هیدروژن سبز یا آبی؟ مقایسه زنجیره تامین سوخت کامیون‌های نسل بعد

پیش‌بینی آینده حمل‌ونقل سنگین بدون در نظر گرفتن نقش هیدروژن ممکن نیست. در سال‌های اخیر، این گاز سبک و پرانرژی به یکی از گزینه‌های جدی برای سوخت کامیون‌های نسل بعد تبدیل شده است. محدودیت باتری‌های الکترونیکی در برد حرکتی و هزینه‌بر بودن ایجاد زیرساخت باعث شده نگاه‌ها به هیدروژن به عنوان سوختی پاک و البته در دسترس ویژه‌تر باشد. اما منظور از هیدروژن چیست؟ آیا تمام هیدروژن‌ها شبیه به یکدیگرند؟ بسته به نحوه تولید، آن‌ها می‌توانند پاک، آلاینده یا چیزی میان این دو باشند. لازم به ذکر است که در کامیون هیدروژنی، دکنار کامیون برقی و کامیون خودران، نسل جدید کامیون های کشنده و کمپرسی هستند.

در این مقاله از پایه یک، به چیستی هیدروژن به‌عنوان سوخت می‌پردازیم، انواع آن (سبز، آبی، خاکستری و…) را بررسی می‌کنیم، زنجیره تامین سوخت هیدروژنی را برای کامیون‌ها تحلیل می‌کنیم و در نهایت با مقایسه‌ هزینه و تاثیرات محیط‌زیستی، به این پرسش پاسخ می‌دهیم: آیا هیدروژن سبز واقعا آینده‌دارتر از هیدروژن آبی است؟

هیدروژن به‌عنوان سوخت نسل بعد

هیدروژن ساده‌ترین و سبک‌ترین عنصر جهان است؛ اما همین ویژگی‌های ساده، آن را به یکی از پیچیده‌ترین گزینه‌های انرژی در دنیای امروز تبدیل کرده‌‌اند. از دهه‌ها پیش، هیدروژن به‌عنوان یک حامل انرژی بالقوه شناخته شده بود، اما چالش‌هایی مانند ذخیره‌سازی، تولید پاک، ایمنی و هزینه بالا مانع از استفاده گسترده آن شده بودند. با این حال، تغییرات اقلیمی، نیاز به کاهش سریع آلایندگی‌ها و فشار جهانی برای ترک سوخت‌های فسیلی، هیدروژن را دوباره به صحنه بازگردانده است و این بار نه در قالب یک رویای علمی، بلکه به‌عنوان یک گزینه جدی برای آینده حمل‌ونقل سنگین.

هیدروژن در صورت استفاده در سلول سوختی، تنها محصول جانبی‌ای که تولید می‌کند بخار آب است. این یعنی برخلاف دیزل یا بنزین، هیچ آلایندگی به طور مستقیم به محیط اضافه نمی‌شود. همچنین، چگالی بالای انرژی آن در واحد جرم (تقریبا ۳ برابر بیشتر از دیزل) به آن اجازه می‌دهد که در کاربردهایی مثل کامیون‌های ترانزیتی، کشتی‌ها یا قطارهایی با مسیرهای طولانی نقش موثری ایفا کند. این‌ حوزه‌ها دقیقا همان‌ جاهایی هستند که باتری‌های الکتریکی هنوز به‌اندازه کافی نمی‌توانند در آن کارآمد باشند.

اما هیدروژن یک سوخت ثانویه است؛ یعنی باید ابتدا تولید و بعد مصرف شود. اینجاست که تفاوت میان انواع هیدروژن پدیدار می‌شود. روش تولید آن نه‌تنها هزینه نهایی سوخت را تعیین می‌کند، بلکه اثرات زیست‌محیطی آن را نیز به‌شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد. بنابراین، اگر قرار است کامیون‌ها با هیدروژن حرکت کنند، باید بدانیم این سوخت از کجا آمده و چه پیامدی برای آینده پایدار حمل‌ونقل دارد. در ادامه این موارد را دقیق‌تر بررسی می‌کنیم.

آشنایی با انواع هیدروژن؛ رنگ‌ها، روش‌های تولید و پیامدها

اگرچه هیدروژن از نظر شیمیایی ساختاری مشخص و ساده دارد، اما نحوه تولید آن تفاوت‌های اساسی در میزان آلایندگی، هزینه و پایداری ایجاد می‌کند. برای همین، در صنعت انرژی، هیدروژن‌ها را بر اساس رنگ دسته‌بندی می‌کنند، البته این دسته‌بندی به معنای واقعی رنگی نیست، بلکه به‌عنوان کدی برای بیان شیوه تولید و اثرات زیست‌محیطی است. سه دسته اصلی عبارت‌اند از خاکستری، آبی و سبز، اما رنگ‌های دیگری مانند صورتی، فیروزه‌ای یا زرد نیز مطرح‌اند که در ادامه به‌طور خلاصه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

هیدروژن خاکستری (Gray Hydrogen) رایج‌ترین و آلاینده‌ترین نوع هیدروژن است. این نوع از گاز طبیعی و از طریق فرآیندی به‌نام «اصلاح با بخار متان» یا SMR تولید می‌شود. در این فرآیند، متان با بخار آب واکنش داده و به هیدروژن و دی‌اکسید کربن تجزیه می‌شود، اما CO₂ آزاد شده بازیابی نمی‌شود. برای هر کیلوگرم هیدروژن خاکستری، حدود ۱۰ کیلوگرم CO₂ وارد جو می‌شود. این نوع هیدروژن ارزان‌ترین گزینه فعلی بازار است، اما از نظر زیست‌محیطی بسیار پرهزینه است.

هیدروژن آبی (Blue Hydrogen) نیز با استفاده از گاز طبیعی و فرآیند SMR تولید می‌شود، اما تفاوت اصلی‌اش در مرحله بعد است: در هیدروژن آبی، بخش عمده‌ای از دی‌اکسید کربن حاصل با استفاده از فناوری جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) به‌دام می‌افتد و از ورود آن به جو جلوگیری می‌شود. این فرآیند، شدت آلایندگی را تا حدود ۹۰٪ کاهش می‌دهد، اما همچنان متکی به سوخت‌های فسیلی است. برخی منتقدان نیز به خطر نشت متان، گاز گلخانه‌ای بسیار قوی‌تر از CO₂& در مراحل استخراج و انتقال گاز طبیعی اشاره دارند، که این موضوع می‌تواند مزیت زیست‌محیطی هیدروژن آبی را زیر سوال ببرد.

هیدروژن سبز (Green Hydrogen) پاک‌ترین و در عین حال گران‌ترین گزینه است. در این روش، با استفاده از برق تجدیدپذیر (مانند خورشیدی یا بادی)، آب از طریق فرآیند الکترولیز به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. در این حالت، هیچ آلاینده‌ای تولید نمی‌شود، به‌شرط آن‌که برق مصرفی واقعا سبز باشد. گرچه این فناوری از نظر تئوری ایدئال است، اما چالش اصلی آن هزینه بالای تولید و نیاز به توسعه زیرساخت‌های گسترده برای تولید برق پاک است. با این حال، تحلیل‌های اقتصادی نشان می‌دهد که با کاهش قیمت برق تجدیدپذیر و افزایش مقیاس تولید، هیدروژن سبز می‌تواند ظرف یک دهه به رقابت با نوع آبی برسد.

سایر رنگ‌های هیدروژن به شرح زیر هستند:

• صورتی (Pink): تولید شده با الکترولیز و برق هسته‌ای
• فیروزه‌ای (Turquoise): از تجزیه حرارتی متان به‌جای SMR؛ محصول جانبی آن کربن جامد است، نه CO₂
• زرد: با برق مازاد خورشیدی یا شبکه عمومی، تضمینی برای پاک بودن آن نیست
• سیاه و قهوه‌ای: از زغال‌سنگ تولید می‌شوند و حتی از خاکستری نیز آلاینده‌تر هستند

با شناخت دقیق‌تر این دسته‌بندی‌ها، درک بهتری از بحث اصلی مقاله پیدا می‌کنیم: آیا باید روی هیدروژن آبی به‌عنوان راهکار «گذار» حساب باز کرد، یا همه‌چیز را روی هیدروژن سبز متمرکز کرد، حتی اگر گران‌تر باشد؟

هیدروژن سبز یا آبی؟ مقایسه فنی، زیست‌محیطی و اقتصادی

هر دو نوع هیدروژن، یعنی آبی و سبز، در ظاهر می‌توانند به آینده‌ای کم‌کربن کمک کنند، اما تفاوت‌های ریشه‌ای در منبع انرژی، انتشار گازهای گلخانه‌ای، هزینه تولید و دوام‌ آن‌ها وجود دارد. بررسی این تفاوت‌ها می‌تواند به ما نشان دهد کدام مسیر برای کامیون‌های نسل بعد منطقی‌تر، کم‌هزینه‌تر و پایدارتر است.

از منظر منبع تولید، هیدروژن آبی همچنان به گاز طبیعی متکی است؛ یک منبع فسیلی که استخراج آن، به‌ویژه در مقیاس صنعتی، نیازمند حفاری، حمل‌ونقل و پالایش است. در مقابل، هیدروژن سبز بر برق حاصل از انرژی‌های تجدیدپذیر مثل باد و خورشید تکیه دارد. این یعنی اگر به‌دنبال استقلال از منابع فسیلی و کاهش آسیب‌های اکولوژیکی هستیم، مسیر سبز تنها گزینه بلندمدت به‌شمار می‌آید.

از نظر شدت آلایندگی کربنی، هر کیلوگرم هیدروژن آبی در بهترین شرایط، حدود ۱ تا ۲ کیلوگرم CO₂ منتشر می‌کند، البته بخش عمده‌ای از آن جذب و ذخیره می‌شود، اما نشت متان در زنجیره استخراج گاز طبیعی همچنان تهدید بزرگی باقی می‌ماند. این در حالی است که هیدروژن سبز در صورتی که با برق ۱۰۰٪ پاک تولید شود، آلایندگی مستقیم و غیرمستقیم تقریبی برابر با صفر دارد.

در بُعد اقتصادی، هیدروژن آبی امروز ارزان‌تر است. بسته به کشور و زیرساخت، قیمت آن بین ۱٫۵ تا ۳٫۵ دلار به ازای هر کیلوگرم متغیر است، در حالی که هیدروژن سبز همچنان قیمتی بین ۳٫۵ تا ۶ دلار دارد. با این حال، پیش‌بینی می‌شود که با افزایش مقیاس الکترولایزرها و کاهش هزینه برق تجدیدپذیر، قیمت هیدروژن سبز تا سال ۲۰۳۰ به زیر ۲ دلار در هر کیلوگرم برسد و از آبی هم عبور کند.

از منظر تصمیم‌گیری‌های سیاسی نیز هیدروژن آینده روشن‌تری دارد. سرمایه‌گذاری‌های بین‌المللی، برنامه‌های یارانه‌ای دولت‌ها (مثل بسته‌های حمایتی اتحادیه اروپا، ژاپن و ایالات متحده) و فشار اجتماعی برای رهایی از سوخت فسیلی همگی باعث شده‌اند که جریان مالی و تحقیقاتی جهانی به سمت هیدروژن سبز متمرکز شود. در مقابل، هیدروژن آبی بیشتر به‌عنوان راه‌حل گذار در نظر گرفته می‌شود؛ گزینه‌ای موقت برای استفاده بهینه از زیرساخت‌های فعلی گاز طبیعی، نه یک راه‌حل نهایی.

به‌طور خلاصه، اگرچه هیدروژن آبی در کوتاه‌مدت اقتصادی‌تر و در دسترس‌تر است، اما مسیر واقعی به‌سوی حمل‌ونقل پایدار، از هیدروژن سبز می‌گذرد. هرچه زودتر زیرساخت‌ها، سیاست‌گذاری و زنجیره تامین جهانی به این سو حرکت کند، شانس ما برای کاهش معنادار آلایندگی در بخش حمل‌ونقل سنگین بیشتر خواهد بود.

زنجیره تامین سوخت هیدروژن در کامیون‌های نسل بعد

حتی اگر تولید هیدروژن با پاک‌ترین روش‌ها انجام شود، بازهم به پایان ماجرا نمی‌رسیم. سوخت‌رسانی به کامیون‌های مجهز به سلول سوختی یا موتور احتراقی هیدروژن‌سوز، نیازمند یک زنجیره تامین پیچیده و دقیق است که از محل تولید تا باک خودرو را در بر می‌گیرد. شناخت این زنجیره، برای درک چالش‌های فنی و اقتصادی کامیون‌های هیدروژنی حیاتی است. در ادامه نگاهی به این زنجیره می‌اندازیم.

اولین حلقه، تولید هیدروژن است، چه از طریق اصلاح گاز طبیعی (برای هیدروژن آبی) و چه از طریق الکترولیز آب (برای هیدروژن سبز). اما برخلاف سوخت‌های مایع، هیدروژن به‌صورت گاز بسیار سبک و با چگالی انرژی حجمی پایین تولید می‌شود؛ یعنی برای استفاده باید یا متراکم‌سازی شود (فشرده‌سازی در فشار ۳۵۰ تا ۷۰۰ بار) یا مایع گردد (در دمای منفی ۲۵۳ درجه سلسیوس)، فارغ از نوع تولید، هر دو فرآیند پرهزینه و انرژی‌برند.

مرحله بعد، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل است. هیدروژن فشرده‌شده نیاز به مخازن فشار بالا دارد که هم گران‌قیمت‌اند و هم ایمنی آن‌ها محل بحث است. انتقال آن می‌تواند به‌وسیله تانکرهای جاده‌ای مخصوص، کشتی‌های خاص یا در برخی کشورها از طریق خطوط لوله هیدروژن انجام شود، این زیرساخت فعلا تنها در مناطق محدودی مثل آلمان، ژاپن و کالیفرنیا وجود دارد. در کشورهای دیگر، نبود این زیرساخت یکی از موانع اصلی توسعه استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت است.

به مرحله سوخت‌گیری می‌رسیم، این‌جا نیز مشکلات خاصی وجود دارد. ایستگاه‌های سوخت هیدروژن نه‌تنها بسیار گران‌قیمت‌اند (بین ۱ تا ۳ میلیون دلار برای هر ایستگاه)، بلکه باید قابلیت تامین فشار بالا و ایمنی کامل را داشته باشند. در مقایسه با جایگاه‌های گاز یا دیزل، زمان سوخت‌گیری برای کامیون‌های هیدروژنی بیشتر است و به سیستم‌های کنترل فشار و دما دقیق‌تری نیاز دارد. با این حال، سوخت‌گیری هیدروژن نسبت به شارژ باتری‌های بزرگ کامیون‌های الکتریکی، راهکار سریع‌تری است.

آخرین بخش زنجیره، سلول سوختی کامیون یا موتور احتراقی هیدروژن‌سوز است. در کامیون‌های سلول سوختی مانند مدل‌های مفهومی نیوژن مرسدس بنز یا پروژه‌های ولوو، هیدروژن وارد سلول شده و در واکنش با اکسیژن، برق تولید می‌شود. این برق، موتورهای الکتریکی را تغذیه می‌کند. راندمان کل این فرآیند حدود ۴۵ تا ۵۰ درصد بوده، راندمانی که بالاتر از موتور دیزلی، اما پایین‌تر از موتور الکتریکی با باتری لیتیوم قرار می‌گیرد.

مجموع این مراحل نشان می‌دهد که استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت کامیون، اگرچه از نظر زیست‌محیطی وسوسه‌انگیز است، اما نیازمند زنجیره‌ای پیچیده و پرهزینه از فناوری و زیرساخت است. این موضوع تفاوتی اساسی با سوخت‌های سنتی ایجاد می‌کند: نه فقط سوخت عوض می‌شود، بلکه تمام اکوسیستم انرژی پشت آن نیز باید متحول شود.

چشم‌انداز کاربرد هیدروژن در کامیون‌های سنگین و مقایسه با برق

صنعت حمل‌ونقل سنگین یکی از سخت‌ترین حوزه‌ها برای کاهش آلایندگی کربنی است. برخلاف خودروهای شخصی یا حتی اتوبوس‌های شهری، کامیون‌های باری باید در شرایط سخت، با بارهای سنگین و در مسیرهای طولانی فعالیت کنند؛ جایی که وزن باتری، زمان شارژ طولانی و محدودیت زیرساخت، برقی‌سازی کامل را دشوار می‌کند. در این فضا، هیدروژن به‌ویژه در قالب سلول‌های سوختی، به‌عنوان یکی از گزینه‌های عملی و پایدار مطرح شده است.

کامیون‌هایی که از هیدروژن به‌عنوان سوخت استفاده می‌کنند، معمولا از فناوری Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) بهره می‌برند. در این سیستم، هیدروژن در یک سلول سوختی با اکسیژن واکنش می‌دهد و برق تولید می‌شود؛ این برق به موتورهای الکتریکی منتقل شده و حرکت را فراهم می‌کند. مزیت اصلی این سیستم، برد طولانی و زمان سوخت‌گیری سریع (کمتر از ۱۵ دقیقه) است؛ ویژگی‌هایی که برای حمل‌ونقل بین‌المللی یا ترانزیت بارهای سنگین بسیار مهم‌اند.

برخلاف تصور عمومی، کامیون‌های برقی باتری‌محور (BEV) هنوز با موانعی مانند زمان شارژ بسیار طولانی (تا چند ساعت)، نیاز به زیرساخت‌های شارژ با ظرفیت بالا و وزن بالای باتری‌ها مواجه‌اند. برای مثال، یک کامیون الکتریکی با برد ۵۰۰ کیلومتر ممکن است باتری‌ای به وزن بیش از ۳ تُن نیاز داشته باشد، موضوعی که هم از ظرفیت بار می‌کاهد، هم راندمان کلی را کاهش می‌دهد. در مقابل، کامیون‌های هیدروژنی می‌توانند همان برد را با وزنی کمتر و بدون افت ظرفیت بار فراهم کنند.

با این حال، باید توجه داشت که راندمان انرژی کل زنجیره هیدروژنی پایین‌تر از برق مستقیم است. یعنی اگر برق تجدیدپذیر را به‌طور مستقیم وارد باتری کنیم، حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد آن تبدیل به انرژی لازم برای حرکت می‌شود؛ اما اگر همین برق صرف الکترولیز آب، متراکم‌سازی، حمل و واکنش در سلول سوختی شود، راندمان نهایی به حدود ۳۰ تا ۴۵ درصد کاهش می‌یابد. بنابراین، در مسیرهای کوتاه، باتری‌ها اقتصادی‌تر و کارآمدترند، اما برای مسیرهای طولانی یا ترانزیت بین‌المللی، هیدروژن همچنان یک گزینه قابل بحث باقی می‌ماند.

در حال حاضر شرکت‌هایی مانند Volvo، Daimler، Toyota، Hyundai و Nikola پروژه‌های کامیون‌های هیدروژنی را با جدیت دنبال می‌کنند. طبق پیش‌بینی‌ها، هیدروژن می‌تواند تا ۳۰٪ از بازار کامیون‌های سنگین را تا سال ۲۰۵۰ به خود اختصاص دهد؛ به‌ویژه اگر هزینه‌های تولید و زیرساخت کاهش یابد و سیاست‌های یارانه‌ای دولت‌ها ادامه یابد.
بنابراین، کامیون‌های هیدروژنی قرار نیست همه‌چیز را جایگزین کنند، اما در یک اکوسیستم سوختی ترکیبی، می‌توانند نقش کلیدی در کاهش آلایندگی حمل‌ونقل سنگین بین‌شهری ایفا کنند.

سخن آخر: ریسک‌ها، فرصت‌ها و چشم‌انداز برای ایران و بازارهای مشابه

در نگاه اول، هیدروژن راهی جذاب برای آینده حمل‌ونقل به‌نظر می‌رسد. اما برای تصمیم‌گیری دقیق، باید به ترکیب ریسک‌های فنی و زیست‌محیطی، فرصت‌های فناورانه و ظرفیت‌های بومی کشورها توجه کرد؛ به‌خصوص در کشورهایی مانند ایران که هنوز زیرساخت گسترده‌ای برای تولید یا توزیع هیدروژن ندارند و بازار خودروهای سنگین کاملا دیزلی‌محور است.

از نظر ریسک، هیدروژن آبی که با تکیه بر گاز طبیعی تولید می‌شود، برای کشورهایی مانند ایران که ذخایر وسیع گاز دارند، شاید در نگاه اول گزینه‌ای اقتصادی باشد. اما باید توجه داشت که نشت متان در مراحل استخراج، انتقال و فرآوری گاز می‌تواند اثر گلخانه‌ای بسیار شدیدتری نسبت به CO₂ داشته باشد. پژوهش‌های دانشگاه کرنل در سال ۲۰۲۱ نشان دادند که در برخی مدل‌ها، اگر نشت متان مدیریت نشود، هیدروژن آبی حتی از دیزل آلاینده‌تر خواهد بود. در غیاب سیستم‌های کنترل نشت، این مسیر می‌تواند به یک دام محیط‌زیستی تبدیل شود.

در مقابل، هیدروژن سبز اگرچه امروز گران‌تر است، اما بر برق تجدیدپذیر متکی است، منبعی که ایران با ظرفیت بالا در زمینه انرژی خورشیدی و بادی در اختیار دارد. چالش اصلی، نبود زیرساخت مناسب الکترولایزر، ذخیره‌سازی و توزیع است. اما همین خلا، فرصتی بزرگ برای سرمایه‌گذاری و توسعه بومی ایجاد می‌کند. ایران می‌تواند به‌جای اینکه واردکننده فناوری باشد، تبدیل به یکی از مراکز تولید هیدروژن سبز شود؛ مشروط به اینکه برنامه‌ریزی، مشوق‌های دولتی و مشارکت بخش خصوصی به‌درستی هدایت شوند.

برای ناوگان سنگین داخلی، در شرایط فعلی استفاده از کامیون‌های سلول سوختی وارداتی یا مونتاژی مقرون‌به‌صرفه نیست. اما می‌توان سناریوهایی را متصور شد که در آن‌ها کامیون‌هایی با سوخت ترکیبی (هیبریدی یا با پیشرانه دوگانه گاز، هیدروژن) به‌تدریج وارد ناوگان شوند و هم‌زمان ایستگاه‌های سوخت هیدروژن در مسیرهای پررفت‌وآمد ایجاد شود.
در نهایت، مسیر سبزترین و پایدارترین انتخاب به‌سمت هیدروژن سبز ختم می‌شود؛ اما برای رسیدن به آن، به نقشه راه، صبر، و اراده سیاسی نیاز داریم. در دنیایی که رقابت انرژی در حال تغییر ماهیت است، شاید بزرگ‌ترین سرمایه‌گذاری، نه در استخراج گاز، که در بازیابی نور خورشید و تبدیل آن به مولکول‌های سبک هیدروژن باشد، سوختی برای کامیون‌هایی که مسیر آینده را ترسیم می‌کنند.