صحة وجمال

الهيدروجين الاخضر

ظهر الهيدروجين الأخضر في الأخبار كثيرًا مؤخرًا. وعد الرئيس المنتخب بايدن باستخدام الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين الأخضر الذي يكلف أقل من الغاز الطبيعي. تخصص وزارة الطاقة ما يصل إلى 100 مليون دولار في البحث والتطوير لخلايا الهيدروجين والوقود. سيستثمر الاتحاد الأوروبي 430 مليار دولار في الهيدروجين الأخضر بحلول عام 2030 للمساعدة في تحقيق أهداف صفقته الخضراء. وتقوم كل من تشيلي واليابان وألمانيا والمملكة العربية السعودية وأستراليا باستثمارات كبيرة في الهيدروجين الأخضر.

إذن ، ما هو الهيدروجين الأخضر؟ ببساطة ، إنه وقود الهيدروجين الذي يتم إنشاؤه باستخدام الطاقة المتجددة بدلاً من الوقود الأحفوري. لديها القدرة على توفير طاقة نظيفة للتصنيع والنقل وغير ذلك - ومنتجها الثانوي الوحيد هو الماء.

من أين يأتي الهيدروجين الأخضر؟

الطاقة الهيدروجينية متعددة الاستخدامات ، حيث يمكن استخدامها في صورة غاز أو سائل ، وتحويلها إلى كهرباء أو وقود ، وهناك طرق عديدة لإنتاجها. يتم إنتاج ما يقرب من 70 مليون طن متري من الهيدروجين على مستوى العالم كل عام لاستخدامه في تكرير النفط وإنتاج الأمونيا وتصنيع الصلب وإنتاج الكيماويات والأسمدة ومعالجة الأغذية والمعادن وغير ذلك.

يوجد هيدروجين في الكون أكثر من أي عنصر آخر - تشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 90 في المائة من جميع الذرات عبارة عن هيدروجين. لكن ذرات الهيدروجين لا توجد في الطبيعة من تلقاء نفسها. لإنتاج الهيدروجين ، يجب فصل ذراته عن العناصر الأخرى التي تحدث بها - في الماء أو النباتات أو الوقود الأحفوري. تحدد كيفية إجراء هذا الفصل استدامة طاقة الهيدروجين.

يتم إنتاج معظم الهيدروجين المستخدم حاليًا من خلال عملية تسمى إصلاح الميثان بالبخار ، والتي تستخدم محفزًا لتفاعل الميثان والبخار عالي الحرارة ، مما ينتج عنه الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وكمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون. في عملية لاحقة ، يتفاعل أول أكسيد الكربون والبخار والمحفز لإنتاج المزيد من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. أخيرًا ، يتم إزالة ثاني أكسيد الكربون والشوائب ، تاركًا الهيدروجين النقي. يمكن أيضًا استخدام أنواع الوقود الأحفوري الأخرى ، مثل البروبان والبنزين والفحم في إعادة تشكيل البخار لإنتاج الهيدروجين. طريقة الإنتاج هذه - التي تعمل بالوقود الأحفوري - ينتج عنها هيدروجين رمادي بالإضافة إلى 830 مليون طن متري من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون كل عام ، وهو ما يعادل انبعاثات المملكة المتحدة وإندونيسيا مجتمعين.

عندما يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون الناتج من عملية إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار وتخزينه في مكان آخر ، يُطلق على الهيدروجين المنتج اسم الهيدروجين الأزرق.

يمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء ، ولا يترك سوى الأكسجين كمنتج ثانوي. يستخدم التحليل الكهربائي تيارًا كهربائيًا لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين في محلل كهربي. إذا تم إنتاج الكهرباء بواسطة الطاقة المتجددة ، مثل الطاقة الشمسية أو الرياح ، فإن الهيدروجين الناتج الخالي من الملوثات يسمى الهيدروجين الأخضر. يعد الانخفاض السريع في تكلفة الطاقة المتجددة أحد أسباب الاهتمام المتزايد بالهيدروجين الأخضر.

لماذا نحتاج الهيدروجين الأخضر

يتفق معظم الخبراء على أن الهيدروجين الأخضر سيكون ضروريًا لتحقيق أهداف اتفاقية باريس ، نظرًا لوجود أجزاء معينة من الاقتصاد يصعب التخلص من انبعاثاتها. في الولايات المتحدة ، تأتي المصادر الثلاثة الأولى لانبعاثات الاحتباس الحراري من النقل وتوليد الكهرباء والصناعة.

الشاحنات على الطريق السريع

من الصعب إزالة الكربون عن النقل بالشاحنات لمسافات طويلة. 

كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة والكهرباء المباشرة يمكن أن تقلل من الانبعاثات من إنتاج الكهرباء وجزء من النقل ؛ ولكن من الصعب إزالة الكربون عن آخر 15 في المائة أو نحو ذلك من الاقتصاد ، الذي يشمل الطيران والشحن والنقل بالشاحنات لمسافات طويلة وتصنيع الخرسانة والصلب ، لأن هذه القطاعات تتطلب وقودًا عالي الكثافة للطاقة أو حرارة شديدة. يمكن للهيدروجين الأخضر أن يلبي هذه الاحتياجات.

مزايا الهيدروجين الأخضر

الهيدروجين وفير وإمداداته لا حدود لها عمليا. يمكن استخدامه حيث يتم إنتاجه أو نقله في مكان آخر. على عكس البطاريات التي لا تستطيع تخزين كميات كبيرة من الكهرباء لفترات طويلة من الزمن ، يمكن إنتاج الهيدروجين من الطاقة المتجددة الزائدة وتخزينه بكميات كبيرة لفترة طويلة. الجنيه للرطل ، يحتوي الهيدروجين على ما يقرب من ثلاثة أضعاف الطاقة التي يحتويها الوقود الأحفوري ، لذلك هناك حاجة إلى القليل منه للقيام بأي عمل. ومن المزايا الخاصة للهيدروجين الأخضر أنه يمكن إنتاجه أينما وجد الماء والكهرباء لتوليد المزيد من الكهرباء أو الحرارة.

للهيدروجين استخدامات عديدة. يمكن استخدام الهيدروجين الأخضر في الصناعة ويمكن تخزينه في خطوط أنابيب الغاز الحالية لتشغيل الأجهزة المنزلية. يمكنه نقل الطاقة المتجددة عند تحويله إلى ناقل مثل الأمونيا ، وهو وقود خالٍ من الكربون للشحن ، على سبيل المثال.

يمكن أيضًا استخدام الهيدروجين مع خلايا الوقود لتشغيل أي شيء يستخدم الكهرباء ، مثل المركبات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية. وعلى عكس البطاريات ، لا تحتاج خلايا وقود الهيدروجين إلى إعادة الشحن ولن تنفد ، طالما أنها تحتوي على وقود الهيدروجين.

تعمل خلايا الوقود مثل البطاريات: يتم تغذية الهيدروجين إلى القطب الموجب ، ويتم تغذية القطب السالب بالأكسجين ؛ يتم فصلها بواسطة محفز وغشاء إلكتروليت يسمح فقط للبروتونات الموجبة الشحنة بالمرور إلى الكاثود. المحفز ينفصل عن إلكترونات الهيدروجين سالبة الشحنة ، مما يسمح للبروتونات موجبة الشحنة بالمرور عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب. في غضون ذلك ، تنتقل الإلكترونات عبر دائرة خارجية - تولد كهرباء يمكن تشغيلها - لتلتقي بالبروتونات في القطب السالب ، حيث تتفاعل مع الأكسجين لتكوين الماء.

السيارة التي تعمل بالهيدروجين

هيونداي الهيدروجين. الصورة: آدم جوتش

يستخدم الهيدروجين لتشغيل مركبات خلايا وقود الهيدروجين. نظرًا لكفاءتها في استخدام الطاقة ، تعد خلية وقود الهيدروجين أكثر كفاءة بمرتين إلى ثلاث مرات من محرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل بالغاز. ويبلغ متوسط ​​وقت إعادة التزود بالوقود للمركبة الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود أقل من أربع دقائق.

لأنها يمكن أن تعمل بشكل مستقل عن الشبكة ، يمكن استخدام خلايا الوقود في المجال العسكري أو في مناطق الكوارث والعمل كمولدات مستقلة للكهرباء أو الحرارة. عند تثبيتها في مكانها ، يمكن توصيلها بالشبكة لتوليد طاقة موثوقة متسقة.

تحديات الهيدروجين الأخضر

إن قابليته للاشتعال وخفته تعني أن الهيدروجين ، مثل أنواع الوقود الأخرى ، يحتاج إلى التعامل معه بشكل صحيح. العديد من أنواع الوقود قابلة للاشتعال. بالمقارنة مع البنزين والغاز الطبيعي والبروبان ، فإن الهيدروجين أكثر قابلية للاشتعال في الهواء. ومع ذلك ، فإن التركيزات المنخفضة من الهيدروجين لها قابلية اشتعال مماثلة لأنواع الوقود الأخرى. نظرًا لأن الهيدروجين خفيف جدًا - أخف بحوالي 57 مرة من أبخرة البنزين - فإنه يمكن أن ينتشر بسرعة في الغلاف الجوي ، وهي ميزة أمان إيجابية.

نظرًا لأن الهيدروجين أقل كثافة بكثير من البنزين ، فمن الصعب نقله. يحتاج إما إلى التبريد إلى -253 درجة مئوية لتسييله ، أو يحتاج إلى الضغط حتى 700 مرة من الضغط الجوي حتى يمكن نقله كغاز مضغوط. حاليًا ، يتم نقل الهيدروجين عبر خطوط أنابيب مخصصة ، في شاحنات صهاريج سائلة منخفضة الحرارة ، أو في مقطورات أنبوبية تحمل الهيدروجين الغازي ، أو عن طريق السكك الحديدية أو البارجة.

اليوم 1600 ميل من خطوط أنابيب الهيدروجين تنقل الهيدروجين الغازي حول الولايات المتحدة ، بشكل رئيسي في المناطق التي يستخدم فيها الهيدروجين في المصانع الكيماوية ومعامل التكرير ، لكن هذه البنية التحتية ليست كافية لاستيعاب الاستخدام الواسع للهيدروجين.

تستخدم خطوط أنابيب الغاز الطبيعي أحيانًا لنقل كمية محدودة فقط من الهيدروجين لأن الهيدروجين يمكن أن يجعل الأنابيب الفولاذية واللحام هشة ، مما يتسبب في حدوث تشققات. عندما يتم مزج أقل من 5 إلى 10 في المائة منه مع الغاز الطبيعي ، يمكن توزيع الهيدروجين بأمان عبر البنية التحتية للغاز الطبيعي. لتوزيع الهيدروجين النقي ، ستتطلب خطوط أنابيب الغاز الطبيعي تعديلات كبيرة لتجنب التقصف المحتمل للأنابيب المعدنية ، أو قد يلزم إنشاء خطوط أنابيب هيدروجين منفصلة تمامًا.

تم تقييد تكنولوجيا خلايا الوقود بسبب التكلفة العالية لخلية الوقود

كل ذلك يعود إلى التكلفة

يمكن في الواقع تقليل العقبات المختلفة التي يواجهها الهيدروجين الأخضر إلى واحدة فقط: التكلفة. يعتقد جوليو فريدمان ، كبير الباحثين في مركز سياسة الطاقة العالمية بجامعة كولومبيا ، أن التحدي الحقيقي الوحيد للهيدروجين الأخضر هو سعره. وقال إن حقيقة أن 70 مليون طن من الهيدروجين يتم إنتاجها كل عام وأنه يتم شحنها في خطوط الأنابيب في جميع أنحاء الولايات المتحدة تظهر أن القضايا التقنية لتوزيع واستخدام الهيدروجين "واضحة ومفهومة بشكل معقول".

المشكلة هي أن الهيدروجين الأخضر يكلف حاليًا ثلاثة أضعاف تكلفة الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة وإنتاج الهيدروجين الأخضر أغلى بكثير من إنتاج الهيدروجين الرمادي أو الأزرق لأن التحليل الكهربائي باهظ التكلفة ، على الرغم من أن أسعار المحلل الكهربائي تنخفض مع ارتفاع مستوى التصنيع. في الوقت الحالي ، يكلف الهيدروجين الرمادي حوالي 1.50 يورو (1.84 دولارًا أمريكيًا) للكيلوغرام الواحد ، ويتكلف اللون الأزرق من 2 إلى 3 يورو للكيلوغرام ، ويتكلف اللون الأخضر 3.50 يورو إلى 6 يورو للكيلوغرام ، وفقًا لدراسة حديثة.

قام فريدمان بتفصيل ثلاث استراتيجيات أساسية لخفض سعر الهيدروجين الأخضر حتى يشتريه المزيد من الناس:

دعم الابتكار في إنتاج واستخدام الهيدروجين الجديد. وأشار إلى أن مشروع قانون التحفيز الذي أقره الكونجرس للتو يوفر هذا الدعم سيساعد في خفض تكلفة خلايا الوقود وإنتاج الهيدروجين الأخضر في السنوات القادمة.

دعم أسعار الهيدروجين ، مثل الائتمان الضريبي للاستثمار أو الائتمان الضريبي للإنتاج المماثل لتلك التي تم إنشاؤها لطاقة الرياح والطاقة الشمسية والتي ساعدت في خفض أسعارها.

معيار تنظيمي للحد من الانبعاثات. على سبيل المثال ، يتم استخدام نصف الأمونيا المستخدمة اليوم في إنتاج الأسمدة. قال فريدمان: "إذا قلنا ،" لدينا معيار انبعاثات للأمونيا منخفضة الكربون "، فسيبدأ الناس في استخدام الهيدروجين منخفض الكربون لصنع الأمونيا ، وهو ما لم يفعلوه اليوم ، لأنه يكلف أكثر. "ولكن إذا كان لديك لائحة تنص على أنه يجب عليك ذلك ، فهذا يسهل عليك القيام بذلك." خيار تنظيمي آخر هو أن الحكومة يمكن أن تقرر شراء الهيدروجين الأخضر وأن تطلب تصنيع جميع أنواع الوقود العسكري بنسبة معينة من الهيدروجين الأخضر.

صمم الحرس الوطني بكاليفورنيا خلايا وقود الهيدروجين التي تستخدم الطاقة الشمسية للتحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر

صمم الحرس الوطني بكاليفورنيا خلايا وقود الهيدروجين التي تستخدم الطاقة الشمسية للتحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر. الصورة: قيادة البيئة بالجيش الأمريكي

مستقبل الهيدروجين الأخضر

قدرت دراسة أجرتها شركة McKinsey أنه بحلول عام 2030 ، يمكن أن يولد اقتصاد الهيدروجين في الولايات المتحدة 140 مليار دولار ويدعم 700000 وظيفة.

يعتقد فريدمان أنه سيكون هناك استخدام كبير للهيدروجين الأخضر خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة ، خاصة في أوروبا واليابان. ومع ذلك ، فهو يعتقد أنه سيتم الوصول إلى حدود البنية التحتية الحالية بسرعة كبيرة - كل من البنية التحتية لخطوط الأنابيب وكذلك خطوط النقل ، لأن تصنيع الهيدروجين الأخضر سيتطلب طاقة كهربائية أكثر بنسبة 300 في المائة مما لدينا الآن. وقال: "سنصل إلى حدود تصنيع أجهزة التحليل الكهربائي ، والبنية التحتية للكهرباء ، وقدرة الموانئ على تصنيع المواد وشحنها ، والسرعة التي يمكننا بها تعديل الصناعات". "ليس لدينا رأس المال البشري ، وليس لدينا البنية التحتية. سيستغرق القيام بهذه الأشياء بعض الوقت ".

يتوقع العديد من الخبراء أن تمر 10 سنوات قبل أن نرى انتشار استخدام الهيدروجين الأخضر ؛ ومع ذلك ، يؤكد فريدمان أن هذا الإسقاط لمدة 10 سنوات يستند إلى عدد من الافتراضات. قال: "إنها تقوم على التصنيع الشامل للمحلل الكهربائي ، وهو ما لم يحدث في أي مكان في العالم". "إنها مبنية على مجموعة من التغييرات في السياسة التي لم يتم إجراؤها والتي من شأنها دعم الأسواق. إنها مبنية على مجموعة من تغييرات البنية التحتية التي تحركها تلك الأسواق ".

باحثين في المختبر

يعمل الباحثون على تخزين الهيدروجين ، وسلامة الهيدروجين ، وتطوير المحفزات وخلايا الوقود. الصورة: المختبرات النووية الكندية

هناك عدد من مشاريع الطاقة الخضراء في الولايات المتحدة وحول العالم تحاول مواجهة هذه التحديات وتعزيز اعتماد الهيدروجين. وفيما يلي بعض الأمثلة على ذلك.

ستستثمر كاليفورنيا 230 مليون دولار في مشاريع الهيدروجين قبل عام 2023 ؛ وأكبر مشروع هيدروجين أخضر في العالم يجري بناؤه في لانكستر ، كاليفورنيا من قبل شركة الطاقة SGH2. سيستخدم هذا المصنع المبتكر تغويز النفايات ، حيث يحرق 42000 طن من النفايات الورقية المعاد تدويرها سنويًا لإنتاج الهيدروجين الأخضر. نظرًا لأنه لا يستخدم التحليل الكهربائي والطاقة المتجددة ، فإن الهيدروجين الخاص به سيكون منافسًا من حيث التكلفة مع الهيدروجين الرمادي.

يدفع تحالف الهيدروجين الجديد للدول الغربية ، المكون من قادة في صناعة الهيدروجين وخلايا الوقود للخدمة الشاقة ، لتطوير ونشر تكنولوجيا خلايا الوقود والبنية التحتية في 13 ولاية غربية.

تعمل شركة Hydrogen Europe Industry ، وهي جمعية رائدة تعمل على تعزيز الهيدروجين ، على تطوير عملية لإنتاج الهيدروجين النقي من تغويز الكتلة الحيوية من بقايا المحاصيل والغابات. نظرًا لأن الكتلة الحيوية تمتص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي أثناء نموها ، تؤكد الرابطة أنها تنتج عددًا قليلاً نسبيًا من انبعاثات الكربون الصافية.

تستثمر شركة Breakthrough Energy ، التي شارك في تأسيسها بيل جيتس ، في مشروع بحث وتطوير هيدروجين أخضر جديد يسمى المركز الأوروبي لتسريع الهيدروجين الأخضر. ويهدف إلى سد فجوة الأسعار بين تقنيات الوقود الأحفوري الحالية والهيدروجين الأخضر. استثمرت شركة Breakthrough Energy أيضًا في ZeroAvia ، وهي شركة تعمل على تطوير الطيران الذي يعمل بوقود الهيدروجين.

في ديسمبر ، أطلقت الأمم المتحدة مبادرة Green Hydrogen Catapult ، التي جمعت سبعة من أكبر مطوري مشاريع الهيدروجين الأخضر العالمية بهدف خفض تكلفة الهيدروجين الأخضر إلى أقل من 2 دولار للكيلوغرام وزيادة إنتاج الهيدروجين الأخضر 50 ضعفًا بحلول عام 2027 .

في النهاية ، ما إذا كان الهيدروجين الأخضر يفي بوعده أم لا يعتمد على مدى استعداد شركات صناعة السيارات ومطوري محطات الوقود وشركات الطاقة والحكومات للاستثمار فيه على مدى السنوات القادمة.

ولكن نظرًا لأن عدم القيام بأي شيء بشأن الاحتباس الحراري ليس خيارًا ، فإن الهيدروجين الأخضر لديه قدر كبير من الإمكانات ، وفريدمان متفائل بشأن مستقبله. قال "الهيدروجين الأخضر مثير". "إنه أمر مثير لأنه يمكننا استخدامه في كل قطاع. إنه أمر مثير لأنه يعالج أصعب أجزاء المشكلة - الصناعة والنقل الثقيل. إنه أمر مثير للاهتمام ، لأن التكاليف آخذة في الانخفاض. وهناك الكثير من الطرق لصنع هيدروجين خالٍ من الكربون باللونين الأزرق والأخضر. يمكننا حتى صنع هيدروجين الكربون السالب باستخدام الهيدروجين الحيوي. قبل عشرين عامًا ، لم تكن لدينا حقًا التكنولوجيا أو الوسائل اللازمة للقيام بذلك. والآن نحن نفعل ذلك ".