقیقات در زمینه کاتالیست‌های جایگزین مانند نانوذرات کربنی، مواد مبتنی بر آهن و کبالت، و همچنین توسعه سیستم‌های غشایی جدید، می‌تواند این چالش‌ها را تا حد زیادی برطرف سازد.

در نهایت، یکی از بزرگ‌ترین فرصت‌ها برای گسترش استفاده از الکترولایزرها، کاهش هزینه‌های تولید برق تجدیدپذیر و بهبود تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی انرژی است. با کاهش هزینه‌های انرژی بادی و خورشیدی و توسعه باتری‌های پیشرفته، امکان تولید هیدروژن و گاز سنتز با هزینه کمتر و به شیوه‌ای پایدار فراهم می‌شود.

حذف دی‌اکسید کربن (CO₂) با استفاده از الکترولایزرها

حذف و بازیافت CO₂ از محیط زیست و استفاده مجدد از آن به‌عنوان خوراک برای تولید مواد شیمیایی و سوخت‌ها، به یکی از مسائل اصلی در صنعت شیمیایی و انرژی تبدیل شده است. الکترولایزرهای CO₂ این پتانسیل را دارند که نه تنها به حذف CO₂ از محیط کمک کنند، بلکه آن را به مواد ارزشمند صنعتی تبدیل نمایند.

فرایند الکترولیز CO₂: اصول و مکانیسم‌ها

در فرایند الکترولیز CO₂، از برق برای تجزیه مولکول‌های CO₂ به CO و اکسیژن استفاده می‌شود. این فرایند شامل واکنش‌های الکتروشیمیایی در سطح کاتد و آند است. در کاتد، CO₂ با دریافت الکترون (کاهش الکتروشیمیایی) به CO تبدیل می‌شود. این واکنش به کاتالیست‌های کارآمد نیاز دارد که انتخاب‌پذیری بالایی نسبت به تولید CO داشته باشند.

از آنجایی که فرایند کاهش CO₂ در کاتد به انرژی بالایی نیاز دارد، انتخاب کاتالیست مناسب برای بهینه‌سازی انرژی و افزایش بازدهی فرایند بسیار حائز اهمیت است. یکی از چالش‌های بزرگ این فرایند، کاهش ولتاژ موردنیاز برای فعال‌سازی واکنش است. کاتالیست‌های مبتنی بر فلزات گرانبها مانند طلا و نقره تاکنون بیشترین بازدهی را نشان داده‌اند، اما هزینه‌های بالای آن‌ها چالشی برای استفاده تجاری است. در تحقیقات اخیر، نانوذرات مس و مواد آلی معدنی نیز به‌عنوان کاتالیست‌های جایگزین پیشنهاد شده‌اند که می‌توانند هزینه‌ها را کاهش دهند و بازدهی مناسبی داشته باشند.

در آند، واکنش اکسیداسیون آب به اکسیژن رخ می‌دهد که همراه با تولید پروتون و الکترون است. این واکنش به تولید الکتریسیته نیز کمک می‌کند، و در برخی از طراحی‌های نوین، استفاده از الکترودهای پیشرفته و پوشش‌های حفاظتی برای افزایش طول عمر آندها به‌کار گرفته می‌شود. ترکیب این فرایند با فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی می‌تواند به استفاده بهینه از برق تولیدشده از منابع تجدیدپذیر کمک کند.

کاربردهای الکترولایزرهای CO₂ در صنعت: تولید سوخت‌های پاک و مواد شیمیایی

یکی از مهم‌ترین کاربردهای الکترولایزرهای CO₂، تولید سوخت‌های پاک مانند متانول، دی‌متیل‌اتر (DME)، و سایر هیدروکربن‌ها است. CO تولیدشده از طریق الکترولیز CO₂ می‌تواند مستقیماً به‌عنوان خوراک در فرایندهای تولید سوخت‌های سنتزی به‌کار رود. به‌عنوان مثال، CO و هیدروژن تولیدشده از الکترولایزرها می‌توانند در فرایند سنتز فیشر-تروپش برای تولید سوخت‌های مایع مورد استفاده قرار گیرند. این سوخت‌ها علاوه بر آنکه می‌توانند به‌عنوان جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی به‌کار روند، دارای خلوص بالاتری نیز هستند و انتشار آلاینده‌های مضر را به حداقل می‌رسانند.

متانول نیز به‌عنوان یکی از مهم‌ترین مواد شیمیایی پایه در صنعت، کاربردهای گسترده‌ای دارد. این ماده به‌طور معمول از طریق ریفرمینگ گاز طبیعی تولید می‌شود که با انتشار CO₂ همراه است. با این حال، تولید متانول از CO₂ الکترولیز شده می‌تواند به کاهش انتشار دی‌اکسید کربن کمک کند. از آنجایی که متانول خود می‌تواند به‌عنوان سوخت پاک نیز استفاده شود، اهمیت آن در صنایع انرژی و حمل‌ونقل روزبه‌روز در حال افزایش است.

تکنولوژی‌های نوین در الکترولایزرهای CO₂: بهینه‌سازی فرایند و افزایش مقیاس تولید

توسعه الکترولایزرهای CO₂ در مقیاس صنعتی به چالش‌های متعددی از جمله پایداری کاتالیست‌ها، هزینه‌های تولید برق، و کاهش هزینه‌های عملیاتی وابسته است. یکی از رویکردهای جدید در این زمینه، استفاده از الکترولایزرهای جریان بالا (High-Current-Density Electrolyzers) است که می‌توانند در مقیاس بزرگ‌تری CO را تولید کنند. این الکترولایزرها معمولاً با غشاهای مبادله یونی و کاتالیست‌های نانوذره‌ای پیشرفته کار می‌کنند و چگالی جریان بیشتری در هر واحد سطح تولید می‌کنند که به افزایش راندمان تولید کمک می‌کند.

علاوه بر این، توسعه سیستم‌های هیبریدی که همزمان با الکترولیز CO₂، فرایندهایی مانند فتوسنتز مصنوعی را ترکیب می‌کنند، از دیگر نوآوری‌های اخیر است. در این سیستم‌ها، نور خورشید به‌عنوان منبع انرژی مستقیم برای الکترولیز استفاده می‌شود که نیاز به منابع برق خارجی را کاهش می‌دهد. این فناوری‌ها به‌ویژه در کشورهایی با منابع تجدیدپذیر زیاد مانند استرالیا و جنوب اروپا در حال بررسی و توسعه هستند.

چالش‌ها و فرصت‌های آینده: توسعه پایدار و مقیاس‌پذیری

با وجود پتانسیل‌های عظیم فناوری الکترولایزرهای CO₂، چالش‌هایی مانند کاهش هزینه‌های کاتالیست‌ها و مواد موردنیاز، افزایش طول عمر سیستم‌ها، و یکپارچه‌سازی با شبکه‌های برق تجدیدپذیر همچنان نیازمند تحقیقات و توسعه بیشتر است. به‌کارگیری این فناوری‌ها در مقیاس صنعتی نیاز به کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش بهره‌وری دارد.

یکی از چالش‌های مهم در آینده، ترکیب سیستم‌های الکترولایزر CO₂ با فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی است. از آنجا که تولید برق از منابع تجدیدپذیر ممکن است متناوب باشد (به‌ویژه در نیروگاه‌های بادی و خورشیدی)، توسعه سیستم‌هایی که بتوانند انرژی مازاد را ذخیره کرده و در زمان نیاز برای الکترولیز CO₂ استفاده کنند، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. باتری‌های پیشرفته لیتیوم-یون و سیستم‌های ذخیره‌سازی هیدروژن در این زمینه نقش کلیدی ایفا خواهند کرد.

کاربرد الکترولایزرها در صنایع سنگین و پتروشیمی

پروژه “HyNet” در انگلستان

HyNet یک پروژه بزرگ تولید هیدروژن با استفاده از الکترولیز در مقیاس صنعتی است که در انگلستان اجرایی شده است. در این پروژه از الکترولایزرهای الکتریکی برای تولید هیدروژن پاک استفاده می‌شود. این هیدروژن سپس در صنایع سنگین مانند فولادسازی و پالایشگاه‌ها به‌کار گرفته می‌شود تا به جای سوخت‌های فسیلی به عنوان منبع انرژی استفاده شود. این پروژه نه‌تنها به کاهش انتشار CO₂ کمک می‌کند، بلکه به عنوان یک گام کلیدی در مسیر دستیابی به کاهش گازهای گلخانه‌ای در صنایع سنگین انگلستان تلقی می‌شود.

پروژه “Refhyne” در پالایشگاه Shell در آلمان

در پالایشگاه Shell واقع در راینلند، یکی از بزرگ‌ترین الکترولایزرهای صنعتی جهان به نام پروژه “Refhyne” نصب شده است. این سیستم با ظرفیت ۱۰ مگاوات به‌طور مداوم هیدروژن تولید می‌کند که به عنوان خوراک در فرآیندهای پالایشگاهی استفاده می‌شود. هدف این پروژه کاهش مصرف گاز طبیعی در فرآیندهای هیدروژن‌سازی سنتی و کاهش انتشار CO₂ است. Refhyne به‌عنوان یک نمونه موفق از کاربرد الکترولایزرها در فرآیندهای پالایشگاهی و شیمیایی شناخته می‌شود.

پروژه “H2Future” در فولادسازی Voestalpine اتریش

یکی از بزرگ‌ترین و پیشرفته‌ترین پروژه‌های الکترولیز هیدروژن در جهان، پروژه H2Future در کارخانه فولادسازی Voestalpine در اتریش است. در این پروژه از الکترولایزرهای با ظرفیت بالا برای تولید هیدروژن سبز استفاده می‌شود که در فرآیند تولید فولاد برای کاهش سنگ آهن و تولید فولاد بدون انتشار CO₂ به‌کار می‌رود. این پروژه نشان می‌دهد که چگونه الکترولایزرها می‌توانند فرآیندهای تولید فولاد را که به شدت به سوخت‌های فسیلی وابسته است، به سمت کاهش کربن سوق دهند.

پروژه “Sunfire” در آلمان: تبدیل CO₂ به سوخت

Sunfire یک شرکت پیشرو در زمینه تبدیل CO₂ به سوخت‌های تجدیدپذیر با استفاده از الکترولیز است. این شرکت با استفاده از الکترولایزرهای اکسید جامد (SOE)، CO₂ و آب را به هیدروژن و کربن مونوکسید تبدیل می‌کند. سپس این مواد به سوخت‌های مایع مانند نفت سفید یا دیزل تبدیل می‌شوند که در هواپیماها و خودروها قابل استفاده هستند. این پروژه توانسته است با استفاده از برق تجدیدپذیر، به تولید سوخت‌های سنتزی پاک بپردازد و به‌عنوان نمونه‌ای موفق از کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی در صنعت حمل‌ونقل شناخته شود.

کارخانه آمونیاک سبز Yara در نروژ

شرکت Yara، یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان کود شیمیایی جهان، در نروژ از فناوری الکترولایزر برای تولید هیدروژن سبز استفاده می‌کند که در فرآیند تولید آمونیاک به کار گرفته می‌شود. در فرآیندهای سنتی تولید آمونیاک، از گاز طبیعی برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود که باعث انتشار زیادی از CO₂ می‌شود. اما در این پروژه جدید، الکترولیز آب به‌عنوان جایگزینی پاک برای تولید هیدروژن به‌کار رفته است و به شکل چشمگیری انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش داده است.

پروژه “Gigastack” در بریتانیا

Gigastack پروژه‌ای است که به منظور تولید هیدروژن سبز با استفاده از انرژی باد دریایی و الکترولایزرهای بزرگ مقیاس طراحی شده است. این پروژه با ظرفیت چند گیگاواتی، قصد دارد هیدروژن سبز را به صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی، و تولید برق تزریق کند. این پروژه می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی به کاهش کربن‌زدایی صنایع سنگین و پتروشیمی در بریتانیا کمک کند و به عنوان یکی از مهم‌ترین گام‌ها در انتقال به سمت اقتصاد هیدروژنی شناخته می‌شود.

شرکت Air Liquide در کانادا

Air Liquide، یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان گازهای صنعتی، پروژه‌ای در کبک کانادا راه‌اندازی کرده که از بزرگ‌ترین الکترولایزرها برای تولید هیدروژن سبز استفاده می‌کند. این هیدروژن به‌عنوان سوخت پاک برای وسایل نقلیه هیدروژنی و همچنین برای کاربردهای صنعتی به کار گرفته می‌شود. این پروژه به توسعه زیرساخت‌های هیدروژنی در کانادا و کاهش انتشار CO₂ در بخش‌های مختلف کمک می‌کند.

نتیجه‌گیری

تکنولوژی الکترولیز CO₂ به‌عنوان یک راهکار نوآورانه و پایدار برای مدیریت و کاهش انتشار دی‌اکسید کربن در صنایع مختلف به‌شمار می‌رود. این فناوری نه‌تنها به تولید سوخت‌های پاک و مواد شیمیایی ارزشمند کمک می‌کند، بلکه می‌تواند به‌عنوان ابزاری مؤثر در تلاش‌های جهانی برای مقابله با تغییرات اقلیمی و کاهش اثرات منفی گازهای گلخانه‌ای به‌کار رود.

با توجه به چالش‌های کنونی، مانند هزینه‌های بالای کاتالیست‌ها و نیاز به بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها، توسعه بیشتر فناوری‌های الکترولیز CO₂ ضروری است. سرمایه‌گذاری در تحقیقات علمی و فناوری‌های نوین، به‌ویژه در زمینه کاتالیست‌های جدید و سیستم‌های هیبریدی، می‌تواند به افزایش کارایی و مقیاس‌پذیری این فناوری کمک کند.

علاوه بر این، ترکیب الکترولیز CO₂ با منابع انرژی تجدیدپذیر و فناوری‌های ذخیره‌سازی می‌تواند به شکل‌گیری یک اکوسیستم انرژی پایدار و کارآمد منجر شود. از این رو، باید به توسعه زیرساخت‌ها و سیاست‌های حمایتی توجه ویژه‌ای داشت تا بتوان از پتانسیل‌های این فناوری در آینده بهره‌برداری کرد. در نهایت، الکترولیز CO₂ می‌تواند به‌عنوان یکی از کلیدی‌ترین ابزارها در مسیر دستیابی به اهداف توسعه پایدار و حفظ محیط‌زیست در قرن آینده مطرح شود.