این وضعیت در حالی رخ میدهد که جهان برای کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی، بیش از گذشته به دنبال تولید سوختهای تجدیدپذیر و مواد شیمیایی سبز است. هیدروژن سبز و متانول سبز از جمله مهمترین گزینههایی هستند که میتوانند در آینده در صنایع، حملونقل و بخش انرژی مورد استفاده قرار بگیرند. اما تولید این مواد، بهویژه در مقیاس صنعتی، به مقدار قابل توجهی آب نیاز دارد.
اینجاست که یک پرسش مهم مطرح میشود: اگر بهترین مناطق برای تولید انرژی تجدیدپذیر، یعنی مناطقی با تابش خورشیدی و باد فراوان، الزاماً منابع آب کافی نداشته باشند، آب مورد نیاز کارخانههای تولید سوخت سبز از کجا تأمین خواهد شد؟
یک مطالعه جدید از سوی پژوهشگران Forschungszentrum Jülich یا مرکز تحقیقات یولیش در آلمان، راهکاری متفاوت را بررسی کرده است. محققان در این پژوهش نشان دادهاند که میتوان آب و دیاکسیدکربن مورد نیاز برای تولید متانول تجدیدپذیر را مستقیماً از هوای محیط استخراج کرد. این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده و بخشی از پروژه تحقیقاتی DryHy است. تولید متانول سبز در مناطق کمآب چگونه ممکن است؟
هنریک ونزل، نویسنده اصلی این پژوهش از مرکز تحلیل سیستمهای یولیش، معتقد است مناطقی که از انرژی خورشیدی و بادی فراوان برخوردارند، شرایط بسیار مناسبی برای تولید سوختهای سبز دارند، اما بسیاری از همین مناطق با کمبود آب مواجهاند.
پروژه DryHy دقیقاً با هدف بررسی همین مسئله شکل گرفته است. پژوهشگران در این پروژه تلاش کردهاند امکان تولید متانول تجدیدپذیر را در مناطقی که منابع آب شیرین محدودی دارند، از یک نگاه جامع بررسی کنند.
مطالعه جدید، زنجیره کامل فرآیند پیشنهادی را از نظر فنی و اقتصادی مورد ارزیابی قرار داده است. در این مدل، تنها مرحله تولید متانول مورد بررسی قرار نگرفته، بلکه فرآیندهای مرتبط با تولید برق تجدیدپذیر، الکترولیز، ذخیره انرژی، استفاده از گرما و سیستمهای خنککننده نیز در محاسبات لحاظ شدهاند.
نکته مهم این است که محققان تلاش کردهاند این زنجیره فرآیندی را بدون نیاز به مصرف آب اضافی طراحی کنند. ایده اصلی این است که به جای انتقال آب شیرین از منابع محلی یا استفاده از آبهای زیرزمینی، بخشی از نیاز آبی کارخانه مستقیماً از رطوبت موجود در هوا تأمین شود. یک فناوری برای جذب همزمان آب و دیاکسیدکربن
مبنای این ایده، فناوری جذب مستقیم از هوا یا DAC است. در این فناوری، مادهای جاذب یا فیلتر میتواند دیاکسیدکربن موجود در هوا را به دام بیندازد.
اما ویژگی جالب روش مورد بررسی این است که ماده مورد استفاده، همزمان میتواند رطوبت موجود در هوا را نیز جذب کند. به این ترتیب، چیزی که در بسیاری از فرآیندهای جذب مستقیم هوا یک محصول جانبی یا حتی یک مسئله ناخواسته محسوب میشود، در این طرح به یک منبع ارزشمند تبدیل خواهد شد.
آب جذبشده همراه با دیاکسیدکربن وارد زنجیره تولید متانول میشود. در نتیجه، کارخانه میتواند دو ماده اولیه مهم خود را از یک منبع واحد یعنی هوای محیط دریافت کند.
این موضوع از نظر طراحی کارخانه اهمیت زیادی دارد. در روشهای معمول، تأمین آب میتواند یکی از محدودیتهای اصلی برای احداث تأسیسات تولید سوختهای سبز در مناطق خشک باشد. اما اگر بتوان بخشی از آب مورد نیاز را از رطوبت هوا استخراج کرد، وابستگی کارخانه به منابع آب شیرین محلی کاهش پیدا میکند.
پژوهشگران در مدل خود، تمام زنجیره فرآیند را در نظر گرفتهاند؛ از تولید برق تجدیدپذیر و الکترولیز گرفته تا ذخیره انرژی، استفاده از گرما و خنکسازی. هدف این بوده است که مشخص شود آیا چنین سامانهای در شرایط واقعی مناطق مختلف جهان میتواند از نظر فنی و اقتصادی قابل اجرا باشد یا خیر. بررسی بیش از ۲۰ هزار منطقه در ۷۸ کشور
برای بررسی ظرفیت این ایده، پژوهشگران تحلیل خود را به یک منطقه محدود نکردند. این مطالعه بیش از ۲۰ هزار منطقه در ۷۸ کشور را بررسی کرده است؛ مناطقی که انتظار میرود در سال ۲۰۵۰ با حداقل تنش آبی متوسط مواجه باشند.
نتایج مدلسازی نشان میدهد که در حدود ۹۷ درصد از این مناطق، هوا در طول سال حاوی مقدار کافی آب برای تأمین کل نیاز فرآیند تولید متانول است.
این نتیجه از آن جهت اهمیت دارد که نشان میدهد کمبود منابع آب شیرین الزاماً به معنای غیرممکن بودن تولید سوختهای سبز نیست. حتی در مناطق بسیار خشک نیز، بر اساس مدل ارائهشده، میتوان با مدیریت زمان فعالیت کارخانه و ذخیرهسازی موقت آب، تولید را از نظر اصولی امکانپذیر کرد.
در واقع، کارخانه لزوماً مجبور نیست در تمام ساعات شبانهروز و در تمام شرایط آبوهوایی به یک اندازه آب از هوا استخراج کند. اگر سیستم در ساعات مرطوبتر فعالیت بیشتری داشته باشد و آب استخراجشده برای زمانهای خشکتر ذخیره شود، میتوان نوسان رطوبت هوا را تا حدی مدیریت کرد.
این موضوع میتواند برای مناطقی که از یک سو آفتاب و باد فراوان دارند و از سوی دیگر با کمبود آب مواجهاند، اهمیت ویژهای داشته باشد. برای متانول سبز، باد و خورشید از رطوبت مهمترند
یکی از نتایج مهم این مطالعه این است که رطوبت هوا تنها عامل تعیینکننده هزینه تولید متانول سبز نیست. جان ویناند، رئیس بخش سناریوهای یکپارچه در مرکز تحلیل سیستمهای یولیش، میگوید نتایج نشان میدهد کمبود آب لزوماً نباید مانعی برای تولید متانول سبز باشد.
از نگاه اقتصادی، دسترسی فراوان و تا حد امکان پایدار به برق تجدیدپذیر، در بسیاری از موارد اهمیت بیشتری از رطوبت بالای هوا دارد. به همین دلیل، مناطقی که ترکیب مناسبی از انرژی خورشیدی و بادی دارند، میتوانند گزینههای جذابتری برای احداث چنین کارخانههایی باشند.
این یافته یک پیام مهم برای توسعه صنعت سوختهای سبز دارد. اگر یک منطقه از نظر انرژی خورشیدی و بادی بسیار مناسب باشد، اما آب کافی نداشته باشد، لزوماً نباید آن منطقه را از فهرست گزینههای تولید متانول سبز کنار گذاشت.
فناوری استخراج آب از هوا میتواند بخشی از این محدودیت را برطرف کند؛ البته به شرط آنکه هزینه انرژی و تجهیزات مورد نیاز برای استخراج آب و دی اکسید کربن با درآمد حاصل از تولید متانول سازگار باشد. هزینه تولید متانول سبز در سال ۲۰۵۰ چقدر خواهد بود؟
پژوهشگران در مدل خود هزینههای احتمالی تولید متانول سبز در سال ۲۰۵۰ را نیز بررسی کردهاند. بر اساس نتایج، در مکانهای مناسب، هزینه تولید میتواند در محدوده چند صد یورو به ازای هر تن قرار بگیرد.
اما شرایط در همه مناطق یکسان نیست. در مکانهایی که منابع انرژی تجدیدپذیر مطلوبی ندارند یا شرایط محیطی و عملیاتی مناسب نیست، هزینه تولید ممکن است چندین برابر بیشتر شود.
بنابراین، دسترسی به انرژی بادی و خورشیدی فراوان همچنان یکی از مهمترین عوامل تعیینکننده اقتصادی بودن این فناوری خواهد بود.
در مناطق بسیار مناسب، متانول سبز حتی میتواند به قیمتهایی نزدیک به قیمتهای فعلی بازار برسد. قیمت فعلی قرارداد متانول در اروپا کمی کمتر از ۱۰۰۰ یورو به ازای هر تن است.
با این حال، مقایسه این دو عدد نباید به معنای برابری قطعی هزینه تولید آینده با قیمت بازار امروز تلقی شود. قیمت بازار متانول در طول زمان نوسان قابل توجهی دارد، در حالی که مطالعه یولیش هزینه تولیدی را برای آینده مدلسازی کرده است.
علاوه بر این، کاهش هزینه فناوریهای مورد استفاده در تولید سوختهای سبز و افزایش قیمت انتشار دی اکسید کربن میتواند فاصله میان متانول سبز و متانول معمولی را در آینده کاهش دهد. آیا استخراج آب از هوا روی آبوهوای محلی اثر میگذارد؟
یکی از پرسشهای مهمی که همچنان بدون پاسخ قطعی باقی مانده، تأثیر حذف حجم زیادی از بخار آب از جو بر شرایط آبوهوایی مناطق محل احداث کارخانههاست.
این موضوع اهمیت ویژهای پیدا میکند اگر فناوری مورد بحث در آینده در مقیاس بسیار بزرگ مورد استفاده قرار گیرد.
در مدل فعلی، پژوهشگران بررسی کردهاند که دما و رطوبت چگونه بر عملکرد سامانه تأثیر میگذارند. اما در مراحل بعدی، این امکان وجود دارد که اثرات بازخوردی احتمالی بر رطوبت، شکلگیری ابرها و میزان بارندگی نیز بررسی شود.
توماس شوب، رئیس تیم تحول سیستم انرژی، تأکید میکند که استفاده نکردن از منابع آب شیرین محلی به این معنا نیست که حذف آب از جو در مقیاس بزرگ الزاماً بدون پیامد خواهد بود.
به بیان ساده، اگر کارخانهای آب مورد نیاز خود را از رطوبت هوا تأمین کند، ممکن است از نظر مصرف مستقیم آب شیرین فشار کمتری بر منابع محلی وارد کند، اما در مقیاسهای بسیار بزرگ همچنان باید بررسی شود که این برداشت آب از جو چه اثری بر چرخه طبیعی آب در منطقه خواهد داشت.
به همین دلیل، پیش از ساخت نیروگاهها یا کارخانههای بسیار بزرگ، لازم است این مسئله برای هر منطقه بهطور جداگانه بررسی شود. این پژوهش هنوز به معنای آمادگی فناوری برای تولید صنعتی نیست
با وجود نتایج امیدوارکننده، مطالعه یولیش را نباید به معنای آن دانست که کارخانههای تولید متانول سبز از هوا همین حالا آماده ساخت و بهرهبرداری صنعتی هستند.
این پژوهش یک تحلیل مدلسازی فنی-اقتصادی است و نه بررسی عملکرد کارخانههای واقعی موجود.
در مدل ارائهشده، برخی تفاوتهای منطقهای مانند شرایط تأمین مالی، هزینه نیروی کار و زیرساختها به طور کامل لحاظ نشدهاند. همچنین احتمال کمبود برخی مواد مورد نیاز برای ساخت تجهیزات نیز بهطور کامل در تحلیل منعکس نشده است.
از سوی دیگر، عملکرد انعطافپذیر الکترولیز در دمای بالا که در این مفهوم مورد استفاده قرار میگیرد، هنوز باید در شرایط صنعتی و در استفاده مستمر، عملکرد خود را به اثبات برساند.
بنابراین، میان یک مدل اقتصادی و ساخت یک کارخانه تجاری در مقیاس بزرگ فاصله قابل توجهی وجود دارد.
هنریک ونزل نیز بر همین نکته تأکید کرده و میگوید این مطالعه برای هر منطقه یک نقشه آماده ساخت کارخانه ارائه نمیدهد. هدف اصلی این پژوهش، شناسایی شرایطی است که در آنها این مفهوم میتواند بیشترین امیدواری را ایجاد کند و همچنین مشخص کردن پرسشهای فنی و زیستمحیطی است که باید در مراحل بعدی پاسخ داده شوند. چرا این فناوری میتواند برای آینده انرژی مهم باشد؟
اهمیت این ایده فقط به تولید متانول محدود نمیشود. یکی از مشکلات اصلی توسعه انرژیهای تجدیدپذیر در مناطق خشک این است که بهترین مناطق از نظر تابش خورشید یا منابع باد، همیشه به منابع آب کافی دسترسی ندارند.
اگر فناوریهایی مانند جذب مستقیم هوا بتوانند همزمان دیاکسیدکربن و آب مورد نیاز فرآیند را از محیط استخراج کنند، ممکن است بخشی از این تضاد برطرف شود.
در چنین شرایطی، مناطق خشک که از نظر انرژی خورشیدی و بادی بسیار غنی هستند، دیگر لزوماً به دلیل کمبود آب از چرخه تولید سوختهای سبز کنار گذاشته نمیشوند.
متانول نیز به دلیل قابلیت استفاده در صنایع مختلف، میتواند نقش مهمی در این زنجیره داشته باشد. تولید متانول تجدیدپذیر میتواند بخشی از مسیر توسعه سوختها و مواد شیمیایی کمکربن باشد و در صورت کاهش هزینههای فناوری، جذابیت اقتصادی آن افزایش پیدا کند.
با این حال، موفقیت این مدل به مجموعهای از عوامل وابسته است؛ از هزینه تولید برق تجدیدپذیر و تجهیزات جذب مستقیم هوا گرفته تا قیمت متانول، قیمت انتشار کربن، هزینه زیرساخت و پیامدهای زیستمحیطی استخراج آب از جو.
مطالعه جدید مرکز تحقیقات یولیش نشان میدهد که کمبود آب الزاماً به معنای پایان راه برای تولید متانول سبز نیست. ایده اصلی این است که کارخانه بتواند آب و دیاکسیدکربن مورد نیاز خود را همزمان از هوای محیط استخراج کند و به این ترتیب، وابستگی مستقیم آن به منابع آب شیرین کاهش پیدا کند.
بررسی بیش از ۲۰ هزار منطقه در ۷۸ کشور نشان داده است که در حدود ۹۷ درصد از مناطق مورد بررسی، رطوبت موجود در هوا در طول سال میتواند برای تأمین کل آب مورد نیاز فرآیند کافی باشد. حتی در مناطق بسیار خشک نیز، بر اساس این مدل، فعالیت در ساعات مرطوبتر و ذخیره موقت آب میتواند تولید را از نظر اصولی امکانپذیر کند.
از نظر اقتصادی نیز چشمانداز در برخی مناطق امیدوارکننده است. هزینه تولید پیشبینیشده برای سال ۲۰۵۰ در مناطق مساعد در محدوده چند صد یورو به ازای هر تن قرار دارد، در حالی که قیمت قرارداد فعلی متانول در اروپا کمی کمتر از ۱۰۰۰ یورو به ازای هر تن است. البته این دو رقم مستقیماً قابل مقایسه نیستند، زیرا یکی هزینه تولید آینده و دیگری قیمت متغیر بازار امروز است.
مهمترین نکته این است که آینده این فناوری هنوز به آزمایشهای صنعتی و بررسیهای زیستمحیطی بیشتری نیاز دارد. بهویژه باید مشخص شود که برداشت آب از جو در مقیاس بسیار بزرگ چه تأثیری بر رطوبت، ابرها و بارندگی مناطق مختلف خواهد داشت.
در نهایت، این پژوهش یک مسیر تازه را برای تولید سوختهای سبز پیشنهاد میکند: استفاده از هوای محیط نه فقط بهعنوان منبع دیاکسیدکربن، بلکه بهعنوان منبع آب نیز. اگر تحقیقات آینده بتوانند کارایی فنی، هزینه اقتصادی و پیامدهای زیستمحیطی این روش را تأیید کنند، مناطق خشک و برخوردار از انرژی خورشیدی و بادی فراوان میتوانند به یکی از قطبهای تولید متانول سبز در آینده تبدیل شوند.
