كيف تمكّن المحللات الكهربائية AEM من إنتاج الهيدروجين الموزع

التحول نحو بنية تحتية للهيدروجين اللامركزية

نشهد تغييرًا كبيرًا يحدث في طريقة إنتاج واستخدام الطاقة عالميًا. يتم استبدال الأنظمة التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري تدريجيًا بشبكات هيدروجينية وحداتية. ولماذا؟ لأن تخزين الطاقة المتجددة محليًا أصبح أرخص بكثير خلال السنوات القليلة الماضية. وفقًا لأبحاث مجلس الهيدروجين لعام 2023، انخفضت تكاليف التخزين بنسبة تقارب 60٪ منذ عام 2020. مما يجعل أجهزة التحليل الكهربائي AEM مهمة جدًا في هذه المرحلة الانتقالية. تتيح هذه الأجهزة للمجتمعات إنتاج الهيدروجين مباشرةً في المكان الذي تحتاج إليه، سواء كان ذلك مزرعة شمسية صغيرة تُنتج حوالي 500 كيلوواط من الكهرباء أو أنظمة أكبر تصل إلى 20 ميجاواط للصناعات. والأفضل من ذلك؟ أنها لا تتطلب خطوط أنابيب باهظة الثمن لنقل الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، تعمل هذه الأنظمة بشكل جيد مع المصادر المتجددة المتقطعة مثل الرياح والشمس، ولهذا السبب تجد الأماكن التي تعاني من شبكات كهرباء غير مستقرة فيها فائدة كبيرة. فكّر في تلك المحطات الصغيرة في المناطق النائية بجنوب الصحراء الكبرى في أفريقيا، حيث لا يمكن عمليًا الاتصال بالشبكة العادية.

المبدأ الأساسي: تحليل الماء باستخدام غشاء تبادل الأنيونات (AEM)

تعمل أنظمة غشاء تبادل الأنيونات (AEM) على تفكيك جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين من خلال أغشية خاصة توصّل الهيدروكسيد، بالإضافة إلى مواد محفزة مثل سبائك النيكل والحديد. وتختلف هذه الأنظمة عن وحدات التحليل الكهربائي التقليدية باستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM) التي تتطلب معادن نبيلة باهظة الثمن. وفقًا لأحدث النتائج الواردة في تقرير ابتكارات المواد لعام 2024، تصل تقنية AEM إلى كفاءة تبلغ حوالي 75 بالمئة عند تشغيلها بكثافة تيار تبلغ نحو 2 أمبير لكل سنتيمتر مربع. ما يميز هذه الأنظمة هو تخفيضها لنفقات العوامل المساعدة بنحو تسعين بالمئة مقارنةً بالبدائل. وبما أنها تقدّم أداءً جيدًا دون تكلفة باهظة، يرى كثير من الخبراء أن هذه الأنظمة مناسبة للتطبيقات الصغيرة أو لأنظمة إنتاج الطاقة اللامركزية حيث تظل التكلفة عاملًا رئيسيًا.

التطبيق العملي: استخدام AEM في الشبكات المجهرية المتجددة في المناطق الريفية

في عام 2023، شاهد الباحثون كيف استمرت أجهزة التحليل الكهربائي AEM في تشغيل شبكة كهرباء شمسية صغيرة بقدرة 5 ميغاواط بسلاسة عبر أرخبيل إندونيسيا. وقد أنتجت هذه الأنظمة حوالي 12 طناً من الهيدروجين كل شهر، استخدمه المزارعون المحليون في تصنيع الأسمدة وكذلك كمصدر للطاقة في حالات الطوارئ خلال الأيام الغائمة. حتى عندما تباينت مستويات أشعة الشمس بنسبة 40٪ على مدار اليوم، تمكّن النظام لا يزال من العمل بكفاءة بلغت 68٪. وهذا في الواقع أمر مثير للإعجاب مقارنةً بنماذج الإلكتروليت القاعدية الأقدم، التي كانت تتأخر بنحو 22٪ عند التعامل مع متطلبات الطاقة المتغيرة. اليوم، بدأت عدة شركات تصنيع رائدة في طرح وحدات AEM مدمجة ومعبأة داخل حاويات. ويمكن لهذه الوحدات الاتصال بسهولة بمزارع الرياح أو المنشآت الشمسية الحالية دون الحاجة إلى بنية تحتية جديدة مكلفة، ما يجعل إنتاج الهيدروجين الأخضر أكثر سهولة بالنسبة للمجتمعات في جميع أنحاء العالم.

التوافق الاستراتيجي مع أهداف الصمود الطاقي المحلية

عندما يتعلق الأمر بإنتاج الهيدروجين، فإن التكنولوجيا القائمة على الغشاء المعياري القلوي (AEM) تساعد الدول حقًا في تعزيز أمنها الطاقي، خاصةً الخطط مثل مبادرة الاتحاد الأوروبي REPowerEU التي تهدف إلى إنتاج نحو 20 مليون طن من الهيدروجين الأخضر سنويًا بحلول عام 2030. ويقلل الإنتاج المحلي من الحاجة لاستيراد الوقود الأجنبي، وهي نقطة بالغة الأهمية في الوقت الراهن. علاوةً على ذلك، هناك ما يُعرف باقتصاد الدورة المغلقة الذي بدأ يظهر أيضًا. فعلى سبيل المثال، تقوم النرويج باستخدام الهيدروجين المتبقي لتشغيل سيارات الإسعاف. وفي الوقت نفسه، يستخدم الألمان الهيدروجين الفائض للمساعدة في تنظيف عمليات إنتاج الفولاذ. ما يجعل هذا النهج ذكيًا للغاية هو قدرته على التكيف مع الاحتياجات الفعلية لكل منطقة، وكل ذلك دون أن يتعطل انتظارًا للمواد النادرة الصعبة التي بات الجميع يتنافس عليها مؤخرًا.

التطورات التكنولوجية وأداء وحدات التحليل الكهربائي AEM

المحفزات المعدنية غير الثمينة: دفع عجلة الابتكار في أنظمة AEM

تحلّ مصانع التحليل الكهربائي باستخدام غشاء التحليل القاعدي (AEM) محل الاعتماد على المعادن النادرة المكلفة من مجموعة البلاتين، وذلك بالتحول إلى عوامل حفازة مصنوعة من النيكل والحديد. وفقًا لبعض الأبحاث الحديثة المنشورة في المجلة العربية للعلوم الكيميائية عام 2023، فإن هذه المواد الجديدة تُحقق أداءً مماثلاً لأنظمة PEM التقليدية من حيث كثافة التيار، لكنها تقلل من تكاليف المواد بنسبة تتراوح بين ثلاثين إلى خمسين بالمئة. ما يجعل هذا التطور مثيرًا جدًا هو مدى تناسقه مع التوجه العالمي نحو جعل إنتاج الهيدروجين الأخضر أكثر سهولة. وقد بدأت الشركات المصنعة باعتماد هذه الأساليب نظرًا لوجود طرق واضحة الآن لتوسيع الإنتاج، وفقًا لمراجعات صناعية منشورة في مجلات متخصصة في علوم المواد.

الكفاءة والقابلية للتوسيع: مقارنة تقنية AEM بأنواع أخرى من مصانع التحليل الكهربائي

تعمل أجهزة التحليل الكهربائي التي تستخدم أغشية تبادل الأنيونات (AEM) عادةً بكفاءة تتراوح بين 70 و75 بالمئة عند التشغيل في درجات حرارة منخفضة، وهي كفاءة أفضل من أنظمة التحليل الكهربائي القلوية التقليدية التي تتراوح كفاءتها بين 60 و65 بالمئة. كما يمكنها المنافسة مع تقنية أغشية تبادل البروتون (PEM) دون الحاجة إلى محفزات الإيريديوم الباهظة التكلفة التي ترفع من المصروفات. ما يميز هذه الوحدات حقًا هو هيكلها الوحداتي الذي يتيح للمشغلين توسيع العمليات من واحد كيلوواط فقط حتى عدة ميغاواط. تعني هذه المرونة أنها مناسبة لمجموعة واسعة من الاستخدامات، بدءًا من الشبكات المحلية الصغيرة للطاقة وصولاً إلى منشآت إنتاج الأمونيا الصناعية الضخمة. وفقًا لتقييمات السوق الحديثة، فإن التكلفة الموحّدة للهيدروجين باستخدام تقنية AEM تنخفض فعليًا إلى أقل من ثلاثة دولارات لكل كيلوجرام عندما تبقى تكلفة الكهرباء المتجددة دون علامة العشرين دولارًا لكل ميجاواط ساعة.

التحمل مقابل التكلفة: التحديات الرئيسية في تطوير أغشية AEM

أدت التحسينات الحديثة في كيمياء الأغشية إلى زيادة عمر أغشية AEM بشكل كبير ليتجاوز 30,000 ساعة وفقًا للدراسات المنشورة في المجلة العربية للكيمياء عام 2023. ومع ذلك، يظل الحفاظ على متانة هذه الأغشية دون تكبد تكاليف باهظة تحديًا كبيرًا أمام المصنّعين. تُظهر أحدث جيل من البوليمرات الموصلة للأيونات تحسنًا بنسبة 40 بالمئة تقريبًا في التوصيل الأيوني مقارنة بما كان متاحًا سابقًا، على الرغم من الحاجة إلى عمليات تصنيع دقيقة جدًا لتجنب أي مشكلات تلوث مع المحاليل الإلكتروليتية. يعمل الباحثون حاليًا على تطوير طرق للحد من تدهور الغشاء بنسبة تصل إلى 80 بالمئة باستخدام طبقات تقوية نانوية خاصة. ويتمحور هدفهم حول خفض تكلفة هذه الأغشية إلى أقل من خمسين دولارًا للمتر المربع عند بيعها تجاريًا، مما يجعلها أكثر سهولة وتوفرًا للاعتماد الواسع النطاق.

الإمكانات الاقتصادية: إنتاج الهيدروجين منخفض التكلفة باستخدام أجهزة التحليل الكهربائي AEM

الابتكارات في المواد تقلل من تكاليف أنظمة التحليل الكهربائي

تتمثل الميزة التنافسية من حيث التكلفة لأنظمة التحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل الأنيونات (AEM) بشكل رئيسي في التقدم الحاصل في عواملها المساعدة وأغشيتها. عندما يستبدل المصنعون المعادن النبيلة المكلفة ببدائل أرخص من النيكل والحديد، فإنهم يخفضون تكاليف العوامل المساعدة بنسبة تقارب 60 بالمئة مقارنةً بأنظمة PEM وفقًا لموقع ScienceDirect في العام الماضي. أظهرت دراسة نُشرت في مجلة Applied Energy عام 2023 أن هذه الأنظمة تعاني من تكاليف أولية أقل بنحو 30 إلى 40% لنفس قدر الإنتاج، وذلك بسبب انخفاض تكلفة المواد والحد من المعدات المحيطة المطلوبة. كما أظهرت بعض الاختبارات الواقعية نتائج واعدة لأغشية جديدة تستمر لأكثر من 8,000 ساعة تشغيل حتى عند العمل على مصادر طاقة متجددة غير مستقرة، مما يساعد على طمأنة المخاوف المتعلقة بعمر هذه الأنظمة قبل أن تتعرض للتلف.

طرق تحقيق هيدروجين أخضر ذو كفاءة من حيث التكلفة

أربع استراتيجيات تُسرّع من مسار AEM نحو إنتاج الهيدروجين بتكلفة أقل من 3 دولارات للكيلوجرام:

1. تصاميم وحدات قياسية تمكين الإنتاج الضخم للخلا stacks بقدرة تتراوح بين 1–5 ميجاواط
2. دمج الطاقة المختلطة المتجددة دمج مدخلات الطاقة الشمسية/الرياح مع تنظيم طاقة الشبكة
3. حوافز الموقع المشترك تثبيت أجهزة التحليل الكهربائي بالقرب من مراكز الطاقة المتجددة منخفضة التكلفة
4. استرداد حرارة النفايات إعادة استخدام 15–20% من الفقد الحراري لتوفير التدفئة المركزية

تشير الاختبارات التي أجريت في ظروف حقيقية إلى أن أنظمة AEM يمكنها إنتاج الهيدروجين بسعر يقارب 2.50 دولارًا لكل كيلوجرام عندما تكون الكهرباء المتجددة متاحة بسعر أقل من 0.03 دولار لكل كيلوواط ساعة. وهذا يمثل انخفاضًا بنسبة حوالي 45 بالمئة مقارنة بما تم تسجيله في عام 2022. في المستقبل، يقدّر الخبراء أن الحاجة العالمية للهيدروجين الأخضر ستصل إلى ما يقارب 150 مليون طن سنويًا بحلول نهاية هذا العقد. وبالنظر إلى هذه الأرقام، فإن التكاليف المتناقصة المرتبطة بتقنية AEM تجعلها تقنية بارزة يمكن توسيع نطاقها في مختلف المواقع التي تحتاج حاليًا إلى حلول للطاقة النظيفة.

دمج أجهزة التحليل الكهربائي AEM مع مصادر الطاقة المتجددة

إنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام أنظمة AEM المدعومة بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح

تستخدم أجهزة التحليل الكهربائي AEM كهرباء إضافية من مصادر متجددة لتحويلها إلى هيدروجين، مما يساعد مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على تخزين الطاقة عندما لا تكون البطاريات كافية. تعمل هذه الوحدات بشكل جيد نسبيًا حتى عند تشغيلها بقدرة تتراوح بين 30% و120%، وبالتالي فهي تتعامل مع مدخلات الطاقة غير المتوقعة بشكل أفضل من الأنظمة التقليدية. أظهرت بعض الاختبارات التي أجريت العام الماضي على الأنظمة الشمسية كفاءة تبلغ حوالي 68% في ظل تغير توفر أشعة الشمس، متفوقة بذلك على أنظمة PEM بنحو 12 نقطة مئوية في نفس الظروف. بالنسبة للقائمين بإدارة الشبكات الصغيرة في المناطق النائية، فإن هذه المرونة تعني أنهم يستطيعون الاستمرار في إنتاج الهيدروجين حتى في الأيام الغائمة أو عندما تتوقف الرياح عن الهبوب.

التشغيل الديناميكي تحت إمدادات الطاقة المتجددة المتقطعة

تستجيب أجهزة التحليل الكهربائي هذه تلقائيًا لتغيرات جودة التيار الكهربائي من خلال:

• تنظيم الجهد (±15٪ تسامح دون فقدان الكفاءة)
• معدلات التسارع بنسبة 10٪ من السعة في الثانية
• نسبة التشغيل المنخفضة تصل إلى 95٪ للظروف منخفضة الطاقة

أظهرت البيانات الميدانية من مشروع هجين لعام 2023 يجمع بين الرياح وتقنية AEM تنفيذ 1,200 دورة تشغيل وإيقاف يوميًا دون تدهور الغشاء—وهو تفوّق كبير مقارنةً بأنظمة الإلكتروليت القلوية المحدودة بـ 50 دورة. تجعل هذه المتانة تقنية AEM متوافقة مع مؤشر التقلبات المتوسط البالغ 76٪ في الشبكات الغنية بمصادر الطاقة المتجددة.

موازنة استقرار الشبكة واحتياجات توليد الهيدروجين الموزع

تؤدي أنظمة AEM دورين رئيسيين كـ:

أظهر نموذج للطاقة الموزعة أن المجتمعات التي تستخدم أنظمة هجينة من الكهراية القائمة على غشاء تبادل الأنيون (AEM) قللت اعتمادها على وحدات التوليد الاحتياطية العاملة بالديزل بنسبة 89%، مع الحفاظ على نسبة تقييد توليد الطاقة المتجددة بأقل من 15%. ويُعد هذا الوظيفية المزدوجة لتقنية AEM بمثابة عنصر محوري في تحقيق أهداف الأمن الطاقي وإزالة الكربون.

قابلية التوسع والاستعداد التجاري لتكنولوجيا الكهراية AEM

مشاريع تجريبية تثبت أداء وقدرة التوسع لتكنولوجيا الكهراية AEM

تُظهر الاختبارات الأولية أن وحدات التحليل الكهربائي من نوع AEM يمكنها بالفعل التطور من نماذج معملية صغيرة إلى أنظمة أكبر دون فقدان كفاءة كبيرة في هذه العملية. قام باحثون في أوروبا بدراستها عام 2023 ووجدوا أن نظام AEM بقدرة 2 كيلوواط قد حقق كفاءة تبلغ حوالي 60%، حتى مع استخدام مواد محفزة أرخص بدلًا من المعادن باهظة الثمن. كما أنهم يتحدثون بالفعل عن توسيع نطاق هذه الأنظمة لتصل إلى 200 كيلوواط خلال السنوات القليلة القادمة. وعندما جربت الشركات إصدارات وحداتية من هذه وحدات التحليل الكهربائي في مناطق نائية متصلة بشبكات طاقة صغيرة، حصلوا على نتائج ممتازة. فقد وصلت هذه الأنظمة إلى قدرة تشغيل قريبة من 90% عند العمل بالتوازي مع الألواح الشمسية، مما يساعد في حل واحدة من أكبر المشكلات المرتبطة بمصادر الطاقة المتجددة التي لا تنتج الطاقة بشكل مستمر على مدار اليوم.

تقييم مستوى جاهزية التكنولوجيا (TRL) وخريطة الطريق المستقبلية

في الوقت الحالي، تقع أجهزة التحليل الكهربائي من نوع AEM حول مستويات جاهزية التكنولوجيا (TRL) من 6 إلى 7، مع وجود بعض النماذج الصناعية التي تُظهر إمكانية استمرارها حوالي 8,000 ساعة عند العمل بمصادر طاقة متجددة متقلبة. يستهدف الفاعلون في القطاع الوصول إلى مستوى TRL 8 إلى 9 بحلول نهاية هذا العقد، وخصوصاً من خلال جعل الأغشية تدوم لفترة أطول - وبشكل مثالي، بحيث تتحمل نحو 30,000 ساعة تشغيل قبل الحاجة إلى الاستبدال. في المستقبل، هناك ثلاث مجالات رئيسية للتركيز ضمن مسار التطوير. يأتي أوّلاً تقليل كمية المحفز المطلوبة، بهدف الوصول إلى أقل من علامة 1 ملغ لكل سنتيمتر مربع. ثم تأتي تحسين طريقة تركيب الوحدات لتؤدي بكفاءة عبر أحجام مختلفة تتراوح من 1 إلى 10 ميغاواط. وأخيراً، يسعى المصنعون إلى تخفيض تكاليف مكونات المحطة (Balance-of-Plant) بنسبة تقارب 40 بالمئة باستخدام تقنيات أفضل لإدارة الحرارة في جميع أنحاء النظام.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

• ما هي أجهزة التحليل الكهربائي من نوع AEM؟
  تعتبر أجهزة التحليل الكهربائي AEM أجهزة تستخدم أغشية تبادل الأيونات لإنتاج الهيدروجين من الماء، وتوفر حلاً فعالاً ومنخفض التكلفة لتوليد الهيدروجين مقارنة بالطرق التقليدية.
• كيف تدعم أجهزة التحليل الكهربائي AEM إنتاج الطاقة اللامركزي؟
  من خلال تمكين إنتاج الهيدروجين عند نقطة الاستخدام، تُلغي أجهزة التحليل الكهربائي AEM الحاجة إلى خطوط أنابيب باهظة التكلفة وبنية تحتية للنقل، مما يجعلها مثالية لشبكات الطاقة اللامركزية.
• ما الدور الذي تلعبه أجهزة التحليل الكهربائي AEM في نظم الطاقة المتجددة؟
  تحول أجهزة التحليل الكهربائي AEM فائض الكهرباء المتجددة إلى هيدروجين، حيث توفر حلاً موثوقًا لتخزين الطاقة يكمل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، خاصةً في المناطق التي تعاني من تقلبات في إمدادات الطاقة.
• لماذا تعتبر العوامل المساعدة غير النبيلة مهمة في أنظمة AEM؟
  إنها تقلل من التكلفة الإجمالية لأجهزة التحليل الكهربائي من خلال استخدام مواد أرخص ومتاحة بكميات وفيرة مثل النيكل والحديد، بدلاً من معادن مجموعة البلاتين باهظة الثمن، مع الحفاظ على كفاءة عالية.
• ما هي الفوائد الاقتصادية لاستخدام أجهزة التحليل الكهربائي من نوع AEM؟
  تؤدي التطورات في تقنيات العوامل الحفازة والأغشية إلى تقليل تكاليف النظام الأولية وتحسين المتانة، مما يؤدي إلى توفير كبير وإمكانية الوصول إلى إنتاج الهيدروجين منخفض التكلفة.