هیدروژن و توسعه فولاد
تقی نعیمی-کارشناس رسمی دادگستری
صرف گاز هیدروژن در صنایع فولاد دنیا در سال های آینده به شدت افزایش خواهد یافت. استفاده از گاز هیدروژن به جای انرژی های 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 انرژی های فسیلی در جهان تولید خواهند شد.هیدروژن ساده ترین عنصر روی زمین و فقط از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. هیدروژن می تواند مقداری انرژی قابل استفاده را ذخیره کند. هیدروژن در طبیعت به صورت 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 می دهد. هیدروژن در دمای ۹۹ / ۱۳ درجه کلوین از حالت جامد به مایع تغییر فاز می دهد.چگالی هیدروژن بسیار پایین است. علت کمی چگالی و سبکی وزن چنانچه شرایط ایمنی کاملا رعایت شود، بهترین سوخت برای هواپیماها در سال های آینده خواهد بود.
ساختار کریستالی هیدروژن در حالت جامد هگزاگونال است و به دلیل تراکم بالای ساختاری به عنوان سوخت جامد در انواع موشک های نظامی برای مثال موشک های بالستیک کاربرد نظامی دارد.
H ۲ می تواند در دمای محیط با هر عنصر اکسیدکننده ای، خود به خودی وارد واکنش شود. همچنین، به صورت خطرآفرین با کلر و فلوئور واکنش می دهد و هیدروژن کلرید و هیدروژن فلوئورید را پدید می آورد که اسیدهای خطرناکی هستند. واکنش سوختن گاز هیدروژن به صورت زیر است:
2H 2 (g)+o 2 (g) 2H 2 O(1) + 572kj(286kj/mol)
ازتمایل بیش از حد هیدروژن در ترکیب با اکسیژن می توان برای احیای مستقیم اکسید آهن از هیدروژن استفاده کرد. ظرفیت گرمایی مولی گاز هیدروژن این قابلیت را دارا است که بتوان از آن برای خنک کاری ژنراتورها استفاده کرد.
همچنین از هیدروژن در تولید پیل سوختی هیدروژنی هم استفاده می شود. این پیل ها یک مبدل انرژی شیمیایی به الکتریکی هستند. معروف ترین نوع پیل سوختی، پیل سوختی هیدروژنی است که در آن عکس العمل الکترولیز آب اتفاق می افتد و از واکنش هیدروژن با اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می شود. 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. به طورمسلم در آینده نزدیک تکنولوژی تولید آن به تکامل به نسبت کامل تری خواهد رسید.
زمینه های استفاده از پیل سوختی به شرح زیر است:
۱ -حمل ونقل و وسایل نقلیه عمومی به عنوان مثال در کانادا از سال ۲۰۰۷ برای اتوبوس های شهری استفاده شده است.
نخستین مدل تجاری پیل های سوختی توسط شرکت هیوندای در سال ۲۰۱۵ به بازار عرضه شد.
۲ -برای تولید برق محلی از گرمای تولیدی این نیروگاه ها می توان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده کرد.
۳ -در اتاق های عمل، پس از قطع برق این پیل های سوختی می توانند فورا شروع به تولید برق کنند.
۴ -پیل های سوختی در صنایع نظامی؛ تانک ها، زره پوش ها و خودروهای نظامی کاربرد زیادی دارند.
باتوجه به مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که:
گاز هیدروژن حامل انرژی است، نه منبع انرژی.
تقاضای اولیه برای هیدروژن در سال های قبل بیشتر برای پالایش نفت، تولید آمونیاک و... بوده است.از هیدروژن برای تولید فرآورده های سبک نفتی برای مثال از مازوت (کراکینگ) استفاده می شود.با تقسیم آب (الکترولیز آب) به وسیله برق تولیدی از انرژی خورشیدی می توان برای مصارف مختلف صنعتی برای مثال تولید فولاد سبز (بدون ایجاد گاز CO ۲ ) انرژی مصرفی برای هواپیما، انواع موشک، سایر وسایل حمل ونقل و... استفاده کرد.هزینه تولید هیدروژن به عوامل مختلف بستگی دارد. به طورمیانگین در سال ۲۰۲۱ ، هزینه تولید انبوه هیدروژن به ازای هر کیلوگرم بیش از یک تا ۲ دلار بود. پیش بینی می شود هزینه تولید انبوه هیدروژن تا سال ۲۰۳۰ اندکی کمتر از یک دلار به ازای تولید یک کیلوگرم هیدروژن شود.
گاز طبیعی حاوی مقادیر زیادی گاز متان ( CH ۴ ) است که می تواند برای تولید هیدروژن با استفاده از فرآیندهای حرارتی اصلاح متان با بخار آب و اکسیژن مطابق واکنش های زیر استفاده شود.گرما+ CH 4 +2/1 O 2 =Co+2H 2 واکنش تغییر آب و گاز مقدارکمی گرما+ Co+H 2 O=Co 2 +H 2 با اصلاح گاز طبیعی می توان هیدروژن تولیدی را برای سایر کاربردهای مختلف استفاده کرد.از نظر تکنولوژی، تولید هیدروژن به روش الکترولیز آب با استفاده از برق تولیدی انرژی های تجدیدپذیر با هزینه قابل رقابت نسبت به سایر روش های تولید هیدروژن تکامل نسبی بیشتری یافته و تولید انبوه تجاری آن امروزه در سطح جهان رایج است.
