حول طاقة الجيل القادم من الهيدروجين

سنقدم لكم "الهيدروجين"، الجيل القادم من مصادر الطاقة المحايدة للكربون. ينقسم الهيدروجين إلى ثلاثة أنواع: "الهيدروجين الأخضر"، و"الهيدروجين الأزرق"، و"الهيدروجين الرمادي"، ولكل منها طريقة إنتاج مختلفة. سنشرح أيضًا طريقة تصنيع كل نوع، وخصائصه الفيزيائية كعناصر، وطرق تخزينه ونقله، واستخداماته. وسأوضح كذلك لماذا يُعد الهيدروجين مصدر الطاقة المهيمن في الجيل القادم.

التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين الأخضر

عند استخدام الهيدروجين، من المهم إنتاجه على أي حال. أسهل طريقة هي التحليل الكهربائي للماء. ربما قمت بذلك في دروس العلوم في المدرسة الابتدائية. املأ الكأس بالماء وضع الأقطاب الكهربائية فيه. عند توصيل بطارية بالأقطاب وتزويدها بالطاقة، تحدث التفاعلات التالية في الماء وفي كل قطب.
عند المهبط، تتحد أيونات الهيدروجين والإلكترونات لإنتاج غاز الهيدروجين، بينما ينتج المصعد الأكسجين. مع ذلك، يُعدّ هذا الأسلوب مناسبًا للتجارب العلمية المدرسية، ولكن لإنتاج الهيدروجين صناعيًا، لا بد من تطوير آليات فعّالة ملائمة للإنتاج على نطاق واسع، وهي ما يُعرف بـ"التحليل الكهربائي باستخدام غشاء البوليمر الإلكتروليتي (PEM)".
في هذه الطريقة، يُوضع غشاء بوليمري شبه منفذ يسمح بمرور أيونات الهيدروجين بين قطبين كهربائيين: المصعد والمهبط. عند سكب الماء في مصعد الجهاز، تنتقل أيونات الهيدروجين الناتجة عن التحليل الكهربائي عبر الغشاء شبه المنفذ إلى المهبط، حيث تتحول إلى جزيئات هيدروجين. في المقابل، لا تستطيع أيونات الأكسجين المرور عبر الغشاء شبه المنفذ، فتتحول إلى جزيئات أكسجين عند المصعد.
في التحليل الكهربائي للماء القلوي، يتم إنتاج الهيدروجين والأكسجين بفصل المصعد والمهبط بواسطة فاصل لا يسمح إلا بمرور أيونات الهيدروكسيد. إضافةً إلى ذلك، توجد طرق صناعية أخرى، مثل التحليل الكهربائي للبخار عند درجات حرارة عالية.
بإجراء هذه العمليات على نطاق واسع، يمكن الحصول على كميات كبيرة من الهيدروجين. وفي هذه العملية، يُنتج أيضاً كمية كبيرة من الأكسجين (نصف حجم الهيدروجين المُنتج)، لذا لن يكون له أي تأثير بيئي سلبي في حال انبعاثه في الغلاف الجوي. مع ذلك، تتطلب عملية التحليل الكهربائي كمية كبيرة من الكهرباء، لذا يمكن إنتاج هيدروجين خالٍ من الكربون باستخدام مصادر كهرباء لا تعتمد على الوقود الأحفوري، مثل توربينات الرياح والألواح الشمسية.
يمكنك الحصول على "الهيدروجين الأخضر" عن طريق التحليل الكهربائي للماء باستخدام الطاقة النظيفة.

يوجد أيضاً مولد هيدروجين لإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع. وباستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM) في قسم التحليل الكهربائي، يمكن إنتاج الهيدروجين بشكل مستمر.

الهيدروجين الأزرق المصنوع من الوقود الأحفوري

إذن، ما هي الطرق الأخرى لإنتاج الهيدروجين؟ يوجد الهيدروجين في الوقود الأحفوري، مثل الغاز الطبيعي والفحم، على هيئة مواد أخرى غير الماء. على سبيل المثال، لنأخذ الميثان (CH4)، المكون الرئيسي للغاز الطبيعي. يحتوي الميثان على أربع ذرات هيدروجين، ويمكن الحصول على الهيدروجين من خلال إزالة هذه الذرات.
إحدى هذه العمليات هي عملية تسمى "إصلاح الميثان بالبخار" والتي تستخدم البخار. الصيغة الكيميائية لهذه الطريقة هي كما يلي.
كما ترون، يمكن استخلاص أول أكسيد الكربون والهيدروجين من جزيء ميثان واحد.
بهذه الطريقة، يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال عمليات مثل "إعادة تشكيل البخار" و"التحلل الحراري" للغاز الطبيعي والفحم. ويُطلق مصطلح "الهيدروجين الأزرق" على الهيدروجين المُنتج بهذه الطريقة.
في هذه الحالة، يُنتج أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون كمنتجات ثانوية. لذا يجب إعادة تدويرهما قبل إطلاقهما في الغلاف الجوي. ويتحول ثاني أكسيد الكربون الناتج، إن لم يُستعاد، إلى غاز الهيدروجين، المعروف باسم "الهيدروجين الرمادي".

ما نوع العنصر الذي يمثله الهيدروجين؟

الهيدروجين له عدد ذري ​​يساوي 1 وهو العنصر الأول في الجدول الدوري.
يُعدّ عدد الذرات الأكبر في الكون، إذ يُمثّل حوالي 90% من جميع العناصر الموجودة فيه. أما أصغر ذرة، فتتكون من بروتون وإلكترون، وهي ذرة الهيدروجين.
للهيدروجين نظيران مرتبطان بنيوترونات في نواته: نظير واحد هو "الديوتيريوم" المرتبط بنيوترون، ونظيران هما "التريتيوم" المرتبطان بنيوترون. وتُستخدم هذه النظائر أيضاً في توليد الطاقة من خلال الاندماج النووي.
داخل نجم مثل الشمس، يحدث الاندماج النووي من الهيدروجين إلى الهيليوم، وهو مصدر الطاقة اللازم لتألق النجم.
مع ذلك، نادراً ما يوجد الهيدروجين في حالته الغازية على الأرض. يشكل الهيدروجين مركبات مع عناصر أخرى كالماء والميثان والأمونيا والإيثانول. ولأن الهيدروجين عنصر خفيف، فمع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد سرعة حركة جزيئاته، فيهرب من جاذبية الأرض إلى الفضاء الخارجي.

كيفية استخدام الهيدروجين؟ الاستخدام عن طريق الاحتراق

إذن، كيف يُستخدم الهيدروجين، الذي حظي باهتمام عالمي كمصدر طاقة من الجيل القادم؟ يُستخدم بطريقتين رئيسيتين: الاحتراق وخلايا الوقود. لنبدأ باستخدامه في الاحتراق.
هناك نوعان رئيسيان من الاحتراق المستخدم.
الأول هو استخدامه كوقود للصواريخ. يستخدم صاروخ H-IIA الياباني غاز الهيدروجين (الهيدروجين السائل) والأكسجين السائل (الأكسجين السائل) في حالة تبريد شديد كوقود. عند مزج هذين الغازين، تعمل الطاقة الحرارية المتولدة على تسريع حقن جزيئات الماء الناتجة، لتنطلق إلى الفضاء. مع ذلك، ونظرًا لصعوبة تصنيع هذا المحرك تقنيًا، لم تنجح سوى الولايات المتحدة وأوروبا وروسيا والصين والهند في دمج هذا الوقود، باستثناء اليابان.
أما النوع الثاني فهو توليد الطاقة. يعتمد توليد الطاقة باستخدام التوربينات الغازية أيضاً على دمج الهيدروجين والأكسجين لتوليد الطاقة. بعبارة أخرى، هي طريقة تعتمد على الطاقة الحرارية الناتجة عن الهيدروجين. في محطات الطاقة الحرارية، تُستخدم الحرارة الناتجة عن حرق الفحم والنفط والغاز الطبيعي لإنتاج البخار الذي يُشغل التوربينات. إذا استُخدم الهيدروجين كمصدر للحرارة، ستكون محطة الطاقة محايدة للكربون.

كيفية استخدام الهيدروجين؟ يُستخدم كخلية وقود

ثمة طريقة أخرى لاستخدام الهيدروجين وهي استخدامه في خلايا الوقود، التي تحول الهيدروجين مباشرةً إلى كهرباء. وقد لفتت شركة تويوتا الأنظار في اليابان بشكل خاص من خلال الترويج لمركبات تعمل بالهيدروجين بدلاً من المركبات الكهربائية، كبديل لمركبات البنزين، وذلك ضمن جهودها لمكافحة ظاهرة الاحتباس الحراري.
وبالتحديد، نقوم بالإجراء العكسي عند تقديم طريقة تصنيع "الهيدروجين الأخضر". الصيغة الكيميائية هي كما يلي.
يمكن للهيدروجين توليد الماء (ماء ساخن أو بخار) بالتزامن مع توليد الكهرباء، ويمكن تقييمه لكونه لا يُشكل عبئًا على البيئة. مع ذلك، تتميز هذه الطريقة بكفاءة توليد طاقة منخفضة نسبيًا تتراوح بين 30 و40%، وتتطلب البلاتين كعامل مساعد، مما يزيد من التكاليف.
نستخدم حاليًا خلايا الوقود ذات غشاء البوليمر الإلكتروليتي (PEFC) وخلايا الوقود ذات حمض الفوسفوريك (PAFC). وتستخدم مركبات خلايا الوقود تحديدًا خلايا PEFC، لذا يُتوقع انتشارها في المستقبل.

هل تخزين ونقل الهيدروجين آمن؟

نفترض أنك الآن تفهم كيفية إنتاج غاز الهيدروجين واستخدامه. إذن، كيف يتم تخزين هذا الهيدروجين؟ وكيف يتم نقله إلى المكان المطلوب؟ وماذا عن الأمن في هذه الحالة؟ سنشرح ذلك بالتفصيل.
في الواقع، يُعدّ الهيدروجين عنصرًا شديد الخطورة. في مطلع القرن العشرين، استُخدم الهيدروجين كغاز لتحليق البالونات والمناطيد في السماء لخفته الشديدة. إلا أنه في السادس من مايو/أيار عام ١٩٣٧، وقع ما يُعرف بـ"انفجار المنطاد هيندنبورغ" في ولاية نيوجيرسي الأمريكية.
منذ وقوع الحادث، بات من المسلّم به على نطاق واسع أن غاز الهيدروجين خطير، لا سيما عند اشتعاله، إذ ينفجر بعنف مع الأكسجين. لذا، من الضروري إبعاده عن الأكسجين أو عن مصادر الحرارة.
بعد اتخاذ هذه الإجراءات، توصلنا إلى طريقة شحن.
الهيدروجين غاز في درجة حرارة الغرفة، لذا على الرغم من كونه غازًا، إلا أنه ذو حجم كبير. تتمثل الطريقة الأولى في تطبيق ضغط عالٍ وضغطه كما في الأسطوانة عند صنع المشروبات الغازية. جهّز خزانًا خاصًا عالي الضغط وخزّنه تحت ظروف ضغط عالية تصل إلى 45 ميجا باسكال.
تقوم شركة تويوتا، التي تعمل على تطوير مركبات خلايا الوقود، بتطوير خزان هيدروجين عالي الضغط مصنوع من الراتنج يمكنه تحمل ضغط يصل إلى 70 ميجا باسكال.
تتمثل إحدى الطرق الأخرى في تبريد الهيدروجين إلى -253 درجة مئوية لإنتاج الهيدروجين السائل، ثم تخزينه ونقله في خزانات خاصة معزولة حراريًا. وكما هو الحال مع الغاز الطبيعي المسال عند استيراده من الخارج، يُسال الهيدروجين أثناء النقل، مما يقلل حجمه إلى 1/800 من حجمه في حالته الغازية. في عام 2020، أنجزنا أول ناقلة للهيدروجين السائل في العالم. مع ذلك، لا يُعد هذا الأسلوب مناسبًا لمركبات خلايا الوقود نظرًا لاستهلاكه الكبير للطاقة اللازمة للتبريد.
هناك طريقة للتخزين والشحن في خزانات كهذه، لكننا نعمل أيضًا على تطوير طرق أخرى لتخزين الهيدروجين.
تعتمد طريقة التخزين على استخدام سبائك تخزين الهيدروجين. يتميز الهيدروجين بقدرته على اختراق المعادن وإتلافها. هذه تقنية تطويرية طُوّرت في الولايات المتحدة في ستينيات القرن الماضي. وقد أظهرت التجارب التي أجراها جيه جيه رايلي وآخرون إمكانية تخزين الهيدروجين وإطلاقه باستخدام سبيكة من المغنيسيوم والفاناديوم.
بعد ذلك، نجح في تطوير مادة، مثل البلاديوم، التي يمكنها امتصاص الهيدروجين بمقدار 935 ضعف حجمها.
تكمن ميزة استخدام هذه السبيكة في قدرتها على منع حوادث تسرب الهيدروجين (وخاصة حوادث الانفجار). لذا، يمكن تخزينها ونقلها بأمان. مع ذلك، إذا لم يُتوخَّ الحذر وتُركت في بيئة غير مناسبة، فقد تُطلق سبائك تخزين الهيدروجين غاز الهيدروجين مع مرور الوقت. بل إن شرارة صغيرة قد تُسبب انفجارًا، لذا توخَّ الحذر.
كما أن لها عيبًا يتمثل في أن امتصاص الهيدروجين وإطلاقه بشكل متكرر يؤدي إلى التقصف ويقلل من معدل امتصاص الهيدروجين.
أما الخيار الآخر فهو استخدام الأنابيب. ويشترط أن يكون الغاز غير مضغوط وبضغط منخفض لتجنب تآكل الأنابيب، لكن ميزته تكمن في إمكانية استخدام أنابيب الغاز الموجودة. وقد نفذت شركة طوكيو للغاز أعمال بناء مشروع هارومي فلاج، مستخدمةً أنابيب الغاز التابعة للمدينة لتزويد خلايا الوقود بالهيدروجين.

مجتمع المستقبل الذي أنشأته طاقة الهيدروجين

وأخيراً، دعونا ننظر في الدور الذي يمكن أن يلعبه الهيدروجين في المجتمع.
والأهم من ذلك أننا نريد تعزيز مجتمع خالٍ من الكربون، فنحن نستخدم الهيدروجين لتوليد الكهرباء بدلاً من استخدامه كطاقة حرارية.
بدلاً من محطات الطاقة الحرارية الكبيرة، لجأت بعض الأسر إلى أنظمة مثل ENE-FARM، التي تستخدم الهيدروجين المُستخلص من إعادة تشكيل الغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء اللازمة. ومع ذلك، يبقى السؤال مطروحاً حول كيفية التعامل مع المنتجات الثانوية لعملية إعادة التشكيل.

في المستقبل، إذا زاد تداول الهيدروجين نفسه، كزيادة عدد محطات التزود بالهيدروجين، فسيكون من الممكن استخدام الكهرباء دون انبعاث ثاني أكسيد الكربون. تُنتج الكهرباء الهيدروجين الأخضر، بالطبع، باستخدام الكهرباء المولدة من ضوء الشمس أو الرياح. ينبغي أن تكون الطاقة المستخدمة في التحليل الكهربائي كافية لخفض كمية الطاقة المولدة أو لشحن البطارية القابلة لإعادة الشحن عند وجود فائض من الطاقة الطبيعية. بمعنى آخر، يُصبح الهيدروجين بمثابة البطارية القابلة لإعادة الشحن. إذا تحقق ذلك، فسيكون من الممكن في نهاية المطاف تقليل توليد الطاقة الحرارية. إن اليوم الذي يختفي فيه محرك الاحتراق الداخلي من السيارات يقترب بسرعة.

يمكن الحصول على الهيدروجين أيضاً من خلال مسار آخر. في الواقع، يُعدّ الهيدروجين منتجاً ثانوياً لإنتاج الصودا الكاوية، كما أنه منتج ثانوي لإنتاج فحم الكوك في صناعة الحديد. وبإدراج هذا الهيدروجين في شبكة التوزيع، سيُتاح الحصول عليه من مصادر متعددة. كما تُزوّد ​​محطات الهيدروجين محطات توليد الطاقة بالهيدروجين المنتج بهذه الطريقة.

دعونا نتطلع إلى المستقبل. تُعدّ كمية الطاقة المفقودة مشكلةً أيضاً في طريقة نقل الطاقة عبر الأسلاك. لذا، سنستخدم في المستقبل الهيدروجين المُوَصَّل عبر خطوط الأنابيب، تماماً كما تُستخدم خزانات ثاني أكسيد الكربون في صناعة المشروبات الغازية، وسنشتري خزان هيدروجين منزلي لتوليد الكهرباء لكل أسرة. أصبحت الأجهزة المحمولة التي تعمل ببطاريات الهيدروجين شائعةً. سيكون من المثير للاهتمام رؤية هذا المستقبل.