تبدیل زباله به هیدروژن با انرژی خورشید / آیا این فناوری آینده بازیافت است؟
نشان تجارت - هدی کاشانیان: بحران انباشت زباله‌های پلاستیکی یکی از پیچیده‌ترین چالش‌های زیست‌محیطی دوران ماست که همزمان با فشار فزاینده برای گذار از سوخت‌های فسیلی، فرصتی نوظهور را در افق علم و فناوری رقم زده است. پژوهشگران در سال‌های اخیر به این پرسش اساسی روی آورده‌اند که آیا می‌توان این انبوه مواد آلی فرسوده را نه به‌عنوان زباله، بلکه به‌عنوان خوراک فرآیند‌های انرژی‌زا در نظر گرفت. پاسخ در تلاقی دو حوزه فناوری پدیدار شده: تبدیل شیمیایی پلاستیک با حرارت یا کاتالیزور، و تأمین انرژی این فرآیند از طریق پنل‌های خورشیدی تا از انتشار دی‌اکسیدکربن اضافی جلوگیری شود.
ابعاد بحران پلاستیک در جهان
تخمین‌های علمی نشان می‌دهند که از زمان شروع تولید صنعتی پلاستیک تا به امروز، بیش از ۹ میلیارد تن از این ماده تولید شده است که تنها حدود ۹ درصد آن بازیافت و بیش از ۷۰ درصد آن در محیط زیست، زمین‌های دفن یا اقیانوس‌ها رها شده است. این اعداد فقط حجم یک مشکل زیست‌محیطی را توصیف نمی‌کنند بلکه نشان‌دهنده مقادیر عظیمی از انرژی پنهان هستند، زیرا پلاستیک‌ها عمدتاً از هیدروکربن‌های نفتی ساخته شده‌اند و محتوای کالری بالایی دارند.
پلاستیک‌های رایج مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پلی‌استایرن ساختار مولکولی سرشار از پیوند‌های کربن-هیدروژن دارند. این پیوند‌ها دقیقاً همان منبع بالقوه‌ای هستند که می‌توان از طریق فرآیند‌های شیمیایی مانند پیرولیز، گازی‌سازی یا اصلاح بخار به هیدروژن تبدیل کرد؛ بنابراین یک کیلوگرم پلی‌اتیلن می‌تواند در شرایط ایده‌آل تا ۴۰ تا ۵۰ گرم هیدروژن خالص تولید کند، عددی که از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی قابل توجه است.
هیدروژن سبز چیست؟
هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی نه آلاینده‌ای در محل احتراق تولید می‌کند و نه گاز‌های گلخانه‌ای مستقیم منتشر می‌سازد. با این حال، رنگ‌بندی هیدروژن در صنعت انرژی بر اساس روش تولید آن انجام می‌شود. هیدروژن خاکستری از اصلاح بخار گاز طبیعی تولید می‌شود و مقادیر زیادی CO2 منتشر می‌کند. هیدروژن آبی همین فرآیند را با جذب و ذخیره کربن ترکیب می‌کند. اما هیدروژن سبز آن است که کل فرآیند تولیدش با انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید یا باد انجام شده باشد.
اهمیت هیدروژن سبز از این جهت است که می‌تواند صنایع سختی مانند فولادسازی، حمل‌ونقل سنگین و پتروشیمی را که به‌سختی برقی‌سازی می‌شوند، از وابستگی به سوخت‌های فسیلی رها کند. اتحادیه اروپا در سند استراتژی هیدروژن سبز خود هدف گذاشته که تا سال ۲۰۳۰ سالانه ۱۰ میلیون تن هیدروژن سبز تولید کند. این تقاضای رو به رشد، یافتن منابع خام ارزان برای تولید هیدروژن را به یک اولویت پژوهشی تبدیل کرده و در این میان، زباله‌های پلاستیکی به‌عنوان یکی از جذاب‌ترین گزینه‌ها مطرح هستند.
فرآیند‌های تبدیل پلاستیک به هیدروژن
پیرولیز یکی از اصلی‌ترین روش‌های تبدیل پلاستیک به هیدروژن است. در این فرآیند، پلاستیک در دمای ۴۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد و در غیاب اکسیژن تجزیه می‌شود و ترکیبی از گولید می‌کند. گاز حاصل ح و جامد کربنی تولید می‌کند. گاز حاصل حاوی هیدروکربن‌های سبک و مقداری هیدروژن است که با فرآیند اصلاح بخار می‌توان آن را به هیدروژن خالص تبدیل کرد. مزیت پیرولیز در انعطاف‌پذیری آن در پذیرش انواع مختلف پلاستیک از جمله مخلوط‌هایی است که بازیافت مکانیکی آنها دشوار است.
گازی‌سازی روش دیگری است که پلاستیک را در دمای بالاتر (معمولاً بالای ۷۰۰ درجه) و با حضور بخار آب یا اکسیژن کنترل‌شده به گاز سنتز یا سینگاز تبدیل می‌کند. سینگاز ترکیبی از هیدروژن و مونوکسیدکربن است که می‌توان هیدروژن آن را جداسازی کرد. فرآیند‌های فوتوکاتالیتیک نیز در سال‌های اخیر توجه زیادی جلب کرده‌اند. در این روش، نور خورشید مستقیماً در تجزیه پلاستیک نقش دارد و با استفاده از کاتالیزور‌هایی مانند دی‌اکسید تیتانیوم، انرژی نور به واکنش شیمیایی تبدیل می‌شود. این روش می‌تواند در دمای محیط کار کند و نیاز به گرمادهی خارجی را به حداقل برساند.
نقش پنل‌های خورشیدی در این زنجیره انرژی
بدون تأمین انرژی از منابع تجدیدپذیر، تبدیل پلاستیک به هیدروژن ممکن است از نظر ترازنامه کربنی نتیجه معکوس داشته باشد. اگر برق مصرفی فرآیند پیرولیز یا گازی‌سازی از نیروگاه‌های فسیلی تأمین شود، انتشار کربن کل فرآیند ممکن است از هیدروژن خاکستری هم بیشتر شود. اینجاست که پنل‌های خورشیدی وارد معادله می‌شوند. برق فتوولتائیک می‌تواند کوره‌های پیرولیز را تغذیه کند، دستگاه‌های الکترولیز تکمیلی را راه‌اندازی کند و فرآیند خالص‌سازی هیدروژن را پشتیبانی کند.
در یک طراحی یکپارچه، آرایه‌های خورشیدی می‌توانند هم به‌صورت مستقیم برق تأمین کنند و هم از طریق حرارت‌دهی متمرکز Solar Thermal، دمای لازم برای پیرولیز را بدون نیاز به مقاومت‌های برقی جداگانه تأمین کنند. این رویکرد هزینه انرژی را کاهش می‌دهد و راندمان کلی سیستم را بالا می‌برد. پروژه‌های آزمایشی در استرالیا، اروپا و ژاپن نشان داده‌اند که در مناطق با تابش خورشیدی بالا، ترکیب این دو فناوری می‌تواند به هزینه تمام‌شده هیدروژن کمتر از ۳ دلار در هر کیلوگرم برسد که از اهداف مطرح‌شده در سند هیدروژن سبز اتحادیه اروپا فراتر می‌رود.
وضعیت پژوهش و پروژه‌های پیشرو در جهان
دانشگاه ملبورن در سال ۲۰۲۱ نتایج مهمی از فرآیند فوتوکاتالیتیک تبدیل پلاستیک PET به هیدروژن منتشر کرد. در این پژوهش، پلاستیک‌های بازیافتی در محلول قلیایی حل می‌شدند و سپس با نور فرابنفش و کاتالیزور مناسب، هیدروژن از آنها آزاد می‌شد. راندمان این روش در مقیاس آزمایشگاهی قابل توجه بود، اما مقیاس‌پذیری آن هنوز در دست بررسی است. در آلمان، شرکت Synhelion پروژه‌ای را پیش می‌برد که از حرارت خورشیدی متمرکز برای گازی‌سازی مواد آلی از جمله پلاستیک‌های پسماند استفاده می‌کند.
در سطح دولت‌ها، ژاپن در چارچوب برنامه هیدروژن ملی خود به بررسی استفاده از پسماند پلاستیک به‌عنوان خوراک تولید هیدروژن پرداخته است. کره جنوبی نیز در قانون بودجه سبز ۲۰۲۱ خود تأمین مالی پروژه‌های تبدیل پسماند به هیدروژن را پیش‌بینی کرده است. این روند نشان می‌دهد که این فناوری از مرحله تحقیقات پایه‌ای به سمت آزمون‌های نیمه‌صنعتی حرکت کرده، اما هنوز با استقرار تجاری گسترده فاصله دارد.
چالش‌های فنی و اقتصادی این فناوری
یکی از بزرگ‌ترین موانع فنی، ناهمگونی پلاستیک‌های پسماند است. پلاستیک‌هایی که از مراکز جمع‌آوری زباله وارد می‌شوند، معمولاً مخلوطی از انواع مختلف با مواد افزودنی، رنگ‌ها و آلاینده‌ها هستند. این ناخالصی‌ها می‌توانند کاتالیزور‌های فرآیند پیرولیز یا فوتوکاتالیز را مسموم کنند و راندمان تولید هیدروژن را به‌شدت کاهش دهند. جداسازی و پیش‌پردازش پلاستیک هزینه‌هایی را به زنجیره تولید اضافه می‌کند که در مقیاس‌های کوچک، صرفه اقتصادی فایی را به زنجیره تولید اضافه می‌کند که در مقیاس‌های کوچک، صرفه اقتصادی فشده از پلاستیک باید با هیدروژن سبز تولیدشده از الکترولیز آب رقابت کند. در مناطق با برق تجدیدپذیر ارزان، الکترولیز آب فناوری بسیار ساده‌تر و مقیاس‌پذیرتری دارد. مزیت مسیر پلاستیک-هیدروژن زمانی معنادار می‌شود که هزینه دفع یا بازیافت پلاستیک به‌عنوان یک سود منفی در محاسبات وارد شود. به عبارت دیگر، اگر بتوان هم از شر پلاستیک خلاص شد و هم هیدروژن تولید کرد، معادله اقتصادی بهتر می‌شود. اما این محاسبه به سیاست‌های قیمت‌گذاری کربن و یارانه‌های دولتی وابسته است.
جنبه‌های زیست‌محیطی
ارزیابی چرخه حیات یا LCA ابزاری است که محققان با آن تأثیر زیست‌محیطی کل فرآیند را از استخراج ماده خام تا محصول نهایی اندازه می‌گیرند. در مورد تبدیل پلاستیک به هیدروژن با انرژی خورشیدی، این ارزیابی نشان می‌دهد که ترازنامه کربنی فرآیند در مقایسه با دفن پلاستیک یا سوزاندن آن به‌شکل سنتی بهتر است. با این حال، محصولات جانبی فرآیند از جمله جامد کربنی حاصل از پیرولیز، گاز‌های اسیدی، و آلاینده‌های آلی فرار باید به حفظ شود.
یک نکته قابل توجه این است که پلاستیک‌های رنگی یا حاوی افزودنی‌های خاص مانند مواد ضدآتش، هنگام پیرولیز می‌توانند ترکیبات سمی مانند دیوکسین یا فوران تولید کنند؛ بنابراین سیستم‌های کنترل آلودگی هوا بخش جدایی‌ناپذیر هر واحد تجاری هستند. در کنار این چالش، بخشی از پژوهش‌های جاری بر روی بهبود کاتالیزور‌ها متمرکز است تا دمای عملیاتی کاهش یابد و سهم انرژی خورشیدی در کل فرآیند افزایش پیدا کند. کاتالیزور‌های جدید بر پایه نانوذرات فلزی و ساختار‌های MOF نتایج امیدوارکننده‌ای در مقیاس آزمایشگاهی داشته‌اند.
چشم‌انداز تجاری‌سازی و موانع پیش رو
مقیاس‌پذیری این فناوری از آزمایشگاه به صنعت مسیری پرپیچ‌وخم است. در مقیاس آزمایشگاهی می‌توان شرایط را کنترل کرد، اما در مقیاس صنعتی، نوسان کیفیت پلاستیک ورودی، نیاز به پایداری سیستم در طول شبانه‌روز در حالی که تابش خورشید متغیر است، و نیاز به ذخیره‌سازی هیدروژن تولیدشده، مهندسی فرآیند را به‌شدت پیچیده می‌کنند. بسیاری از شرکت‌های نوپای فعال در این حوزه در مرحله آزمایشی خود با مشکل مقیاس‌بندی مواجه شده‌اند.
زیرساخت توزیع هیدروژن نیز یکی از عوامل تعیین‌کننده است. تولید هیدروژن بدون وجود خط لوله یا ایستگاه‌های سوخت‌گیری مناسب، ارزش اقتصادی واحد تولیدی را به‌شدت محدود می‌کند. در کشور‌هایی مانند ژاپن و آلمان که زیرساخت هیدروژن در حال گسترش است، فرصت تجاری‌سازی بهتر از مناطقی است که این زیرساخت وجود ندارد. در سال‌های آینده، ارزش‌گذاری صحیح کربن در قالب مالیات یا بازار تجارت کربن، مهم‌ترین عاملی خواهد بود که تعادل اقتصادی این فناوری را نسبت به روش‌های رقیب تغییر می‌دهد.
جمع‌بندی
تبدیل زباله‌های پلاستیکی به هیدروژن سبز با بهره‌گیری از انرژی خورشیدی، به‌لحاظ علمی نه یک ایده دور از دسترس بلکه یک مسیر فناورانه با اثبات اصل در مرحله آزمایشگاهی و نیمه‌صنعتی است. این فناوری در نقطه تلاقی سه بحران جهانی قرار دارد: بحران پلاستیک، بحران اقلیم، و نیاز فوری به حامل‌های انرژی پاک. مزیت دوگانه آن یعنی حل مزیت دوگانه آن یعنی حل همزمان مشکل دفع زباله و تیاستگذاران محیط زیست و انرژی است.
با این حال، این فناوری همچنان با چالش‌های جدی در مقیاس‌پذیری، مدیریت محصولات جانبی، و توجیه اقتصادی در رقابت با الکترولیز آب مواجه است. پیشرفت در مواد کاتالیتیک، کاهش هزینه پنل‌های خورشیدی، و استقرار سیاست‌های قیمت‌گذاری کربن، سه محرک اصلی هینه پنل‌های خورشیدی، و استقرار سیاست‌های قیمت‌گذاری کربن، سه محرک اصلی هستند. تجربه پروژه‌های جاری در استرالیا، اروپا و ژاپن نشان می‌دهد که دهه آینده برای این حوزه دوره‌ای تعیین‌کننده خواهد بود.
