كيف تعمل خلايا الوقود: الت convير الكهروكيميائي والتشغيل الخالي من الانبعاثات

العملية الكهروكيميائية الأساسية: أكسدة الهيدروجين واختزال الأكسجين

تُنتج خلايا الوقود الكهرباء باستخدام تفاعل كيميائي بين الهيدروجين والأكسجين، والأهم من ذلك أنها تقوم بذلك دون حرق أي شيء. عندما يصل الهيدروجين إلى جانب الأنود، يتم تفكيكه إلى بروتونات وإلكترونات بفضل عامل محفز يتكون في الغالب من البلاتين. تتحرك الإلكترونات عبر أسلاك خارج الخلية، مما يُكوّن التيار الكهربائي الذي يمكننا استخدامه فعليًا للتشغيل. وفي الوقت نفسه، تمر البروتونات خلال ما يُعرف بغشاء تبادل البروتون (أو PEM اختصارًا) إلى الجانب الآخر من الخلية. وعندما تصل هذه البروتونات إلى الكاثود، تلتقي بجزيئات الأكسجين والإلكترونات التي عادت من الدائرة الخارجية. وعند اجتماعها معًا، تتكون فقط مياه نظيفة كمنتج ثانوي. يعمل هذا الإجراء بأكمله بكفاءة عالية لأنه لا يعتمد على انتقال الحرارة كما تفعل المحركات التقليدية. ونتيجة لذلك، تحول خلايا الوقود من نوع PEM عادةً نحو نصف إلى ثلثي الطاقة المدخلة مباشرة إلى كهرباء. وهذا ما يعادل تقريبًا ضعف كفاءة معظم المركبات التي تعمل بالبنزين، لأن أداؤها محدود بالمبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية المعروفة باسم دورة كارنو.

تتضمن المزايا الرئيسية ما يلي:

• عمل شبه صامت دون أجزاء متحركة باستثناء الأنظمة المساعدة
• إخراج طاقة مستمر ما دام يتم تزويد الوقود والأكسدة
• قابلية توسع وحداتية — من وحدات محمولة بالكيلوواط إلى محطات ثابتة متعددة الميغاواط

على عكس البطاريات، فإن خلايا الوقود عبارة عن محولات للطاقة، وليس أجهزة تخزين — مما يتيح تشغيلًا مستمرًا دون انقطاع لإعادة الشحن.

لماذا لا تطلق خلايا الوقود سوى الماء — بدون ثاني أكسيد الكربون، أو أكاسيد النيتروجين، أو الجسيمات

لا تطلق خلايا الوقود أي ملوثات تخضع للتنظيم لأنها تعمل من خلال تفاعلات كهروكيميائية بدلاً من احتراق المواد. فالهيدروجين ببساطة لا يحتوي على كربون، ما يعني أنه لا يمكن تكوّن ثاني أكسيد الكربون أثناء التشغيل. علاوة على ذلك، تحدث التفاعلات عند درجة حرارة قصوى تبلغ حوالي 100 درجات مئوية، وهي بعيدة كل البعد عن علامة 1300 درجة حيث تبدأ تكوّن أكاسيد النيتروجين. كما أن هذه العملية لا تنطوي على لهب، وبالتالي وداعًا للدخان الناتج عن الاحتراق، والرماد، والهيدروكربونات غير المحترقة التي تلوث الهواء. ما الذي يصدر إذًا؟ في الأساس، لا يكون إلا بخار ماء نقي، يُجمع أحيانًا ويُعاد استخدامه في العمليات الصناعية. ولهذا السبب تعمل هذه الأنظمة بكفاءة عالية في الأماكن المغلقة، أو المناطق الحضرية المزدحمة، أو في أي مكان حساس لمعايير جودة الهواء. فهي تتماشى تمامًا مع التوصيات الصادرة عن وكالة حماية البيئة (EPA)، وتتوافق مع القواعد الأوروبية للهواء النظيف، وتستوفي إرشادات منظمة الصحة العالمية أيضًا.

تطبيقات خلايا الوقود في القطاعات التي يصعب تقليل انبعاثاتها

النقل الثقيل: الشاحنات والحافلات والقطارات والسفن البحرية

عندما يتعلق الأمر بالنقل الثقيل، فإن خلايا الوقود تعالجان بالفعل بعض المشكلات الكبيرة التي لا تستطيع البطاريات التعامل معها بشكل كافٍ. فكّر في سعة التخزين للطاقة، والمدة التي تستغرقها إعادة شحنها، وما تفعله بالنسبة لوزن المركبة. إن الشاحنات التي تعمل بالهيدروجين تُحدث حاليًا ضجة كبيرة. يمكن لهاتين الشاحنات الكبيرة أن تقطع ما بين 500 إلى 800 كيلومترًا باستخدام خزان واحد، وتستغرق عملية إعادة التزوّد بالوقود أقل من عشرين دقيقة فقط، وهي مماثلة لما نرى مع المحركات الديزل التقليدية. وهذا يتفوق بشكل كبير على حمل بطاريات ضخمة تضيف ما يقارب من ثلاث إلى أربع أطنان من الوزن الإضافي. نحن نرى بالفعل هذه التكنولوجيا تنتشر حول العالم، مع أكثر من خمسة آلاف حافلة تعمل بالهيدروجين في أماكن مثل الصين، وبعض أجزاء أوروبا، وحتى كاليفورنيا. كما أن التطبيقات تتزايد لتمتد لما هو أبعد من الحافلات فقط. فخذ على سبيل المثال قطار Coradia iLint في ألمانيا، أو انظر إلى جهود النرويج من خلال مشروع العبارة HYDROGEN. إن الموانئ على وجه الخصوص ستستفيد كثيرًا، نظرًا لأن معظم عمليات الحاويات تعتمد بشكل كبير على المعدات الديزلية التي تطلق كميات كبيرة جدًا من أكاسيد النيتروجين والجسيمات الدقيقة في الهواء. إن التحول إلى خلايا الوقود يعني صفر انبعاثات بالضبط في المكان الذي تحدث فيه، مما يساعد الجهات المسؤولة في الموانئ على تحقيق الأهداف الصعبة التي وضعتها المنظمة البحرية الدولية للحد من انبعاثات الكربون بحلول عام 2030 و2050.

أنظمة الطاقة الصناعية والاحتياطية: استبدال المولدات الكهربائية التي تعمل بالديزل

توفر خلايا الوقود طاقة نظيفة وموثوقة للبنية التحتية الحيوية مثل مراكز البيانات والمستشفيات والمصانع، حيث كانت المولدات diesel تُستخدم تقليديًا كمصدر للطاقة الاحتياطية. مقارنةً بالخيارات التي تعمل بالديزل، لا تطلق هذه الأنظمة أكاسيد النيتروجين الضارة أو ثاني أكسيد الكبريت أو الجسيمات الدقيقة داخل المباني أو حول العمليات الحساسة. يتيح تصميمها توسيع نطاقها بسهولة من التركيبات الصغيرة ذات 50 كيلوواط حتى الإعدادات الكبيرة التي تصل إلى 3 ميغاواط. تعتمد مدة تشغيلها بشكل أساسي على توفر إمداد الهيدروجين، بدلاً من القلق بشأن تآكل البطاريات مع مرور الوقت. عند التشغيل باستخدام خزانات هيدروجين مضغوط، يمكن لمعظم الوحدات تحمل أحمال التشغيل الكاملة لأكثر من ثلاثة أيام متواصلة، مما يقلل من مخاطر الحرائق مقارنة بتخزين كميات كبيرة من وقود الديزل في الموقع. ذكرت وزارة الطاقة الأمريكية أن الشركات التي تتبنى خلايا الوقود كمصدر احتياطي زادت بنسبة تقارب 40 بالمئة العام الماضي. يبدو هذا النمو منطقياً عند النظر إلى معدلات الموثوقية الاستثنائية التي تتجاوز 99.999 بالمئة من وقت التشغيل، إضافة إلى حقيقة أن العديد من الشركات الكبرى بدأت تُولي أولوية أكبر للأهداف البيئية والاجتماعية والحوكمة في قراراتها التجارية.

تم hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab

Hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab hab

يعتمل نشر خلايا الوقود على نطاق واسع حقًا على وجود طرق آمنة لتوصيل الهيدروجين دون تكلفتها الباهظة. هناك في الأساس ثلاث طرق رئيسية لتخزين الهيدروجين: خزانات غاز مضغوطة بضغط يتراوح بين 350 و700 بار، وسائلٌ شديد البرودة يُخزَّن عند 253 درجة مئوية تحت الصفر، وخيارات حديثة تشمل الهيدروجين المعدني أو مواد ماصة خاصة. كل طريقة تكون أكثر كفاءة في حالات مختلفة حسب المطلوب إنجازه. عند النظر في الأرقام مع دخول عام 2023، يوجد أكثر من 160 محطة تزويد عامة للهيدروجين حول العالم، تتركز في أماكن مثل كاليفورنيا، واليابان، وكوريا الجنوبية، وبعض أجزاء ألمانيا. لكن عندما يتعلق الأمر بتوسيع هذه البنية التحتية للمركبات الأكبر مثل الشاحنات والحافلات، تصبح الأمور معقدة بسرعة. بناء محطة واحدة بحجم معقول يكلف عادةً ما بين مليونين وثلاثة ملايين دولار، دون احتساب جميع المستندات المطلوبة للتصاريح بالإضافة إلى الربط مع الشبكات الكهربائية الحالية، ما يضيف طبقة أخرى من التعقيد التي لا أحد يرغب في التعامل معها.

يتم معالجة السلامة من خلال معايير هندسية متناغمة على المستوى الدولي، وعلى وجه الخصوص ISO/TS 15916، وSAE J2601، والدليل الأوروبي لسلامة الهيدروجين. وتتطلب هذه المعايير:

• خزانات الهيدروجين المركبة المعتمدة لتتحمل أكثر من 10,000 دورة ضغط وتأثيرات.ballistic
• فوهة التزويد بالوقود المزودة بكشف تلقائي للتسرب، وإيقاف حراري، وأجهاز تفريغ الضغط
• تهوية المنشأة المغلقة المصممة للحفاظ على تركيزات الهيدروجين أقل من الحد الأدنى لقابلية الاشتعال البالغ 1%

تأتي الت��حقيق العملي من مبادرات مثل برنامج H2 Mobility في أوروبا، الذي قام بتوحيد البروتوكولات عبر 29 محطة، ما يُظهر قابلية التشغيل المتبادل، والسلامة، والثقة لدى المستخدمين الضرورية للتبني الواسع.

خلايا الوقود في طريق الحياد الكربوني

تُعتبر خلايا الوقود من اللاعبين الرئيسيين في السعي نحو اقتصادات محايدة من حيث الكربون، خاصة في المجالات التي لا تُجدي فيها الكهرباء التقليدية. تقوم هذه الأنظمة باستخدام الهيدروجين الأخضر المُنتج من مصادر متجددة عبر عملية التحليل الكهربائي وتحويله إلى كهرباء، مع إنتاج بخار الماء فقط. وهذا يعني عدم انبعاث CO₂، أو أكاسيد النيتروجين، وبلا شك لا تُطلق أي جسيمات ضارة في الهواء. ما يجعلها حقاً مُميزة هو طريقة عملها بالتوازي مع مصادر الطاقة المتجددة. فعندما تُنتج كمية زائدة من الطاقة الشمسية أو الرياح، بدلاً من إضاعتها، يمكننا تخزين تلك الفائض من الطاقة على شكل هيدروجين. وبعد ذلك، عندما يرتفع الطلب بشكل مفاجئ، نُحول الهيدروجين المخزّن ببساطة مجددًا إلى كهرباء. تُساعد هذه الطريقة في جعل شبكات الكهرباء لدينا أكثر مرونة دون الاعتماد على محطات الوقود الأحفالي التقليدية التي يرغب الجميع في التتخلي عنها.

يُعَدَّ العالم يُنفق أموال حقيقية لدعم الهيدروجين كلاعب رئيسي: وفقاً للوكالة الدولية للطاقة، تم التعهد بحوالي 100 مليار دولار لتطوير البنية التحتية للهيدروجين بحلول عام 2030. كما انخفضت أسعار خلايا الوقيب بشكل كبير، بنحو 60٪ منذ عام 2015، بفضل زيادة أحجام الإنتاج وتحسين مواد الحفاز. كما بدأت السياسات الحكومية في اللحاق بالركب. فعلى سبيل المثال، قانون خفض التinflate الأمريكي الذي يقدّم إعفاء ضريبي بقيمة 3 دولارات لكل كيلوغرام من الهيدروجين النظيف، إضافة إلى الت directive الأوروبية المحدثة للطاقة المتجددة. هذه التغييرات تعني أن خلايا الوقيب لم تعد مجرد تكنولوجيا تجريبية، بل أصبحت جزءاً فعلياً من البنية التحتية العادية. نظرة إلى الأمام تُظهر أن هذه الأنظمة قد تلبي نحو 15٪ من احتياجات الطاقة في القطاعات التي يصعب خفض الانبعاثات فيها. مما يجعلها مهمة جداً إذا أردنا تحقيق أهدف الصفرية، رغم أنه لا يزال هناك عمل يتعين إنجازه قبل أن تصبح هذه التكنولوجيا واسعة الانتشار.

الأسئلة الشائعة

ما هي خلية الوقيب؟
خلية وقود هي جهاز يحول الطاقة الكيميائية من الهيدروجين إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعل كهروكيميائي مع الأكسجين.

هل تُنتج خلايا الوقود انبعاثات؟
تُنتج خلايا الوقود بشكل أساسي بخار الماء كمنتج ثانوي ولا تُطلق ملوثات خاضعة للتنظيم مثل ثاني أكسيد الكربون أو أكاسيد النيتروجين أو الجسيمات العالقة.

هل يمكن استخدام خلايا الوقود في وسائل النقل؟
نعم، تُستخدم خلايا الوقود بشكل متزايد في قطاعات النقل الثقيلة، بما في ذلك الشاحنات والحافلات والقطارات والسفن البحرية.

ما هي ت measures السلامة لاستخدام الهيدروجين؟
تشمل إجراءات السلامة خزانات الهيدروجين المعتمدة وأنظمة كشف التسرب والتهوية المناسبة للحفاظ على تركيزات الهيدروجين آمنة.