هیدروژن و توسعه فولاد
تقی نعیمی-کارشناس رسمی دادگستری
صرف گاز هیدروژن در صنایع فولاد دنیا در سال‌های آینده به‌شدت افزایش خواهد یافت. استفاده از گاز هیدروژن به‌جای انرژی‌های فسیلی در ارتباط با تولید جهانی فولاد مراحل آزمایشی خود را طی کرده است. تا سال ۲۰۳۰ ، حدود ۲۰ درصد فولاد خام دنیا با استفاده از انرژی گاز هیدروژن و بدون مصرف انرژی‌های فسیلی در جهان تولید خواهند شد.هیدروژن ساده‌ترین عنصر روی زمین و فقط از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. هیدروژن می‌تواند مقداری انرژی قابل‌استفاده را ذخیره کند.
هیدروژن در طبیعت به‌صورت خالص وجود ندارد و باید آن را از ترکیباتی که حاوی هیدروژن باشند، مانند آب، گاز، نفت و... تولید کرد. هیدروژن به معنی مولد آب از 2واژه Hydro + genes تشکیل و عنصر هیدروژن در سال ۱۷۴۶ میلادی توسط هنری کاوندیش کشف شده است. هیدروژن نخستین عنصر جدول تناوبی مندلیف و دارای عدد اتمی یک و جرم اتمی ۰۰۷۹۴/۱ گرم برمول و شعاع اتمی اتم خنثی هیدروژن (غیر یونی) ۵۳ پیکرومتر است. هیدروژن در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد در فشار یک اتمسفر با دریافت انرژی نهان تبخیر و فشار اتمسفر از حالت مایع به حالت گاز درخواهد آمد. نقطه شبنم گاز هیدروژن در دمای ۹۷/۳۲ درجه کلوین و فشار ۲۹۳/۱ مگاپاسکال رخ می‌دهد. هیدروژن در دمای ۹۹/۱۳ درجه کلوین از حالت جامد به مایع تغییر فاز می‌دهد.چگالی هیدروژن بسیار پایین است. علت کمی چگالی و سبکی وزن چنانچه شرایط ایمنی کاملا رعایت شود، بهترین سوخت برای هواپیماها در سال‌های آینده خواهد بود.
ساختار کریستالی هیدروژن در حالت جامد هگزاگونال است و به‌دلیل تراکم بالای ساختاری به‌عنوان سوخت جامد در انواع موشک‌های نظامی برای مثال موشک‌های بالستیک کاربرد نظامی دارد.
H۲ می‌تواند در دمای محیط با هر عنصر اکسیدکننده‌ای، خود به خودی وارد واکنش شود. همچنین، به‌صورت خطرآفرین با کلر و فلوئور واکنش می‌دهد و هیدروژن کلرید و هیدروژن فلوئورید را پدید می‌آورد که اسیدهای خطرناکی هستند. واکنش سوختن گاز هیدروژن به صورت زیر است:
2H2(g)+o2(g) 2H2O(1) + 572kj(286kj/mol)
ازتمایل بیش از حد هیدروژن در ترکیب با اکسیژن می‌توان برای احیای مستقیم اکسید آهن از هیدروژن استفاده کرد. ظرفیت گرمایی مولی گاز هیدروژن این قابلیت را دارا است که بتوان از آن برای خنک‌کاری ژنراتورها استفاده کرد.
همچنین از هیدروژن در تولید پیل سوختی هیدروژنی هم استفاده می‌شود. این پیل‌ها یک مبدل انرژی شیمیایی به الکتریکی هستند. معروف‌ترین نوع پیل سوختی، پیل سوختی هیدروژنی است که در آن عکس‌العمل الکترولیز آب اتفاق می‌افتد و از واکنش هیدروژن با اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌شود. در سال ۱۸۳۹ نخستین پیل سوختی با الکترولیز اسیدسولفوریک ساخته شد که تاکنون از نظر تکنولوژی تولید انبوه آن تکامل نسبی زیادی پیدا کرده است. به‌طورمسلم در آینده نزدیک تکنولوژی تولید آن به تکامل به‌نسبت کامل‌تری خواهد رسید.
زمینه‌های استفاده از پیل سوختی به شرح زیر است:
۱-حمل‌ونقل و وسایل نقلیه عمومی به‌عنوان مثال در کانادا از سال ۲۰۰۷ برای اتوبوس‌های شهری استفاده شده است.
نخستین مدل تجاری پیل‌های سوختی توسط شرکت هیوندای در سال ۲۰۱۵ به بازار عرضه شد.
۲-برای تولید برق محلی از گرمای تولیدی این نیروگاه‌ها می‌توان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده کرد.
۳-در اتاق‌های عمل، پس از قطع برق این پیل‌های سوختی می‌توانند فورا شروع به تولید برق کنند.
۴-پیل‌های سوختی در صنایع نظامی؛ تانک‌ها، زره‌پوش‌ها و خودروهای نظامی کاربرد زیادی دارند.
باتوجه به مطالب فوق می‌توان نتیجه گرفت که:
گاز هیدروژن حامل انرژی است، نه منبع انرژی.
تقاضای اولیه برای هیدروژن در سال‌های قبل بیشتر برای پالایش نفت، تولید آمونیاک و... بوده است.از هیدروژن برای تولید فرآورده‌های سبک نفتی برای مثال از مازوت (کراکینگ) استفاده می‌شود.با تقسیم آب (الکترولیز آب) به‌وسیله برق تولیدی از انرژی خورشیدی می‌توان برای مصارف مختلف صنعتی برای مثال تولید فولاد سبز (بدون ایجاد گاز CO۲) انرژی مصرفی برای هواپیما، انواع موشک، سایر وسایل حمل‌ونقل و... استفاده کرد.هزینه تولید هیدروژن به عوامل مختلف بستگی دارد. به‌طورمیانگین در سال ۲۰۲۱ ، هزینه تولید انبوه هیدروژن به‌ازای هر کیلوگرم بیش از یک تا ۲ دلار بود. پیش‌بینی می‌شود هزینه تولید انبوه هیدروژن تا سال ۲۰۳۰ اندکی کمتر از یک دلار به‌ازای تولید یک کیلوگرم هیدروژن شود.
گاز طبیعی حاوی مقادیر زیادی گاز متان (CH۴) است که می‌تواند برای تولید هیدروژن با استفاده از فرآیندهای حرارتی اصلاح متان با بخار آب و اکسیژن مطابق واکنش‌های زیر استفاده شود.گرما+ CH4+2/1 O2=Co+2H2 واکنش تغییر آب و گاز مقدارکمی گرما+ Co+H2O=Co2+H2 با اصلاح گاز طبیعی می‌توان هیدروژن تولیدی را برای سایر کاربردهای مختلف استفاده کرد.از نظر تکنولوژی، تولید هیدروژن به روش الکترولیز آب با استفاده از برق تولیدی انرژی‌های تجدیدپذیر با هزینه قابل‌رقابت نسبت به سایر روش‌های تولید هیدروژن تکامل نسبی بیشتری یافته و تولید انبوه تجاری آن امروزه در سطح جهان رایج است.
ارسال نظر