كيف تُشغّل الطاقة المتجددة إنتاج الهيدروجين الأخضر

دور الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية في التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر

الكهرباء النظيفة المستمدة من الرياح، والألواح الشمسية، والطاقة الكهرومائية هي ما يجعل تحليل الماء بالكهرباء ممكنًا لإنتاج الهيدروجين دون انبعاثات كربونية. في الوقت الحاضر، نشهد زيادة في مزارع الطاقة الشمسية ومشاريع طاقة الرياح العاملة في عرض البحر التي تُشغّل أنظمة كبيرة من المحللات الكهربائية، وتواصل الطاقة الكهرومائية تقديم دعم طاقي موثوق به بشكل مستمر. أنتج العالم حوالي 1.2 مليون طن من الهيدروجين الأخضر العام الماضي، وهو ما يمثل قفزة كبيرة مقارنة بعامين فقط مضياً حين كان الإنتاج نصف هذا المقدار. إن التكامل الأفضل لمصادر الطاقة المتجددة إلى جانب انخفاض أسعار المحللات الكهربائية قد دفع فعلاً بهذا النمو إلى الأمام. وبالنظر إلى مناطق معينة، فإن الأماكن ذات أشعة الشمس الكثيرة تستمد عادةً ما بين ربع إلى نحو ثلث احتياجاتها من التحليل الكهربائي من الطاقة الشمسية، في حين تعتمد المناطق الساحلية التي تتمتع برياح قوية على توربينات الرياح لتوفير نحو 40 إلى 50 بالمئة من متطلباتها الطاقية لإنتاج الهيدروجين.

كفاءة التحليل الكهربائي PEM في البيئات التي تعتمد على مصادر طاقة متجددة متغيرة

تُحقق أجهزة التحليل الكهربائي لغشاء تبادل البروتون (PEM) كفاءة تتراوح بين 75 و80% في تحويل طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقلبة إلى هيدروجين، مع الاستجابة السريعة للتغيرات في الإمداد. وتُحافظ الضوابط المتطورة على الأداء أثناء الانخفاضات المفاجئة في الإشعاع الشمسي، مثل تلك التي تستغرق 30 ثانية فقط، مما يضمن إنتاجًا ثابتًا من الهيدروجين.

التطورات التكنولوجية في أنظمة إنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية

وصلت أنظمة التحليل الكهربائي المدمجة مع الخلايا الفوتوفلطية الآن إلى كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين بنسبة 12–14% بفضل ابتكارات مثل تقسيم الطيف واسترداد الحرارة. وقد ساهمت المشاريع النموذجية التي تستخدم صفوفًا شمسية بتتبع ثنائي المحور في زيادة إنتاج الهيدروجين اليومي بنسبة 22%، مما يعزز العائد في الظروف المتغيرة.

الابتكارات التي تمكّن من التحليل الكهربائي الموثوق باستخدام مصادر متجددة متقطعة

تستخدم محطات الهجين المتجددة والهيدروجينية نظم تنبؤ مدعومة بالذكاء الاصطناعي لمواءمة تشغيل المحلل الكهربائي مع توفر الطاقة في الوقت الفعلي. وتنظم أنظمة البطاريات الوسيطة تدفق الطاقة خلال فترات انقطاع التوليد، مما يحافظ على معدل تشغيل بنسبة 98٪ في الاختبارات الميدانية.

الهيدروجين الأخضر كحل لتخزين الطاقة المتجددة واستقرار الشبكة الكهربائية

استخدام الهيدروجين للتقليل من التقطعات وتعزيز مرونة الشبكة الكهربائية

يُعدّ الهيدروجين الأخضر حلاً لمشكلة كبيرة في أنظمة الطاقة المتجددة، حيث يتم توليد الكهرباء في أوقات لا يحتاجها أحد. وعلى عكس بطاريات الليثيوم أيون التي يمكنها تخزين الكهرباء لبضع ساعات فقط، فإن الهيدروجين الأخضر قادر على الاحتفاظ بهذه الطاقة الزائدة لأيام أو حتى شهور. فعلى سبيل المثال، تجربة ألمانيا لعام 2024: فقد استخدمت كل طاقة الرياح الإضافية غير المستخدمة وحوّلتها إلى هيدروجين. والنتيجة؟ نحو 72 جيجاواط ساعة تم تخزينها، وهي كمية كافية لتغذية حوالي عشرة آلاف أسرة خلال أشهر الشتاء الصعبة التي يرتفع فيها الطلب بشكل كبير. وهذا ليس مجرد نظرية. فبيانات من العالم الحقيقي الواردة في تقرير مرونة الشبكة تُظهر أن العديد من مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تُضيع ما بين 20 إلى 40 بالمئة من إنتاجها خلال فترات الذروة بسبب عدم وجود مكان لتخزين الفائض. ومع أنظمة تخزين الهيدروجين الأخضر، يصبح هذا الفائض المهدر مصدرًا مفيدًا.

أنظمة التخزين اللامركزية للهيدروجين والتحكم التكيفي في الوقت الفعلي

تُوازن الشبكات الصغيرة المجهزة بخزن الهيدروجين وعناصر تحكم تعتمد على الذكاء الاصطناعي تلقائيًا بين العرض والطلب. قلّلت شبكة ليز إينرجي النرويجية من الاعتماد على محطات الوقود الأحفوري بنسبة 63% باستخدام مراكز هيدروجين موزعة تستجيب لتقلبات الشبكة في أقل من 500 مللي ثانية . تُحسّن الخوارزميات التنبؤية استخدام المحلل الكهربائي، وتحافظ على كفاءة النظام عند 89% رغم التقلبات البالغة ±40% في إنتاج الطاقة المتجددة.

دمج تخزين الهيدروجين في شبكات الطاقة الغنية بالطاقة المتجددة

تقوم شركات المرافق بنشر ما يُعرف بـ"مخففات صدمات الشبكة" القائمة على الهيدروجين لاستقرار الشبكات التي تحتوي على أكثر من 50% من الطاقة المتجددة. وتشمل الاستراتيجيات الرئيسية:

• محطات تخزين هجينة تجمع بين خزانات الهيدروجين وبطاريات مدتها 4 ساعات
• بروتوكولات حقن ديناميكية تسمح بخلط ما يصل إلى 20% من الهيدروجين في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي
• محللات كهربائية تستجيب للطلب تزيد من الإنتاج عندما تصبح أسعار الكهرباء سلبية

قللت هذه الطريقة المُتعددة الطبقات من الانحرافات الترددية بنسبة 83٪ مقارنة بالأساليب التقليدية، وذلك استنادًا إلى اختبارات عام 2023 التي أُجريت عبر سبعة مشغلين لشبكات كهربائية في أوروبا.

خفض الانبعاثات وتعزيز الاستدامة من خلال دمج الهيدروجين المتجدد

تحليل دورة الحياة للحد من الانبعاثات في أنظمة الهيدروجين الأخضر

تبين تقييمات دورة الحياة أن أنظمة الهيدروجين الأخضر يمكنها تحقيق انخفاض يصل إلى 80٪ في الانبعاثات مقارنةً بالبدائل القائمة على الوقود الأحفوري عبر مراحل الإنتاج والتخزين والتوزيع. ووجدت دراسة أجريت في عام 2025 أن دمج طاقة الرياح والطاقة الشمسية مع عملية التحليل الكهربائي لا يقلل الانبعاثات فحسب، بل ويقلل أيضًا استهلاك المياه بنسبة 30٪، مع بقائها تنافسية من حيث التكلفة بنسبة 40–60٪ بالمقارنة مع الهيدروجين التقليدي. وتشمل العوامل الرئيسية المساهمة في ذلك:

• انخفاض بنسبة 97٪ في الانبعاثات الناتجة عن التحليل الكهربائي المدعوم مباشرةً بمصادر متجددة
• انخفاض بنسبة 62٪ في تسرب الميثان مقارنةً بإعادة تشكيل الغاز الطبيعي
• ممارسات التصميم الدائرية التي تعاد تدوير 85٪ من مكونات وحدات التحليل الكهربائي بعد إيقاف تشغيلها

بناء بنية تحتية كهربائية مستدامة باستخدام الهيدروجين الأخضر المتكامل

تُسهم أنظمة الهيدروجين الأخضر في إرساء شبكات كهربائية أكثر ذكاءً، قادرة على موازنة إنتاج الطاقة المتجددة مع احتياجات التخزين على فترات أطول. وعندما تنخفض إنتاجية الرياح والطاقة الشمسية، تحل هذه الأنظمة محل محطات الوقود الأحفوري الاحتياطية القديمة التي كانت تُستخدم لتغطية هذه الفجوات. كما تساعد أيضًا في الحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية بالطريقة نفسها التي كانت تقوم بها محطات الفحم أو الغاز التقليدية سابقًا. ووجد بعض خبراء الاستدامة أنه عندما تستخدم المجتمعات المحلية شبكات كهربائية صغيرة تعمل بالهيدروجين، فإنها تخسر ما يقارب 18 إلى 22 بالمئة أقل من الطاقة أثناء النقل مقارنةً بالنظم المركزية. وهناك مزايا إضافية عديدة، مثل زيادة المرونة في مواجهة الظروف الجوية المتطرفة وتقليل الاعتماد على نقاط فشل واحدة في سلسلة توريد الطاقة.

• مرونة طاقوية لمدة 72 ساعة خلال الظروف الجوية القاسية
• إتمام تصاريح مشاريع الطاقة المتجددة بنسبة 55٪ أسرع بفضل تبسيط موافقات تخزين الهيدروجين
• توفير بقيمة 27 دولارًا/ميجاواط ساعي في التخزين على المدى الطويل مقارنةً بحلول الليثيوم-أيون

استغلال الطاقة المتجددة الفائضة: دور الهيدروجين الأخضر في تقليل التقييد

تحويل فائض طاقة الرياح والطاقة الشمسية إلى هيدروجين أخضر قابل للتخزين

عندما يتم توليد كمية كبيرة جدًا من الطاقة المتجددة ولكن لا يوجد مكان لإرسالها، تأتي عملية التحليل الكهربائي لتحويل هذه الكميات الزائدة إلى هيدروجين يمكن تخزينه للاستخدام لاحقًا. وهذا يحوّل الكهرباء التي كانت ستُهدر عادةً إلى شيء ذي قيمة اقتصادية. إن تركيب وحدات التحليل الكهربائي بجوار توربينات الرياح والألواح الشمسية أمر منطقي، لأنها تستطيع الاستفادة من الاندفاعات الكبيرة للطاقة الشمسية في منتصف النهار أو التقاط طاقة الرياح الزائدة ليلاً عندما تصبح الشبكات غالبًا مثقلة بالحمل. وقد بدأت بعض الشركات تجريب منصات عائمة في عرض البحر أيضًا. تعمل هذه الأنظمة بشكل جيد نسبيًا لأنها تُلغي الحاجة إلى كابلات بحرية باهظة الثمن، مع الاستمرار في إنتاج الهيدروجين في الموقع الذي تكون فيه رياح البحار أقوى.

الفوائد الاقتصادية لاستخدام الطاقة المُقَيَّدة في إنتاج الهيدروجين

يمكن استخدام الطاقة الزائدة التي كانت ستُهدر في الأصل من تقليل تكاليف إنتاج الهيدروجين الأخضر بنسبة تتراوح بين 30 إلى 50 بالمئة مقارنة بالطرق التقليدية المعتمدة على الشبكة الكهربائية. عادةً ما تتراوح هذه التكاليف الإنتاجية بين 3.8 دولار و11.9 دولار لكل كيلوغرام يتم إنتاجه، لكن الشركات التي تعتمد على مصادر متجددة غير مستغلة تحقق نقطة التعادل الخاصة بها قبل غيرها بحوالي 3 إلى 5 سنوات. ما يجعل هذا النهج جذاباً للغاية هو أنه يتيح طريقتين مختلفتين لتحقيق الدخل في آنٍ واحد. الأولى هي العائد الواضح من بيع منتج الهيدروجين نفسه للمصانع والجهات الصناعية الأخرى. أما الثانية فهي تدفق دخل إضافي ناتج عن المشاركة في برامج الخدمات الشبكية الخاصة، حيث تُدفع لهم أموال مقابل تعديل استهلاكهم للطاقة وفقاً لما تحتاجه شبكة الكهرباء في أي لحظة معينة.

الأسئلة الشائعة

ما هو الهيدروجين الأخضر؟

الهيدروجين الأخضر هو هيدروجين يتم إنتاجه من خلال تحليل الماء باستخدام طاقة متجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية، مما يؤدي إلى صفر انبعاثات كربونية.

لماذا يعتبر الهيدروجين الأخضر مهمًا لاستقرار الشبكة الكهربائية؟

يمكن للهيدروجين الأخضر تخزين الطاقة الزائدة من المصادر المتجددة لفترات طويلة، مما يساعد في موازنة العرض والطلب ويعزز مرونة الشبكة ضد تقلبات التيار الكهربائي.

ما مدى كفاءة إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي بطبقات تبادل البروتون (PEM)؟

تتراوح كفاءة أجهزة التحليل الكهربائي ذات الغشاء المقحل للبروتون (PEM) بين 75 و80% في تحويل الطاقة المتجددة المتغيرة إلى هيدروجين.

كيف يساهم دمج الهيدروجين الأخضر في تقليل الانبعاثات؟

يمكن لأنظمة الهيدروجين الأخضر أن تخفض الانبعاثات بنسبة تصل إلى 80% مقارنة بالطرق المعتمدة على الوقود الأحفوري، وذلك بشكل أساسي من خلال التحليل الكهربائي الذي يعمل بالطاقة المتجددة وتقليل تسرب الميثان.