حول الجيل القادم من طاقة الهيدروجين

وسوف نقدم "الهيدروجين"، وهو الجيل القادم من الطاقة المحايدة للكربون. وينقسم الهيدروجين إلى ثلاثة أنواع: "الهيدروجين الأخضر"، و"الهيدروجين الأزرق"، و"الهيدروجين الرمادي"، ولكل منها طريقة إنتاج مختلفة. وسنشرح أيضًا كل طريقة من طرق التصنيع، والخصائص الفيزيائية كعناصر، وطرق التخزين/النقل، وطرق الاستخدام. وسوف أعرض أيضًا سبب كونه مصدر الطاقة المهيمن للجيل القادم.

التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين الأخضر

عند استخدام الهيدروجين، من المهم "إنتاج الهيدروجين" على أي حال. أسهل طريقة هي "تحليل الماء بالكهرباء". ربما فعلت ذلك في العلوم في المدرسة الابتدائية. املأ الدورق بالماء والأقطاب الكهربائية في الماء. عند توصيل البطارية بالأقطاب الكهربائية وتنشيطها، تحدث التفاعلات التالية في الماء وفي كل قطب كهربائي.
عند الكاثود، يتحد H+ والإلكترونات لإنتاج غاز الهيدروجين، بينما ينتج الأنود الأكسجين. ومع ذلك، فإن هذا النهج جيد للتجارب العلمية المدرسية، ولكن لإنتاج الهيدروجين صناعيا، يجب إعداد آليات فعالة مناسبة للإنتاج على نطاق واسع. هذا هو "التحليل الكهربائي لغشاء البوليمر بالكهرباء (PEM)."
في هذه الطريقة، يتم وضع غشاء بوليمر نصف نافذ يسمح بمرور أيونات الهيدروجين بين الأنود والكاثود. عندما يتم سكب الماء في أنود الجهاز، تنتقل أيونات الهيدروجين الناتجة عن التحليل الكهربائي عبر غشاء نصف منفذ إلى الكاثود، حيث تصبح هيدروجينًا جزيئيًا. من ناحية أخرى، لا يمكن لأيونات الأكسجين المرور عبر الغشاء شبه المنفذ وتصبح جزيئات الأكسجين عند الأنود.
أيضًا في التحليل الكهربائي للمياه القلوية، يمكنك تكوين الهيدروجين والأكسجين عن طريق فصل الأنود والكاثود من خلال فاصل يمكن من خلاله فقط مرور أيونات الهيدروكسيد. بالإضافة إلى ذلك، هناك طرق صناعية مثل التحليل الكهربائي بالبخار عالي الحرارة.
ومن خلال إجراء هذه العمليات على نطاق واسع، يمكن الحصول على كميات كبيرة من الهيدروجين. وفي هذه العملية، يتم أيضًا إنتاج كمية كبيرة من الأكسجين (نصف حجم الهيدروجين المنتج)، بحيث لن يكون له أي تأثير سلبي على البيئة إذا تم إطلاقه في الغلاف الجوي. ومع ذلك، يتطلب التحليل الكهربائي الكثير من الكهرباء، لذلك يمكن إنتاج الهيدروجين الخالي من الكربون إذا تم إنتاجه بالكهرباء التي لا تستخدم الوقود الأحفوري، مثل توربينات الرياح والألواح الشمسية.
يمكنك الحصول على "الهيدروجين الأخضر" عن طريق التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الطاقة النظيفة.

يوجد أيضًا مولد هيدروجين لإنتاج هذا الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع. باستخدام PEM في قسم المحلل الكهربائي، يمكن إنتاج الهيدروجين بشكل مستمر.

الهيدروجين الأزرق المصنوع من الوقود الأحفوري

إذًا، ما هي الطرق الأخرى لصنع الهيدروجين؟ يوجد الهيدروجين في الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي والفحم كمواد أخرى غير الماء. على سبيل المثال، النظر في غاز الميثان (CH4)، المكون الرئيسي للغاز الطبيعي. هناك أربع ذرات هيدروجين هنا. يمكنك الحصول على الهيدروجين عن طريق إخراج هذا الهيدروجين.
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.
وبهذه الطريقة، يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال عمليات مثل "الإصلاح بالبخار" و"التحلل الحراري" للغاز الطبيعي والفحم. يشير "الهيدروجين الأزرق" إلى الهيدروجين المنتج بهذه الطريقة.
ولكن في هذه الحالة، يتم إنتاج أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون كمنتجات ثانوية. لذلك عليك إعادة تدويرها قبل إطلاقها في الغلاف الجوي. وإذا لم يتم استرداد ثاني أكسيد الكربون الناتج عن ذلك، فإنه يتحول إلى غاز الهيدروجين، المعروف باسم "الهيدروجين الرمادي".

أي نوع من العناصر هو الهيدروجين؟

الهيدروجين لديه العدد الذري 1 وهو العنصر الأول في الجدول الدوري.
عدد الذرات هو الأكبر في الكون، إذ يشكل حوالي 90% من جميع العناصر الموجودة في الكون. أصغر ذرة تتكون من بروتون وإلكترون هي ذرة الهيدروجين.
يحتوي الهيدروجين على نظيرين مع نيوترونات متصلة بالنواة. واحد من "الديوتيريوم" المرتبط بالنيوترونات واثنين من "التريتيوم" المرتبطين بالنيوترونات. وهذه أيضًا مواد لتوليد الطاقة الاندماجية.
داخل نجم كالشمس، يحدث اندماج نووي من الهيدروجين إلى الهيليوم، وهو مصدر الطاقة لتألق النجم.
ومع ذلك، نادرا ما يتواجد الهيدروجين كغاز على الأرض. يشكل الهيدروجين مركبات مع عناصر أخرى مثل الماء والميثان والأمونيا والإيثانول. وبما أن الهيدروجين عنصر خفيف، فكلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت سرعة حركة جزيئات الهيدروجين، وهربت من جاذبية الأرض إلى الفضاء الخارجي.

كيفية استخدام الهيدروجين؟ الاستخدام عن طريق الاحتراق

إذن، كيف يتم استخدام "الهيدروجين"، الذي اجتذب اهتماما عالميا باعتباره مصدرا للطاقة من الجيل التالي؟ يتم استخدامه بطريقتين رئيسيتين: “الاحتراق” و “خلية الوقود”. لنبدأ باستخدام "الحرق".
هناك نوعان رئيسيان من الاحتراق المستخدم.
الأول هو كوقود الصواريخ. يستخدم صاروخ H-IIA الياباني غاز الهيدروجين "الهيدروجين السائل" و"الأكسجين السائل" والذي يكون أيضًا في حالة تبريد كوقود. يتم الجمع بين هذين الاثنين، وتعمل الطاقة الحرارية المتولدة في ذلك الوقت على تسريع حقن جزيئات الماء المتولدة، وتطير إلى الفضاء. ومع ذلك، نظرًا لأنه محرك صعب من الناحية الفنية، باستثناء اليابان، فإن الولايات المتحدة وأوروبا وروسيا والصين والهند فقط هي التي نجحت في دمج هذا الوقود.
والثاني هو توليد الطاقة. يستخدم توليد الطاقة من توربينات الغاز أيضًا طريقة الجمع بين الهيدروجين والأكسجين لتوليد الطاقة. بمعنى آخر، إنها طريقة تنظر إلى الطاقة الحرارية التي ينتجها الهيدروجين. في محطات الطاقة الحرارية، تنتج الحرارة الناتجة عن حرق الفحم والنفط والغاز الطبيعي البخار الذي يحرك التوربينات. إذا تم استخدام الهيدروجين كمصدر للحرارة، فإن محطة الطاقة ستكون محايدة للكربون.

كيفية استخدام الهيدروجين؟ تستخدم كخلية وقود

هناك طريقة أخرى لاستخدام الهيدروجين وهي استخدامه كخلية وقود، حيث يقوم بتحويل الهيدروجين مباشرة إلى كهرباء. على وجه الخصوص، لفتت شركة تويوتا الانتباه في اليابان من خلال الترويج للمركبات التي تعمل بوقود الهيدروجين بدلاً من السيارات الكهربائية كبديل لمركبات البنزين كجزء من تدابيرها المضادة للاحتباس الحراري.
وعلى وجه التحديد، فإننا نقوم بالإجراء العكسي عندما نقدم طريقة تصنيع "الهيدروجين الأخضر". الصيغة الكيميائية هي كما يلي.
يمكن للهيدروجين توليد الماء (الماء الساخن أو البخار) أثناء توليد الكهرباء، ويمكن تقييمه لأنه لا يشكل عبئا على البيئة. من ناحية أخرى، تتمتع هذه الطريقة بكفاءة توليد طاقة منخفضة نسبيًا تبلغ 30-40%، وتتطلب البلاتين كمحفز، وبالتالي تتطلب تكاليف متزايدة.
حاليًا، نستخدم خلايا وقود البوليمر بالكهرباء (PEFC) وخلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC). على وجه الخصوص، تستخدم مركبات خلايا الوقود PEFC، لذلك من المتوقع أن تنتشر في المستقبل.

هل تخزين ونقل الهيدروجين آمن؟

نعتقد الآن أنك تفهم كيفية صنع غاز الهيدروجين واستخدامه. فكيف يمكنك تخزين هذا الهيدروجين؟ كيف يمكنك الحصول عليه حيث كنت في حاجة إليها؟ وماذا عن الأمن في ذلك الوقت؟ سنشرح.
في الواقع، الهيدروجين هو أيضًا عنصر خطير جدًا. في بداية القرن العشرين، استخدمنا الهيدروجين كغاز لتطفو المناطيد والبالونات والمناطيد في السماء لأنه كان خفيفًا جدًا. ومع ذلك، في 6 مايو 1937، في نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية، وقع "انفجار المنطاد هيندنبورغ".
منذ وقوع الحادث، أصبح من المسلم به على نطاق واسع أن غاز الهيدروجين خطير. خاصة عندما تشتعل فيها النيران، فسوف تنفجر بعنف مع الأكسجين. ولذلك فإن "الابتعاد عن الأكسجين" أو "الابتعاد عن الحرارة" أمر ضروري.
وبعد اتخاذ هذه الإجراءات توصلنا إلى طريقة الشحن.
الهيدروجين هو غاز في درجة حرارة الغرفة، لذلك على الرغم من أنه لا يزال غازًا، إلا أنه ضخم جدًا. الطريقة الأولى هي تطبيق الضغط العالي والضغط مثل الاسطوانة عند صنع المشروبات الغازية. تحضير خزان خاص للضغط العالي وتخزينه تحت ظروف الضغط العالي مثل 45Mpa.
تقوم شركة تويوتا، التي تطور مركبات خلايا الوقود (FCV)، بتطوير خزان هيدروجين عالي الضغط من الراتنج يمكنه تحمل ضغط يصل إلى 70 ميجا باسكال.
هناك طريقة أخرى وهي التبريد إلى -253 درجة مئوية لإنتاج الهيدروجين السائل وتخزينه ونقله في خزانات خاصة معزولة بالحرارة. مثل الغاز الطبيعي المسال (LNG) عند استيراد الغاز الطبيعي من الخارج، يتم تسييل الهيدروجين أثناء النقل، مما يقلل حجمه إلى 1/800 من حالته الغازية. في عام 2020، أكملنا أول ناقلة للهيدروجين السائل في العالم. ومع ذلك، فإن هذا النهج غير مناسب للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود لأنها تتطلب الكثير من الطاقة للتبريد.
هناك طريقة للتخزين والشحن في خزانات كهذه، لكننا نعمل أيضًا على تطوير طرق أخرى لتخزين الهيدروجين.
طريقة التخزين هي استخدام سبائك تخزين الهيدروجين. يمتلك الهيدروجين خاصية اختراق المعادن وإتلافها. هذه نصيحة تطويرية تم تطويرها في الولايات المتحدة في ستينيات القرن العشرين. جي جي رايلي وآخرون. أظهرت التجارب أنه يمكن تخزين الهيدروجين وإطلاقه باستخدام سبيكة من المغنيسيوم والفاناديوم.
بعد ذلك، نجح في تطوير مادة، مثل البلاديوم، يمكنها امتصاص الهيدروجين بمقدار 935 ضعف حجمه.
ميزة استخدام هذه السبائك هي أنها يمكن أن تمنع حوادث تسرب الهيدروجين (حوادث الانفجار بشكل رئيسي). لذلك، يمكن تخزينها ونقلها بأمان. ومع ذلك، إذا لم تكن حذرًا وتركتها في بيئة خاطئة، فيمكن لسبائك تخزين الهيدروجين إطلاق غاز الهيدروجين بمرور الوقت. حسنًا، حتى الشرارة الصغيرة يمكن أن تسبب حادث انفجار، لذا كن حذرًا.
كما أن له عيبًا أن تكرار امتصاص الهيدروجين وامتزازه يؤدي إلى التقصف وتقليل معدل امتصاص الهيدروجين.
والآخر هو استخدام الأنابيب. هناك شرط أن يكون غير مضغوط ومنخفض الضغط لمنع تقصف الأنابيب، ولكن الميزة هي أنه يمكن استخدام أنابيب الغاز الموجودة. نفذت شركة طوكيو للغاز أعمال البناء في Harumi FLAG، باستخدام خطوط أنابيب الغاز في المدينة لتزويد خلايا الوقود بالهيدروجين.

مجتمع المستقبل الذي أنشأته الطاقة الهيدروجينية

أخيرًا، 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.
وبدلاً من محطات الطاقة الحرارية الكبيرة، أدخلت بعض الأسر أنظمة مثل ENE-FARM، والتي تستخدم الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه عن طريق إصلاح الغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء المطلوبة. ومع ذلك، يبقى السؤال حول ما يجب فعله بالمنتجات الثانوية لعملية الإصلاح.

وفي المستقبل، إذا زاد تداول الهيدروجين نفسه، مثل زيادة عدد محطات التزود بالوقود الهيدروجيني، فسيكون من الممكن استخدام الكهرباء دون انبعاث ثاني أكسيد الكربون. تنتج الكهرباء الهيدروجين الأخضر بالطبع، لذلك فهي تستخدم الكهرباء المولدة من ضوء الشمس أو الرياح. يجب أن تكون الطاقة المستخدمة في التحليل الكهربائي هي القدرة على قمع كمية الطاقة المولدة أو شحن البطارية القابلة لإعادة الشحن عندما يكون هناك فائض من الطاقة من الطاقة الطبيعية. بمعنى آخر، الهيدروجين موجود في نفس موضع البطارية القابلة لإعادة الشحن. إذا حدث هذا، فسيكون من الممكن في النهاية تقليل توليد الطاقة الحرارية. يقترب بسرعة اليوم الذي يختفي فيه محرك الاحتراق الداخلي من السيارات.

ويمكن أيضًا الحصول على الهيدروجين عبر طريق آخر. في الواقع، لا يزال الهيدروجين منتجًا ثانويًا لإنتاج الصودا الكاوية. ومن بين أمور أخرى، فهو منتج ثانوي لإنتاج فحم الكوك في صناعة الحديد. إذا وضعت هذا الهيدروجين في التوزيع، فستتمكن من الحصول على مصادر متعددة. يتم توفير غاز الهيدروجين المنتج بهذه الطريقة أيضًا بواسطة محطات الهيدروجين.

دعونا ننظر أبعد في المستقبل. تمثل كمية الطاقة المفقودة أيضًا مشكلة في طريقة النقل التي تستخدم الأسلاك لتزويد الطاقة. لذلك، في المستقبل، سوف نستخدم الهيدروجين الذي يتم توصيله عبر خطوط الأنابيب، تمامًا مثل خزانات حمض الكربونيك المستخدمة في صنع المشروبات الغازية، ونشتري خزان الهيدروجين في المنزل لتوليد الكهرباء لكل منزل. أصبحت الأجهزة المحمولة التي تعمل ببطاريات الهيدروجين شائعة. سيكون من المثير للاهتمام رؤية مثل هذا المستقبل.