سامانه‌ انتقال هیدروژن برای انتقال و ذخیره انرژی الکتریکی

ظرفیت‌های فناورانه-اقتصادی بهره‌گیری از سامانه‌های انتقال هیدروژن برای انتقال و ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی[۱]

با توجه به ضرورت جایگزینی انرژی‌های تجدیدپذیر با سوخت‌های فسیلی، نقش هیدروژن بعنوان ابزار و واسطی برای تولید و انتقال انرژی در کنار انرژی‌های تجدیدپذیری همچون انرژی باد و خورشید روز به روز پررنگ‌تر می‌شود، به نحوی که بر اساس هدف‌گذاری‌های اتحادیه اروپا، ۸ الی ۲۴ درصد انرژی موردنیاز این اتحادیه تا سال ۲۰۵۰ به وسیله هیدروژن تامین خواهد شد. امری که نیازمند توسعه زیرساخت‌های الکترولیزی با ظرفیت حداقل ۴۵ گیگاوات برای تولید حداقل ۱۰ میلیون تن انرژی تا ۳۰ سال آینده خواهد بود. انتقال و بهره‌برداری از این حجم هیدروژن نیاز به توسعه شبکه‌ای وسیع از خطوط لوله دارد که برای این تحقق این امر، یازده شرکت تامین‌کننده زیرساخت‌های انتقال گاز، چشم‌اندازی برای راه‌اندازی خط پشتیبان هیدروژن اروپا[۲] ارائه داده‌اند که بر اساس آن تا سال ۲۰۴۰، اتحادیه اروپا مجهز به شبکه‌ای از خطوط لوله انتقال هیدروژن به طول ۲۳ هزار کیلومتر خواهد بود. همین امر، ضرورت پژوهش‌های کاربردی درباره فناوری سامانه‌ انتقال هیدروژن و توسعه روش‌های انتقال و ذخیره‌سازی برق توسط هیدروژن با رویکرد ارتقا راندمان و همینطور امنیت تامین این عنصر کلیدی را بیش از گذشته می‌سازد.

انتقال برق به روش HIS

سامانه انتقال هیدروژن[۳] (HIS) عنوان روشی جدید برای انتقال برق به فواصل دور است که از عنصر هیدروژن به عنوان ابزار ذخیره‌سازی و انتقال انرژی استفاده می‌کند. در این روش برق تولیدشده از یک منبع انرژی تجدیدپذیر در تاسیسات خاصی که فرآیند الکترولیز را در مقیاس صنعتی انجام می‌دهند، با هدف تولید هیدروژن از آب، مورد استفاده قرار می‌گیرد. هیدروژن حاصل از طریق خطوط لوله‌ای که پیکره اصلی سامانه‌ انتقال هیدروژن را تشکیل می‌دهند به فواصل دور منتقل می‌شود تا بتوان از آن در محل مصرف برای تولید مجدد انرژی الکتریکی به وسیله توربین‌های گازی و یا پیل‌های سوختی استفاده کرد.

گروهی از پژوهشگران دانشکده مهندسی دانشگاه دورهام[۴] در پژوهشی که در سال ۲۰۲۲ در ژورنال Cleaner Production منتشر شده، به ارزیابی میزان رقابت‌پذیری سیستم‌های انتقال انرژی مبتنی بر جریان مستقیم فشار قوی[۵] (HVDC) با سیستم‌های مبتنی بر HIS پرداخته‌اند. این پژوهش با تحلیل دو شاخص فناورانه-اقتصادی هزینه ترازشده انرژی[۶] (LOCE) و هزینه ترازشده ذخیره‌سازی[۷] (LOCS) در سناریوهای مختلف برای سال‌های مختلف آینده، به مقایسه مزیت‌های این دو روش با هم پرداخته‌است.

LOCE و LOCS

هزینه ترازشده انرژی (LOCE) برابر با متوسط هزینه خالص فعلی تولید برق برای یک نیروگاه در طول عمر آن بوده و هزینه ترازشده ذخیره‌سازی(LOCS) نیز معادل متوسط هزینه خالص فعلی ذخیره‌سازی برق در طول عمر یک سیستم با روش ذخیره‌سازی مورداستفاده آن است. محاسبه و مقایسه این دو شاخص برای سناریوهای مختلف پیاده‌سازی و مدیریت سامانه‌های مختلف، می‌تواند ابزار خوبی برای مقایسه صرفه اقتصادی و بازدهی آنها با یکدیگر باشد.

این پژوهش در سناریو‌های مختلف، دو شاخص LOCE و LOCS را برای هر دو فناوری HIS و همینطور HDVC محاسبه و مقایسه کرده‌است. در این سناریوها هزینه تولید برق و انتقال انرژی برای سیستمی با ظرفیت یک گیگاوات با خط انتقالی به طول ۱۰۰ کیلومتر و قطر ۱۲۰ سانتی‌متر و ظرفیت ذخیره‌سازی ۲ گیگاوات ساعت به عنوان مبنای محاسبات در نظر گرفته شده‌است. در تمامی این سناریوها، هزینه‌های احداث زیرساخت‌ها در سه تخمین خوش‌بینانه[۸]، متوسط[۹] و بدبینانه[۱۰] و بر اساس سال تاسیس در ۴ سال مختلف یعنی ۲۰۲۰، ۲۰۲۵، ۲۰۳۰ و ۲۰۵۰ پیش‌بینی شده و در محاسبات اعمال شده‌است.

هزینه‌های تولید و ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی با استفاده از سامانه انتقال هیدروژن

نتایج این پژوهش در مورد سامانه‌ انتقال هیدروژن، نشان‌دهنده حساس بودن هزینه HIS نسبت به هزینه تولید برق ورودی به سیستم و همینطور راندمان فرآیندهای تولید هیدروژن با برق و تولید برق با هیدروژن است. کمپرسور خط لوله، سهمی کمتر از دو درصد در مجموع هزینه‌های سرمایه‌ای سیستم دارند که نشانگر تاثیرگذاری اندک بهره‌گیری از سیستم‌های بدون کمپرسور یا کوتاه کردن خطوط لوله در افزایش صرفه اقتصادی این سیستم‌ها است. بیشترین تاثیر در کاهش هزینه‌های HIS، با بهره‌گیری از توربین‌های گاز در انتهای خطوط لوله در تاسیساتی قابل حصول است که طی سال ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰ احداث می‌شوند و در سال ۲۰۵۰ و با پیل‌های سوختی مجهز به مبدل‌های جریان مستقیم به جریان متناوب جایگزین می‌شوند.

برآیند تحلیل تمام سناریوهای مورد بررسی، خبر از آینده‌ای نویدبخش برای بهره‌گیری از فناوری‌های HIS در فرآیند انتقال و ذخیره‌سازی انرژی در جهان می‌دهند که علاوه بر داشتن مزیت جدی کاستن از هزینه‌های تولید، هزینه‌های ذخیره انرژی را نیز تا حد زیادی کاهش داده و به مرور بر فناوری HVDC برتری خواهد یافت.

نمودارهای زیر، بخشی از نتایج این پژوهش را برای هر دو شاخص فناورانه-اقتصادی LCOE و LCOS مورد بحث به نمایش گذاشته و به مقایسه این دو فناوری بر اساس سال تاسیس و پیش بینی‌های خوش‌بینانه، بدبینانه و متوسط از هزینه‌های تاسیس پرداخته‌است.