كيف تُستخدم الطاقة الهيدروجينية في إنتاج الكهرباء

يتم توليد الكهرباء باستخدام الهيدروجين بشكل رئيسي من خلال طريقتين: خلايا الوقود والتوربينات الاحتراقية التي تم تعديلها لاستخدام الهيدروجين. تعمل تقنية خلية الوقود عن طريق إنتاج الطاقة من خلال عمليات كهروكيميائية، وعند دمجها مع أنظمة استرداد الحرارة، يمكن أن تصل كفاءتها إلى حوالي 60٪. يمكن للعديد من التوربينات الاحتراقية الحالية التي بُنيت في الأصل لتشغيل الغاز الطبيعي أن تستوعب الآن خليط الهيدروجين أو حتى الهيدروجين النقي، مما يمنح مشغلي الشبكة المرونة اللازمة للحفاظ على إمدادات الطاقة المستقرة. يتضمن إنتاج الهيدروجين الأخضر تحليل جزيئات الماء باستخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية من خلال عملية تُعرف بالتحلل الكهربائي. يتم تخزين هذا الهيدروجين الأخضر حتى يحدث انخفاض في توافر الطاقة المتجددة، حيث يمكن حينها تحويله مرة أخرى إلى كهرباء. على سبيل المثال، ألمانيا، حيث تقوم عدة محطات رياح بحرية بتوليد الهيدروجين الأخضر بالفعل. نجحت هذه المشاريع في خفض الاعتماد على محطات الفحم بنسبة تقارب 40٪ في بعض المناطق التجريبية، رغم تباين النتائج حسب الظروف المحلية وتفاصيل التنفيذ.

دمج الهيدروجين في شبكات الطاقة الحالية

يساعد الهيدروجين في جعل شبكات الكهرباء أكثر نظافة مع الحفاظ على استقرارها أيضًا. عندما تكون هناك طاقة متجددة إضافية، يقوم الهيدروجين بتخزينها ثم يُطلقها مرة أخرى عند ارتفاع الطلب. خذ على سبيل المثال الدنمارك، حيث وجدت مشاريعها التجريبية أن تخزين الهيدروجين في تجاويف الملح يقلل من هدر الطاقة بنسبة تتراوح بين 15 إلى 20 بالمئة سنويًا. نحن نشهد ظهور هذه الأنظمة الهجينة حيث تعمل مزارع الطاقة الشمسية جنبًا إلى جنب مع معدات التحليل الكهربائي، وعلى الرغم من ذلك فإن تحقيق تشغيل سلس لكل المكونات يتطلب إدارة طاقة متقدمة نسبيًا نظرًا لتدفق الطاقة في كلا الاتجاهين عبر النظام. انظر إلى ما تقوم به كاليفورنيا بمشروع 'الهيكل العظمي للهيدروجين المتجدد'، حيث يستخدمون الهيدروجين فعليًا للحفاظ على استقرار الشبكة أثناء موجات الحر الشديدة التي تعطل العمليات الطبيعية كثيرًا في الآونة الأخيرة.

دراسة حالة: محطات تعمل بالهيدروجين في ألمانيا واليابان

يجمع مشروع إينيرجيبارك ماينتس في ألمانيا بين مُحلِّل كهربائي بقدرة 6 ميغاواط ومصادر طاقة الرياح لإنتاج نحو 200 طن من الهيدروجين سنويًا. ويمكن لهذا النظام أن يزود حوالي 2000 منزلًا بالكهرباء أثناء انقطاعات التيار الكهربائي من خلال نظام خلية وقود بقدرة 1.4 ميغاواط. وعلى الجانب الآخر من المحيط الهادئ، طوّرت اليابان مشروعًا أكبر يُعرف باسم حقل أبحاث الطاقة الهيدروجينية فوكوشيما، أو FH2R اختصارًا. وبسعة 10 ميغاواط، يُعد هذا المشروع الأكبر عالميًا في مجال إنتاج الهيدروجين الأخضر. ولا يقتصر دوره على تزويد أجزاء من طوكيو بالطاقة فحسب، بل يستخدمه الباحثون أيضًا لتجريب شحنات الهيدروجين عبر المحيطات. وما يجعل هذين المشروعين متميزين هو معدل الكفاءة المرتفع للغاية والبالغ حوالي 95%. ويتم تحقيق هذه الأداء العالي لأنها تقوم بتعديل كمية الهيدروجين المنتجة وفقًا لما تحتاجه شبكة الكهرباء فعليًا في كل لحظة.

التحديات في توسيع استخدام الهيدروجين لتوليد الطاقة الأساسية

توجد ثلاث عقبات رئيسية تحد من دور الهيدروجين في توليد الطاقة الأساسية:

• يكلف : تظل تكاليف رأس المال للخلايا الكهربائية أعلى بثلاث مرات تقريبًا من تكاليف توربينات الغاز الطبيعي.
• خسائر الكفاءة : تؤدي العملية العكسية لتحويل الكهرباء إلى هيدروجين ثم العودة إليها إلى خسارة في الطاقة بنسبة 30–35%.
• البنية التحتية : أقل من 15% من خطوط أنابيب الغاز العالمية يمكنها نقل خلطات الهيدروجين التي تزيد عن 20% بشكل آمن.

أبرزت مراجعة صناعية أجريت في عام 2021 متانة خلايا الوقود وهشاشة خطوط الأنابيب كأولويات رئيسية للبحث والتطوير، وقَدّرت حاجة البنية التحتية إلى تحديثات بقيمة 1.2 تريليون دولار بحلول عام 2040. وعلى الرغم من أن الهيدروجين يُعدّ دعامة مكملة للطاقة المتجددة، فإنه حاليًا لا يتمتع بالتنافسية التكلفة اللازمة للنشر الواسع كمصدر أساسي للطاقة.

الهيدروجين للتدفئة: إزالة الكربون من الأنظمة الصناعية والسكنية

دور الطاقة الهيدروجينية في إزالة الكربون من أنظمة التدفئة

تشكل حوالي 40 في المئة من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن استهلاك الطاقة على مستوى العالم مصدرها التدفئة، وفقًا لبيانات الوكالة الدولية للطاقة الصادرة العام الماضي، ولهذا السبب يرى العديد من الخبراء أن الهيدروجين يُعدّ تغييرًا جذريًا حقيقيًا يمكنه استبدال الوقود الأحفوري في كل من الأفران الصناعية والغلايات المنزلية. إن قدرة الهيدروجين على الاحتراق بدرجات حرارة تصل إلى نحو 2800 درجة مئوية تجعله مناسبًا بشكل خاص للصناعات الثقيلة مثل إنتاج الصلب. كما أظهرت بعض الاختبارات التي أُجريت على أنظمة خلية وقود ميكروية مدمجة لإنتاج الحرارة والكهرباء نتائج مثيرة للإعجاب أيضًا، حيث بلغت كفاءتها نحو 90 في المئة عند استخدامها في شبكات التدفئة المركزية. ومن المثير للاهتمام أن الهيدروجين يعمل فعليًا بشكل جيد في حوالي 20 في المئة من خطوط أنابيب الغاز الحالية دون الحاجة إلى أي تعديلات على البنية التحتية، وهي نقطة قد تسرّع بشكل كبير من وتيرة اعتماد هذه التكنولوجيا عبر قطاعات مختلفة.

مَزج الهيدروجين مع الغاز الطبيعي في خطوط الأنابيب

يُعدّ مَزج الهيدروجين في الشبكات الغازية الحالية طريقًا انتقاليًا:

تشير التجارب الأوروبية إلى أن خلطات بنسبة 20٪ يمكن أن تقلل الانبعاثات بنحو 6 ملايين طن سنويًا مع الحفاظ على التشغيل الآمن. ومع ذلك، وبسبب كثافة الطاقة الحجمية الأقل للهيدروجين، يجب زيادة معدلات التدفق بنسبة 15–25٪ عند مستويات الخلط الأعلى.

مشاريع تجريبية في المملكة المتحدة وهولندا تستخدم الهيدروجين للتدفئة المنزلية

تمكّن برنامج هيدبيديو في المملكة المتحدة من خلط الهيدروجين مع إمدادات الغاز لنحو 300 منزل بنسبة حوالي 20٪، وبدا أن معظم الأشخاص راضون عن ذلك - حيث أفاد ما يقارب 8 من أصل 10 مشاركين بأنهم راضون. وفي هولندا، أصبحت الأمور أكثر إثارة مع تجربة H2Stad، حيث تم تحويل 1,500 منزل بالكامل إلى غلايات تعمل بالهيدروجين. وكانت النتائج مثيرة للإعجاب أيضًا، إذ قللت هذه الخطوة من الانبعاثات المرتبطة بالتدفئة بنحو 90٪ مقارنةً بالنظم التقليدية التي تستخدم الغاز الطبيعي. وبينما تُظهر هذه البرامج التجريبية أن الهيدروجين يمكن أن يعمل على نطاق أوسع، هناك بعض المخاوف الجديرة بالملاحظة. فاختبارات المواد تشير إلى أنه إذا سُيّر الهيدروجين بالكامل في خطوط الأنابيب باستمرار، فقد يقل العمر الافتراضي لها بين 12٪ وربما 18٪. ليست أخبارًا جيدة جدًا، ولكن لا تزال قابلة للإدارة بالتخطيط السليم.

القلق بشأن الكفاءة والسلامة في التدفئة القائمة على الهيدروجين

تعمل غلايات الهيدروجين بكفاءة تتراوح بين 85 و90 بالمئة تقريبًا، وهي في الحقيقة أقل قليلاً مقارنةً بكفاءة الغاز الطبيعي التي تبلغ حوالي 94%. لكن خاصية الهيدروجين تكمن في اشتعاله الأسهل بكثير، لأنه يحتاج فقط إلى 0.02 مللي جول مقارنةً بـ 0.3 مللي جول للغاز الطبيعي (الميثان). وهذا يعني أننا نحتاج إلى أنظمة كشف تسرب فعّالة جدًا يمكنها اكتشاف كميات ضئيلة جدًا، ربما تركيزًا بنسبة 1% فقط. وفقًا لبعض الدراسات الحديثة الصادرة عن DNV في عام 2023، يميل الهيدروجين إلى التسرّب عبر أنابيب البولي إيثيلين أسرع بحوالي 30 مرة مقارنةً بالغاز العادي. ونتيجة لهذه المشكلة، ستكون معظم شبكات الأنابيب القديمة بحاجة على الأرجح إلى تركيب بطانات مركبة خاصة في مرحلة ما. ولا ينبغي لنا أيضًا نسيان التهوية المناسبة. وعندما يتم تجديد المباني بشكل صحيح، يمكن لهذا الإجراء البسيط وحده أن يقلل من مخاطر الانفجار بنحو 92%.

الهيدروجين في النقل: من خلايا الوقود إلى الطيران

مركبات خلايا وقود الهيدروجين كبديل نظيف للنقل

تعمل مركبات خلايا الوقود الكهربائية على توليد الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية داخل الخلية، وتنبعث منها في الأساس بخار الماء فقط كعوادم. والميزة الكبيرة هي أن عملية التزود بالوقود تستغرق أقل من خمس دقائق، ويمكن لهذه السيارات أن تقطع أكثر من 500 كيلومتر قبل الحاجة إلى إعادة التزود مرة أخرى. بالنسبة لأشياء مثل الشاحنات طويلة المسافة والسفن التجارية، فإنها تكون أفضل من البطاريات التقليدية لأنها تخزن طاقة أكبر في مساحات أصغر دون التضحية بكثير من مساحة الحمولة. وقد بدأت شركات مثل تويوتا وهيونداي مؤخرًا باستثمار أموال حقيقية في تقنية الهيدروجين لاحتياجاتها الكبيرة في النقل.

اعتماد الحافلات والشاحنات العاملة بالهيدروجين في كاليفورنيا وكوريا الجنوبية

نشر مشروع H2 Frontier في كاليفورنيا أكثر من 50 حافلة تعمل بالهيدروجين عبر 12 منطقة نقل منذ عام 2023، مما قلّص الانبعاثات بنحو 1,200 طن سنويًا. وفي كوريا الجنوبية، يعمل ميناء أولسان للهيدروجين بـ 120 شاحنة خلية وقود لنقل الحاويات، بدعم من وحدات تحليل المياه بالرياح البحرية القريبة.

القطارات العاملة بالهيدروجين في ألمانيا وفرنسا

أكملت قطارات Coradia iLint الألمانية 220,000 كيلومتر خالية من الانبعاثات في عام 2023. واستعاضت خطوط TER Occitanie الفرنسية عن 15 وحدة ديزل بقطارات هجينة تعمل بالهيدروجين، تستخدم خلايا وقود مثبتة على السقف لتمديد المدى على الطرق غير الكهربائية.

تطبيقات ناشئة في قطاعي النقل البحري والجوي

يستخدم مشغّلو النقل البحري الأمونيا المشتقة من الهيدروجين لتزويد أربع سفن شحن في بحر الشمال بالوقود، مما يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 85٪ مقارنةً بالوقود الثقيل. وفي مجال الطيران، من المتوقع أن تدخل طائرات إقليمية خالية من الانبعاثات تعمل باحتراق الهيدروجين السائل الخدمة بحلول عام 2035، مع إتمام النماذج الأولية الحالية رحلات تجريبية بلغت 750 كم.

تحديات البنية التحتية لشبكات تزود الهيدروجين

توجد أقل من 1,000 محطة لتزويد الهيدروجين بالعالم، منها 42% في أوروبا و38% في آسيا. لا يزال تخزين الضغط العالي مكلفًا—بـ 1,800 دولار لكل كجم في عام 2024—وتُعد هشاشة مواد الأنابيب تحديًا لتوزيع واسع النطاق.

إنتاج الهيدروجين الأخضر: التقدم في الأساليب المستدامة

الهيدروجين الرمادي مقابل الأزرق مقابل الأخضر: المفاضلات البيئية والاقتصادية

توجد طرق عديدة مختلفة لإنتاج الهيدروجين، ولكل منها تأثيرها البيئي وتكلفتها الخاصة. يُنتج الهيدروجين الرمادي من عملية إصلاح الميثان بالبخار (SMR)، ويُطلق ما بين 9 و12 كيلوغرامًا من ثاني أكسيد الكربون مقابل كل كيلوغرام من الهيدروجين المنتج. أما التكلفة؟ فهي حوالي 1.50 إلى 2.80 دولار لكل كيلوغرام وفقًا للوكالة الدولية للطاقة في عام 2023. ثم يأتي الهيدروجين الأزرق الذي يستخدم نفس عملية الإصلاح بالبخار (SMR) لكن مع إضافة تقنية احتجاز الكربون. وهذا يقلل الانبعاثات بنسبة 80 إلى 90 بالمئة تقريبًا، رغم أنه يجعل التكلفة أعلى، وتتراوح حاليًا بين 2.50 و4 دولارات لكل كيلوغرام. وأخيرًا، نصل إلى الهيدروجين الأخضر، الذي يُنتج عندما تُستخدم الكهرباء من مصادر متجددة لتشغيل معدات التحليل الكهربائي. هذه الطريقة لا تطلق أي انبعاثات مباشرة، وتكلفتها الحالية تتراوح بين 3 و5 دولارات لكل كيلوغرام. في الواقع، انخفض هذا السعر بشكل ملحوظ مقارنة بما كان عليه قبل بضع سنوات فقط، حيث كانت الأسعار حينها تتراوح بين 4 و6 دولارات لكل كيلوغرام.

التطورات في التحليل الكهربائي تعزز إنتاج الطاقة من الهيدروجين الأخضر

أصبحت وحدات التحليل الكهربائي ذات الغشاء المقفل للبروتون (PEM) تصل كفاءتها إلى 75–83%، مقارنة بـ60% في عام 2010. وتتراوح كفاءة الأنظمة القلوية بين 65–70% مع عمر افتراضي يتجاوز 60,000 ساعة. أما وحدات التحليل الكهربائي ذات الأكسيد الصلب (SOEC)، التي تعمل عند درجات حرارة تتراوح بين 700–900°م، فقد حققت كفاءة بنسبة 85% في التجارب، مما يبشر بإمكانية إنتاج هيدروجين أخضر على نطاق صناعي (ScienceDirect 2024).

اتجاهات التكلفة وقابلية التوسع في إنتاج الهيدروجين باستخدام مصادر طاقة متجددة

لقد انخفضت تكلفة إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي باستخدام الطاقة الشمسية بشكل كبير، بنحو 62٪ منذ عام 2015. ونرى الآن أسعارًا تتراوح بين 3 و4.50 دولارًا لل킬وجرام في عام 2024. وفي أستراليا، تُنتج مزارع الرياح أكثر من 1000 طن من الهيدروجين الأخضر سنويًا وبسعر يبلغ حوالي 3.80 دولارًا للكيلوجرام. وفي الوقت نفسه، في الصين، تساهم محطات التحليل الكهربائي الكبيرة في خفض تكاليف الإنتاج كل عام، حيث تنخفض التكاليف بنحو 18٪ سنويًا. ويتوقع بلومبرغنيف أن يصل سعر الهيدروجين الأخضر إلى 1.50 دولار فقط للكيلوجرام بحلول عام 2030، مع استمرار التوسع السريع لمصادر الطاقة المتجددة، التي من المتوقع أن تمثل ما يقرب من 85٪ من إجمالي توليد الكهرباء الجديد على مستوى العالم.

الأسئلة الشائعة

ما هي الطرق الرئيسية لتوليد الكهرباء باستخدام الهيدروجين؟ الطرق الرئيسية هي خلايا الوقود والتوربينات الاحتراقية المعدّلة لاستخدام الهيدروجين.
كيف يسهم الهيدروجين في استقرار شبكة الكهرباء؟ يُخزَّن الهيدروجين الطاقة المتجددة الزائدة، ويُطلَقها أثناء ارتفاعات الطلب لضمان استقرار الشبكة الكهربائية.
ما هي بعض التحديات الحالية في استخدام الهيدروجين لتوليد الطاقة الأساسية؟ تتمثل التحديات الرئيسية في التكاليف العالية، وفقدان الكفاءة أثناء تحويل الطاقة، والقيود المتعلقة بالبنية التحتية.
كيف يُستخدم الهيدروجين في أنظمة التدفئة؟ يمكن للهيدروجين أن يحل محل الوقود الأحفوري في أنظمة التدفئة الصناعية والسكنية، مما يوفر بديلاً مستدامًا.
ما التطورات التي تحققت في إنتاج الهيدروجين الأخضر؟ أدت التطورات في تقنية التحليل الكهربائي والمنشآت الكبيرة النطاق إلى خفض كبير في التكاليف وزيادة الكفاءة.