رایج‌ترین عنصر در جهان، هیدروژن نیز سبک‌ترین و ساده‌ترین عنصر است که تنها یک پروتون و یک الکترون دارد. این بی رنگ، بی بو، بی مزه و غیر سمی است، اما همچنین بسیار قابل احتراق است – به طوری که سوخت تمام ستارگان در جهان شناخته شده را تامین می کند. خورشید خود ما در یک واکنش همجوشی 600 میلیون تن هیدروژن را در ثانیه به هلیوم تبدیل می کند و آنچه از این فرآیند باقی می ماند آتش خورشیدی را روشن می کند که حیات روی زمین را ممکن می کند. این چیزهای بسیار مفیدی است، اما وقتی نوبت به استفاده از هیدروژن برای نیازهای انرژی ما می‌رسد، از جمله تامین انرژی مراکز داده ما، که انرژی بیشتری مصرف می‌کنند، چالش هایی وجود دارد
با وجود اینکه حدود 75 درصد از کل ماده در جهان شناخته شده را تشکیل می دهد، هیدروژن تنها حدود 0.000055 درصد از جو ما را تشکیل می دهد. در عوض، هیدروژن بخشی از میلیون ها ترکیب دیگر است. شاید رایج ترین ترکیب هیدروژن روی زمین با اکسیژن به شکل آب باشد، منبعی که در سیاره ما نسبتاً فراوان است و به راحتی قابل برداشت است.
وقتی صحبت از گزینه انرژی به میان می آید، هیدروژن یک خبر خوب/خبر بد است. خبر خوب این است که همه جا هست. با این حال، باید از شکل فعلی خود استخراج شود که به تجهیزات و انرژی نیاز دارد. الکترولیز آب می تواند یک فرآیند بسیار سبز باشد، اما کارایی می تواند به استفاده از کاتالیزورهای فلزات گرانبها مانند پلاتین یا ایریدیوم بستگی داشته باشد.
هیدروژن معمولاً به عنوان گاز مصرف می‌شود، اما به دلیل چگالی طبیعی کم، به فشرده‌سازی قابل‌توجهی (از 3000 تا 10000 PSI) نیاز دارد تا گاز کافی برای سوخت زمان‌های کار کافی را فراهم کند. گاز هیدروژن غیر سمی و غیر خورنده است، اما اتم‌های هیدروژن آنقدر کوچک هستند که می‌توانند در بیشتر فلزات نفوذ کنند و باعث شکنندگی هیدروژنی می‌شوند که نیازمند توجه دقیق برای طراحی سیستم‌های ذخیره‌سازی است که نمی‌خواهید منفجر شوند.
و هیدروژن را می توان به بالاترین نسبت همه گازها در 848:1 مایع کرد، اما هیدروژن مایع باید در دمای زیر 423- درجه فارنهایت تحت فشار نگهداری شود تا از جوشیدن آن جلوگیری شود. پیچیده به نظر می رسد، اما پالایش نفت نیز چنین است.
تبدیل هیدروژن به منبع انرژی سبز
در حالی که به نظر می رسد هیدروژن منبع ایده آل انرژی سبز است، تولید آن همچنان یک فرآیند پیچیده است که شامل جداسازی هیدروژن خالص از همتایان مولکولی آن است. شاید شناخته شده ترین الکترولیز باشد، فرآیندی که از الکتریسیته برای جدا کردن مولکول های آب استفاده می کند تا همتایان اصلی هیدروژن و اکسیژن خالص آنها را تشکیل دهد. این برای اولین بار 222 سال پیش توسط چندین تیم دانشمند با استفاده از فناوری باتری خام نشان داده شد، که مطمئنا این سوال را ایجاد می کند که چرا هیدروژن به عنوان سوخت تا به حال رایج تر نشده است؟ در برخی زمینه‌ها این اتفاق افتاده است، اما هیدروژن در زمینه اقتصادی ساخت یک اکوسیستم مبتنی بر هیدروژن نیز کمی مشکل‌ساز بوده است.
راه‌های مختلفی برای جداسازی هیدروژن از سایر ترکیبات وجود دارد، که اکثر آنها چیزی را به نام هیدروژن خاکستری – یا هیدروژنی که در نتیجه سایر فرآیندهای صنعتی که هنوز هم گاز گلخانه‌ای (GHG) ایجاد می‌کنند – یا هیدروژن آبی رنگ می‌سازند، ایجاد می‌کنند. – جایی که حدود 70 درصد از آن CO2 به جای رها شدن در اتمسفر، در زیر زمین جذب و “جدا” می شود.
متداول‌ترین مدل برای تولید هیدروژن صنعتی از فرآیند تبدیل گاز طبیعی بخار متان (SMR) می‌آید. مانند سایر فرآیندهای مبتنی بر هیدروکربن، این فرآیندی مصلحت‌آمیز است، اما از نظر زیست‌محیطی خاص نیست، که 2.2 تن متان، 4.9 تن آب و 5.7 مگاوات ساعت برق را به 1.1 تن هیدروژن و 6.0 تن CO2 تبدیل می‌کند. در مقایسه، یک فرآیند الکترولیتی مبتنی بر مدل غشای تبادل پروتون (PEM) که به طور فزاینده ای محبوب است، فقط آب و الکتریسیته مصرف می کند و هیدروژن و اکسیژن خالص تولید می کند و اگر برق مورد نیاز از منابع سبز تولید شود حتی سبزتر می شود. متأسفانه، امروزه تنها حدود 5 درصد از تولید هیدروژن از الکترولیز حاصل می شود.
قدرت سبز پیل های سوختی
ترکیب فناوری پیل سوختی و هیدروژن ممکن است مدل ایده آلی برای تولید برق سبز با تولید گازهای گلخانه ای نزدیک به صفر باشد.
در حالی که بسیاری ممکن است فکر کنند سلول های سوختی یک فناوری جدید هستند، اولین پیل سوختی الکتروشیمیایی در سال 1838 توسط سر ویلیام گرو اختراع شد و طراحی پیل سوختی هیدروژن-اکسیژن-قلیایی فرانسیس توماس بیکن در سال 1932 انرژی اکثر فضاپیمای ناسا را تامین کرد. پیل‌های سوختی اساساً مانند هر طرح دیگر باتری‌های ردوکس هستند، با این تفاوت که آنها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که تا زمانی که سوخت باقی بماند، به طور مداوم کار کنند. زیبایی واقعی پیل‌های سوختی این است که هیدروژن و اکسیژن وارد می‌شوند و برق و بخار آب خارج می‌شوند. در واقع، آب تولید شده توسط سلول های سوختی در فضاپیمای آپولو به اندازه کافی تمیز بود که بتوان آن را مصرف کرد.
امروزه طیف وسیعی از پیل های سوختی در دسترس هستند که اهداف مختلفی را انجام می دهند و با استفاده از انواع سوخت های مختلف کار می کنند. گزینه ها از سلول های سوختی با دمای بالا مانند سلول های سوختی کربنات مذاب و اکسید جامد که در دمای بیش از 1000 درجه فارنهایت کار می کنند تا اسید فسفریک متوسط یا سلول های سوختی قلیایی را شامل می شود. اما بیشترین علاقه به سلول های سوختی غشای تبادل پروتون (PEM) که به عنوان سلول های سوختی غشای الکترولیت پلیمری نیز شناخته می شود، متمرکز است. زیبایی استفاده از مدل پیل سوختی برگشت‌پذیر برای انرژی سبز این است که می‌توان از آنها برای تولید برق در صورت نیاز با استفاده از هیدروژن و اکسیژن استفاده کرد، اما زمانی که برای تولید برق نیازی به آنها نباشد، می‌توانند انرژی را به شکل هیدروژن استخراج و ذخیره کنند. . سبز شدن از این خیلی سخت است.
چگونه یک توربین گازی انرژی سبز تولید می کند
توربین گاز راه دیگری برای استفاده از هیدروژن برای تولید برق است. برای چندین دهه، فناوری ژنراتور توربین گازی (GTG) نیز در دسترس بوده است که به طور سنتی بر روی اشکال مختلف متان کار می کند. تمرکز روی هیدروژن نسبتاً جدید است. بیش از دوازده تولید کننده سیستم های GTG در سرتاسر جهان محصولاتی را ارائه می دهند که با دیزل ژنراتورهای بین 5 تا 18 مگاوات رقابت می کنند، اگرچه پادشاه فعلی تپه جنرال الکتریک 7HA.03 است که به تنهایی 430 مگاوات نیرو تولید می کند. و در حالت سیکل ترکیبی در صورت جفت شدن با سیستم بازیابی حرارت اگزوز و ژنراتور توربین بخار مکمل، می تواند تا 640 مگاوات با راندمان 61 درصد افزایش یابد.
شاید جالب‌تر این واقعیت باشد که توربین جنرال الکتریک خوار نیست و می‌تواند گاز شیل، گاز طبیعی مایع، اتان بالا، سوخت دیزل و نفت خام را بسوزاند. اما برای بالاترین کاهش GHG، می تواند با ترکیب سوخت تا 50٪ هیدروژن کار کند – با هدف رسیدن به 100٪ هیدروژن در آینده نزدیک. حتی با سوخت گاز طبیعی در یک سناریوی آزمایشی که در آن GE 7HA.01 از طریق 3.3 تن مخلوط هوا/گاز طبیعی سوخت، آزمایش تنها 6.2 مایع تخمینی تولید کرد. اونس از آلودگی
آنچه به راندمان نسبی ژنراتور توربین گاز می افزاید این واقعیت است که برق AC تولید می کند که نیاز به سیستم اینورتر را از بین می برد. توربین های مدرن را می توان در کمتر از 20 دقیقه تا بار کامل چرخاند و تا کمتر از 30 درصد ظرفیت نامی خود را کاهش داد و در عین حال در استانداردهای آلایندگی باقی ماند، که عامل مهمی در تعادل با نوسانات تقاضا در طول روز است.
نتیجه
پیشرفت‌هایی از این دست، هیدروژن را به یک منبع جایگزین انرژی بسیار پاک‌تر نزدیک‌تر می‌کند تا نه تنها سیستم‌های پشتیبان مرکز داده را تامین کند، بلکه به طور بالقوه جایگزین سوخت‌های فسیلی برای تامین انرژی مرکز داده در آینده می‌شود.
درباره نویسنده
استیون هیل یک تحلیلگر، نویسنده و سخنران مستقل است که نزدیک به بیست سال است که فناوری های جدید و نوظهور را در زیرساخت مرکز داده پوشش می دهد. در گذشته او به عنوان تحلیلگر ارشد در 451 Research که زیرساخت های کاربردی و فن آوری های ذخیره سازی را پوشش می دهد، قبل از آن به عنوان تحلیلگر ارشد راه حل های مرکز داده در تحلیل جاری و به عنوان ویراستار ذخیره سازی و سرورها در مجله محاسبات شبکه خدمت کرده است.