برق در لوله گاز/ اروپایی‌ها باد و نور اضافه‌شان را به شکل هیدروژن در خطوط انتقال گاز ذخیره می‌کنند

این تاسیسات مشتریان جدیدی را تامین خواهد کرد که به انرژی نیاز دارند اما نه به شکل الکتریسیته. همچنین به این ترتیب بخشی از فشار موجود بر شبکه توزیع برق اروپا نیز گرفته خواهد شد که با سهم فزاینده برق تجدیدپذیر دست به گریبان است. بسیاری از شبکه‌های توزیع برق در اروپا به ویژه در آلمان و دانمارک در سالهای اخیر با مشکل اضافه بار در زمان اوج تولید برق تجدیدپذیر مواجه بوده‌اند و با توجه به دشواری ذخیره آن در مواردی حتا مجبور شده‌اند به مصرف‌کنندگان پول بدهند تا برق بیشتری مصرف کنند و از فشار شبکه بکاهند.

برای مثال شنبه ۲۸ اکتبر ۲۰۱۷ توربین‌های بادی آلمان در خلال هوای توفانی آخر هفته آنقدر برق تولید کردند که بهای برق به زیر صفر رسید. به گزارش بلومبرگ در این روز تولید برق از انرژی باد به سقف ۳۹۴۰۳ مگاوات (معادل ۴۰ رآکتور هسته‌ای) رسید و باعث شد بهای برق منفی شود. تولیدکنندگان انرژی در چنین شرایطی برای ایجاد توازن در عرضه و تقاضا یا نیروگاه‌ها را می‌بندند یا مثل این مورد به مصرف‌کنندگان پول می‌دهند تا الکتریسیته اضافی شبکه را مصرف کنند. این شرایط منحصر به آلمان نبود و ظاهرا در آن آخر هفته باد به پرچم اروپا می‌وزید و البته آنها هم برای بهره‌برداری از آن کاملا آماده بودند. انجمن انرژی باد اروپا اعلام کرد انرژی بادی اروپا رکورد جدیدی ثبت کرده است. اروپایی‌ها توانستند در آن روز بیش از ۲۴ درصد از کل مصرف برق این قاره را از انرژی باد تامین کنند.

هیدروژن سبز

تبدیل الکتریسیته پاک به گازهای پرانرژی مانند هیدروژن یا متان در واقع یک ایده قدیمی است که با اوج گرفتن تولید برق تجدیدپذیر دارد دوباره احیا می‌شود. مزیت اصلی چنین فرایندی این است که می‌توان گازها را داخل شبکه‌های توزیع گاز طبیعی ذخیره کرد تا مواقعی را پوشش دهند که وزش باد فروکش می‌کند یا شدت تابش نور خورشید کاهش می‌یابد. علاوه بر این، این گازها می‌توانند به عنوان منبع انرژی متراکم جایگزین سوخت‌های فسیلی در اتومبیل‌ها و مصارف صنعتی شوند. هرچند بسیاری از کارشناسان انرژی در ایالات متحده معتقدند که رویای «برق به گاز» (Power-to-Gas) می‌تواند به شکل بازدارنده‌ای گران تمام شود اما برخی از بزرگ‌ترین شرکت‌های صنعتی اروپایی دارند برای این ایده هزینه می‌کنند.

سازندگان تجهیزات برق در اروپا پیش‌بینی می‌کنند موجی از پروژه‌های تولید هیدروژن تجدیدپذیر مانند پروژه شرکت اورستد در ژانویه آینده به راه افتد. در واقع تا سال آینده تمام توربین‌های گازی این سازندگان مجوز این را خواهند داشت که تا ۲۰ درصد گاز مصرفی‌شان را از هیدروژن تامین کنند که در مقایسه با گاز طبیعی سرشار از متان سریع‌تر می‌سوزد. از سوی دیگر، شرکت‌های توزیع گاز طبیعی نیز اعلام کرده‌اند که از هیدروژن استفاده خواهند کرد تا به کربن‌زدایی مطلق منابع گاز اروپا تا سال ۲۰۵۰ کمک کنند.

داغ شدن ایده تبدیل برق به گاز در اروپا تا حد زیادی ناشی از این حقیقت است که کشورهای اروپایی سیاست‌های سخت‌گیرانه‌تر و جدی‌تری در مورد مسائل اقلیمی دارند. بیشتر ایالت‌های امریکا نیز هدف‌هایی برای پاک کردن دست‌کم بخشی از منابع تامین الکتریسیته‌شان را دارند اما در حال حاضر اندکی بیش از یک‌چهارم انتشار گازهای گلخانه‌ای در امریکا ناشی از نیروگاه‌های گازی و زغال‌سنگی است. در مقابل، کشورهای اروپایی هدف بلندپروازانه‌تری دارند و می‌خواهند تا میانه قرن حاضر میزان انتشار کربن را تا ۸۰ درصد یا بیشتر از آن کاهش دهند، کاهش چشمگیری که نیازمند یک تغییر رویه اساسی به سوی انرژی کم‌کربن در تمام عرصه‌های اقتصادی است.

پاک کردن انرژی از طریق کربن‌زدایی از سوخت‌های فسیلی بسیار پرهزینه است. ایجاد زیرساخت‌های عظیم برای شبکه‌های توزیع جدید، ازجمله خطوط انتقال و باتری‌های بزرگ نیز هزینه بر است. در حال حاضر به نظر می‌رسد ارزان‌ترین راه پیش رو تبدیل برق به گاز باشد. به گفته آرمین اشنتلر (A.Schnettler)، رئیس تحقیقات انرژی و الکترونیک در زیمنس، غول تجهیزات الکتریکی، «به منظور دستیابی به اهداف مورد نظر برای حفاظت از اقلیم، به انرژی تجدیدپذیر بسیار بیشتری نیاز داریم. به نظر می‌رسد هیدروژن سبز یکی از نویدبخش‌ترین راه‌ها برای عملی شدن این گذار انرژی باشد.»

اروپا تا اینجای کار بیش از ۴۵ پروژه برای بهبود فناوری‌های برق به گاز و یکپارچه کردن آنها با شبکه‌های انتقال گاز و توزیع برق موجود اجرا کرده است. تمرکز اصلی این پروه بر ساخت واحدهای الکترولیزی بوده است که بتوانند به شکل بهینه‌تری الکتریسیته را به گاز تبدیل کنند، دوام بیشتری داشته باشند و تولید‌شان ارزان‌تر باشد. یکی دیگر از مهم‌ترین اهداف این پروژه‌ها بالا بردن مقیاس عمل فناوری‌های جدید است. واحدهای اولیه تنها می‌توانستند چند صد کیلووات الکتریسیته را به گاز تبدیل کنند اما سازندگانی مانند زیمنس اکنون دارند تاسیساتی را بنا می‌کنند که می‌توانند از پس تبدیل ۱۰ مگاوات برآیند. بر اساس ارزیابی‌های شرکت مشاور مالی ارنست اند یانگ، هیدروژنی که در چنین تاسیسات عظیمی تولید می‌شود می‌تواند گرمایش ۳۰۰۰ خانه یا سوخت مورد نیاز ۱۰۰ اتوبوس را برای یک سال تامین کند.

در میان انواع فناوری‌هایی که برای تبدیل الکتریسیته به گاز رونمایی شده بیشترین و چشمگیرترین پیشرفت و بهبود متعلق به الکترولیزکننده‌های غشای تبادل پروتون است که عملکردش شبیه پیل‌های سوختی است که در اتومبیل‌های هیدروژنی به کار می‌رود. البته با این تفاوت که طوری بهینه‌سازی شده که به جای مصرف هیدروژن، آن را تولید کند. بر اساس یافته‌های پژوهشی که فوریه ۲۰۱۹ در ژورنال Nature Energy منتشر شد، در خلال یک دهه گذشته قیمت دستگاه‌های الکترولیز تبادل پروتون تقریبا ۴۰ درصد کاهش یافته است.

علاوه بر این، این تجهیزات در مقایسه با واحدهای الکترولیز قلایی قدیمی ۵ برابر جمع‌وجورتر هستند و به لطف این ویژگی‌شان می‌توان از آنها برای تولید هیدروژن در محل‌های نزدیک به مصرف‌کنندگان گاز استفاده کرد. اما شاید مهم‌ترین ویژگی این فناوری جدید این باشد که می‌تواند ظرف چند ثانیه میزان مصرف برقش را تغییر دهد و در واقع به خوبی می‌تواند با افت‌و‌خیزهای رایج و دردسرساز در تولید برق بادی خورشیدی کنار بیاید.

نگاه اروپا به آلمان است

در بسیاری از پروژه‌های آزمایشی اخیر کشورهای اروپایی از تجهیزات «متان‌سازی» (Methanation) نیز استفاده شده که هیدروژن را به متان تبدیل می‌کند. در واقع این متان مصنوعی می‌تواند یک جایگزین قطره‌چکانی برای گاز طبیعی باشد. البته واحدهای الکترولیز اروپایی دارند نشان می‌دهند که برخلاف باور دیرپای مدافعان ایده «برق به گاز» مرحله «متان‌سازی» برای تحقق این رویا چندان حیاتی و ضروری نیست. در واقع عملا بسیاری از واحدهای الکترولیز، هیدروژن تولیدی‌شان را مستقیم وارد خطوط انتقال گاز طبیعی می‌کنند – چیزی که برای شرکت‌های گاز در امریکا ممنوع است – و نکته جالب این است که تزریق مستقیم هیدروژن هیچ اثر نامطلوبی بر زیرساخت‌های گاز یا مصرف‌کنندگان گاز طبیعی ندارد.

تزریق هیدروژن به خطوط انتقال گاز طبیعی در اروپا در مقیاس بزرگ نخستین بار در سال ۲۰۱۳ در آلمان رخ داد که توسط واحد الکترولیز ۲ مگاواتی شرکت E.ON. انجام شد. آلمان از آن زمان تاکنون مقدار هیدروژن مجاز برای تزریق به خطوط انتقال گاز طبیعی را پیوسته افزایش داده و از مقدار اولیه ۲ درصد حجمی به ۱۰ درصد رسانده است. سایر کشورهای اروپایی نیز کم‌وبیش روند مشابهی در پیش گرفتند و مقادیر مجاز مخصوص به خودشان را تعیین کرده‌اند. کریستوفر هبلینگ (C.Hebling)، رئیس فناوری‌های هیدروژن در موسسه سیستم‌های انرژی خورشیدی فرانهوفر، پیش‌بینی می‌کند که به زودی این محدودیت‌ها تا همان سطح ۲۰ درصدی که سازندگان توربین‌های گازی در اروپا انتظا ر دارند افزایش خواهد یافت.

جابجایی هیدروژن و متان تجدیدپذیر از طریق خطول انتقال گاز طبیعی نوید کاهش هزینه در گذار از انرژی فسیلی به انرژی تجدیدپذیر را می‌دهد. برای مثال، در شبکه‌های انتقال گاز مخازن زیرزمینی عظیمی وجود دارد که در دوره‌های افت باد یا کاهش شدت نور خورشید می‌توان از ذخایر آنها برای راه‌انداختن نیروگاه‌های گاز‌سوز تولید برق استفاده کرد. هبلینگ می‌گوید شبکه گاز آلمان به تنهایی می‌تواند ۲۴۰ تراوات-ساعت انرژی ذخیره کند. این مقدار انرژی تقریبا معادل ۲۵ برابر چیزی است که کل شبکه‌های برق جهان در حال حاضر می‌توانند با پمپاژ آب به پشت سدها و مخازن برق‌آبی ذخیره کنند. بر اساس ارزیابی‌های شرکت مشاوره انرژی داچ، تغییر کاربری زیرساخت‌های گاز برای کمک به سیستم برق می‌تواند تا سال ۲۰۵۰ برای مصرف‌کنندگان در اروپا ۱۵۶ میلیارد دلار صرفه‌جویی ایجاد کند.

با وجود تمام این واحدهای آزمایشی و تعهد‌ها، در حال حاضر هیدروژن تجدیدپذیر تنها کسر کوچکی از گاز اروپا را تامین می‌کند. بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی تجدیدپذیر، در عرصه جهانی نیز چیزی در حدود ۴ درصد هیدروژن از طریق الکترولیز تامین می‌شود و عملا بخش عمده این گاز پرطرفدار و پرمصرف از پالایش سوخت‌های فسیلی به دست می‌آید.

با این حال روند تحولات در سال‌های اخیر نشان می‌دهد که فناوری برق به گاز رو به رشد است. بر اساس پژوهشی که فوریه امسال در ژورنال Nature Energy منتشر شد، هیدروژن تجدیدپذیر توانسته در برخی کاربردهای حاشیه‌ای خرج خودش را در بیاورد و بهینه‌سازی‌های بیشتر در واحدهای الکترولیز در ادامه می‌تواند دامنه بازار این محصول پاک را به تدریج گسترش دهد. به گفته گانتر گلنک (G.Glenk)، اقتصاددان دانشگاه فنی مونیخ، «اگر کاهش هزینه‌ها به همین منوالی که در سال‌های اخیر شاهد بودیم تداوم داشته باشد،فناوری برق به گاز طی یک دهه آینده به رقیبی جدی در مقیاس بزرگ تبدیل خواهد شد.»

گلنک معتقد است اگر دولت‌ها درست مانند چیزی که در مورد برق خورشیدی و بادی انجام می‌دهند، برای هیدروژن و متان تجدیدپذیر هم قیمت‌های بالاتری تضمین کنند، فناوری برق به گاز حتا از این هم سریع‌تر می‌تواند رشد کند. تیم کالور (T.Calver)، پژوهشگر ذخیره انرژی و مدیر عامل شرکت مشاوره ارنست اند یانگ در لندن، معتقد است دولت‌های اروپایی باید حمایت‌شان از پروژه‌های برق به گاز و بازارهای مرتبط با آنها را افزایش دهند. به گفته او «تاکنون مقیاس سرمایه‌گذاری در این زمینه با چالش‌هایی که در کربن‌زدایی درازمدت با آن روبه‌رو خواهیم شد و همچنین نقش احتمالی هیدروژن در آینده، متناسب نبوده است.»

Scientific American, Apr.‎ ۲۰۱۹

تعبیر وارونه یک کابوس

«قله نفت» (Peak Oil) نقطه‌ای در زمان است که به حد نهایی آهنگ استخراج نفت خام می‌رسیم و پس از آن وارد سراشیبی نهایی خواهیم شد به این معنی که تولید نفت به طور پیوسته کاهش و قیمتش افزایش می‌یابد. بسیاری از کارشناسان این رویداد را کابوسی می‌دانند که بر بیشتر صنایع مدرن سایه افکنده است، به ویژه آنهایی که به انرژی ارزان‌قیمت معتاد شده‌اند. نخستین بار ماریون هوبرت (M.Hubbert)، زمین‌شناس آزمایشگاه پژوهشی کمپانی نفتی شل، در سال ۱۹۶۲ پیشبینی کرد که سال ۲۰۰۰ با رسیدن به آهنگ استخراج ۵/۱۲ میلیارد بشکه در سال به قله نفت خواهیم رسید.

سپس پیش‌بینی‌اش را اصلاح کرد و گفت سال ۱۹۹۵ به قله نفت می‌رسیم. هوبرت در ۱۹۸۹ درگذشت و نادرستی پیش‌بینی‌هایش را ندید اما ایده هولناک او به حیاتش ادامه داد و با وجود منتقدان فراوان، بازار پیش‌بینی زمان رویداد قله نفت همچنان داغ است و هرازگاهی تاریخ جدیدی برایش اعلام می‌شود. ده، بیست یاسی سال دیگر فرقی نمی‌کند سرانجام روزی فرامی‌رسد که منابع سوخت‌های فسیلی رو به کاهش می‌گذارد و تمام می‌شود یا به قدری گران می‌شود که دیگر مشتری نخواهد داشت.

این دورنمای بحران انرژی در کنار چالش‌های زیست‌محیطی ناشی از انتشار کربن که همین حالا گریبان سیاره‌مان را گرفته بسیاری را به فکر تغییر سیاست‌های انرژی و توجه به منابع تجدیدپذیر انداخته است. گذار از سوخت‌های فسیلی به منابع تجدیدپذیر مثل باد و خورشید ایده جدیدی نیست و جنبش‌های زیست‌محیطی سالهاست شعارش را می‌دهند، شعاری که البته میان سیاست‌مداران و فعالان اقتصادی معمولا خریدار ندارد. اما تحولات سال‌های اخیر در فناوری‌های مرتبط با انرژی‌های نو باعث شد این منابع بتوانند به لحاظ اقتصادی با نفت رقابت کنند.

همین حالا و با فناوری فعلی در بسیاری از نقاط جهان برق تولیدشده در نیروگاه‌های تجدیدپذیر ارزان‌ترین گزینه است. دورنمای تغییرات حکایت از آن دارد که اگر منابع تجدیدپذیر بتوانند در عرصه اقتصادی سوخت‌های فسیلی را شکست دهند گذار به انرژی‌های پاک به طور خودکار رخ خواهد داد حتادر مورد کشورهایی که بر دریایی از منابع فسیلی خوابیده‌اند. ظاهرا می‌شود پیش از تحقق کابوس قله نفت از این خواب آشفته بیدار شد و نفت را برای همیشه فراموش کرد.

کیوان فیض ‏اللهی