كيف تمكّن التحليل الكهربائي بطبقات PEM الإنتاج الفعّال للهيدروجين الأخضر

المبادئ الأساسية لتكنولوجيا المولد الكهربائي بطبقة غشاء البوليمر (PEM)

تعمل أجهزة التحليل الكهربائي لغشاء تبادل البروتون (PEM) من خلال استخدام غشاء خاص يوصل البروتونات لكسر جزيئات الماء إلى غاز الهيدروجين والأكسجين. مقارنةً بالنظم القلوية الأقدم، تعمل هذه الأجهزة بدرجة حرارة أقل تتراوح بين 60 و80 درجة مئوية وتتحمل ضغوطًا تصل إلى حوالي 30 بار. كما تتمكن من تحويل الكهرباء إلى هيدروجين بكفاءة تبلغ نحو 70٪ عند قياسها مقابل القيمة الحرارية الدنيا، كما ورد في مراجعة حديثة نُشرت عام 2023 في مجلة علوم المواد. ما يميزها حقًا هو مادة هذا الغشاء التي لا تسمح فقط بمرور الأيونات، بل تحفظ أيضًا فصل الغازات المختلفة أثناء التشغيل. والنتيجة؟ يمكن لهذه الآلات البدء بالعمل خلال خمس ثوانٍ فقط، وتتكيف بسرعة مع التغيرات في إمدادات الطاقة من مصادر مثل الألواح الشمسية أو توربينات الرياح التي لا تنتج دائمًا طاقة مستقرة على مدار اليوم.

مزايا نظام PEM مقارنةً بالنظم القلوية ونظام SOEC في التطبيقات الموزعة

تتفوق أنظمة PEM على البدائل في ثلاث مجالات حرجة:

• كفاءة المساحة : التصاميم المدمجة تتطلب سدس المساحة التي تحتاجها الأنظمة القلوية، مما يتيح النشر في المنازل أو على الأسطح.
• المرونة التشغيلية : تستجيب تقنية PEM للتقلبات الكهربائية بسرعة تصل إلى 10 أضعاف سرعة التكنولوجيا القلوية، مما يجعلها مناسبة للتغيرات في مصادر الطاقة المتجددة.
• نقاء الغاز : نقاء الهيدروجين يتجاوز 99.9%، مما يلغي خطوات التنقية المكلفة المطلوبة لتطبيقات خلايا الوقود.

الكفاءة، والاستجابة، ومقاييس الأداء لأنظمة التحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتون (PEM)

تشير التقارير من الشركات المصنعة الرائدة إلى أن أجهزة التحليل الكهربائي باستخدام تقنية PEM تحقق ما يلي:

• استهلاك طاقي محدد يتراوح بين 48-52 كيلوواط ساعة/كغ هـ₂ (على مستوى الوحدة النمطية)
• قدرة على متابعة التحميل تتراوح من 5% إلى 100% من السعة ضمن جزء من الثانية
• أعمار تشغيلية للوحدات النمطية تتجاوز 60,000 ساعة مع فقدان كفاءة سنوي أقل من 1%

هذه المقاييس تجعل تقنية PEM الحل الأكثر قابلية للتطبيق لإنتاج الهيدروجين الأخضر اللامركزي على النطاق التجاري والسكني.

تصميم إنابتير المدمج والقابل للتوسيع لمُحلل كهربائي PEM للاستخدام اللامركزي

هيكل فعال من حيث المساحة وقابل للتوسعة للتكامل في البيئات السكنية والتجارية

تُغيّر تقنية مُحلِّل الماء الكهربائي PEM من Enapter الطريقة التي نفكر بها في حجم إنتاج الهيدروجين، لأنها تشغل مساحة أقل بنسبة 70 بالمئة تقريبًا مقارنةً بالأنظمة القلوية التقليدية. إن صغر حجمها يجعلها مناسبة تمامًا للأماكن الصعبة الوصول إليها في المدن، مثل الأسطح أو المساحات السفلية في الطوابق السفلية، ما يعني أن الهيدروجين الأخضر يمكن أن يصبح واقعًا للمنازل العادية، وتشغيل الفنادق، وحتى المصانع الصغيرة. حاليًا، تعمل هذه الوحدات النمطية من PEM في نحو ست من كل عشرة محطات بقدرة أقل من 500 كيلوواط، وهي مواصفات تناسب تمامًا احتياجات شبكات الطاقة المحلية. ما يميزها حقًا هو تصميمها التراكمي العمودي الذي يوفر الكثير من المساحة دون التضحية بأي شيء تقريبًا من حيث الموثوقية. فهذه الآلات تواصل العمل بكفاءة عالية مع معدل تشغيل يقارب 98 بالمئة أثناء التشغيل الفعلي، مما يمنحها تفوقًا واضحًا على المنافسين الأكبر الذين يستهلكون مساحات كبيرة من المساحة القيمة.

المكونات الرئيسية: وحدة التجميع الغشائية، الألواح ثنائية القطب، وموصّلات التيار في أنظمة Enapter

• وحدة التجميع الغشائية (MEA): تدمج أغشية موصلة للبروتون مع عوامل حفازة من البلاتين، وتُحقق كفاءة 85% عند الأحمال الجزئية.
• ألواح ثنائيّة القطب من التيتانيوم: يُطيل التصميم المقاوم للتآكل عمر التشغيل إلى 50,000+ ساعة تحت مدخلات متجددة متغيرة.
• موصّلات تيار منخفضة المقاومة: تم تحسين مسارات الإلكترون لتقليل فاقد الطاقة بنسبة 15%مقارنةً بالتصاميم التقليدية.

تتيح هذه المكونات التحكم الدقيق بنقاء الهيدروجين (>99.99٪) وضغطه (حتى 35 بار)، مما يلبي معايير السلامة الصارمة للمنازل.

نشر وحداتي يمكّن من سعة إنتاج هيدروجين مرنة

تتيح مجموعات إينابتير المعيارية البالغة 1.2 ميغاواط للأفراد تعديل إنتاجهم من الهيدروجين بسهولة، بدءًا من 1 كجم فقط يوميًا لتلبية الاحتياجات المنزلية الأساسية وصولاً إلى 500 كجم يوميًا للعمليات الصناعية، وذلك ببساطة عن طريق تكديس الوحدات أو إزالتها حسب الحاجة. ويقلل النظام تكاليف الاستثمار الأولية بنسبة تقارب 40 في المئة بالمقارنة مع الأنظمة التقليدية ذات السعة الثابتة. كما يعتمد على تقنية ذكية تقوم بموازنة الأحمال تلقائيًا، ما يجعله قادرًا على التكيّف بشكل جيد حتى عند تقلب المصادر المتجددة مثل الشمس أو الرياح. فلننظر إلى ما يمكن أن تؤديه وحدة صغيرة واحدة بإنتاج 10 كجم/يوم أيضًا. إنها فعلاً تُزوّد كلًا من التدفئة والكهرباء الطارئة لمنزل نموذجي مكوّن من أربع غرف نوم لمدة ثلاثة أيام كاملة. وهذا النوع من المرونة يجعل هذه الوحدات مفيدة حقًا في مختلف المواقع التي لا تتوفر فيها دائمًا بنية تحتية مركزية.

دمج أجهزة التحليل الكهربائي PEM من إينابتير مع مصادر الطاقة المتجددة

من الخلايا الكهروضوئية الشمسية إلى الهيدروجين: تكوينات النظام والتآزر التشغيلي

تعمل أجهزة التحليل الكهربائي PEM من Enapter بشكل جيد جدًا مع صفائف الألواح الشمسية الكهروضوئية بعدة طرق مختلفة. هناك أنظمة مرتبطة مباشرة بالتيار المستمر حيث تتصل مباشرة بعاكسات الطاقة الخاصة بالألواح الشمسية، وأنظمة متصلة بالتيار المتردد تُوصَل بموجودة في أنظمة الكهرباء بالمبنى، وهناك أيضًا هذه النماذج الهجينة التي تجمع بين تخزين البطاريات وتخزين الهيدروجين. وهذا يعني أنه عندما تُنتج الألواح الشمسية كهرباء أكثر مما هو مطلوب، خاصة خلال الأيام المشمسة الزاهية، يمكن للمشغلين تحويل الطاقة الزائدة إلى هيدروجين بدلاً من إهدارها. عادةً ما تتمكن المواقع التجارية التي تستخدم هذه الأنظمة من الاستفادة من 72 إلى 86 بالمئة من كهربائها المتجددة الفائضة، مما يُحدث فرقًا كبيرًا في كفاءة النظام الشامل وفي الجدوى الاقتصادية بالنسبة للشركات التي تبحث عن حلول مستدامة على المدى الطويل.

الاستجابة الديناميكية لمدخلات الطاقة المتجددة المتغيرة

يمكن لتكنولوجيا PEM من Enapter أن تزيد أو تقل السعة من 10 إلى 100٪ تقريبًا بشكل فوري، مما يُحدث فرقًا كبيرًا في الحفاظ على استقرار شبكات الكهرباء عندما تكون هناك كميات كبيرة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ووفقًا للبيانات الواقعية المستمدة من 24 تركيبًا تجاريًا مختلفًا، فإن وحدات التحليل الكهربائي هذه تحقق بكفاءة مستمرة تبلغ حوالي 95٪، حتى عندما تتعامل الألواح الشمسية مع تغيرات يومية في مستويات الإضاءة تتباين بنسبة نحو 40٪. وتفسر القدرة على الاستجابة السريعة جدًا للتغيرات في الظروف سبب استخدام ما يقارب نصف جميع محطات الهيدروجين المتجددة الجديدة حاليًا لهذه التكنولوجيا. عمليًا، تقلل أنظمة Enapter من هدر الطاقة بنحو 28٪ مقارنةً بالبدائل القلوية الأقدم، وفقًا للتقارير الميدانية الصادرة عن هذه المنشآت.

دراسة حالة: نظام تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين في موقع مبنى تجاري

وصل مركز لوجستي صناعي في ألمانيا مؤخرًا إلى اكتفاء ذاتي مثير للإعجاب بنسبة 83٪ من احتياجاته من الطاقة بعد تركيب 850 كيلوواط من الألواح الشمسية على سطحه، إلى جانب ثماني وحدات من الكهربائيات Enapter AEM Nexus 1000. يُنتج هذا النظام حوالي 412 كيلوغرامًا من الهيدروجين يوميًا، ويُستخدم لتزويد أسطول رافعات الشوك في المستودع بالطاقة، كما يساعد في توليد كهرباء إضافية خلال فترات ذروة الطلب. وقد قلل ذلك من استخدام الديزل بنحو 147 طنًا متريًا سنويًا. وحتى في الشهور الشتوية التي تكون فيها أشعة الشمس شحيحة، تواصل هذه الكهربائيات العمل بسلاسة بكفاءة تصل إلى 88٪، رغم انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية بنحو الثلثين مقارنةً بمستويات الصيف. هذا النوع من الموثوقية هو ما يحدث الفارق في الحفاظ على العمليات طوال العام دون الاعتماد الكبير على الوقود الأحفوري.

التطبيقات السكنية والتجارية للهيدروجين الأخضر المُنتَج من Enapter

حلول الطاقة المنزلية: الطاقة الاحتياطية، التدفئة، وتشغيل أنظمة التوليد المشترك الصغيرة (الميكرو-CHP)

تتيح أجهزة التحليل الكهربائي المدمجة من Enapter للمالكين تحويل الكهرباء المتجددة إلى هيدروجين أخضر لثلاثة تطبيقات رئيسية:

• طاقة احتياطية أثناء انقطاع الشبكة الكهربائية من خلال خلايا وقود الهيدروجين
• منخفض الكربون التدفئة السكنية أنظمة تقلل الاعتماد على الغاز الطبيعي
• النظام الميكروي للتسخين والتوليد المشترك (CHP) وحدات تحقق أكثر من 90% كفاءة إجمالية من خلال إنتاج الحرارة والكهرباء في آنٍ واحد

يسمح هذا النهج اللامركزي للأسر بتخزين فائض الطاقة الشمسية/الرياح على شكل هيدروجين، مما يوفر صمودًا طاقيًا لمدة تتراوح بين 24 و72 ساعة حسب تكوين النظام. وتُظهر دراسات حديثة أن الغلايات العاملة بالهيدروجين تُعد بديلاً قابلاً للتطبيق في التدفئة بالمناخات الباردة.

الاستخدامات التجارية: إعادة تزويد الأسطول بالوقود، وتوفير الطاقة خارج الشبكة، والمواد الأولية الصناعية

تقوم الشركات بتركيب أنظمة Enapter من أجل:

1. إعادة تزويد رافعات الشحن والشاحنات ومعدات المناورة العاملة بالهيدروجين بالوقود
2. تشغيل المرافق خارج الشبكة مثل أبراج الاتصالات ومواقع البناء
3. استبدال الهيدروجين المستمد من الوقود الأحفوري في إنتاج الأسمدة ومعالجة الأغذية

تتطلب محطات إعادة تزويد الهيدروجين في الحرم الجامعي التجارية وجود مساحة أقل بنسبة 40٪ مقارنةً بالبنية التحتية المكافئة لشحن المركبات الكهربائية، مع تمكين دورات إعادة شحن أسرع. وتخفض الشركات المصنعة للأغذية التي تستخدم الهيدروجين الأخضر الانبعاثات من النطاق 1 بنسبة 78-92٪ في العمليات ذات درجات الحرارة العالية مقارنةً ببدائل الغاز الطبيعي.

التطبيق العملي في قطاعات الضيافة والتجزئة والصناعات الصغيرة

ومن أوائل المتبنين:

• فنادق نوردية تستخدم أنظمة توليد الطاقة الكهربائية والحرارية بالهيدروجين لتلبية 85٪ من احتياجات التدفئة
• متاجر اليابانية للراحة تُشغل ثلاجاتها بأنظمة تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين
• ورش المعادن الألمانية تستبدل البروبان بالهيدروجين في أفران التلدين

تُظهر دراسة حالة لمركز تسوق في كاليفورنيا أن الشبكات الصغيرة للهيدروجين تقلل من استهلاك الديزل السنوي بمقدار 140,000 لتر مع الحفاظ على توافر الطاقة بنسبة 99.98%. وتثبت هذه التنفيذات قابلية مقاييس وحدات التحليل الكهربائي PEM للتوسع، حيث تراجعت فترات النشر من 18 شهرًا إلى أقل من 6 أشهر للتركيبات الجاهزة للاستخدام.

التغلب على التحديات: التكلفة، المتانة، واعتماد السوق لتقنية التحليل الكهربائي PEM

العوائق أمام التوسع: تكاليف المواد والمتانة في أنظمة PEM صغيرة الحجم

القضية الرئيسية التي تواجه أجهزة التحليل الكهربائي لغشاء تبادل البروتونات أو أجهزة التحليل الكهربائي PEM هي التكاليف العالية للمواد المستخدمة. فحسب بعض الأبحاث الحديثة التي أجراها علماء مواد في عام 2024، فإن معادن مجموعة البلاتين تمثل وحدها حوالي 35 إلى 40 بالمئة تقريبًا من تكلفة بناء هذه الوحدات. عند النظر في الأنظمة الأصغر حجمًا، هناك صراع دائم بين ضمان عمر كافٍ لهذه الأنظمة والحفاظ على انخفاض التكاليف. وتتفاقم المشكلة عندما يحاول المصنعون جعل الأغشية أكثر رقة أو تطبيق طلاءات خاصة على الصفائح ثنائية القطب، لأن هذه المكونات تميل إلى التآكل بشكل أسرع بكثير خلال دورات التشغيل والإيقاف المتكررة. وعلى المستوى التجاري لأقل من ميغاواط واحد، لا تزال أجهزة التحليل الكهربائي PEM أغلى بنسبة 30% تقريبًا مقارنةً بالخيارات القلوية التقليدية. لكن العديد من الصناعات مستعدة لدفع هذا السعر الإضافي نظرًا لسرعة استجابة أجهزة PEM والحفاظ على كفاءة تتراوح بين 68 و70%، مما يجعلها استثمارًا ذا جدوى للتطبيقات القيمة العالية.

ابتكارات إنابتير في عمر الرزمة الطويلة وموثوقية النظام

تتعامل إنابتير مع مشكلة تآكل المكونات من خلال أساليبها الخاصة لتطبيق طبقات الحفاز، والتي تقلل استخدام البلاتين بنسبة 50٪ مقارنة بما تفعله معظم الشركات المنافسة. يتيح تصميم الشركة عزل الخلايا الفردية التي لا تعمل بشكل جيد دون إيقاف تشغيل النظام بالكامل. وتُظهر الاختبارات المستقلة أن هذه الأنظمة تحافظ على حوالي 92٪ من أدائها الأصلي حتى بعد العمل المتواصل لما يقارب 20,000 ساعة. بالنسبة للمنازل التي يتم تركيب خلايا الوقود فيها، فهذا يعني أن الأغشية تدوم عادةً بين سبع إلى تسع سنوات لأن التكنولوجيا تعالج تغيرات رطوبة الهواء بشكل أفضل بكثير من الأساليب التقليدية.

الاتجاهات الدافعة للتجارة والقبول الأوسع في السوق

يبدو أن سوق الكهارل الضوئية PEM مهيأ للتوسع بشكل كبير، حيث ينمو من حوالي 6.1 مليار دولار في عام 2025 إلى نحو 26.1 مليار دولار بحلول عام 2035، مع بدء العديد من الحكومات تخصيص أموال حقيقية لدعم مبادرات تسعير الكربون. وبالنسبة لأوروبا على وجه التحديد، فقد جعلت خمس دول مختلفة بالفعل استخدام أنظمة PEM إلزاميًا للمشاريع الصغيرة لإنتاج الهيدروجين التي تعمل على موازنة الشبكة الكهربائية عندما تكون طاقتها أقل من 10 ميغاواط. وقد أدى ذلك إلى نشوء ما يقدّره المحللون بسوق سنوية تبلغ قيمتها حوالي 740 مليون دولار فقط لإعادة تجهيز البنية التحتية الحالية. ولكن ما يجعل هذه الأنظمة جذابة بشكل خاص هو طبيعتها الوحداتية. فخذ على سبيل المثال منصة AEM Nexus من شركة Enapter. وبهذا النهج التصميمي، يمكن للشركات أن توسّع عملياتها حسب الحاجة، بدلًا من استثمار كل شيء دفعة واحدة مقدماً. كما أن وفورات التكلفة مثيرة للإعجاب أيضًا؛ إذ تشهد الشركات التي تعتمد هذه الحلول الوحداتية انخفاضًا في مصروفاتها الأولية بنسبة تقارب 60٪ مقارنةً بالطرق التقليدية للتثبيت.

الأسئلة المتكررة (FAQ)

ما هي عملية التحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM)؟

التحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM) هو تقنية تستخدم غشاءً لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. وتُعرف هذه التقنية بكفاءتها العالية، وسرعتها في البدء، وقدرتها على التكيّف مع تقلبات إمدادات الطاقة.

كيف تقارن تقنية PEM بأنظمة الإلكتروليت القاعدية؟

تتميز أنظمة PEM بأنها أكثر كفاءة من حيث المساحة، وأكثر استجابة، وتنتج هيدروجينًا بنقاء أعلى مقارنة بالأنظمة القلوية التقليدية. كما أنها تستجيب لتقلبات الطاقة بشكل أسرع بكثير، مما يجعلها مناسبة للتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة.

ما هي التطبيقات الرئيسية لأجهزة التحليل الكهربائي من نوع PEM الخاصة بشركة Enapter؟

تُستخدم أجهزة التحليل الكهربائي من نوع PEM الخاصة بشركة Enapter في تطبيقات متعددة، تشمل التدفئة السكنية ودعم الطاقة الاحتياطي، وتعبئة الهيدروجين في الاستخدامات التجارية، وإنتاج الهيدروجين الصناعي كمادة خام.

ما هي التحديات التي تواجه تقنية التحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM)؟

تتمثل التحديات الرئيسية في ارتفاع تكاليف المواد، ولا سيما البلاتين، واستدامة المكونات تحت دورات البدء والإيقاف المتكررة. ومع ذلك، تُبذل باستمرار ابتكارات لمعالجة هذه القضايا.