بررسی اتان به‌عنوان منبع جایگزین برای تولید هیدروژن سبز با بازده بالا

اتان به‌عنوان منبعی کارآمد و پایدار، مسیر تازه‌ای برای تولید هیدروژن سبز با بازده بالا و انتشار کربن بسیار کم فراهم می‌کند. سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

در دهه‌های اخیر، تولید هیدروژن سبز به‌عنوان یکی از راهکارهای کلیدی برای گذار به انرژی پاک و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی شناخته شده است. با وجود توسعه فناوری‌های الکترولیز آب و اصلاح بخار متان (SMR)، چالش‌های مرتبط با مصرف انرژی، هزینه‌های تولید و انتشار گازهای گلخانه‌ای، دانشمندان را به جستجوی منابع جایگزین برای تولید هیدروژن با بازده بالا سوق داده است. در این میان، اتان (C₂H₆) به‌عنوان یک هیدروکربن سبک و یکی از اجزای اصلی گاز طبیعی، به دلیل ویژگی‌های ترمودینامیکی و شیمیایی خاص خود، توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده است. بررسی اتان به‌عنوان منبع جایگزین برای تولید هیدروژن سبز نه تنها از دیدگاه انرژی و بازده، بلکه از منظر زیست‌محیطی و اقتصادی نیز اهمیت فزاینده‌ای دارد.

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتان

اتان یکی از ساده‌ترین آلکان‌ها پس از متان است که در فشار و دمای استاندارد به شکل گاز بی‌رنگ و بی‌بو وجود دارد. این گاز دارای فرمول شیمیایی C₂H₆ و چگالی حدود ۱.۳۵ کیلوگرم بر متر مکعب در دمای ۰ درجه سانتی‌گراد است. ارزش گرمایی اتان حدود ۵۱.۹ مگاژول بر کیلوگرم است، که آن را به یک سوخت با انرژی بالا تبدیل می‌کند. یکی از مزیت‌های اصلی اتان نسبت به متان، نسبت بالاتر هیدروژن به کربن است (۳:۱ در مقابل ۲:۱ برای متان)، به این معنا که در فرآیندهای شکست یا ریفورمینگ، مقدار بیشتری هیدروژن از هر مولکول اتان قابل استخراج است.

از سوی دیگر، اتان به‌طور گسترده در منابع گاز طبیعی و همراه با نفت خام وجود دارد و امروزه بخش زیادی از آن به‌عنوان خوراک در صنایع پتروشیمی برای تولید اتیلن استفاده می‌شود. این فراوانی و قیمت نسبتاً پایین اتان، زمینه را برای استفاده از آن در تولید هیدروژن سبز با بازده بالا فراهم می‌کند.

فرآیندهای متداول تولید هیدروژن سبز از اتان

روش‌های مختلفی برای استخراج هیدروژن سبز از اتان وجود دارد که هرکدام از نظر بازده، هزینه، و اثرات زیست‌محیطی متفاوت هستند. مهم‌ترین فرآیندهای مورد بررسی عبارت‌اند از:

۱. ریفورمینگ بخار اتان (Ethane Steam Reforming – ESR)

در این روش، اتان در حضور بخار آب و کاتالیست نیکل در دماهای حدود ۷۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد واکنش داده و هیدروژن سبز به همراه مونوکسیدکربن تولید می‌شود:

C₂H₆ + 2H₂O → 2CO + 5H₂

مرحله بعدی شامل واکنش تبدیل مونوکسیدکربن با بخار آب (واکنش شیفت گاز–آب) است:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

در مجموع، از هر مول اتان می‌توان تا شش مول هیدروژن به‌دست آورد. بازده این فرآیند در مقایسه با ریفورمینگ متان بالاتر است زیرا دمای فعال‌سازی واکنش کمتر بوده و تشکیل دوده (کربن جامد) نیز محدودتر است. در صورت استفاده از انرژی تجدیدپذیر برای تأمین گرمای واکنش، می‌توان این فرآیند را در دسته تولید هیدروژن سبز قرار داد.

۲. اکسیداسیون جزئی اتان (Partial Oxidation – POX)

در این روش، اتان به‌صورت ناقص با اکسیژن ترکیب شده و هیدروژن و مونوکسیدکربن تولید می‌کند:

C₂H₆ + ½O₂ → 2CO + 3H₂

این فرآیند گرمازا است و به دلیل کنترل ساده‌تر نسبت سوخت به اکسیژن، برای سیستم‌های مقیاس کوچک مناسب‌تر است. ترکیب این فرآیند با ریفورمینگ بخار (autothermal reforming – ATR) باعث افزایش بازده و کاهش مصرف انرژی در مقایسه با روش‌های صرفاً گرماگیر می‌شود.

۳. کراکینگ حرارتی اتان (Ethane Pyrolysis)

کراکینگ حرارتی بدون استفاده از بخار یا اکسیژن انجام می‌شود و منجر به تولید اتیلن و هیدروژن می‌گردد:

C₂H₆ → C₂H₄ + H₂

اگرچه این واکنش گرماگیر است، اما یکی از تمیزترین روش‌ها برای تولید هم‌زمان هیدروژن و اتیلن به‌شمار می‌رود. در صورت بازیابی و جداسازی مؤثر هیدروژن، می‌توان آن را به‌عنوان بخشی از تولید هیدروژن سبز در مجتمع‌های پتروشیمی به کار گرفت.

تحلیل ترمودینامیکی فرآیند تولید هیدروژن از اتان

مطالعات نشان داده‌اند که انرژی آزاد گیبس واکنش ریفورمینگ بخار اتان از متان کمتر است، به این معنا که انجام واکنش با انرژی ورودی کمتری امکان‌پذیر است. همچنین، در دماهای بالاتر از ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، بازده مولی تولید هیدروژن از اتان تا ۹۰٪ افزایش می‌یابد.
از نظر سینتیکی نیز، اتان دارای واکنش‌پذیری بالاتری نسبت به متان است، زیرا پیوند C–H در اتان ضعیف‌تر بوده و فعال‌سازی اولیه مولکول آسان‌تر انجام می‌شود. این موضوع سبب می‌شود تا سرعت تشکیل هیدروژن و گاز سنتز در واحد زمان بیشتر باشد، که در مقیاس صنعتی به معنای بازده بالاتر تولید هیدروژن سبز خواهد بود.

چالش‌های فنی و عملیاتی

هرچند اتان یک گزینه بسیار امیدوارکننده است، اما فرآیندهای وابسته به آن با چالش‌هایی نیز همراه‌اند:

رسوب کربن روی کاتالیست: در دماهای بالا، اتان می‌تواند به کربن جامد تبدیل شود که باعث غیرفعال شدن سطح کاتالیست می‌گردد. برای حل این مشکل، از کاتالیست‌های اصلاح‌شده نیکل با افزودنی‌هایی مانند منیزیا یا سریم استفاده می‌شود.

کنترل دقیق دما: فرآیندهای ترکیبی مانند ATR نیاز به کنترل دقیق نسبت اکسیژن و بخار دارند تا از انفجار یا کاهش بازده جلوگیری شود.

هزینه‌های جداسازی و خالص‌سازی هیدروژن: محصول خروجی شامل CO₂، CO، بخار آب و مقدار کمی هیدروکربن‌های باقی‌مانده است که باید از طریق غشاهای پیشرفته یا جذب شیمیایی جدا شود.

تأمین انرژی سبز برای گرمایش: اگر انرژی ورودی از منابع فسیلی تأمین شود، فرآیند دیگر در گروه “سبز” قرار نمی‌گیرد. بنابراین، استفاده از انرژی خورشیدی یا الکتریکی تجدیدپذیر برای گرمایش الزامی است.

ادغام با فناوری‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCUS)

یکی از مؤثرترین راه‌ها برای تبدیل فرآیند ریفورمینگ اتان به روشی کاملاً سبز، ترکیب آن با سیستم‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن است. از آنجا که مقدار CO₂ تولیدی در فرآیندهای اتان کمتر از متان است، سیستم CCUS می‌تواند با هزینه و پیچیدگی کمتر اجرا شود. فناوری‌های نوین جذب مستقیم CO₂ از جریان گاز و تزریق آن به سفره‌های زمین‌گرمایی یا چاه‌های نفتی می‌تواند اثرات زیست‌محیطی فرآیند را تقریباً به صفر برساند.

مقایسه اتان با متان در تولید هیدروژن سبز

ویژگی	اتان (C₂H₆)	متان (CH₄)
نسبت H/C	3:1	2:1
بازده مولی هیدروژن	6 mol H₂/mol	4 mol H₂/mol
دمای آغاز واکنش	پایین‌تر (≈700°C)	بالاتر (≈900°C)
احتمال تشکیل دوده	کمتر	بیشتر
هزینه خوراک	نسبتاً پایین‌تر	پایین
اثر زیست‌محیطی	کمتر	متوسط

همان‌طور که مشاهده می‌شود، اتان از منظر بازده هیدروژن سبز و پایداری فرآیند، مزیت آشکاری نسبت به متان دارد.

فناوری‌های نوین و مسیرهای تحقیقاتی آینده

تحقیقات اخیر در زمینه ریفورمینگ پلاسما، ریفورمینگ نوری و الکتروشیمیایی اتان نشان داده‌اند که می‌توان تولید هیدروژن سبز را در دماهای پایین‌تر و بدون انتشار مستقیم CO₂ انجام داد. استفاده از پلاسماهای غیرتعادلی باعث شکستن پیوندهای C–H با مصرف انرژی کمتر می‌شود و بازده کلی را تا ۹۵٪ افزایش می‌دهد.

در سوی دیگر، استفاده از کاتالیست‌های نانو‌ساختار بر پایه فلزات نجیب مانند Ru و Rh بر روی پایه‌های سرامیکی، موجب افزایش فعالیت و پایداری واکنشگر می‌شود. ترکیب این فناوری‌ها با منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند برق خورشیدی برای تولید پلاسما یا گرمایش القایی) مسیر روشنی برای دستیابی به تولید هیدروژن سبز از اتان با بازده بالا فراهم می‌کند.

ارزیابی اقتصادی و زیست‌محیطی

بررسی‌های اقتصادی نشان داده‌اند که هزینه تولید هر کیلوگرم هیدروژن از طریق ریفورمینگ بخار اتان بین ۱.۲ تا ۱.۸ دلار متغیر است، در حالی که برای متان این مقدار حدود ۲ تا ۲.۵ دلار است. علاوه بر هزینه پایین‌تر خوراک، مصرف انرژی کمتر و تولید CO₂ کمتر نیز باعث برتری اقتصادی اتان می‌شود.
از نظر زیست‌محیطی، اگر انرژی گرمایش از منابع تجدیدپذیر تأمین شود و CO₂ خروجی بازیافت یا ذخیره گردد، تولید هیدروژن سبز از اتان می‌تواند تا ۸۰٪ کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نسبت به روش‌های سنتی داشته باشد.

کاربردهای صنعتی هیدروژن سبز تولیدشده از اتان

هیدروژن سبز حاصل از اتان می‌تواند در بخش‌های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گیرد، از جمله:

تولید آمونیاک و متانول سبز به‌عنوان مواد اولیه صنایع شیمیایی.

سوخت سلول‌های سوختی در خودروها و نیروگاه‌های کوچک.

فرآیندهای احیای مستقیم فولاد (DRI) بدون انتشار CO₂.

ترکیب با گاز طبیعی برای کاهش شدت کربنی سوخت‌های فعلی.با توجه به در دسترس بودن زیرساخت‌های ذخیره و حمل گاز اتان در بسیاری از کشورها، جایگزینی بخشی از متان با اتان در زنجیره تأمین هیدروژن سبز می‌تواند بدون تغییرات عمده در تجهیزات، اجرا شود.