هیدروژن سادهترین و در عین حال فراوانترین عنصر کیهان است؛ عنصری که در دل خورشید میسوزد، در مولکول آب کنار ماست، در بدن انسان حضور دارد و امروز بهعنوان سوخت پاک آینده و قلب «اقتصاد هیدروژنی» مطرح شده است. وقتی میپرسیم «هیدروژن چیست» در واقع فقط درباره یک گاز ساده سؤال نمیکنیم؛ درباره منبع انرژی خورشید، سوخت موشکها، مواد اولیه صنایع پتروشیمی و حتی آینده حملونقل و تولید برق حرف میزنیم. در این مقاله، سعی میکنیم به زبان ساده و در عین حال دقیق، توضیح دهیم گاز هیدروژن چیست، چه خواصی دارد، چگونه تولید میشود، چه کاربردهایی در صنعت، پزشکی و انرژی پاک دارد و جایگاه آن برای ایران چیست.
برای شروع، بیایید از پایهترین سؤال شروع کنیم: هیدروژن چیست؟ هیدروژن (Hydrogen) عنصری با عدد اتمی ۱ و نماد H است. سادهترین ایزوتوپ آن فقط یک پروتون در هسته و یک الکترون در مدار دارد و همین سادگی باعث شده به آن «سادهترین عنصر شناختهشده» بگویند. در شرایط معمولی، هیدروژن بهصورت گاز هیدروژن (H₂) یعنی مولکولی شامل دو اتم هیدروژن، بیرنگ، بیبو، بسیار سبک و قابلاشتعال است.
بخش بزرگی از مادهی قابل مشاهدهی جهان از هیدروژن ساخته شده است. ستارهها – از جمله خورشید – در ابتدا عمدتاً از هیدروژن تشکیل شدهاند و انرژی خورشید از همجوشی هستهای هیدروژن بهدست میآید. روی زمین نیز عنصر هیدروژن در آب، ترکیبات آلی، سوختهای فسیلی و بدن همه موجودات زنده حضور دارد. در کنار هیدروژن، در صنعت و پزشکی از گازهای دیگری مثل اکسیژن صنعتی، نیتروژن صنعتی، آرگون صنعتی، هلیوم و گازهای ترکیبی نیز استفاده میشود، اما جایگاه هیدروژن از نظر نقش در انرژی و شیمی کاملاً منحصربهفرد است.
در جدول تناوبی، هیدروژن در خانهی اول قرار گرفته است. برخلاف بسیاری از عناصر دیگر، رفتار آن کاملاً خاص است؛ همخانوادهی واقعی هیچکدام از گروهها نیست و هم میتواند شبیه فلزات قلیایی رفتار کند، هم شبیه نافلزها.
همین ساختار ساده باعث شده هیدروژن نقطهی شروع خوبی برای درک مفاهیم شیمی، پیوندها و حتی فیزیک هستهای باشد. وقتی درباره گاز هیدروژن چیست حرف میزنیم، در واقع درباره سادهترین نمونهی یک اتم و رفتار آن در جهان صحبت میکنیم.
از نظر فیزیکی، گاز هیدروژن:
اگر یک بادکنک را با هیدروژن یا هلیوم پر کنید، به دلیل چگالی کم این گازها، بادکنک به سمت بالا حرکت میکند. تفاوت اینجاست که هلیوم غیرقابلاشتعال است، اما هیدروژن بهشدت قابلاشتعال بوده و در ترکیب با اکسیژن میتواند مخلوط انفجاری بسازد. این ویژگی هم مزیت بزرگی برای سوخت هیدروژنی است، هم دلیلی برای حساسیت بالا در ایمنی.
از نظر شیمیایی، هیدروژن بسیار واکنشپذیر است و بهراحتی با عناصر دیگر ترکیب میشود. مهمترین واکنشهای آن:
در بسیاری از این واکنشها، از گاز نیتروژن، گاز دیاکسید کربن و اکسیژن صنعتی در کنار هیدروژن استفاده میشود و همین ارتباط، پایهی مهمی برای صنایع گازهای صنعتی است.
هیدروژن سه ایزوتوپ اصلی دارد:
شناخت این ایزوتوپها زمانی مهم میشود که میخواهیم دربارهی هیدروژن در راکتورهای هستهای، همجوشی خورشیدی و فناوریهای پیشرفته انرژی صحبت کنیم.
با اینکه گاز هیدروژن آزاد در جو زمین بسیار کم است، اما عنصر هیدروژن تقریباً همهجا حضور دارد. معروفترین ترکیب آن آب (H₂O) است که دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن دارد. هرجا آب هست، هیدروژن هم هست؛ از اقیانوسها و رودخانهها گرفته تا بخار آب در هوای مرطوب.
در ترکیبات آلی نیز هیدروژن نقش کلیدی دارد. تمام مولکولهای مهم زیستی مثل کربوهیدراتها، چربیها، پروتئینها و DNA در ساختار خود هیدروژن دارند. به همین دلیل، وقتی درباره «هیدروژن و زندگی» صحبت میکنیم، اغراق نمیکنیم؛ بدون هیدروژن، مولکولهای حیاتی به شکل فعلی خود وجود نخواهند داشت.
هیدروژن از طریق آب، مستقیماً در چرخهی آب و اقلیم نقش دارد. تبخیر آب از سطح دریاها و دریاچهها، تشکیل ابر، بارش باران و برف و برگشت آب به رودخانهها، همگی حرکت پیوستهی مولکولهای H₂O در طبیعت است. بخشی از انرژی خورشیدی که روی زمین میتابد، صرف همین چرخه میشود و بهطور غیرمستقیم در تنظیم دمای زمین، تشکیل بادها و الگوهای آبوهوایی نقش دارد.
خورشید یک توپ عظیم از گازهای هیدروژن و هلیوم است. در هستهی خورشید، اتمهای هیدروژن تحت دمایی میلیونی و فشاری بسیار بالا با هم همجوشی هستهای انجام میدهند و هستههای هلیوم را بهوجود میآورند. بخشی از جرم این هستهها به انرژی تبدیل میشود و به شکل نور و گرما به فضا تابش میکند.
این انرژی خورشیدی است که:
به زبان ساده، بخش زیادی از انرژیای که امروز از نفت، گاز و زغالسنگ میگیریم، در واقع انرژی هیدروژن در خورشید است که میلیونها سال پیش در زیستتوده ذخیره شده است.
در بدن انسان، هیدروژن فقط یک عنصر عادی نیست. پیوندهای هیدروژنی نقش اصلی را در شکل و پایداری مولکولهای مهمی مثل DNA و پروتئینها بر عهده دارند. اگر این پیوندها نبود، ساختار مارپیچ دوگانه DNA و ساختار سهبعدی پروتئینها در هم میریخت و حیات به شکل امروزی قابل تصور نبود.
همچنین هیدروژن در مولکول آب داخل و خارج سلولها حضور دارد و در بسیاری از واکنشهای شیمیایی که تولید انرژی سلولی (ATP) را ممکن میکنند، نقش مستقیم دارد. به همین دلیل، وقتی دربارهی «نقش هیدروژن در بدن انسان» صحبت میکنیم، از سطح سلول تا کل ارگانها درگیر این داستان هستند.
روی زمین، گاز هیدروژن آزاد تقریباً وجود ندارد، چون بهسرعت با عناصر دیگر ترکیب میشود. بنابراین برای استفاده از گاز هیدروژن صنعتی بهعنوان سوخت یا مادهی اولیه، باید آن را از ترکیبات حاوی هیدروژن جدا کنیم. این کار با روشهای مختلف آزمایشگاهی و صنعتی انجام میشود.
در آزمایشگاه، معمولترین روش تولید هیدروژن واکنش فلزات فعال (مثل روی یا آهن) با اسیدهایی مانند اسیدکلریدریک است. در این واکنشها، هیدروژن موجود در اسید آزاد میشود و به صورت گاز H₂ خارج میگردد. این نوع تولید بیشتر برای آموزش، تحقیقات و مصرف در مقیاس کوچک استفاده میشود و در کنار آن، از گازهایی مثل گاز نیتروژن صنعتی ، گاز دیاکسید کربن و اکسیژن صنعتی نیز برای انجام آزمایشهای مختلف کمک گرفته میشود.
در مقیاس صنعتی، متداولترین روش تولید هیدروژن، فرایندی به نام ریفرمینگ با بخار است. در این روش، متان (CH₄) موجود در گاز طبیعی، در دمای بالا با بخار آب واکنش میدهد و هیدروژن بههمراه دیاکسیدکربن (CO₂) تولید میشود. دیاکسیدکربن حاصل، در بسیاری از موارد بهصورت دیاکسید کربن صنعتی جمعآوری و در صنایع نوشابه، جوشکاری یا سایر کاربردهای گاز دیاکسید کربن مصرف میشود؛ اما بخش زیادی از آن نیز بهعنوان گاز گلخانهای وارد جو میشود.
این نوع هیدروژن را «هیدروژن خاکستری» مینامند؛ چون اگرچه گاز هیدروژن تولید میشود، اما اثر زیستمحیطی آن به دلیل انتشار CO₂ قابل توجه است.
برای کاهش اثرات زیستمحیطی، دو مفهوم مهم مطرح شدهاند:
در الکترولیز، با عبور جریان برق از آب، این مولکول به گاز هیدروژن و گاز اکسیژن تجزیه میشود. اگر این برق از منابع پاک تأمین شود، میتوان گفت هیدروژن تولیدشده، واقعاً یک سوخت هیدروژنی پاک است.
در کنار روشهای کلاسیک، تحقیقات زیادی روی تولید هیدروژن از زیستتوده، جلبکها و باکتریها در حال انجام است. برخی میکروارگانیسمها در شرایط خاص میتوانند هیدروژن تولید کنند و امید بر این است که در آینده، بخشی از تولید هیدروژن سبز از این مسیرها انجام شود. این روشها هنوز اقتصادی و فراگیر نشدهاند، اما برای آیندهی اقتصاد هیدروژنی بسیار مهماند.
برق، منبع اصلی انرژی ثانویه در دنیای امروز است. ما در خانه، محل کار و صنعت، بیشتر به انرژی الکتریکی وابستهایم، اما تولید و انتقال برق محدودیتهای خود را دارد. انتقال برق در مسافتهای طولانی، تلفات و هزینهی بالایی دارد و ذخیرهسازی آن در مقیاس بزرگ تنها با باتریها، همیشه منطقی و مقرونبهصرفه نیست.
در اینجا، هیدروژن بهعنوان ناقل انرژی وارد بازی میشود. فرض کنید در یک منطقهی کویری ایران، نیروگاه خورشیدی بزرگی نصب شده و در طول روز مقدار زیادی برق تولید میکند، اما مصرف اصلی در شهری دورتر است. بهجای انتقال مستقیم برق با خطوط انتقال گرانقیمت، میتوان برق مازاد را صرف تولید هیدروژن سبز از طریق الکترولیز آب کرد. سپس گاز هیدروژن در سیلندرها یا خطوط لوله ذخیره و منتقل میشود و در مقصد، دوباره از طریق پیل سوختی هیدروژنی یا توربین گازی به برق تبدیل میگردد.
این یعنی هیدروژن به ما کمک میکند انرژی را از زمان و مکان تولید، به زمان و مکان مصرف منتقل کنیم. در همین مدل، زیرساختهای دیگری مثل هوای فشرده، گازهای صنعتی و تجهیزات گازهای صنعتی و پزشکی نیز برای انتقال و استفاده ایمن از گازها نقش پشتیبان دارند.
امروزه میلیونها تن هیدروژن هر سال در جهان تولید میشود. این مقدار برای تأمین سوخت میلیونها خودرو یا برق بسیاری از خانهها کافی است، اما بیشتر این گاز هیدروژن صنعتی در خودِ صنایع مصرف میشود.
در پالایشگاهها، هیدروژن برای حذف گوگرد و ناخالصیها از فرآوردههای نفتی استفاده میشود تا سوخت پاکتری تولید شود. در صنعت پتروشیمی، هیدروژن در کنار گاز نیتروژن برای تولید آمونیاک و سپس انواع کودهای شیمیایی به کار میرود. در برخی فرایندهای متالورژی و تولید فولاد هم از هیدروژن برای کاهش اکسیدهای فلزی استفاده میشود تا انتشار CO₂ کاهش یابد.
در صنایع غذایی، از هیدروژن برای هیدروژناسیون روغنها و تنظیم بافت برخی محصولات استفاده میشود. در صنایع دارویی و شیمی آلی، هیدروژن نقش مهمی بهعنوان عامل کاهنده در واکنشهای مختلف دارد. بسیاری از این فرایندها در کنار سایر گازهای ترکیبی انجام میشود؛ یعنی مخلوطهایی از گازهای مختلف مثل هیدروژن، نیتروژن، دیاکسیدکربن و… که هرکدام کاربرد خاص خود را در خط تولید دارند.
در برنامههای فضایی، هیدروژن مایع یکی از سوختهای اصلی موشکهاست. ترکیب هیدروژن مایع و اکسیژن مایع، انرژی بسیار زیادی آزاد میکند و میتواند موشک را از جو زمین خارج کند. در کنار آن، سلولهای سوختی هیدروژنی برق مورد نیاز سیستمهای الکتریکی فضاپیما را تأمین میکنند و محصول فرعی آنها آب است؛ آبی که فضانوردان میتوانند از آن استفاده کنند.
در دنیای پزشکی، هیدروژن در کنار سایر گازهای طبی و صنعتی نقش مکمل دارد. در بیمارستانها از گاز اکسیژن طبی، گاز بیهوشی و گازهایی مانند گاز آنتونکس (ترکیبهای مخصوص برای تسکین درد و آرامبخشی) استفاده میشود. این گازها در سیلندرهای استاندارد ذخیره شده و از طریق تجهیزات گازهای صنعتی و پزشکی شامل رگولاتورها، مانومترها، شیلنگها و سیستمهای ایمنی به بیماران رسانده میشوند.
هیدروژن از نظر انرژی بهازای هر کیلوگرم بسیار غنی است و به همین دلیل بهعنوان سوختی سبک و پرانرژی برای حملونقل و تولید برق آینده مطرح میشود. وقتی هیدروژن میسوزد یا در پیل سوختی هیدروژنی مصرف میشود، محصول اصلی آن آب است و اگر هیدروژن از نوع سبز باشد، تقریباً چرخهای بدون کربن خواهد داشت.
انرژی خورشیدی و بادی عالیاند، اما یک مشکل مهم دارند:
برای همین، سیستم انرژی آینده نیاز به نوعی «باتری فصلی» دارد که بتواند انرژی مازاد را در دورههای پر تولید ذخیره و در دورههای نیاز آزاد کند. هیدروژن سبز دقیقاً چنین نقشی را میتواند بازی کند؛ برق مازاد نیروگاههای خورشیدی و بادی صرف تولید هیدروژن میشود و در زمستان یا شبهای بدون باد، هیدروژن ذخیرهشده در پیلهای سوختی، توربینها یا موتورهای احتراقی مخصوص مصرف میشود.
با وجود همهی مزیتها، سوختهای هیدروژنی هنوز با چند چالش مهم روبهرو هستند:
با اینحال، بیشتر سناریوهای آیندهنگر انرژی نشان میدهند که هیدروژن در کنار انرژیهای تجدیدپذیر نه بهعنوان تنها راهحل، بلکه بهعنوان یک بازیگر مهم در کاهش انتشار کربن حضور خواهد داشت.
ایران از نظر منابع نفت و گاز بسیار غنی است، اما همزمان پتانسیل بالایی برای توسعه انرژی خورشیدی و بادی دارد. ترکیب این پتانسیل با فناوری هیدروژن میتواند در آیندهی نهچندان دور، فرصتهای جدیدی برای صنعت و صادرات انرژی ایجاد کند.
در حال حاضر، بخش زیادی از هیدروژن تولیدشده در ایران در:
مصرف میشود. این هیدروژن عمدتاً از طریق روشهای مبتنی بر گاز طبیعی و سایر سوختهای فسیلی تولید میشود و بیشتر در دستهی هیدروژن خاکستری قرار میگیرد. در این صنایع، در کنار هیدروژن، از گازهایی مانند اکسیژن صنعتی، نیتروژن صنعتی، دیاکسید کربن صنعتی و آرگون صنعتی نیز استفاده میشود و زنجیرهی بزرگی از تأمین و مصرف گازهای صنعتی شکل گرفته است.
از آنجا که بسیاری از مناطق ایران تابش خورشید بسیار خوبی دارند، تولید برق از انرژی خورشیدی میتواند پایهی خوبی برای توسعهی هیدروژن سبز باشد. تصور کنید در استانهایی مانند کرمان، یزد یا خراسان، مزرعههای خورشیدی بزرگ به الکترولایزرها متصل شوند و از آب، گاز هیدروژن تولید کنند. این هیدروژن میتواند در صنعت فولاد، سیمان، پتروشیمی یا حتی برای صادرات به کشورهایی که به سوخت پاک نیاز دارند، استفاده شود.
با وجود تمام این پتانسیلها، چند مانع مهم وجود دارد:
اگر این چالشها بهصورت هوشمندانه مدیریت شوند، اقتصاد هیدروژنی در ایران میتواند در کنار صادرات نفت و گاز، ستون جدیدی برای درآمد و اشتغال باشد.
هیدروژن سوختی پاک است، اما این بهمعنای بیخطر بودن آن نیست. مانند هر سوخت دیگری، استفادهی ایمن از هیدروژن نیازمند رعایت استانداردها و استفاده از تجهیزات گازهای صنعتی و پزشکی مناسب است.
هیدروژن در بازهی خاصی از غلظت در هوا، میتواند با یک جرقهی کوچک شعلهور شود. شعلهی هیدروژن تقریباً بیرنگ است و ممکن است با چشم سخت دیده شود. از طرف دیگر، این گاز بهدلیل سبکبودن، بهسرعت به سمت بالا حرکت میکند، اما اگر در سقف یا فضای بسته تجمع پیدا کند، خطر انفجار جدی است.
در مقایسه با گاز طبیعی، هیدروژن:
در طراحی سیستمهای گازرسانی، همانطور که برای هوای فشرده، گاز نیتروژن، گاز دیاکسید کربن و گازهای بیهوشی از استانداردهای خاصی استفاده میشود، برای هیدروژن نیز باید استانداردهای ویژهای در نظر گرفت.
استفاده از مخازن استاندارد، لولههای مناسب، رگولاتورهای باکیفیت، حسگرهای نشت و سیستمهای تهویهی مناسب، بخش جداییناپذیر از کار با هیدروژن است. آموزش کارکنان، تدوین دستورالعملهای اضطراری و سرویس دورهای تجهیزات، همانقدر اهمیت دارد که خودِ انتخاب گاز.
در این مقاله دیدیم که هیدروژن چیست، گاز هیدروژن چگونه رفتار میکند، چه خواصی دارد و چرا از خورشید تا صنایع شیمیایی و پزشکی و انرژی پاک، همهجا حضور دارد. هیدروژن هم سادهترین عنصر جدول تناوبی است، هم یکی از پیچیدهترین بازیگران آیندهی انرژی جهان.
برای یک کاربر و تصمیمگیر ایرانی، شناخت هیدروژن فقط یک موضوع علمی نیست؛ شناخت مسیری است که میتواند در سالهای آینده بر آلودگی هوا، امنیت انرژی، صنایع پتروشیمی، فولاد و حتی حملونقل شهری تاثیر بگذارد. در کنار گازهایی مثل اکسیژن صنعتی، نیتروژن صنعتی، دیاکسید کربن صنعتی، هلیوم، آرگون صنعتی، گازهای ترکیبی، گازهای بیهوشی و گاز اکسیژن طبی، هیدروژن بهآرامی در حال تبدیلشدن به محور بحثهای جدید در سیاستگذاری و برنامهریزی انرژی است.
اگر امروز دربارهی هیدروژن، پیل سوختی، هیدروژن سبز و اقتصاد هیدروژنی بیشتر بدانیم، فردا بهتر میتوانیم تصمیم بگیریم که در کسبوکار، صنعت یا حتی انتخاب سبک زندگیمان چه نقشی برای این سوخت پاک آینده در نظر بگیریم.
.jpg "گاز آرگون چیست؟")
ارسال نظر