كيف تمكّن المحالل الكهربائية القلوية من إنتاج الهيدروجين الأخضر بفعالية من حيث التكلفة وبمقياس كبير

مبدأ التحليل الكهربائي للماء القلوي ودوره في توليد الهيدروجين الصناعي

تعمل عملية تحليل الماء القلوي، أو AWE باختصار، عن طريق تفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين من خلال محلول قلوي سائل، عادةً ما يكون هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH). ووفقًا لبيانات شركة PlugPower لعام 2024، يمكن للأنظمة الحديثة أن تصل كفاءتها إلى ما بين 70 و80 بالمئة. تعتمد هذه التكنولوجيا على أقطاب كهربائية مصنوعة من النيكل مع غشاء مسامي خاص يحافظ على فصل الغازات مع السماح للأيونات بالمرور من خلاله. وبسبب هذا التكوين، فإنها مناسبة بشكل خاص للعمل المستمر في البيئات الصناعية. ما يميز تقنية AWE مقارنة بمحلل PEM هو أنها لا تحتاج إلى المعادن النبيلة المكلفة مثل مجموعة البلاتين، مما يقلل من تكاليف المواد بنسبة تتراوح بين 30 و40 بالمئة كما أشارت دراسة نُشرت في MDPI عام 2024. ومن حيث الأرقام، تتراوح كثافة التيار التشغيلية عادةً بين 0.4 و0.6 أمبير لكل سنتيمتر مربع. تجعل هذه المواصفات من تقنية AWE خيارًا موثوقًا للمصانع الكبيرة مثل مصانع إنتاج الأمونيا ومصافي النفط، حيث يُطلب استهلاك طاقة مستقر على فترات طويلة.

المكونات الأساسية: الأقطاب الكهربائية، والحجاب الحاجز، والإلكتروليت في أنظمة AWE

• الكاثودات : توفر الأقطاب الفولاذية المغلفة بالنيكل المتانة وفعالية التكلفة، مع الحفاظ على الأداء لأكثر من 60,000 ساعة.
• الغشاء : تقلل المواد المركبة المتقدمة مثل أغشية مبنية على البوليسلفون من انتقال الغاز العابر بينما تعزز التوصيل الأيوني.
• المحلول الكهروlyte : يضمن محلول KOH بنسبة 25–30% حركة أيونية عالية، مدعومًا بنظم التصفية التي تمدد عمر الخدمة وتقلل من تكرار الصيانة.

معًا، دفعت هذه المكونات تكاليف رأس المال لتصل إلى 800 دولار/كيلوواط للتركيبات الصناعية متعددة الميغاواط من AWE، وهو انخفاض كبير مقارنة بـ 1,200 دولار/كيلوواط في عام 2018 (نتائج الهندسة 2024).

تصميم النظام لضمان المتانة في التشغيل الصناعي المستمر

تم تصميم أجهزة التحليل الكهربائي القلوية للعمل بشكل غير متقطع على مدار الساعة، وهي مزودة بإطارات مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المقاوم للتآكل بالإضافة إلى أنظمة تُدير محلول الإلكتروليت تلقائيًا. ويتيح التصميم الوحداتي المتراص لهذه الأجهزة توسيع العمليات حتى مستويات السعة بالجيجاواط، وهو ما نراه بالفعل حاليًا في مشاريع مثل مشروع مركز الطاقة المتجددة الآسيوي في أستراليا. وتشمل هذه الآلات أيضًا فواصل غاز احتياطية مع أنظمة تحكم داخلية في درجة الحرارة، والتي تعمل معًا على الحفاظ على معدل تشغيل يبلغ حوالي 95 بالمئة، حتى خلال فترات الصيانة. ويمكن لأحدث إصدارات هذه الأجهزة التحليلية أن تستأنف العمل مرة أخرى من حالة إيقاف تام خلال نصف ساعة تقريبًا، مما يجعلها عناصر بناء متزايدة الأهمية لتطوير منشآت كبرى لإنتاج الهيدروجين الأخضر في جميع أنحاء العالم.

مزايا أجهزة التحليل الكهربائي القلوية مقارنةً بتقنية PEM: النضج، التكلفة، والقابلية للتوسع

سجل حافل من النجاح: عقود من الخبرة التشغيلية مع تقنية AWE

يعود استخدام التحليل الكهربائي القلوي لإنتاج الهيدروجين الصناعي إلى عشرينيات القرن الماضي، واعتبارًا من عام 2024 يوجد أكثر من 500 منشأة كبيرة في جميع أنحاء العالم، معظمها بقدرة تزيد عن 10 ميغاواط. يعمل النظام بشكل جيد بفضل بنائه المتين ويعتمد اعتمادًا كبيرًا على محفزات النيكل، ولهذا السبب لا يزال العديد من الصناعات يختار هذا الخيار عند تصنيع الأسمدة أو تكرير الزيوت. من ناحية أخرى، لم تُظهر تقنية غشاء تبادل البروتون فعاليتها بعد على نطاق واسع. فكما تشير بعض التقارير الصناعية الحديثة من العام الماضي، فإن أكبر محطة باستخدام هذه التقنية (PEM) التي شوهدت حتى الآن لا تتجاوز قدرتها حوالي 20 ميغاواط.

تكلفة رأسمالية منخفضة وقابلية تجارية للتوسع دون الاعتماد على المعادن النادرة

تتراوح تكاليف رأس المال لأنظمة التحليل الكهربائي للماء القلوي (AWE) بين 242 و388 يورو لكل كيلوواط، وهي أقل بكثير من تكاليف أنظمة PEM التي تتراوح بين 384 وأكثر من 1000 يورو لكل كيلوواط. ويرجع هذا الفرق في السعر إلى عاملين رئيسيين: تستخدم تقنية AWE محفزات مصنوعة من معادن غير نفيسة بدلاً من المعادن باهظة الثمن، إضافة إلى أن المصانع تُنتج هذه الأنظمة منذ عقود، وبالتالي أصبح الإنتاج مُحسّنًا جدًا. كما أن السوق الصينية ساهمت بشكل كبير في خفض الأسعار. فبعض المصانع الصينية تُنتج بالفعل وحدات بقدرة 10 ميغاواط وبتكلفة تقارب 303 دولار أمريكي لكل كيلوواط، ما يجعلها أرخص بنحو أربع مرات مقارنة بالمعدات المماثلة المنتجة في أوروبا أو أمريكا الشمالية. وبما أن تقنية AWE لا تعتمد على معادن مجموعة البلاتين، فإنها تتفادى تمامًا مشكلات سلسلة التوريد التي تعاني منها التقنيات الأخرى. وهذا يعني أنه يمكننا توسيع الإنتاج إلى مستويات الجيجاواط دون مواجهة نقص في المواد قد يعيق التوسع.

عمر خدمة طويل ومتانة عالية في البيئات الصناعية القاسية

تُظهر معظم أنظمة التحليل الكهربائي القلوية (AWE) ميلًا للعمل لمدة تتراوح بين 12 و15 عامًا، حتى في الظروف الصعبة مثل منشآت إنتاج الأمونيا. وينبع هذا العمر الطويل من عدة عوامل تشمل أغشية معززة بالزركونيوم، وأنظمة تحكم آلي لإدارة الإلكتروليت، ودورات صيانة أطول يمكن أن تصل فيها حزم الأقطاب إلى 30,000 ساعة بين عمليات الصيانة. ومن حيث الأداء العملي، فقد حافظ مصنع للكلور والقلويات في بلجيكا بقدرة 28 ميغاواط على كفاءة ممتازة بنسبة 78 بالمئة طوال ثماني سنوات متواصلة من التشغيل دون توقف. وهذا في الواقع أفضل مما توقّع الخبراء في القطاع أن تحققه أنظمة PEM عند مواجهتها لنفس التحديات التشغيلية مع مرور الوقت.

التحديات الرئيسية في توسيع نطاق نشر المحاليل الكهربائية القلوية

مرونة تشغيلية محدودة أمام تقلبات الطاقة المتجددة

تعمل أنظمة تحليل الماء القلوية بشكل أفضل عندما تتلقى إمدادًا كهربائيًا مستقرًا، مما يجعلها تعاني من التغيرات المفاجئة الناتجة عن الألواح الشمسية أو توربينات الرياح. ونتيجةً لهذا القيد، يحتاج المشغلون غالبًا إلى حلول تخزين إضافية أو دمج تقنيات مختلفة فقط للحفاظ على استقرار إنتاج الهيدروجين. ويُظهر بحث أجرته RMI في عام 2023 أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. فعندما تعمل المصانع باستخدام 25٪ فقط من الطاقة المتجددة، فإنها تحتاج إلى ما يقارب 2.5 جيجاواط من أجهزة التحليل الكهربائي لإنتاج 100 كيلو طن سنويًا من الهيدروجين. وهذا يعادل تقريبًا زيادة بنسبة 70٪ في المعدات مقارنة بما إذا كانت نفس المنشأة قادرة على العمل بنسبة استخدام طاقة خضراء تبلغ 85٪. وفي الواقع، تتراكم هذه الأنواع من حالات عدم الكفاءة. بالنسبة للمشاريع الكبيرة التي تسعى إلى التوسع، يمكن أن تؤدي البنية التحتية الإضافية إلى ارتفاع التكاليف بما يصل إلى 1.8 مليار دولار وفقًا للتقديرات الصناعية.

عبور الغاز ومخاطر السلامة في الأنظمة ذات الضغط العالي

الأغشية المسامية التقليدية تسمح خلط الغاز بنسبة 3–5٪ عند ضغوط تزيد عن 30 بار، مما يخلق مخاطر انفجار بسبب اختلاط الهيدروجين والأكسجين. ولتقليل هذه المخاطر، يجب على المشغلين تركيب أنظمة حاسمة للسلامة مثل وحدات إعادة التركيب الغازية وآليات تخفيف الضغط، ما يضيف تعقيدًا وتكلفة.

متطلبات إدارة الإلكتروليت المسبب للتآكل

يؤدي استخدام هيدروكسيد البوتاسيوم إلى تحديات مستمرة في الصيانة:

تزيد هذه المتطلبات من الأعباء التشغيلية وتكاليف دورة الحياة، خاصة في المنشآت النائية أو العاملة في المياه العميقة.

انخفاض الكفاءة عند الأحمال المنخفضة

عند التشغيل بأقل من 40% من السعة، تواجه أنظمة التحليل الكهربائي القاعدي تكاليف إنتاج هيدروجين أعلى بنسبة 22% نتيجة للفقد الأومي في المحاليل الإلكتروليتية المخففة، وزيادة جهد الفقاعة الزائد، وإدارة حرارية دون المستوى الأمثل. تُعقّد هذه العوامل دمج الأنظمة مع مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، كما أظهرته دراسات استقرار الشبكة في مشاريع تحويل الرياح إلى هيدروجين.

دمج أجهزة التحليل الكهربائي القاعدية مع مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين المستدام

مطابقة أنظمة التحليل الكهربائي القاعدي مع أنماط توفر طاقة الشمس والرياح

تعمل تقنية AWE بشكل جيد حقًا عندما تبقى الأمور مستقرة، ولكن دمجها مع مصادر الطاقة المتجددة يجعل النظام بأكمله يعمل بشكل أفضل فعليًا. وتأتي أفضل النتائج من الأنظمة المقترنة بمزارع شمسية تعمل بقدرة لا تقل عن 60٪ من طاقتها القصوى، أو بتثبيتات رياح لا تتغير فيها الكفاءة بأكثر من 20٪ كل ساعة وفقًا لبعض الدراسات التي أجراها غانديا وزملاؤه عام 2007. من ناحية أخرى، فإن الزيادات المفاجئة في شدة أشعة الشمس التي تتغير أسرع من 500 واط لكل متر مربع في الدقيقة يمكن أن تقلل الكفاءة بنسبة تتراوح بين 15 إلى 20 بالمئة. ولهذا السبب يُعد إنجاز التكامل بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية لهذه الأنواع من الأنظمة.

استراتيجيات الطاقة متعددة الأنماط لتعزيز الكفاءة وسط التقطعات

لتحسين التوافق مع المصادر الكهربائية المتغيرة، يستخدم المشغلون ثلاث طرق رئيسية:

1. إدارة الحمل الديناميكية : تعديل كثافة التيار بين 0.3–0.5 أ/سم² بناءً على الإنتاج الفعلي من المصادر المتجددة
2. التخزين المؤقت بالبطارية : استخدام تخزين الطاقة قصير المدى (⌘15 دقيقة) لتنعيم قفزات القدرة
3. دمج مصادر متجددة هجينة : دمج طاقة الرياح (عامل قدرة 40–60٪) والطاقة الشمسية (20–25٪) لتوازن العرض اليومي

أظهرت الاختبارات الميدانية في عام 2023 أن هذه الأساليب تقلل من خسائر الكفاءة بنسبة 35٪ مقارنةً بالأنظمة ذات المصدر الواحد

مشاريع حقيقية لتحويل طاقة الرياح إلى هيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي القلوي

يُظهر مشروع جزيرة الطاقة في الدنمارك مدى جودة تقنية AWE، حيث حققت أنظمة الـ 24 ميغاواط كفاءةً تبلغ حوالي 74٪ في تشغيل الوحدات حتى عند التعامل مع ظروف الرياح الفعلية في الميدان. كما يروي تحليل 12 إعدادًا مختلفًا عبر أوروبا في عام 2024 قصة أخرى. فقد أظهرت الكهارلاّت القلوية أداءً جيدًا باستمرار، حيث بقيت ضمن نطاق كفاءة يتراوح بين 68 و72٪ سواء كانت تعمل بنصف طاقتها أو بأقصى طاقتها. وكل ذلك كان يحدث بينما يتم تشغيلها فقط بواسطة طاقة الرياح. وهذا يتفوق بشكل ساحق على أنظمة PEM، التي تتراوح كفاءتها عادةً بين 63 و67٪ في ظروف مماثلة. فماذا تعني هذه الأرقام؟ تعني بوضوح أن تقنية AWE تستحق بالتأكيد التفكير بها للإنتاج الواسع النطاق للهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة.

التطبيقات الصناعية والتوسع العالمي لتقنية الكهارلاّت القلوية

الاستخدام الواسع النطاق في التكرير والأمونيا ومشاريع الهيدروجين الأخضر بقدرة الجيجاواط

تشكل الكهربائيات القلوية الآن 65٪ من وحدات الهيدروجين الجديدة في تكرير النفط وإنتاج الأمونيا، حيث تعمل بكفاءة عند مقاييس تتراوح بين 1–5 ميغاواط مع كفاءة نظام تتراوح بين 74–82٪ (باستخدام بيانات UnivDatos للإحصاءات والاستشراف 2024). هناك أكثر من 40 مشروعًا لإنتاج الهيدروجين بقدرة الجيجاواط قيد التطوير حاليًا – وتتركز بشكل رئيسي في الاتحاد الأوروبي والصين وأستراليا – تعتمد على الكهربائيات المائية القلوية (AWE) لتحويل طاقة الرياح العرضية وطاقة الشمس في الصحارى إلى هيدروجين بكميات كبيرة. وفي مجال التكرير، تستبدل هذه الأنظمة 28٪ من الطلب على الغاز الطبيعي، بينما تقلل شدة استهلاك الطاقة بنسبة 12٪ في تصنيع الأمونيا بالمقارنة مع أجهزة إصلاح الميثان بالبخار.

مواقع تجريبية تثبت إمكانية التوسع التجاري وجاهزية البنية التحتية

حققت محطات تجريبية متعددة الميغاواط توفرًا بنسبة 90٪ في تطبيقات إنتاج الأمونيا والصلب، مما يؤكد التكامل السلس مع البنية التحتية الصناعية الحالية. وتُنتج محطة تجريبية نرويجية، تعمل منذ عام 2021، ما يبلغ 1.2 كجم/ساعة/م² من الهيدروجين مع صيانة ربع سنوية فقط. وتعمل تحالفات صناعية على توحيد واجهات الربط بين الأنظمة القلوية وخطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون أو تخزينها في كهوف ملحية، وذلك لمعالجة 34٪ من الفجوات في البنية التحتية التي تم تحديدها في تقرير مجلس الهيدروجين العالمي لعام 2023.

الاتجاه: ازدياد النشر في مراكز الطاقة المتجددة حول العالم

تخطط خمسة مراكز رئيسية للطاقة المتجددة، بما في ذلك ممرات الطاقة الشمسية في شمال إفريقيا وأحزمة الرياح الساحلية في أستراليا، لإقامة قدرة بحجم 38 غيغาวات من وحدات التحليل الكهربائي القلوي بحلول عام 2030. تستفيد هذه التجمعات من قدرة AWE على التشغيل ضمن نطاق مرونة تحميل يتراوح بين 40٪ و110٪، وكذلك من توافقها مع المياه المالحة كمادة خام، مما يقلل احتياجات التحلية بنسبة 60٪ مقارنة بالبدائل الداخلية. ويُعطي أكثر من 70٪ من مرافق تصنيع وحدات التحليل الكهربائي الجديدة في هذه المناطق الأولوية للتكنولوجيا القلوية نظرًا لاعتمادها الأقل على المعادن وانسجامها مع سلاسل التوريد المحلية.

الأسئلة الشائعة: وحدات التحليل الكهربائي القلوية وإنتاج الهيدروجين الأخضر

ما الفرق بين التحليل الكهربائي للماء القلوي وتقنية التحليل الكهربائي PEM؟

تستخدم تحليل الماء القلوي (AWE) معادن غير نبيلة رخيصة الثمن كعوامل حفازة، وهو ما يجعله أكثر ملاءمة للاستخدام الصناعي على نطاق واسع نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة ومتانته. أما التحليل الكهربائي بالغشاء البولي إلكتروليتي (PEM)، فيعتمد على معادن مجموعة البلاتين، مما يزيد من تكلفته ويُعد حاليًا أقل إثباتًا عند الأحجام الكبيرة.

ما مدى كفاءة أجهزة التحليل الكهربائي القلوية الحديثة؟

تصل أجهزة التحليل الكهربائي القلوية الحديثة إلى كفاءة تتراوح بين 70 و80 بالمئة، مما يجعلها خيارًا موثوقًا للعمليات الصناعية المستمرة.

ما هي التكاليف الرأسمالية لتركيب أنظمة تحليل الماء القلوي؟

تتراوح التكاليف الرأسمالية لأنظمة AWE بين 242 و388 يورو لكل كيلوواط، وهي تكلفة منخفضة بشكل ملحوظ مقارنةً بأنظمة PEM.

لماذا تُفضَّل أجهزة التحليل الكهربائي القلوية في مشاريع إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع؟

تمتلك أنظمة AWE سجلًا حافلًا بأداء عمليات يصل طاقتها إلى مستويات الجيجاواط، وتتميز بانخفاض مخاطر سلسلة التوريد، والقابلية للتوسيع دون الحاجة إلى المعادن النبيلة.