تولید هیدروژن سبز در بریندیزی: آینده‌ای پاک با باد و خورشید تا ۲۰۵۰

این یادداشت، خلاصه‌ای جامع از مقاله پژوهشی با عنوان “تولید هیدروژن از منابع انرژی تجدیدپذیر: مطالعه موردی” نوشته جیانپیرو کولانجلو، جیانلوجی اسپیرتو، مارکو میلانزه و آرتورو ده ریسی (منتشر شده در مجله Energy Conversion and Management در سال ۲۰۲۴) است. این مقاله بر روی امکان‌سنجی تولید هیدروژن سبز از منابع بادی و خورشیدی در استان بریندیزی، منطقه آپولیا، ایتالیا تمرکز دارد و جنبه‌های فنی (مانند تحلیل منابع انرژی، انتخاب فناوری‌ها و الکترولیزر)، اقتصادی (شامل هزینه‌ها، قیمت فروش هیدروژن و تأثیر اقتصاد مقیاس) و زیست‌محیطی (مانند مصرف زمین و کاهش انتشار CO₂) را بررسی می‌کند. هدف مقاله، ارزیابی پایداری این رویکرد به عنوان جایگزینی برای تولید هیدروژن مبتنی بر سوخت‌های فسیلی است. برای دسترسی به متن کامل مقاله و جزئیات دقیق‌تر، می‌توانید به لینک اصلی مقاله مراجعه کنید. 

مقدمه

مقاله با تأکید بر افزایش تقاضای جهانی هیدروژن (۹۴.۳ میلیون تن در سال ۲۰۲۱، با رشد ۵ درصدی نسبت به ۲۰۲۰) آغاز می‌شود. بخش عمده این تقاضا (۹۳ درصد) از صنایع پتروشیمی و شیمیایی تأمین می‌شود، اما پیش‌بینی می‌شود که هیدروژن در بخش‌های حمل‌ونقل (مانند خودروهای پیل سوختی FCEV) و برق (مانند سوخت توربین‌های گاز) نقش بیشتری ایفا کند. نویسندگان چالش‌های موجود مانند پیچیدگی زیرساخت‌ها و رقابت با فناوری‌های الکتریکی را برجسته می‌کنند و بر نیاز به تولید هیدروژن سبز از منابع انرژی تجدیدپذیر (RER) تأکید دارند تا وابستگی به سوخت‌های فسیلی کاهش یابد. مطالعه موردی بر اساس داده‌های اقلیمی استان بریندیزی تمرکز دارد، جایی که منابع بادی و خورشیدی فراوان هستند (۴۹.۷ درصد برق تجدیدپذیر از باد و ۳۶.۶ درصد از خورشید). مقاله جنبه‌های نوآورانه مانند تحلیل مصرف زمین تا سال ۲۰۵۰ و تأثیر اقتصاد مقیاس را بررسی می‌کند و پیشنهاد می‌کند که هیدروژن سبز می‌تواند به اهداف گذار انرژی ایتالیا کمک کند.

تحلیل منبع خورشیدی

نویسندگان داده‌های تابش خورشیدی (GHI) استان بریندیزی را از ENEA (۱۵۹۷.۳ kWh/m² سالانه، رتبه ۴۳ در ایتالیا) تحلیل می‌کنند. مدل ناهمسانگرد هی برای محاسبه تابش روی سطوح شیب‌دار (Gα) استفاده می‌شود، که شامل تابش مستقیم، پراکنده و بازتابی است. معادلات کلیدی مانند Gα = GA · RA + Gd · [RA · (GA / Go) + ۰.۵ · (۱ – GA / Go) · (۱ + cos α)] برای تخمین جریان نور (Il) و توان حداکثر (Pmp) به کار می‌رود. فناوری سیلیکون مونوکریستال انتخاب شده است، زیرا بازدهی بالاتری نسبت به پلی‌کریستال دارد (مقاومت داخلی پایین‌تر و تبدیل فوتون بهتر). ماژول SunPower SPR-X21-345 با توان ۳۴۵ وات، بازدهی ۲۱.۲ درصد و ضریب دمایی -۰.۳ درصد/درجه سانتی‌گراد برای نیروگاه‌های ۵۰ و ۱۰۰ مگاواتی استفاده می‌شود. مساحت مورد نیاز برای PV ۵۰ مگاواتی حدود ۹۳ هکتار تخمین زده می‌شود، که نشان‌دهنده نیاز به بهینه‌سازی برای کاهش مصرف زمین است. این بخش تأکید دارد که خورشید منبع پایداری برای تولید هیدروژن است، اما نوسانات روزانه نیاز به ذخیره‌سازی یا هیبریدسازی با باد دارد.

تحلیل منبع بادی

برای منبع بادی، از مدل WEST (Wind Energy Study Territory) استفاده می‌شود که چگالی توان باد را حدود ۳۹۴ W/m² در ارتفاع ۱۰۰ متر تخمین می‌زند. کمپین اندازه‌گیری یک‌ساله سرعت باد متوسط ۵.۶۸ m/s را نشان می‌دهد (کلاس IEC II). توزیع ویبل دوپارامتری (f(v) = (k/c) · (v/c)^{k-1} · e^{-(v/c)^k}) با k=۱.۴۰۱۸ و c=۳.۸۷۲ برای پیش‌بینی سرعت و توان استفاده می‌شود. سرعت در هاب توربین (vhub) با در نظر گرفتن زبری زمین (z0) محاسبه می‌شود. توربین Vestas V90-1.8 با توان نامی ۱.۸ مگاوات، ارتفاع هاب ۸۰ متر و قطر روتور ۹۰ متر انتخاب شده است. چگالی توان باد (PWPD = (۱/۲) ρ c³ Γ(۱ + ۳/k)) و بازدهی کلی (ηArfoil · ηele · ηInv) برای محاسبه توان الکتریکی به کار می‌رود. مساحت مورد نیاز برای مزرعه ۵۰ مگاواتی حدود ۳۵۳ هکتار است، اما نویسندگان تأکید دارند که باد نسبت به خورشید زمین کمتری مصرف می‌کند. ضریب ظرفیت باد (۲۸.۲ درصد) بالاتر از PV (۱۴.۴ درصد) است، که منجر به تولید انرژی بیشتر می‌شود.

امکان‌سنجی فنی پروژه

سیستم پیشنهادی شامل نیروگاه PV، مزرعه بادی، الکترولیزر و کمپرسور است. هیدروژن تولیدشده می‌تواند مستقیماً به خطوط لوله (با مخلوط تا ۱۰ درصد با متان طبق استاندارد ASME B31.12) یا برای استفاده در توربین‌های گاز ارسال شود. نویسندگان انواع الکترولیزرها را مقایسه می‌کنند: AWE (بازدهی ۶۰ درصد، دما ۴۰-۹۰ درجه سانتی‌گراد)، PEM (پاسخ سریع به نوسانات، اما گران)، SOE (بازدهی تا ۱۰۰ درصد، اما ناپایدار در دماهای بالا) و AEM (ارزان‌تر از PEM). AWE به دلیل بلوغ و سازگاری با RER انتخاب می‌شود. منحنی ولتاژ-چگالی جریان (Vcell = ENernst + Vact + Vohm + Vcon) و بازدهی (ηele = HHV H₂ / CE) محاسبه می‌شود. برای مقیاس‌پذیری، سناریوهای ۱۰۰ و ۲۰۰ مگاواتی بررسی می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که هیبرید باد-خورشید نوسانات را کاهش می‌دهد و تولید هیدروژن را پایدار می‌کند، با تمرکز بر کاهش شکنندگی هیدروژنی در لوله‌ها.

مصرف زمین و نتایج زیست‌محیطی

یکی از جنبه‌های کلیدی مقاله، تحلیل مصرف زمین تا ۲۰۵۰ با نرم‌افزار LEAP است. در ایتالیا، GSE مصرف زمین PV را ۱۸.۶ m²/kW تخمین می‌زند، در حالی که باد نیاز به فاصله ۵۰۰ متری بین توربین‌ها دارد (معادله کیپ: Areq = π (hhub + ρ)²). مدل نشان می‌دهد که از ۲۰۱۸ تا ۲۰۵۰، ۱.۲ میلیون هکتار زمین روستایی از دست می‌رود (عمدتاً به دلیل شهری‌سازی و RER). در آپولیا، ۶۰,۰۰۰ هکتار کشاورزی کاهش می‌یابد، با سهم PV بیشتر از باد به دلیل مقررات سخت‌تر برای باد. ISPRA تأیید می‌کند که از ۲۰۰۶ تا ۲۰۲۱، ۵,۴۰۰ هکتار برای PV از دست رفته است. مقاله پیشنهاد می‌کند که برای کاهش تأثیر، از بادی offshore، PV شناور روی سدهای هیدروپاور یا سطوح ساختمان‌ها استفاده شود. نتایج زیست‌محیطی شامل کاهش CO₂ (۲۳,۳۷۱ تن/سال برای ۱۰۰ مگاوات) است، که با اهداف PTE ایتالیا (۷۲ درصد RER تا ۲۰۳۰) هم‌خوانی دارد.

تحلیل اقتصادی

تحلیل با RETScreen انجام می‌شود و NPV و IRR را محاسبه می‌کند. برای ۱۰۰ مگاوات (مورد A)، قیمت فروش هیدروژن ۲۴۸ یورو/MWh برای سودآوری لازم است؛ برای ۲۰۰ مگاوات (مورد B)، ۲۲۷ یورو/MWh. تحلیل حساسیت نشان می‌دهد که هزینه اولیه (۲,۰۲۲ یورو/kW برای باد vs. ۱,۱۵۶ یورو/kW برای PV) توسط انرژی بالاتر باد جبران می‌شود. اقتصاد مقیاس در مزرعه بادی ۲۰۰ مگاواتی قیمت را به ۲۲۲ یورو/MWh کاهش می‌دهد. مقایسه با ادبیات (۵-۱۰ یورو/kg برای هیدروژن سبز) تأیید می‌شود. با در نظر گرفتن قیمت CO₂ (۸۶.۷۶ یورو/تن)، قیمت به ۱۹۱.۲ یورو/MWh برای باد ۲۰۰ مگاواتی می‌رسد. شبیه‌سازی مونت کارلو نشان می‌دهد که صادرات هیدروژن و هزینه اولیه عوامل کلیدی هستند. مقاله تأکید دارد که سیاست‌های مشوق (مانند European Green Deal) برای رقابت با گاز طبیعی (حداکثر ۱۲۵ یورو/MWh) ضروری است.

نتیجه‌گیری و پیشنهادها

مقاله نتیجه می‌گیرد که تولید هیدروژن سبز در بریندیزی امکان‌پذیر است، با برتری باد بر PV از نظر اقتصادی و مصرف زمین. هدف قیمت ۷.۴۱-۸.۲۶ یورو/kg بدون مشوق و ۶.۳۷-۷.۲۳ یورو/kg با قیمت CO₂ قابل دستیابی است، اما نیاز به سیاست‌های حمایتی دارد. پیشنهادها شامل هیبریدسازی فناوری‌ها، کاهش مصرف زمین با راه‌حل‌های نوین (مانند PV جاده‌ای) و سرمایه‌گذاری در تحقیق برای بهبود پایداری الکترولیزرها است. این مطالعه بر اهمیت گذار به اقتصاد هیدروژنی سبز برای خنثی‌سازی اقلیمی تا ۲۰۵۰ تأکید دارد و هشدار می‌دهد که بدون مقررات، مصرف زمین می‌تواند مسائل اجتماعی-زیست‌محیطی ایجاد کند.