الهيدروجين المستدام كناقل للطاقة النظيفة

إنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال دمج مصادر الطاقة المتجددة

يُنتج الهيدروجين الأخضر عندما تُستخدم الكهرباء المتجددة الزائدة، وغالبًا ما تأتي من مزارع الرياح والألواح الشمسية، في عملية تُعرف بالتحليل الكهربائي. هذه العملية تفصل جزيئات الماء إلى غازَي الهيدروجين والأكسجين دون إنتاج أي انبعاثات كربونية مباشرة أثناء العملية نفسها. مقارنةً بالطرق التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري، فإن هذا النهج يقلل بشكل كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون – حوالي 9 إلى 12 كيلوغرامًا لكل كيلوغرام من الهيدروجين المنتج تقليديًا. ما يجعل الهيدروجين الأخضر واعدًا كحل للطاقة النظيفة هو أداؤه الأمثل في الفترات التي تتوفّر فيها طاقة متجددة بكثرة. فعندما تعمل أجهزة التحليل الكهربائي عند ذروتها خلال هذه الفترات، فإنها تستفيد من الموارد بشكل أفضل وتساعد فعليًا في تقليل الضغط على شبكة الكهرباء بدلًا من زيادته.

الفوائد البيئية وإمكانات خفض الكربون

قد يؤدي التحول إلى الهيدروجين الأخضر إلى تقليل حوالي 830 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سنويًا من الصناعات الثقيلة بحلول منتصف ثلاثينيات القرن الحالي، وفقًا لتقرير وكالة الطاقة الدولية الصادر العام الماضي. والسبب؟ عند احتراقه، لا ينتج سوى بخار الماء، ما يجعله أداة مهمة للحد من البصمة الكربونية عبر قطاعات مثل إنتاج الصلب، والتصنيع الكيميائي، وعمليات الشحن. وإذا تمكنا فعليًا من تنفيذ هذه التكنولوجيا على نطاق واسع، فقد تشهد المناطق الصناعية انخفاضًا في تلوث أكاسيد النيتروجين الضارة بنسبة تقارب 45 بالمئة تقريبًا. وسيسهم هذا النوع من التحسن في تحقيق الأهداف المناخية، وفي الوقت نفسه تحسين جودة الهواء لسكان المناطق القريبة من هذه المنشآت.

انبعاثات دورة الحياة ومعايير الاستدامة لإنتاج الهيدروجين

يعتمد الأثر البيئي للهيدروجين بشكل كبير على طريقة إنتاجه. تُظهر الدراسات التي تنظر في دورة الحياة الكاملة أن الهيدروجين الرمادي، الذي يُنتج من خلال إصلاح الغاز الطبيعي، يطلق ما يقارب عشرة أضعاف كمية ثاني أكسيد الكربون مقارنةً بنظيره الأخضر. وقد وضعت الاتحاد الأوروبي معايير اعتماد تُعرف باسم RFNBO للتحقق من إنتاج الهيدروجين الأخضر الحقيقي. ولا تقتصر هذه القواعد على التحقق من مصادر الطاقة المتجددة فحسب، بل تتتبع أيضًا متى وأين تم توليد الكهرباء مقارنةً بتوقيت عملية التحليل الكهربائي. يجب على الشركات اتباع هذه الإرشادات بعناية. وإلا فقد ننتهي بمبادرات هيدروجينية تبدو نظيفة على الورق، لكنها لا تزال تدعم اعتمادنا على الوقود الأحفوري خلف الكواليس. وقد يؤدي هذا النوع من التزيين البيئي إلى تقويض التقدم الحقيقي نحو حلول الطاقة المستدامة.

دور الهيدروجين الأخضر في دعم النظم الدائرية للطاقة

يلعب الهيدروجين الأخضر دورًا كبيرًا في تحسين عمل الأنظمة الدائرية للطاقة. عندما تكون هناك طاقة زائدة من مصادر متجددة مثل الرياح أو الشمس، يتم تحويلها إلى وقود يمكن تخزينه واستخدامه لاحقًا في مختلف الصناعات أو حتى إعادة توليدها ككهرباء. تقوم بعض المصانع المتقدمة حاليًا بمزج ثاني أكسيد الكربون المُلتقط من مصادر بيولوجية مع هذا الهيدروجين الأخضر لإنتاج ما يُعرف بالميثانول الإلكتروني (e-methanol)، مما يعني عمليًا أنهم يمنعون انبعاث الكربون في الغلاف الجوي. إن القدرة على العمل في كلا الاتجاهين مفيدة جدًا لتحقيق التوازن في شبكات الكهرباء التي تتصل بها العديد من الألواح الشمسية وتوربينات الرياح. علاوةً على ذلك، فإن هذه العملية تُنتج مواد نظيفة مطلوبة في إنتاج أشياء مثل الأسمدة والصلب دون الانبعاثات الكربونية المعتادة المرتبطة بهذه العمليات.

إزالة الكربون من القطاعات الصعبة الإشباع باستخدام الهيدروجين الأخضر

التطبيقات في صناعات الصلب والكيماويات والصناعات الثقيلة

يُعدّ الهيدروجين الأخضر وسيلة لخفض الانبعاثات الكربونية في المجالات الصناعية التي يصعب فيها التحول إلى الكهرباء. فعلى سبيل المثال، تساهم صناعة الصلب بنحو 7 بالمئة من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عالمياً. وباستبدال الفحم بالهيدروجين الأخضر خلال عملية اختزال خام الحديد، يمكن للمصانع أن تقلّص انبعاثاتها بنسبة تقارب 98%. وقد أثبت مشروع H2 Green Steel في السويد جدوى هذه الطريقة عملياً منذ عام 2024. وفي إنتاج الأمونيا، يؤدي التحول إلى هيدروجين يتم توليده عبر التحليل الكهربائي إلى تخفيض الانبعاثات بنسبة تصل إلى نحو 40%. كما يجد منتجو الأسمنت فائدة في ذلك، إذ يقلل خلط الهيدروجين مع الوقود من كمية الحرارة المطلوبة وكمية الغبار الناتجة. وما يميز الهيدروجين هو قدرته على التعامل مع درجات الحرارة العالية والتفاعلات الكيميائية اللازمة في هذه القطاعات الصعبة التي يصعب تنظيفها بخلاف ذلك.

التكامل بين القطاعات في الصناعة والنقل

يُجمع الهيدروجين بين أجزاء مختلفة من عالم الطاقة لدينا بطرق مثيرة للاهتمام. فهو يُشغّل الآلات الكبيرة، ويُسيّر الشاحنات التي تقطع مسافات طويلة على الطرق السريعة، ويساعد في الحفاظ على استقرار الشبكات الكهربائية عند تقلبات الطلب. وعندما تكون هناك طاقة خضراء إضافية ناتجة عن مصادر شمسية أو رياحية، يمكن تحويلها إلى هيدروجين من خلال عملية تُعرف بالتحليل الكهربائي. ثم يُستخدم هذا الهيدروجين في أماكن مثل المصانع الكيميائية التي تحتاج إلى حرارة شديدة، أو حتى في قطارات خاصة تعمل بخلايا الوقود بدلاً من الديزل. والميزة الأكبر؟ إن خط أنابيب الهيدروجين الواحد لا يقتصر على استخدام واحد فقط. وفقًا لبعض الأبحاث الحديثة الصادرة في عام 2023، يمكن لخطوط الأنابيب هذه أن تلبي نحو ثلث احتياجات منطقة صناعية من التدفئة، وفي الوقت نفسه تعمل كحلول لتخزين الطاقة خلال الفترات التي لا تنتج فيها مزارع الرياح طاقة كافية. وهذا النوع من الغرض المزدوج يجعل النظام بأكمله أكثر كفاءة بكثير مقارنة بمحاولة بناء بنية تحتية منفصلة لكل شيء.

دراسة حالة: الهيدروجين الأخضر في صناعتي الصلب والكيماويات

في ألمانيا، تمكّنت منطقة صناعية من خفض انبعاثاتها من النطاق الأول بنحو الثلثين خلال 18 شهرًا فقط. وقد تحقّق ذلك من خلال التحول من الغاز الطبيعي إلى الهيدروجين الأخضر في عمليات مثل إزالة إجهاد الصلب وإنتاج الميثانول. وما يجعل هذا الإنجاز أكثر إثارة للإعجاب هو أن التشغيل بأكمله يعتمد على طاقة تولدها مزارع رياح بحرية بقدرة 140 ميغاواط. ونتيجة لذلك، يمكنهم إنتاج نحو 9,500 طن من الهيدروجين سنويًا. وهذه الكمية وحدها كافية لإنتاج ما يقارب نصف مليون طن من الصلب منخفض الكربون. ومن خلال النظر إلى كيفية تكامل العمليات عبر الصناعات المختلفة، فإن هذه المبادرة تُعدّ مثالاً بارزًا على مشاركة الموارد، حيث يتم إعادة استخدام ما يقرب من جميع كميات الأكسجين الناتج والحرارة المهدرة في مكان آخر ضمن النظام، مع إعادة استخدام نحو 92٪ منها بدرجة أو بأخرى داخل المجمع الصناعي.

الاقتصاد الدائري في سلسلة قيمة تقنيات الهيدروجين

إعادة تدوير المواد الحرجة: معادن المجموعة النبيلة في خلايا الوقود والمحلل الكهربائي

تعتمد تقنية غشاء تبادل البروتون بشكل كبير على معادن مجموعة البلاتين مثل البلاتين والإيريديوم. وتُشكل هذه المعادن النبيلة مشكلات حقيقية لسلاسل التوريد نظرًا لانحصار احتياطاتها وحدوث أضرار بيئية كبيرة خلال عمليات استخراجها. من ناحية إيجابية، عند النظر إلى خلايا الوقود ووحدات التحليل الكهربائي في نهاية عمرها الافتراضي، يمكن في الواقع استرداد معظم هذه المعادن القيّمة من خلال جهود إعادة التدوير. وفقًا لأحدث البيانات الصادرة عن معهد المواد الدائرية (Circular Materials Institute) عام 2023، فإن معدلات الاسترداد تتجاوز 90%، مما يقلل من اعتمادنا على استخلاص مواد جديدة من المناجم. والأفضل من ذلك أن الشركات التي تعمل بالتعاون مع مراكز إعادة التدوير ضمن أنظمة حلقة مغلقة تمكنت من خفض الانبعاثات عبر دورة حياة المنتجات بنسبة تتراوح بين أربعين إلى ستين بالمئة مقارنة بالطرق التقليدية التي تعتمد فقط على مواد خام جديدة تمامًا.

التصميم لإعادة الاستخدام واسترداد نهاية العمر الافتراضي في أنظمة الهيدروجين

تتجه أنظمة الهيدروجين اليوم نحو إعدادات وحداتية تساعد فعليًا في إطالة عمر المعدات من خلال السماح بإعادة تأهيل الأجزاء أو استخدامها في أغراض جديدة. على سبيل المثال، غالبًا ما يتم فك وحدات المحولات الكهربائية وإعادة استخدامها في عمليات أصغر حجمًا. وفي الوقت نفسه، يمكن عادةً إعادة تنشيط الصفائح ثنائية القطب من خلال عملية تلميع كهروكيميائي معينة. كما يوجد أيضًا معيار يُعرف بـ ISO 22734 لعام 2023 يُحدث تموجات في الصناعة. فهو يساعد بشكل أساسي في جعل القطع المختلفة تعمل معًا عبر أجيال مختلفة من البنية التحتية، بحيث لا تصبح المكونات القديمة قديمة الطراز عندما تظهر تقنيات جديدة. وهذا أمر مهم لأن الشركات المصنعة ترغب في أن تدوم استثماراتها لفترة أطول دون الحاجة إلى استبدال كل شيء بالكامل كل بضع سنوات.

موازنة آثار تعدين المعادن النبيلة مع معدلات إعادة التدوير والابتكار الدائري

يساعد إعادة التدوير في تقليل الحاجة إلى المعادن النبيلة الأولية، لكن لا يمكننا تجاهل أن التعدين ما زال يُشكل حوالي 8 إلى 12 بالمئة من البصمة الكربونية لتكنولوجيا الهيدروجين. وتتنبأ وكالة الطاقة الدولية بأن تصنيع خلايا الوقود قد يتضاعف ثلاث مرات بحلول عام 2030، وبالتالي يصبح توسيع قدرات إعادة التدوير أمرًا بالغ الأهمية. كما بدأت تظهر بعض الخيارات المثيرة للاهتمام، مثل وجود محفزات مصنوعة من الروثينيوم وأنظمة تحليل كهربائي لا تتطلب أي معادن نبيلة على الإطلاق. تعني هذه التطورات اعتمادًا أقل على الموارد النادرة وتقربنا أكثر من أهداف الاقتصاد الدائري التي يتحدث عنها الجميع.

التحويل من الكهرباء إلى الغاز والربط بين القطاعات لأنظمة الطاقة المتكاملة

تُحوِّل تقنيات تحويل الكهرباء إلى غاز (P2G) نظم الطاقة المستدامة من خلال تمكين التكامل بين القطاعات والمرونة في الشبكة عبر عمليات التحليل الكهربائي والتخزين القائم على الهيدروجين. وتربط هذه الحلول الفائض في الكهرباء المتجددة باحتياجات الطاقة الصناعية، مع دعم مبادئ الاقتصاد الدائري.

التحليل الكهربائي والتميثيل: تقنيات تحويل الكهرباء إلى غاز التي تمكن المرونة

تتم عملية التحليل الكهربائي باستخدام كهرباء متجددة لتقسيم جزيئات الماء إلى غاز الهيدروجين والأكسجين. وفي الوقت نفسه، تعمل الميثنة بشكل مختلف من خلال دمج الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه من أماكن أخرى لإنتاج وقود ميثان اصطناعي. تصبح هذه التقنيات مثيرة للاهتمام حقًا عندما تعمل على الألواح الشمسية أو توربينات الرياح، لأنه عندها نحصل على وقود لا يطلق كربونًا إضافيًا في الغلاف الجوي. وهي تعمل بشكل خاص جيدًا في الصناعات مثل الطيران، حيث لا يزال التحول الكامل إلى الطاقة الكهربائية غير عملي بعد. وبالنظر إلى الأرقام الحالية، فإن أنظمة المحاليل الكهربائية الحديثة تعمل الآن بكفاءة تتراوح بين 75 و80 بالمئة. ويمثل ذلك زيادة بحوالي 15 نقطة مئوية مقارنة بما كان ممكنًا في عام 2020، مما يساعد على دفع هذه التقنيات لتقترب أكثر من أن تصبح خيارات قابلة للتطبيق تجاريًا أمام الشركات التي تسعى إلى تقليل الانبعاثات.

تخزين الطاقة القائم على الهيدروجين وتوازن الشبكة

يحتوي الهيدروجين على كثافة طاقة تبلغ حوالي 33.3 كيلوواط ساعة لكل كيلوجرام، مما يجعله مناسبًا جدًا لتخزين الطاقة المتجددة الزائدة عندما ينخفض الطلب. وعندما تتصل مزارع الرياح بنحو 5 غيغาวاط من الكهربائيات، فإنها تقلل من هدر الطاقة بنسبة تقارب 34 بالمئة سنويًا في الشبكات التي تهيمن عليها مصادر الطاقة المتجددة، كما هو موضح في بحث نُشر السنة الماضية. ما يعنيه هذا عمليًا هو أن شركات الكهرباء يمكنها التعامل بشكل أفضل مع التقلبات المفاجئة في الإمداد، بالإضافة إلى الحفاظ على تدفق الكهرباء حتى أثناء استمرار سوء الأحوال الجوية لعدة أيام دون انقطاع.

ربط القطاعات: دمج شبكات الكهرباء والصناعة والغاز

يعزز P2G علاقات تكافلية عبر القطاعات: تزود شبكات الكهرباء مصانع الأسمدة بالهيدروجين، في حين يدعم حرارة النفايات الصناعية التدفئة المركزية. تُظهر النماذج المتكاملة أن هذه التكوينات تقلل من هدر الطاقة الأولية بنسبة 28–32٪ مقارنةً بالنظم المعزولة. كما تحسّن الشبكات الهجينة للطاقة والغاز من درجة المرونة، حيث تشهد انخفاضًا بنسبة 40٪ في ساعات الانقطاع أثناء الظواهر الجوية المتطرفة.

مسارات الكتلة الحيوية والنفايات إلى الهيدروجين في نماذج الكربون الدائرية

تحويل الكتلة الحيوية والنفايات العضوية إلى هيدروجين مستدام

تُمنح بقايا الزراعة، وبقايا الطعام، وحتى الطمي الناتج عن مياه الصرف الصحي حياة جديدة من خلال عمليات الغازification والهضم اللاهوائي التي تحوّلها إلى وقود هيدروجيني. فقط في أوروبا، يمكن لهذه التقنيات معالجة نحو 60 مليون طن من النفايات العضوية كل عام، مما يحوّل القمامة إلى شيء ذي قيمة بدلاً من تركها تتراكم في المكبات. تعني التحسينات الحديثة في أساليب المعالجة الحرارية المائية أننا نحقق نتائج أفضل عند التعامل مع المواد الحيوية الرطبة، وبالتالي يمكن الآن معالجة تدفقات النفايات المبتلة التي كانت تشكّل مشكلة سابقاً بشكل فعّال. والميزة الإضافية هنا هي الحماية البيئية أيضاً، حيث تمنع هذه الطريقة انبعاث غاز الميثان أثناء تحلل النفايات بشكل طبيعي مع مرور الوقت، وهو ما يُعد منطقياً لأي شخص يهتم بتأثيرات تغير المناخ.

دمج الهيدروجين في أطر الاقتصاد الدائري للكربون

الهيدروجين المستخرج من النفايات يربط الدورات الكربونية الطبيعية بالجهود المبذولة لخفض الانبعاثات الصناعية. وعند دمج هذا الأسلوب مع تقنية احتجاز الكربون، فإن ذلك يؤدي فعليًا إلى إزالة كمية أكبر من الكربون من الغلاف الجوي مقارنةً بما يتم إطلاقه. خذ على سبيل المثال المكبات العشوائية: تحويل انبعاثات الميثان الناتجة عنها إلى هيدروجين قابل للاستخدام مع عزل ثاني أكسيد الكربون يُنشئ ما يُعرف بنظام حلقة كربونية مغلقة. وتكون هذه الأنظمة مفيدة بشكل خاص للصناعات مثل صناعة الأسمنت، حيث تحل محل الوقود التقليدي في الأفران. علاوةً على ذلك، لا يتم التخزين السلبي لثاني أكسيد الكربون المحتجز، بل يستخدم في زراعة الطحالب التي تُنتج وقودًا حيويًا بدلًا من تركه دون استخدام. وهذا يجعل جزيئات الكربون نشطة وعاملة في اقتصادنا بدل أن تتراكم كملوثات.

المقارنة من حيث الاستدامة: الهيدروجين المستمد من النفايات مقابل الهيدروجين الأخضر

يوفر الهيدروجين المستمد من النفايات فوائد فورية في تقليل الانبعاثات من خلال الاستفادة من النفايات، في حين يُعد الهيدروجين الأخضر حلاً طويل الأمد وقابلًا للتوسيع ويُنتج باستخدام مصادر الطاقة المتجددة.

أسئلة شائعة حول الهيدروجين المستدام

ما هو الهيدروجين الأخضر وكيف يتم إنتاجه؟

يُنتج الهيدروجين الأخضر من خلال عملية التحليل الكهربائي التي تُدار بواسطة طاقة متجددة، مثل طاقة الرياح أو الشمس. وتُجزّأ هذه العملية جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين دون أي انبعاثات كربونية مباشرة.

كيف يساهم الهيدروجين الأخضر في تقليل الانبعاثات الكربونية؟

يمكن للهيدروجين الأخضر الصناعات من خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير من خلال استبدال الوقود الأحفوري بالهيدروجين، الذي لا ينبعث منه سوى بخار الماء عند احتراقه.

ما هي التحديات المرتبطة باستخدام الهيدروجين الأخضر؟

تشمل التحديات الحاجة إلى بنية تحتية جديدة للطاقة المتجددة، ومعايير اعتماد لضمان الإنتاج الأخضر الفعلي، وإدارة سلاسل التوريد للمعادن النبيلة المستخدمة في تقنيات الهيدروجين.

هل يمكن أن يكون الهيدروجين مستدامًا حقًا على المدى الطويل؟

نعم، خاصة إذا تم دمجه مع جهود إعادة التدوير والاقتصاد الدائري للحد من استخدام المواد الجديدة وضمان استدامة دورة حياة مكونات تقنيات الهيدروجين.