فهم الهيدروجين الأخضر: التعريف وأبرز العوامل التمييزية

ما هو الهيدروجين الأخضر؟

يُنتج الهيدروجين الأخضر عندما نحلل جزيئات الماء من خلال عملية تُعرف بالتحلل الكهربائي، ولكن فقط عندما تكون مصادر الطاقة المتجددة مثل أشعة الشمس أو الرياح هي التي تزود الكهرباء المطلوبة. وبشكل أساسي، هذا يعني مرور تيار كهربائي خلال الماء (H₂O) لتفكيكه إلى غاز الهيدروجين والأكسجين، مع عدم إنتاج أي انبعاثات من ثاني أكسيد الكربون في هذه العملية. أما الطرق التقليدية لإنتاج الهيدروجين فهي ليست بهذه النظافة، وغالبًا ما تعتمد على الوقود الأحفوري. ولهذا السبب يرى العديد من الخبراء أن الهيدروجين الأخضر مهم جدًا للحد من الغازات الدفيئة عالميًا وفقًا لأبحاث حديثة أجرتها شركة HERO Future Energies العام الماضي.

كيف يختلف الهيدروجين الأخضر عن الهيدروجين الرمادي والهيدروجين الأزرق

• الهيدروجين الرمادي : يُستخلص من الغاز الطبيعي عبر عملية إعادة تشكيل الميثان بالبخار، ويُطلق 10-12 كجم من CO₂ لكل كيلوجرام من الهيدروجين.
• الهيدروجين الأزرق : يستخدم نفس القاعدة من الوقود الأحفوري، لكنه يدمج تقنية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) للحد من الانبعاثات بنسبة حوالي 50%.
• الهيدروجين الأخضر : لا يُنتج أي انبعاثات مباشرة، حيث تُشغّل الطاقة المتجددة عملية التحليل الكهربائي بالكامل.

بينما تحتل الهيدروجين الرمادي 95% من الإنتاج الحالي، فإن انبعاثات دورة حياة الهيدروجين الأخضر أقل بنسبة 75-90% حتى مقارنةً بالهيدروجين الأزرق (Visualizing Energy، 2024).

الدور الأساسي للطاقة المتجددة في إنتاج الهيدروجين الأخضر

لا يمكن أن يعمل الهيدروجين الأخضر بدون دعم من مصادر الطاقة المتجددة. تحتاج عملية التحليل الكهربائي إلى طاقة تفوق بحوالي أربع مرات ما تستخدمه الطرق التقليدية، وبالتالي فإن ربط هذه الأنظمة مباشرة بألواح شمسية أو مزارع رياح يُحدث فرقاً كبيراً عند الحديث عن توسيع الإنتاج بشكل مستدام. دعونا نُدخل بعض الأرقام: إنتاج كيلوغرام واحد من الهيدروجين الأخضر يستهلك حوالي خمسين كيلوواط ساعة من الكهرباء النظيفة. قد يبدو هذا كثيراً، لكننا نشهد تقدماً حقيقياً هنا، إذ انخفضت أسعار الألواح الشمسية بشكل كبير على مدى العقد الماضي، حيث تراجعت بنحو تسعين بالمئة منذ عام 2010 وحده. عند النظر إلى الإمكانيات المستقبلية، يعتقد الخبراء أن الهيدروجين الأخضر قد يحل في نهاية المطاف محل ما بين خمسة عشر وعشرين بالمئة مما يأتي حاليًا من الوقود الأحفوري على مستوى العالم بحلول منتصف القرن.

إنتاج الهيدروجين الأخضر: التحليل الكهربائي، والتكنولوجيات، والقدرة العالمية

عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر عبر التحليل الكهربائي

يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال عملية تُعرف بالتحليل الكهربائي، وهي في الأساس تفكيك جزيئات الماء (H2O) إلى غاز الهيدروجين والأكسجين عند تطبيق تيار كهربائي. وتتفاوت معدلات الكفاءة هنا بشكل كبير، حيث تتراوح بين 70٪ وربما تصل إلى 90٪، وتعتمد كلها على نوع نظام المحلل الكهربائي المستخدم. ولجعل هذه العملية تعمل بشكل صحيح، نحتاج إلى ماء نقي وإمداد ثابت بالطاقة الكهربائية. وتولد معظم الأنظمة الحالية حوالي كيلوجرام واحد من الهيدروجين لكل خمسين كيلوواط ساعة من الكهرباء المستهلكة. وهذا ليس سيئًا إذا ما قورن بالطاقة المستهلكة في عمليات صناعية أخرى.

أنواع المحللات الكهربائية: PEM، القلوية، وأكسيد الصلب

تُهيمن خلايا التحليل الكهربائي القلوية على المشاريع الحالية بسبب تكاليفها المنخفضة، في حين تكتسب أنظمة PEM زخمًا في تطبيقات الطاقة المتجددة المتغيرة.

التكامل مع طاقة الشمس والرياح لإنتاج مستدام

يُعالج التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة العامل الأكبر في تكلفة الهيدروجين الأخضر: مدخلات الطاقة. وتُقلل طاقة الشمس والرياح حاليًا تكاليف الإنتاج إلى $3-4/كجم (تقديرات 2024)، انخفاضًا من $6/كجم في عام 2018. تستفيد المرافق الواقعة في المناطق ذات الإشعاع العالي والرياح القوية من الأنظمة الهجينة ، حيث تدمج الألواح الشمسية مع توربينات الرياح لضمان التشغيل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

القدرة الإنتاجية العالمية الحالية وأبرز الدول

تجاوز إنتاج الهيدروجين الأخضر العالمي 1.2 مليون طن متري في عام 2024، بزيادة نسبتها 50٪ منذ عام 2022. وتأتي أكثر من 80٪ من هذه القدرة من مشاريع رائدة في الشرق الأوسط وأستراليا وشمال أوروبا، بدعم من استثمارات عالمية تبلغ 500 مليار دولار.

التحديات في توسيع إنتاج الهيدروجين الأخضر

يواجه التوسيع عقبات مثل 9 لترات من الماء المعالج لكل كيلوغرام من الهيدروجين ، مما يتطلب بنية تحتية متقدمة لتحلية المياه. كما أن اختناقات سلسلة التوريد للمواد النادرة مثل الإيريديوم (المستخدم في أجهزة التحليل الكهربائي PEM) وشبكات خطوط أنابيب الهيدروجين المحدودة تؤدي إلى مزيد من التأخير في الاعتماد. وعلى الرغم من هذه الحواجز، فإن توقعات التكلفة لعام 2030 البالغة $1.50/كجم تشير إلى تسارع الجدوى للاستخدامات الصناعية.

الفوائد البيئية والاقتصادية للهيدروجين الأخضر

انبعاثات كربونية صفرية أثناء الإنتاج والاستخدام

إنتاج الهيدروجين الأخضر يُصدر صفر من ثاني أكسيد الكربون عند استخدام التحليل الكهربائي المعتمد على الطاقة المتجددة، على عكس الهيدروجين الرمادي المستمد من إصلاح الميثان. يحافظ هذا الناقل للطاقة النظيفة على حالته الخالية من الكربون من خلال تطبيقه في خلايا الوقود أو العمليات الصناعية، مما يلغي الانبعاثات في كل مراحل دورة الحياة.

الحد من تلوث الهواء وانبعاثات الغازات الدفيئة

استبدال الوقود الأحفوري بالهيدروجين الأخضر في النقل والتصنيع يقلل أكاسيد النيتروجين (NOx) بنسبة تصل إلى 45٪ وأكاسيد الكبريت (SOx) بنسبة 92٪، مما يحسن جودة الهواء في المناطق الحضرية بشكل كبير.

تحليل دورة الحياة: الأثر البيئي للهيدروجين الأخضر

وجدت دراسة مقارنة أجريت في عام 2023 أن انبعاثات دورة حياة الهيدروجين الأخضر هي أقل بنسبة 96% من الأنظمة القائمة على الغاز الطبيعي عند استخدام طاقة الرياح العميقة. وتظل استهلاك المياه أقل بنسبة 30% من طرق تحويل الفحم إلى الهيدروجين.

خلق الوظائف في قطاعات الطاقة المتجددة والهيدروجين

يُتوقع أن تُسهم سلسلة القيمة للهيدروجين الأخضر في خلق 2.3 مليون وظيفة عالميًا بحلول عام 2035 ، لا سيما في تصنيع المحلل الكهربائي ومزارع الطاقة الهجينة الشمسية-الرياح. وتُبلغ دول مثل ألمانيا وأستراليا بالفعل عن نمو سنوي في القوى العاملة يتراوح بين 12-15% في وظائف الهيدروجين.

اتجاهات الاستثمار وانخفاض منحنيات التكلفة

انخفضت تكاليف المحاليل الكهربائية بنسبة 60% منذ عام 2015، مع توقع وصول تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر إلى 1.50 دولار/كغ بحلول عام 2030—وهو انخفاض كبير مقارنة بأسعار عام 2022. وقد تجاوزت الاستثمارات العالمية 320 مليار دولار في عام 2023، مدفوعة بشراكات عامة وخاصة عبر 48 استراتيجية وطنية للهيدروجين. انخفاض بنسبة 75% انخفضت تكاليف المحاليل الكهربائية بنسبة 60% منذ عام 2015، مع توقع وصول تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر إلى 1.50 دولار/كغ بحلول عام 2030—وهو انخفاض كبير مقارنة بأسعار عام 2022. وقد تجاوزت الاستثمارات العالمية 320 مليار دولار في عام 2023، مدفوعة بشراكات عامة وخاصة عبر 48 استراتيجية وطنية للهيدروجين.

الاستقلال الطاقي والمزايا الجيوسياسية

يمكن أن يؤدي التحول إلى إنتاج الهيدروجين الأخضر محليًا إلى خفض تكاليف استيراد الطاقة للدول الأوروبية بنحو 110 مليار دولار أمريكي سنويًا، إلى جانب تقليل اضطرابات سلسلة التوريد الناتجة عن تقلبات أسواق الوقود الأحفوري.

التطبيقات الصناعية والتطورات التكنولوجية

تمكين إزالة الكربون من الصناعات الصعبة الانبعاث مثل صناعة الصلب والأمونيا

يُحدث التحول إلى الهيدروجين الأخضر موجات تأثير في الصناعات التي اعتمدت لفترة طويلة على الوقود الأحفوري. فعلى سبيل المثال، صناعة الصلب التي تسهم بنسبة حوالي 7٪ من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية وفقًا لتقرير الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) لعام 2023. عندما تستبدل الشركات الطرق التقليدية المعتمدة على الفحم بأساليب الاختزال المباشر القائمة على الهيدروجين، فإنها تتمكن من خفض الانبعاثات بنحو 95٪ لكل طن من الصلب المنتج. وليس ذلك فقط في صناعة الصلب، بل إن مصنعي الأمونيا الذين يتحولون من الغاز الطبيعي إلى الهيدروجين الأخضر ينجحون في تقليل نحو 1.8 طن من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الأمونيا المنتجة. هذه الأرقام ليست مثيرة للإعجاب على الورق فحسب، بل تمثل تغييرات حقيقية تحدث الآن في المصانع والمنشآت حول العالم.

الهيدروجين الأخضر في النقل الثقيل والشحن البحري

تُعالج خلايا وقود الهيدروجين قيود البطاريات في الشاحنات طويلة المدى والسفن التجارية، حيث تتيح مدىً يتراوح بين 600 و800 كم لكل إعادة تزود بالوقود. وتُظهر التجارب البحرية أن السفن العاملة بالهيدروجين تقلل انبعاثات أكاسيد النيتروجين بنسبة 35٪ مقارنة بالديزل البحري التقليدي.

الاستخدام في توليد الطاقة والتدفئة السكنية

تقوم شركات المرافق بخلط ما يصل إلى 20٪ من الهيدروجين مع الغاز الطبيعي في خطوط الأنابيب الحالية، وقد أظهرت المشاريع الرائدة في أوروبا انخفاضًا بنسبة 12٪ في الانبعاثات الكربونية في أنظمة التدفئة والتوليد المشترك للطاقة. وقد نشر مشروع ENE-FARM الياباني 460,000 خلية وقود هيدروجينية للاستخدام السكني منذ عام 2020.

الابتكار في مجالات التخزين والنقل وتكنولوجيا خلايا الوقود

تشمل التطورات الحديثة:

• حقائب الهيدروجين السائلة الكريوجينية التي تحقق كفاءة تخزين تبلغ 97٪
• الناقلات العضوية السائلة للهيدروجين التي تمكّن النقل البحري الآمن
• خلايا وقود أكسيد الصوانى التي تصل بكفاءة كهربائية تبلغ 65٪ (وزارة الطاقة الأمريكية 2023)

تطبيقات موازنة الشبكة وتخزين الطاقة

تستخدم مزارع الرياح الألمانية الآن أجهزة تحليل كهربائي بقدرة 140 ميغاواط لتحويل الطاقة الزائدة إلى هيدروجين أثناء فترات الإنتاج العالية، مما يُسهم في استقرار الشبكات الكهربائية وإنتاج 2,800 طن/سنة من الهيدروجين للاستخدام الصناعي.

الاعتماد العالمي والنظرة المستقبلية للهيدروجين الأخضر

الأسواق الناشئة ومشاريع التجربة حول العالم

تتوسع أسواق الهيدروجين الأخضر حول العالم بوتيرة مذهلة في الوقت الراهن، مع ظهور مشاريع تجريبية في أكثر من خمسة وثلاثين دولة مختلفة. فعلى سبيل المثال، يهدف مشروع نيوم في المملكة العربية السعودية إلى إنتاج نحو 650 طناً من الهيدروجين النظيف يومياً بحلول عام 2026. وفي أستراليا، تملك مبادرة آسيا للطاقة المتجددة طموحات أكبر، تسعى من خلالها إلى إنتاج 3.5 مليون طن سنوياً بحلول نهاية العقد القادم. كما أن الدول الأقل نمواً اقتصادياً بدأت تدخل هذه المنافسة أيضاً. فدول مثل شيلي وناميبيا تمتلك كميات هائلة من الطاقة الشمسية والرياح غير المستغلة، وبالتالي تعمل على وضع نفسها كمصدر محتمل للتصدير. وتخطط شركة HIF Global التشيلية وحدها لبناء ما يعادل 14 جيغاواط من المحولات الكهربائية (electrolyzers) حوالي عام 2040. ومن المتوقع أن تشير معظم التوقعات إلى بلوغ إنتاج الهيدروجين الأخضر قرابة 50 مليون طن سنوياً بحلول عام 2030، أي ما يقارب خمسة أضعاف الكمية التي تم تسجيلها في عام 2023.

دعم السياسات والتعاون الدولي يسرعان من التبني

يُكثف صانعو السياسات في جميع أنحاء العالم جهودهم لإنجاح استراتيجياتهم المتعلقة بالهيدروجين. وضعت الاتحاد الأوروبي هدفًا طموحًا ضمن استراتيجيته للهيدروجين، ويتمثّل في إنتاج ما لا يقل عن 10 ملايين طن من الهيدروجين الأخضر داخل حدوده بحلول عام 2030. ويأتي هذا الهدف إلى جانب حوافز سخية نسبيًا، مثل إعفاء ضريبي بقيمة 3 دولارات لكل كيلوجرام تضمنه قانون خفض التضخم الأمريكي. وفي الوقت نفسه، تتبنى اليابان عبر المحيط الهادئ نهجًا مختلفًا تمامًا. فاستراتيجيتها الأساسية للهيدروجين تركّز على استيراد الإمدادات من أماكن مثل أستراليا وبروني، بدلًا من بناء منشآت إنتاج محلية ضخمة. كما أن التعاون الدولي يشهد زخمًا متزايدًا، مع ائتلافات مثل اتفاقية عمل الهيدروجين لمجموعة السبع التي تعمل جنبًا إلى جنب مع منظمات مثل تحالف أفريقيا للهيدروجين الأخضر. وتهدف هذه الشراكات إلى بناء بنية تحتية تمتد عبر الحدود الوطنية، بهدف تقليل تكاليف التصنيع، حتى يتسنى رؤية انخفاض الأسعار إلى أقل من 1.50 دولارًا لكل كيلوجرام بحلول نهاية هذا العقد بفضل عمليات الإنتاج الأكبر نطاقًا.

التغلب على فجوات البنية التحتية وتحديات الصناعة

تتحدث الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) عن مشكلة كبيرة نسبيًا هنا. وتشير إلى أن هناك عجزًا محتملًا بقيمة 1.5 تريليون دولار من البنية التحتية المطلوبة بحلول عام 2030 للمصانع الإنتاجية وخطوط الأنابيب ومحطات إعادة التزويد التي نحتاجها. ما زالت تكلفة المحلل الكهربائي مرتفعة جدًا بالنسبة لمعظم الشركات، لكن الأمور تتحسن تدريجيًا. في الواقع، انخفضت الأسعار بشكل ملحوظ منذ عام 2018، حيث تراجعت بنحو الثلث لتصل إلى حوالي 800 دولار لكل كيلوواط لأنظمة القلوية حاليًا. يعمل كبار اللاعبين في هذا المجال على حل مشكلات التخزين باستخدام تقنيات مبتكرة مثل الهيدروجين السائل عند درجات حرارة منخفضة جدًا (السائل الج cryogenic)، ونقل الهيدروجين عبر تحويله إلى أمونيا. كما أن توحيد المعايير أمر مهم جدًا. لدى الاتحاد الأوروبي نظام ضمان المنشأ الذي يحتاج إلى اعتماد أوسع إذا أردنا تحقيق تقدم حقيقي نحو أهداف الحياد الصفري لعام 2050 التي تم تحديدها في مؤتمر الأطراف COP28 العام الماضي. ولا ينبغي لنا أن ننسى أهمية توسيع الموانئ لتمكين هذه الوقودات الخضراء من التنقل عبر الحدود بكفاءة.

أسئلة شائعة

ما هو الهيدروجين الأخضر؟

يُنتج الهيدروجين الأخضر باستخدام مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح أو الشمس، من خلال عملية التحليل الكهربائي التي تفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين دون انبعاث ثاني أكسيد الكربون.

كيف يختلف الهيدروجين الأخضر عن أنواع الهيدروجين الأخرى؟

يختلف الهيدروجين الأخضر عن الهيدروجين الرمادي والهيدروجين الأزرق لأنه لا يُنتج انبعاثات كربونية مباشرة. فهذا الأخير يُنتج من الغاز الطبيعي وينتج عنه انبعاثات CO2، في حين يستخدم الهيدروجين الأزرق احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) لتقليل هذه الانبعاثات.

ما الدور الذي تلعبه المصادر المتجددة في إنتاج الهيدروجين الأخضر؟

تُعد الطاقة المتجددة ضرورية في إنتاج الهيدروجين الأخضر لأنها توفر الكهرباء اللازمة للتحليل الكهربائي دون إنتاج غازات دفيئة.

ما هي التحديات الرئيسية في زيادة إنتاج الهيدروجين الأخضر؟

من بين التحديات الرئيسية: متطلبات الطاقة العالية للإنتاج، والحاجة إلى بنية تحتية واسعة النطاق للطاقة المتجددة، وقضايا سلسلة التوريد للمواد النادرة المستخدمة في أجهزة التحليل الكهربائي.

هل توجد فوائد اقتصادية لاستخدام الهيدروجين الأخضر؟

نعم، يمكن للهيدروجين الأخضر أن يخلق فرص عمل في قطاعات الطاقة المتجددة والهيدروجين، ويقلل من التلوث الهوائي، ويُخفض انبعاثات الغازات الدفيئة، ويوفر الاستقلال في مجال الطاقة من خلال تقليل الاعتماد على واردات الوقود الأحفوري.