مروری بر پایداری منابع و سیستم ‏‏ها‏ی تولید و ذخیره سازی هیدروژن و آینده‏ ی آن

نوع مقاله : علمی-ترویجی

نویسنده

استادیار/پژوهشگاه نیرو

چکیده

در این مطالعه، شش منبع تولید هیدروژن (زیست توده، زمین گرمایی، آبی، هسته ای، خورشیدی و بادی)، چهار سیستم‏ تولید هیدروژن (بیولوژیکی، الکتریکی، نوری و حرارتی) و پنج گزینه‏‏‏ی ذخیره سازی هیدروژن (هیدریدهای شیمیایی، گاز فشرده، مایع کرایوژنیک، هیدریدهای فلزی و نانو مواد) از نقطه نظر زیست محیطی و پایداری با یکدیگر مقایسه شده‏اند. پنج معیار اصلی پایداری (قابلیت اطمینان و عملکرد اقتصادی، زیست محیطی، اجتماعی و فنی) و چهار معیار عملکرد زیست محیطی (میزان انتشار گازهای گلخانه‏ای، میزان اراضی مورد نیاز، کیفیت فاضلاب و میزان زباله‏ی جامد تولید شده) برای هر یک از گزینه‏های نامبرده شده در محدوده‏ی 0 تا 10 امتیازدهی شدند. 10 نشانگر بهترین عملکرد و 0 نشانگر ضعیف‏ترین عملکرد است. از نقطه نظر پایداری، منبع خورشیدی و زمین گرمایی به ترتیب با کسب امتیازهای 4/7 و 6/4، بهترین و ضعیف‏ترین عملکرد را دارند. سیستم‏‏ها‏ی الکتریکی و نوری به ترتیب با کسب 6/7 و 4/5 امتیاز بهترین و ضعیف‏ترین عملکرد را در تولید هیدروژن دارا هستند. نانومواد و مایع کرایوژنیک به ترتیب با کسب امتیازهای 4/8 و 4/3 بهترین و ضعیف‏ترین عملکرد را در ذخیره سازی هیدروژن دارند. تولید الکتریکی هیدروژن بر پایه‏ی انرژی خورشیدی همراه با ذخیره‏ی آن با نانو مواد می‏‏تواند پایدارترین و مناسب‏ترین گزینه از منظر زیست محطی باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] S. Dutta,. A review on production, storage of hydrogen and its utilization as an energy resource, J. Ind. Eng. Chem., Vol. 20, No. 9, pp. 1148-1156, 2014.
[2] E. Shafiei, B. Davidsdottir, J. Leaver, H. Stefansson, E.I., Asgeirsson, Energy, economic, and mitigation cost implications of transition toward a carbon-neutral transport sector: a  simulation-based  comparison  between  hydrogen  and electricity, J. Clean. Prod., Vol. 141, pp. 237-247,2017.
[3] F. Zhang, P. Zhao, M. Niu, J. Maddy, The survey of key technologies in hydrogen energy storage, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 41, No. 33, pp. 14535-14552, 2016.
[4] Y. Bicer, I. Dincer, C. Zamfirescu, G. Vezina, F. Raso, Comparative life cycle assessment of various ammonia production methods. J. Clean. Prod., Vol. 135, 1379-1395, 2016.
[5] S. Sharma, S. K. Ghoshal, Hydrogen the future transportation fuel: from production to applications, Renew. Sustain. Energy Rev., Vol. 43, 1151-1158, 2015.
[6] S. E. Hosseini, M. A. Wahid, M. M. Jamil, A .A. Azli, M. F. Misbah, A review on biomass-based hydrogen production for renewable energy supply, Int. J. Energy Res., Vol. 39, No. 12, 1597-1615, 2015.
[7] G. Sethia, , A. Sayari, Activated carbon with optimum pore size distribution for hydrogen storage, Carbon, Vol. 99, 289-294, 2016.
[8] M. R. Shaner, H. A. Atwater, N. S. Lewis, E. W. McFarland, A comparative technoeconomic analysis of renewable hydrogen production using solar energy, Energy Environ. Sci., Vol. 9 (7), 2354-2371, 2016.
[9] L. Gradisher, B. Dutcher, M. Fan, Catalytic hydrogen production from fossil fuels via the water gas shift reaction, Appl. Energy, Vol. 139, 335-349, 2015.
[10] B. Nastasi, G. L. Basso, Hydrogen to link heat and electricity in the transition towards future smart energy systems, Energy, Vol. 110, 5-22, 2016.
[11] F. Yilmaz, M. T. Balta, R. Selbas , A review of solar based hydrogen production methods, Renew. Sustain. Energy Rev., Vol. 56, 171-178, 2016.
[12] M. Z. Bundhoo, R. Mohee, Inhibition of dark fermentative bio-hydrogen production: a review, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 41, No. 16, 6713-6733, 2016.
[13] A. Asghar, A. A. A. Raman, W. M. A. W. Daud, Advanced oxidation processes for in-situ production of hydrogen peroxide/hydroxyl radical for textile wastewater treatment: a review, J. Clean. Prod., Vol. 87, 826-838, 2015.
[14] L. F. Chanchetti, S. M. O. Diaz, D. H. Milanez, D. R. Leiva, L. I. L. de Faria, T. T. Ishikawa, Technological forecasting of hydrogen storage materials using patent indicators, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 41, No. 41, 18301-18310, 2016.
[15] Y. Van  Fan,  S. Perry, J. J. Klemeˇs,  C. T. Lee,  A  review on  air  emissions  assessment: transportation, J. Clean. Prod., Vol. 194, 673-684, 2018. 
[16] S. H. Siyal, D. Mentis,  U.  Mo€rtberg, S. R.  Samo, M.  Howells, A  preliminary assessment of wind generated hydrogen production potential to reduce the gasoline fuel used in road transport sector of Sweden, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 40, No. 20, 6501-6511, 2015. 
[17] P. Maniatopoulos, J. Andrews, B. Shabani, Towards a sustainable strategy for road transportation in Australia: the potential contribution of hydrogen, Renew. Sustain. Energy Rev., Vol. 52, 24-34, 2015.
[18] B. Fais, N. Sabio, N. Strachan, The critical role of the industrial sector in reaching long-term emission reduction, energy efficiency and  renewable  targets, Appl. Energy, Vol. 162, 699-712, 2016.
[19] H. Schandl, S.  Hatfield-Dodds,  T.  Wiedmann,  A.  Geschke,  Y.  Cai,  J. West,  D. Newth, T. Baynes, M. Lenzen, A. Owen, Decoupling global environmental pressure and economic growth: scenarios for energy use, materials use and carbon emissions, J. Clean. Prod., Vol. 132, 45-56, 2016.
[20] S. Sorrell, Reducing energy demand: a review of issues, challenges and approaches, Renew. Sustain. Energy Rev., Vol. 47, 74-82, 2015.
[21] M. Schulze, H. Nehler, M. Ottosson, P. Thollander, Energy management in industryea systematic review of previous findings and an  integrative  concep- tual framework, J. Clean. Prod., Vol. 112, 3692-3708, 2016.
[22] A. Bakenne, W. Nuttall, N. Kazantzis, Sankey-Diagram-based  insights  into the hydrogen economy of today, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 41, No. 19, 7744-7753, 2016.
[23] M. Ball, M. Weeda, The hydrogen economyeVision or reality?, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 40, No. 25, 7903-7919, 2015.
[24] P. Kuntke, M. Rodríguez Arredondo, L. Widyakristi, A. ter Heijne, T. H. Sleutels, H. V. Hamelers, C. J. Buisman, Hydrogen gas recycling for energy efficient ammonia recovery in electrochemical systems, Environ. Sci. Technol, Vol. 51, No. 5, 3110-3116, 2017.
[25] I. Yarbrough, Q. Sun, D. C. Reeves, K. Hackman, R. Bennett, D. S. Henshel, Visualizing building energy demand for building peak energy analysis, Energy Build., Vol. 91, 10-15, 2015.
[26] C. F. Reinhart, C. C. Davila, Urban building energy modelingeA review of a nascent field, Build. Environ., Vol. 97, 196-202, 2016.
[27] C. Delmastro, F. Martinsson, G. Mutani, S. P. Corgnati, Modeling building energy demand profiles and district heating networks for low carbon  urban  areas, Procedia Eng., Vol. 198, 386-397, 2017.
[28] P. S. Wong, A. Lindsay, L. Crameri, S. Holdsworth, Can energy efficiency  rating and carbon accounting foster greener building design decision? An empirical study, Build. Environ., Vol. 87, 255-264, 2015.
[29] M. Gong, D. Y. Wang, C. C. Chen, B. J. Hwang, H. Dai, A mini review on nickel- based electrocatalysts for alkaline hydrogen evolution reaction, Nano Res., Vol. 9, No. 1, 28-46, 2016.
[30] V. Chintala, K. A. Subramanian, Experimental investigations on effect of different compression ratios on enhancement of maximum hydrogen energy share in a compression ignition engine under dual-fuel mode, Energy, Vol. 87, 448-462, 2015.
[31] S. B. Walker, U. Mukherjee, M. Fowler, A. Elkamel, Benchmarking and selection of Power-to-Gas utilizing electrolytic hydrogen as an energy storage alternative, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 41, No. 19, 7717-7731, 2016.