آزمایشگاه ملی آیداهو نقش کلیدی در مرکز هیدروژن غرب میانه ایفا خواهد کرد

از آنجایی که ایالات متحده در تلاش است تا انتشار کربن صفر تا سال 2050 را کاهش دهد، بخش های مختلف انرژی به راه حل های متفاوتی نیاز دارند.

انرژی های تجدیدپذیر و انرژی هسته ای به کربن زدایی تولید برق کمک می کند و بخش حمل و نقل سبک به طور عمده با تغییر به وسایل نقلیه الکتریکی، انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد. با پیشرفت جذب و جداسازی کربن، گاز طبیعی به جابجایی نیروگاه های زغال سنگ ادامه خواهد داد.

اما دیگر بخش های انرژی کربن زدایی دشوارتر است. بسیاری از صنایع برای اجرای فرآیندهای خود به چیزی بیش از برق نیاز دارند. برخی مانند تولید فولاد و سیمان نیز به گرما نیاز دارند، در حالی که آمونیاک مورد استفاده برای تولید کود به هیدروژن نیاز دارد. و باتری‌های امروزی خیلی آهسته شارژ می‌شوند و آنقدر سنگین هستند که نمی‌توانند به طور موثر کامیون‌های نیمه تریلر و سایر ماشین‌آلات سنگین را تامین کنند.

برای مقابله با این چالش ها، کارشناسان اقتصادی را در نظر می گیرند که در آن هیدروژن بدون کربن به عنوان سوخت حمل و نقل، پیش ساز شیمیایی، محیط ذخیره انرژی و منبع گرمای با دمای بالا برای صنعت عمل می کند.

اکنون، آزمایشگاه ملی آیداهو آماده است تا نقشی کلیدی در شکل دادن به اقتصاد هیدروژن ایفا کند. در 13 اکتبر، اتحاد غرب میانه برای هیدروژن پاکLLC (MachH2) اعلام کرد که چنین است انتخاب شده توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) دفتر نمایش انرژی پاک برای توسعه الف مرکز منطقه ای هیدروژن پاک. هاب MachH2 یکی از این هاب است هفت هاب هیدروژنی برنامه ریزی شده توسط DOE

این هاب یک زنجیره تامین برای تولید، ذخیره، توزیع و استفاده از هیدروژن ایجاد خواهد کرد. انتظار می رود این مرکز در طول ساخت و بهره برداری هزاران شغل ایجاد کند.

محققان INL تلاش‌هایی را برای شناسایی کاربران نهایی بالقوه، انجام تحلیل‌های امکان‌سنجی، و توسعه و تجاری‌سازی نسل بعدی هیدروژن و فناوری‌های هسته‌ای پیشرفته برای این مرکز هدایت خواهند کرد.

زنجیره تامین با هیدروژن تولید و مورد استفاده در سه ایالت: ایلینوی، ایندیانا و میشیگان آغاز می شود. MachH2 از فناوری الکترولیز و سه منبع اصلی انرژی – انرژی هسته‌ای، انرژی تجدیدپذیر و گاز طبیعی با جذب کربن استفاده خواهد کرد.

هیدروژن می‌تواند به انبارها برود یا به مصرف‌کنندگان نهایی تحویل داده شود، که ممکن است شامل اتوبوس‌های هیدروژنی، کامیون‌های باربری و تولید شیشه، مواد شیمیایی، کود و فولاد و در نهایت تولید سوخت هوانوردی پایدار باشد.

ست اسنایدر، محقق INL و مدیر ارشد تجاری سازی مرکز، گفت: «یکی از دلایلی که ما به میشیگان، ایندیانا و ایلینوی رفتیم این است که آنها در بخش حمل و نقل کشور مرکزی هستند. ما در حال ایجاد یک کریدور هیدروژنی، یک اکوسیستم در اطراف هیدروژن هستیم.

انتظار می رود طراحی و ساخت هاب هیدروژنی بلافاصله آغاز شود و پس از آن ساخت ظرف یک سال و بهره برداری از هاب ظرف پنج سال آغاز شود. مدیران پروژه تخمین می زنند که هفت هاب هیدروژنی در مجموع 25 میلیون تن از انتشار دی اکسید کربن را در هر سال کاهش می دهند – تقریباً معادل انتشار 5.5 میلیون خودروی بنزینی – و ده ها هزار شغل ایجاد می کنند.

اقتصاد هیدروژنی دقیقاً در گوشه و کنار است

پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های تولید هیدروژن بدون کربن – به ویژه الکترولیز در دمای پایین و بالا – به ایده اقتصاد هیدروژنی منجر شده است. بیشتر این پیشرفت به دلیل سرمایه گذاری DOE است دفتر فناوری های هیدروژن و پیل سوختی.

در حال حاضر، تولید هیدروژن هسته ای و تجدیدپذیر عمدتاً به الکترولیز در دمای پایین متکی است، یک فناوری تجاری که از برق برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می کند.

بودجه فدرال برای این مرکز تا 1 میلیارد دلار است که به تیم اجازه می‌دهد تا ارزیابی کند که چگونه پیاده‌سازی و استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند الکترولیز در دمای بالا – که بخار با دمای بالا را به جای آب تقسیم می‌کند – و راکتورهای هسته‌ای پیشرفته می‌تواند انرژی را بهبود بخشد. کارایی و کاهش انتشار کربن دی اکسید.

اسنایدر گفت: «INL به بررسی کاربردهای هسته‌ای پیشرفته و الکترولیز در دمای بالا که برای تسریع آن به سمت تجاری‌سازی کارآمدتر است، ادامه خواهد داد».

INL پیشروترین آزمایشگاه نمایش الکترولیز در دمای بالا در کشور است. محققان آزمایشگاهی به ایجاد بستری برای استفاده از فناوری هاب MachH2 کمک کردند و به رشد صنعت کمک کردند. سلول های الکترولیز اکسید جامد و با تنظیم سکوهای تست تولید هیدروژن تا شرکت ها فناوری های خود را به نمایش بگذارند.

راندمان الکترولیز در دمای بالا 20 تا 25 درصد بیشتر از الکترولیز در دمای پایین است. اگر از گرما و برق با دمای بالا که توسط یک منبع انرژی پاک مانند انرژی هسته ای در زمان تقاضای کم شبکه استفاده می شود، این فرآیند بدون کربن است.

برای کمک به پیشرفت این فناوری ها برای مرکز MachH2، INL یک سایت آزمایش هیدروژن 4 تا 10 مگاواتی (MW) در سایت بیابانی خود پیشنهاد کرد.

اسنایدر گفت: “ما می خواهیم الکترولیز در دمای بالا را تسریع کنیم.” ما اکنون در حال نمایش سیستم های 1 مگاواتی هستیم و باید آنها را به 10 مگاوات و بالاتر برسانیم.”

INL دارد نیز شریک شد با صنعت برای نمایش تولید هیدروژن در دمای پایین و بالا در سه نیروگاه هسته ای تجاری در ایالات متحده. برخی از این سیستم ها در سال 2023 عملیاتی شدند.

این پروژه های نمایشی به اثبات فناوری ها و کاهش خطر فنی، اقتصادی و ایمنی اتصال راکتورهای هسته ای به نیروگاه های هیدروژنی کمک کرد.

تحلیل فنی-اقتصادی و تحلیل چرخه عمر

در آینده نزدیک، INL، همراه با آزمایشگاه ملی آرگون، دانشگاه نورث وسترن و دانشگاه میشیگان، از MachH2 با ارائه تحلیل‌های فنی-اقتصادی و چرخه حیات مرکز هیدروژن پشتیبانی خواهند کرد.

تحلیل های فنی-اقتصادی INL شامل مدل سازی ساخت و بهره برداری از اجزای مختلف هاب و تعیین چگونگی تناسب اقتصادی آن اجزا در بازار خواهد بود. تجزیه و تحلیل چرخه عمر – انجام شده توسط Argonne – در نهایت کاهش انتشار دی اکسید کربن را با استفاده از داده های عملیاتی برای اعتبارسنجی محاسبات و پیش بینی ها تعیین می کند.

دان وندت، محقق INL که تیم تحلیل فنی-اقتصادی را رهبری می‌کند، گفت: «ما زمان و منابعی را صرف تعیین اساساً نحوه مدیریت زیرساخت‌ها خواهیم کرد و به دنبال راه‌هایی برای ترکیب فناوری‌هایی هستیم که INL در حال بررسی است.» این شامل این است که چگونه هاب می‌تواند از الکترولیز هسته‌ای و دمای بالا برای بهبود بیشتر تاثیر و اقتصاد استفاده کند.

برخی از جنبه‌های تحلیل فنی-اقتصادی با استفاده از آن بررسی خواهد شد هرون، مجموعه ای از ابزارهای مدل سازی است که پیکربندی های بهینه سیستم قدرت یکپارچه و استراتژی های عملیاتی را برای به حداکثر رساندن اقتصاد تعیین می کند. این یک سوال پیچیده است. محققان باید مدلی بسازند که بتواند نیازهای شبکه را با نیازهای کاربران هیدروژن متعادل کند و در عین حال اقتصاد کلی کل سیستم را در نظر بگیرد.

وندت گفت: «ما می‌خواهیم بدانیم این سیستم‌ها چگونه با هم کار می‌کنند تا بیشترین تأثیر را داشته باشند، در حالی که از نظر اقتصادی رقابتی هستند».

مرغ یا تخم مرغ؟

در نهایت، یک هاب هیدروژن ترکیبی پیچیده از چندین منبع مختلف هیدروژن و بسیاری از پروژه‌های مختلف، از جمله شبکه‌های حمل‌ونقل، تأسیسات ذخیره‌سازی و چندین کاربر نهایی است.

وندت گفت: با ادغام این اجزا در یک سیستم، MachH2 به حل مشکل مرغ و تخم مرغ کمک می کند. «چه چیزی اول است، بازارها یا قابلیت های تولید؟ این به شما جای پایی برای کمک به توسعه اقتصاد هیدروژن می دهد.

تیم ما می‌تواند نقش مهمی در کمک به اطلاع‌رسانی نحوه کار اجزای هاب MachH2 برای ارائه قابلیت اطمینان، رقابت و اثرات بزرگ CO ایفا کند.₂ کاهش ها،” او گفت.

اسنایدر گفت که هاب MachH2 یک “فرصت دگرگونی برای آزمایشگاه” است.

ریچارد بوردمن، رئیس INL یکپارچه سازی سیستم های هسته ای-هیدروژن، با این موضوع موافق است.

او گفت: «این‌ال به‌عنوان یک آزمایشگاه پیشرو برای کاربردهای انرژی هسته‌ای، از قابلیت‌های محاسباتی و آزمایشی خود برای اطمینان از موفقیت تجاری تولید هیدروژن و استفاده توسط صنعت استفاده خواهد کرد». “هدف صریح از قابلیت های INL اعتبارسنجی پشته های الکترولیز و ماژول های الکترولیز یکپارچه است که قادر به انجام عملیات انعطاف پذیر هستند.”

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد تحقیقات هیدروژن INL، مراجعه کنید https://inl.gov/integrated-energy/hydrogen/.