حول طاقة الجيل القادم من الهيدروجين

سنقدم لكم "الهيدروجين"، الجيل القادم من الطاقة الخالية من الكربون. ينقسم الهيدروجين إلى ثلاثة أنواع: "الهيدروجين الأخضر"، و"الهيدروجين الأزرق"، و"الهيدروجين الرمادي"، ولكل منها طريقة إنتاج مختلفة. سنشرح أيضًا كل طريقة تصنيع، وخصائصها الفيزيائية كعناصر، وطرق تخزينها ونقلها، وطرق استخدامها. كما سنشرح سبب كونه مصدر الطاقة الرئيسي للجيل القادم.

التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين الأخضر

عند استخدام الهيدروجين، من المهم إنتاجه. أسهل طريقة هي تحليل الماء كهربائيًا. ربما فعلت ذلك في حصة العلوم بالمدرسة الابتدائية. املأ الكوب بالماء وأقطابه الكهربائية. عند توصيل بطارية بالأقطاب وتنشيطها، تحدث التفاعلات التالية في الماء وفي كل قطب كهربائي.
عند الكاثود، تتحد أيونات الهيدروجين (H+) والإلكترونات لإنتاج غاز الهيدروجين، بينما يُنتج الأنود الأكسجين. مع ذلك، يُعد هذا النهج مناسبًا لتجارب العلوم المدرسية، ولكن لإنتاج الهيدروجين صناعيًا، يجب إعداد آليات فعّالة مناسبة للإنتاج على نطاق واسع. وهذا ما يُسمى "التحليل الكهربائي بغشاء إلكتروليت البوليمر (PEM)".
في هذه الطريقة، يُوضع غشاء بوليمري شبه منفذ يسمح بمرور أيونات الهيدروجين بين قطبين: الأنود والكاثود. عند سكب الماء في قطب الجهاز الموجب، تنتقل أيونات الهيدروجين الناتجة عن التحليل الكهربائي عبر الغشاء شبه المنفذ إلى الكاثود، حيث تتحول إلى هيدروجين جزيئي. من ناحية أخرى، لا تستطيع أيونات الأكسجين المرور عبر الغشاء شبه المنفذ، فتتحول إلى جزيئات أكسجين عند القطب السالب.
في التحليل الكهربائي للماء القلوي، يُنتَج الهيدروجين والأكسجين بفصل الأنود والكاثود عبر فاصل لا تمر عبره سوى أيونات الهيدروكسيد. كما توجد طرق صناعية، مثل التحليل الكهربائي بالبخار عالي الحرارة.
بإجراء هذه العمليات على نطاق واسع، يمكن الحصول على كميات كبيرة من الهيدروجين. كما تُنتج هذه العملية كمية كبيرة من الأكسجين (نصف كمية الهيدروجين المُنتَج)، مما يُجنّبه أي تأثير بيئي سلبي في حال إطلاقه في الغلاف الجوي. مع ذلك، يتطلب التحليل الكهربائي كمية كبيرة من الكهرباء، لذا يُمكن إنتاج الهيدروجين الخالي من الكربون باستخدام كهرباء لا تستخدم الوقود الأحفوري، مثل توربينات الرياح والألواح الشمسية.
يمكنك الحصول على "الهيدروجين الأخضر" عن طريق تحليل الماء كهربائيًا باستخدام الطاقة النظيفة.

يتوفر أيضًا مولد هيدروجين لإنتاج هذا الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع. باستخدام غشاء البروتون (PEM) في قسم التحليل الكهربائي، يمكن إنتاج الهيدروجين باستمرار.

الهيدروجين الأزرق المصنوع من الوقود الأحفوري

إذًا، ما هي الطرق الأخرى لإنتاج الهيدروجين؟ يوجد الهيدروجين في الوقود الأحفوري، كالغاز الطبيعي والفحم، كمادة غير الماء. على سبيل المثال، لنأخذ الميثان (CH4)، المكون الرئيسي للغاز الطبيعي. يحتوي الميثان على أربع ذرات هيدروجين. يمكن الحصول على الهيدروجين بفصله.
إحدى هذه الطرق هي عملية "إصلاح الميثان بالبخار" التي تستخدم البخار. الصيغة الكيميائية لهذه الطريقة هي كما يلي.
كما ترى، يمكن استخراج أول أكسيد الكربون والهيدروجين من جزيء واحد من الميثان.
بهذه الطريقة، يُمكن إنتاج الهيدروجين من خلال عمليات مثل "الإصلاح بالبخار" و"التحلل الحراري" للغاز الطبيعي والفحم. ويُشير "الهيدروجين الأزرق" إلى الهيدروجين المُنتَج بهذه الطريقة.
في هذه الحالة، يُنتَج أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون كناتجين ثانويين. لذا، يجب إعادة تدويرهما قبل إطلاقهما في الغلاف الجوي. إذا لم يُستعاد ثاني أكسيد الكربون، الناتج الثانوي، فإنه يتحول إلى غاز الهيدروجين، المعروف باسم "الهيدروجين الرمادي".

ما هو نوع عنصر الهيدروجين؟

الهيدروجين له العدد الذري 1 وهو العنصر الأول في الجدول الدوري.
عدد الذرات هو الأكبر في الكون، إذ يُشكل حوالي 90% من جميع عناصره. أصغر ذرة تتكون من بروتون وإلكترون هي ذرة الهيدروجين.
للهيدروجين نظيران مرتبطان بنواة نيوترونية. أحدهما "الديوتيريوم" المرتبط بروابط نيوترونية، والآخران "التريتيوم" المرتبطان بروابط نيوترونية. وتُستخدم هذه المواد أيضًا في توليد الطاقة بالاندماج النووي.
داخل نجم مثل الشمس، يحدث الاندماج النووي من الهيدروجين إلى الهيليوم، وهو مصدر الطاقة الذي يجعل النجم يتألق.
مع ذلك، نادرًا ما يوجد الهيدروجين كغاز على الأرض. يُكوّن الهيدروجين مركبات مع عناصر أخرى كالماء والميثان والأمونيا والإيثانول. ولأن الهيدروجين عنصر خفيف، فمع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد سرعة حركة جزيئاته، فتنطلق بعيدًا عن جاذبية الأرض إلى الفضاء الخارجي.

كيفية استخدام الهيدروجين؟ الاستخدام عن طريق الاحتراق

إذًا، كيف يُستخدم "الهيدروجين"، الذي لفت أنظار العالم كمصدر طاقة من الجيل التالي؟ يُستخدم بطريقتين رئيسيتين: "الاحتراق" و"خلية الوقود". لنبدأ باستخدام "الحرق".
هناك نوعان رئيسيان من الاحتراق المستخدم.
الأول هو وقود الصواريخ. يستخدم صاروخ H-IIA الياباني غاز الهيدروجين (الهيدروجين السائل) والأكسجين السائل، وهو أيضًا في حالة تبريدية. يُدمج هذان الغازان، وتُسرّع الطاقة الحرارية المتولدة في ذلك الوقت حقن جزيئات الماء المتولدة، مما يُطلق المركبة إلى الفضاء. ومع ذلك، نظرًا لصعوبة هذا المحرك تقنيًا، باستثناء اليابان، لم تنجح سوى الولايات المتحدة وأوروبا وروسيا والصين والهند في دمج هذا الوقود.
ثانيًا، توليد الطاقة. يستخدم توليد الطاقة من توربينات الغاز أيضًا طريقة دمج الهيدروجين والأكسجين لتوليد الطاقة. بمعنى آخر، إنها طريقة تعتمد على الطاقة الحرارية التي ينتجها الهيدروجين. في محطات الطاقة الحرارية، تُنتج الحرارة الناتجة عن حرق الفحم والنفط والغاز الطبيعي بخارًا يُشغّل التوربينات. باستخدام الهيدروجين كمصدر للحرارة، تكون محطة الطاقة خالية من الكربون.

كيفية استخدام الهيدروجين كخلية وقود

هناك طريقة أخرى لاستخدام الهيدروجين وهي خلية وقود، تُحوّل الهيدروجين مباشرةً إلى كهرباء. وقد لفتت تويوتا الأنظار في اليابان بترويجها للسيارات التي تعمل بالهيدروجين بدلاً من السيارات الكهربائية كبديل للسيارات التي تعمل بالبنزين، في إطار إجراءاتها لمكافحة الاحتباس الحراري.
تحديدًا، نتبع الإجراء العكسي عند طرح طريقة تصنيع "الهيدروجين الأخضر". الصيغة الكيميائية هي كما يلي.
يمكن للهيدروجين إنتاج الماء (ماء ساخن أو بخار) أثناء توليد الكهرباء، ويمكن تقييمه لعدم تأثيره على البيئة. من ناحية أخرى، تتميز هذه الطريقة بكفاءة توليد طاقة منخفضة نسبيًا تتراوح بين 30% و40%، وتتطلب استخدام البلاتين كمحفز، مما يزيد من تكلفتها.
نستخدم حاليًا خلايا وقود البوليمر الإلكتروليتي (PEFC) وخلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC). وتستخدم مركبات خلايا الوقود خلايا PEFC تحديدًا، لذا من المتوقع انتشارها مستقبلًا.

هل تخزين ونقل الهيدروجين آمن؟

نعتقد أنك الآن تفهم كيفية إنتاج غاز الهيدروجين واستخدامه. فكيف تُخزّن هذا الهيدروجين؟ كيف تحصل عليه عند الحاجة؟ وماذا عن الأمان حينها؟ سنشرح.
في الواقع، يُعدّ الهيدروجين أيضًا عنصرًا شديد الخطورة. في بداية القرن العشرين، استخدمنا الهيدروجين كغاز لتحليق البالونات والمنطاد في السماء نظرًا لخفة وزنه. ولكن في 6 مايو 1937، في نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية، وقع "انفجار منطاد هيندنبورغ".
منذ وقوع الحادث، أصبح من المعروف على نطاق واسع أن غاز الهيدروجين خطير. خاصةً عند اشتعاله، سينفجر بعنف مع الأكسجين. لذلك، يُنصح بالابتعاد عن الأكسجين أو الحرارة.
وبعد اتخاذ هذه الإجراءات، توصلنا إلى طريقة الشحن.
الهيدروجين غاز في درجة حرارة الغرفة، ورغم أنه يبقى غازًا، إلا أنه ضخم الحجم. الطريقة الأولى هي تطبيق ضغط عالٍ وضغط أسطواني عند تحضير المشروبات الغازية. جهّز خزانًا خاصًا عالي الضغط، وخزّنه في ظروف ضغط عالية، مثل 45 ميجا باسكال.
تعمل شركة تويوتا، التي تعمل على تطوير مركبات خلايا الوقود، على تطوير خزان هيدروجين عالي الضغط من الراتنج يمكنه تحمل ضغط يصل إلى 70 ميجا باسكال.
هناك طريقة أخرى تتمثل في تبريد الهيدروجين إلى -253 درجة مئوية لإنتاج الهيدروجين السائل، وتخزينه ونقله في خزانات خاصة معزولة حرارياً. وكما هو الحال مع الغاز الطبيعي المسال (LNG) عند استيراده من الخارج، يُسَلَّل الهيدروجين أثناء النقل، مما يُقلل حجمه إلى 1/800 من حالته الغازية. في عام 2020، أكملنا أول ناقل هيدروجين سائل في العالم. مع ذلك، لا يُناسب هذا النهج مركبات خلايا الوقود لأنه يتطلب طاقة كبيرة للتبريد.
هناك طريقة للتخزين والشحن في خزانات مثل هذه، ولكننا نعمل أيضًا على تطوير طرق أخرى لتخزين الهيدروجين.
طريقة التخزين هي استخدام سبائك تخزين الهيدروجين. يتميز الهيدروجين بخاصية اختراق المعادن وتلفها. هذه فكرة تطويرية طُوّرت في الولايات المتحدة في ستينيات القرن الماضي. جيه جيه رايلي وآخرون. أظهرت التجارب إمكانية تخزين الهيدروجين وإطلاقه باستخدام سبيكة من المغنيسيوم والفاناديوم.
وبعد ذلك، نجح في تطوير مادة مثل البلاديوم، التي يمكنها امتصاص الهيدروجين بمقدار 935 مرة حجمها.
ميزة استخدام هذه السبائك هي منع حوادث تسرب الهيدروجين (وخاصةً حوادث الانفجار). لذلك، يُمكن تخزينها ونقلها بأمان. مع ذلك، إذا لم تُراعَ الحذر وتركتها في بيئة غير مناسبة، فقد تُطلق سبائك تخزين الهيدروجين غاز الهيدروجين مع مرور الوقت. حتى شرارة صغيرة قد تُسبب انفجارًا، لذا توخَّ الحذر.
كما أن لها عيبًا يتمثل في أن الامتصاص المتكرر للهيدروجين وامتصاصه يؤدي إلى هشاشة المادة وتقليل معدل امتصاص الهيدروجين.
الطريقة الأخرى هي استخدام الأنابيب. يشترط أن تكون غير مضغوطة ومنخفضة الضغط لمنع هشاشة الأنابيب، ولكن الميزة تكمن في إمكانية استخدام أنابيب الغاز الموجودة. نفذت شركة طوكيو للغاز أعمال بناء مشروع هارومي فلاج، باستخدام أنابيب غاز المدينة لتزويد خلايا الوقود بالهيدروجين.

مجتمع المستقبل الذي أنشأته طاقة الهيدروجين

وأخيرا، دعونا نفكر 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، اعتمدت بعض المنازل أنظمة مثل ENE-FARM، التي تستخدم الهيدروجين الناتج عن إعادة تشكيل الغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء اللازمة. إلا أن السؤال المطروح هو: كيف يمكن استخدام النواتج الثانوية لعملية إعادة التشكيل؟

في المستقبل، إذا زاد تداول الهيدروجين نفسه، مثل زيادة عدد محطات التزود بالهيدروجين، فسيكون من الممكن استخدام الكهرباء دون انبعاث ثاني أكسيد الكربون. تُنتج الكهرباء الهيدروجين الأخضر، بالطبع، لذا فهي تستخدم الكهرباء المُولّدة من ضوء الشمس أو الرياح. ينبغي أن تكون الطاقة المُستخدمة في التحليل الكهربائي هي القدرة على تقليل كمية الطاقة المُولّدة أو شحن البطارية القابلة لإعادة الشحن عند وجود فائض من الطاقة الطبيعية. بمعنى آخر، يكون الهيدروجين في نفس وضع البطارية القابلة لإعادة الشحن. إذا حدث هذا، فسيكون من الممكن في النهاية تقليل توليد الطاقة الحرارية. اليوم الذي ستختفي فيه محركات الاحتراق الداخلي من السيارات يقترب بسرعة.

يمكن الحصول على الهيدروجين أيضًا بطرق أخرى. في الواقع، يُعدّ الهيدروجين ناتجًا ثانويًا لإنتاج الصودا الكاوية، ومن بين منتجات أخرى، يُنتج فحم الكوك في صناعة الحديد. عند توزيعه، يُمكن الحصول على مصادر متعددة. كما تُوفّر محطات الهيدروجين غاز الهيدروجين المُنتَج بهذه الطريقة.

لننظر إلى المستقبل بتعمق. تُشكّل كمية الطاقة المفقودة أيضًا مشكلةً في طريقة نقل الطاقة التي تستخدم الأسلاك. لذلك، سنستخدم الهيدروجين الذي تنقله الأنابيب مستقبلًا، تمامًا مثل خزانات حمض الكربونيك المستخدمة في صنع المشروبات الغازية، وسنشتري خزان هيدروجين منزليًا لتوليد الكهرباء لكل منزل. أصبحت الأجهزة المحمولة التي تعمل ببطاريات الهيدروجين شائعة. سيكون من المثير للاهتمام أن نرى مستقبلًا كهذا.