لماذا يُعَدّ الهيدروجين ضروريًّا لتخزين طاقة الرياح؟

تتمثل المشكلة في طاقة الرياح في أنها لا تهب دائمًا عندما نحتاجها أكثر ما يكون، مما قد يُسبّب مشكلاتٍ في الشبكة الكهربائية، لا سيما خلال تلك الفترات الطويلة الخالية من الرياح والتي تُعرف باسم «دُنكِلفلاوتِه» (Dunkelflaute). ويقدّم الهيدروجين حلاً لهذه المشكلة عبر استغلال فائض طاقة الرياح وتحويله إلى شكلٍ يمكن تخزينه لاستخدامه لاحقًا عبر عملية تُسمى التحليل الكهربائي. وعندما تمتد فترات انعدام الرياح لأسابيع، يمكن حينها تحويل هذا الهيدروجين المخزَّن مجددًا إلى كهرباء إما عبر خلايا الوقود أو عبر التوربينات التقليدية. أما البطاريات فلا تفي بالغرض في الاحتياجات طويلة الأجل، إذ عادةً ما تحتفظ بالشحنة لمدة بضعة أيام كحد أقصى. وهنا بالتحديد يبرز دور الهيدروجين حقًّا، لأنه قادر على تخزين الطاقة لأشهرٍ متواصلة. ويصبح هذا النوع من التخزين طويل الأجل ضرورةً قصوى للحفاظ على استقرار شبكاتنا الكهربائية عندما تنخفض إنتاجية كلٍّ من طاقة الرياح والطاقة الشمسية في الوقت نفسه، وفي مناطق مختلفة من البلاد.

الهيدروجين ليس مجرد وسيلة لاستعادة ٣٠ إلى ٤٠ في المئة مما يُستهلك أثناء تلك الخسائر الناتجة عن عمليات التحويل. بل تكمن إمكاناته الحقيقية أيضًا في مجالات أخرى. فعلى سبيل المثال، يمكنه أن يحلَّ محل الفحم الكوك في صناعة الصلب، وأن يُشغِّل الشاحنات الكبيرة التي تنقل البضائع عبر الدول، بل ويمكنه حتى توفير الحرارة العالية جدًّا اللازمة لمختلف عمليات التصنيع. ووفقًا لبحث أجرته شركة «دي إن في» (DNV) العام الماضي، فإن تخزين الهيدروجين يساعد في خفض الطاقة الريحية الضائعة في مزارع طاقة الرياح بنسبة تقارب الثلثين. كما أنه يقلل انبعاثات المصانع بشكل كبير. وبالتالي، فإننا نتعامل مع تقنية تؤدي وظيفتين في آنٍ واحد: فهي لا تجعل شبكات الطاقة لدينا أكثر مرونة فحسب، بل وتساعدنا أيضًا على تحقيق مستويات أعمق من خفض الانبعاثات الكربونية عبر قطاعات مختلفة.

كيف تعمل عملية إنتاج الهيدروجين المدعومة بالطاقة الريحية

التحليل الكهربائي: تحويل الكهرباء الريحية الزائدة إلى هيدروجين أخضر

يُستفاد من طاقة الرياح الزائدة عندما يكون هناك فائض في إنتاج الكهرباء مقارنةً بالطلب الفعلي على الشبكة في الوقت الراهن. وتُستخدم هذه الطاقة الزائدة لتشغيل أجهزة التحليل الكهربائي التي تفكّك جزيئات الماء (H₂O) إلى هيدروجين وأكسجين. ويُسمَّى الهيدروجين الناتج عن هذه العملية «الهيدروجين الأخضر»، لأن إنتاجه لا يُطلق انبعاثات كربونية، على عكس الهيدروجين الرمادي أو الأزرق الذي يُنتج من الوقود الأحفوري. ويمكن لهذه الأنظمة التحليلية الكهربائية التكيُّف مع ظروف التشغيل بكفاءة عالية؛ فهي تزداد سرعتها عند هبوب الرياح بقوة، ثم تتباطأ تدريجيًّا مع تغير الظروف. وبفضل هذه المرونة، تعمل هذه الأنظمة بكفاءة ممتازة مع المصادر المتجددة التي لا تُنتج دائمًا كميات ثابتة من الطاقة.

مسارات التخزين والاستخدام: من الغاز المضغوط إلى خلايا الوقود والصناعات

بعد الإنتاج، يُضغط الهيدروجين لتخزينه في الموقع، أو يُسال لنقله. وتشمل تطبيقاته قطاعات متعددة:

• إعادة تحويله إلى كهرباء عبر خلايا الوقود خلال فترات انخفاض سرعة الرياح
• الاستخدام المباشر في العمليات الصناعية التي تتطلب حرارة عالية الجودة (مثل صناعة الأسمنت والصلب)
• وقود للشاحنات والقطارات والمركبات البحرية خالية الانبعاثات

هذه المرونة عبر القطاعات تحوّل الهيدروجين إلى ناقل طاقة استراتيجي — ليس بديلاً فقط عن البطاريات، بل مُمكِّنًا أساسيًّا لعملية إزالة الكربون على مستوى النظام كاملاً خلال فترات «الظلام الطويل» (Dunkelflaute) الممتدة.

التكامل العملي للهيدروجين مع مزارع الرياح

Hywind Tampen: الرياح البحرية تلتقي بالهيدروجين الأخضر لتحقيق إزالة الكربون في المجالات الصناعية

تُعَدُّ مزرعة هايند تامبن العائمة التابعة لشركة إكينور أكبر مزرعة رياح عائمة في العالم حاليًّا، حيث تُوفِّر طاقة نظيفة مباشرةً لمنصات الحفر البحرية، كما تستخدم أي طاقة زائدة لإنتاج الهيدروجين الأخضر. وت log هذه المنشأة الضخمة التي تبلغ قدرتها ٨٨ ميغاواط انبعاثات هذه المنصات بنسبة تصل إلى ٣٥٪ تقريبًا، ما يعادل استبدال جميع توربينات الغاز الطبيعي القديمة مع الحفاظ على سير العمليات بسلاسة تامة. وما يجعل هذا المشروع مثيرًا للاهتمام هو أنه يُظهر كيف يمكن للصناعات أن تبدأ فعليًّا بالابتعاد عن الوقود الأحفوري حتى قبل اكتمال تحديث الشبكة الكهربائية بأكملها لتتكيّف مع المصادر المتجددة على نطاق واسع. ويُشكِّل الجمع بين طاقة الرياح وإنتاج الهيدروجين حلاً عمليًّا للقطاعات التي تحتاج إلى طاقة موثوقة لكنها تسعى في الوقت نفسه إلى خفض بصمتها الكربونية.

مشروع H2Bus (الدنمارك) ومشاريع تجريبية أخرى على نطاق الشبكة تُبرز مرونة النظام في مواجهة ظاهرة «دونكلفلوت»

مشروع H2Bus في الدنمارك يستفيد من فائض طاقة الرياح عند هبوبها بقوة، ويجري تحويل هذه الطاقة الزائدة إلى هيدروجين مخزن، ثم يستخدم هذا الهيدروجين لإبقاء الحافلات العامة قيد التشغيل عندما تنخفض سرعة الرياح. وما يجعل هذه المقاربة مثيرة للاهتمام هو كونها تُسهم فعليًّا في موازنة شبكة الكهرباء، حيث توفر ما يعادل ثلاثة أيام كاملة من طاقة التخزين الاحتياطي خلال الفترات الطويلة التي تشهد انخفاضًا شديدًا في سرعة الرياح. وقد جرَّبت دول أخرى أيضًا مشاريع مماثلة؛ ففي ألمانيا، أُجريت بعض الاختبارات العام الماضي لتخزين فائض الطاقة المتجددة على شكل هيدروجين، كما جرَّبت مجتمعات اسكتلندية نفس المفهوم على طول سواحلها. وتُظهر هذه التجارب الواقعية أن الهيدروجين قادرٌ حقًّا على تحويل طاقة الرياح إلى مصدرٍ يمكن الاعتماد عليه على مدار السنة، بدلًا من الاعتماد فقط على ما تُوفِّره لنا الأحوال الجوية. وهكذا، يتحول ما كان في السابق مصدرًا غير قابل للتنبؤ به إلى مصدرٍ موثوقٍ يُسهم في مستقبلنا من الطاقة النظيفة.

التحديات الرئيسية والمقايضات في أنظمة تحويل طاقة الرياح إلى هيدروجين

الكفاءة مقابل المدة: التنقل عبر خسارة دورة ذهاب وإياب تتراوح بين ٣٠٪ و٤٠٪ لتحقيق القيمة الموسمية

إن أنظمة تحويل طاقة الرياح إلى هيدروجين تفقد بالتأكيد كمية كبيرة من الطاقة في أثناء العملية. فكفاءة التحليل الكهربائي تبلغ عادةً ما بين ٦٠٪ و٧٠٪، ثم عند التحويل العكسي عبر خلايا الوقود، تنخفض الكفاءة الكلية لتصل إلى نحو ٣٠–٤٠٪. ومع ذلك، يرى العديد من الخبراء أن هذا النهج معقول من الناحية المالية والتشغيلية عندما نحتاج إلى تخزين فائض طاقة الرياح المُولَّدة خلال أشهر الصيف لاستخدامها في الشتاء حينما ترتفع الطلب بشكل حاد. فالاختلالات الموسمية بين العرض والطلب تصبح مشكلة كبيرة جدًّا بحيث لا يمكن تجاهل أرقام الكفاءة وحدها. وعلى الرغم من أن البطاريات قد تحقق كفاءة مذهلة تبلغ ٩٠٪ في دورة ذهاب وإياب، فإنها ببساطة غير قابلة للتطبيق في التخزين على المدى الطويل. أما قدرة الهيدروجين على التخزين لعدة أشهر دون انخفاض ملحوظ في جودته فهي ميزة لا تتوفر في أي تقنية حالية أخرى على نطاق واسع.

الفجوات التقنية: مرونة أجهزة التحليل الكهربائي، وتوسيع البنية التحتية، وتخفيض التكاليف

تظل أداء وحدات التحليل الكهربائي تحت تأثير مدخلات الرياح المتغيرة قيدًا رئيسيًّا. فتتطلب الوحدات القلوية أحمالًا ثابتة، ما يحد من توافقها مع إنتاج الطاقة المتقلب، في حين تتحمل أنظمة غشاء تبادل البروتون (PEM) التقلباتَ لكنها تكلّف ضعفين إلى ثلاثة أضعاف التكلفة لكل كيلوواط مقارنةً بالوحدات القلوية. وتستمر التحديات البنية التحتية الأوسع نطاقًا:

• شبكات خطوط الأنابيب المخصصة لنقل الهيدروجين نادرة جدًّا خارج الممرات الصناعية المحدودة
• تعتمد التخزين على نطاق واسع على خزانات مضغوطة باهظة الثمن أو على كهوف ملحية تتطلب مواصفات جيولوجية محددة
• يجب أن تتوسّع قدرة التصنيع العالمي لوحدات التحليل الكهربائي بما يقارب ١٠٠ ضعف بحلول عام ٢٠٣٠ لتلبية الطلب المتوقع

ولتحقيق التكافؤ التكلفي مع الهيدروجين المستمد من الوقود الأحفوري، يجب أن تنخفض النفقات الرأسمالية إلى أقل من ٥٠٠ دولار أمريكي لكل كيلوواط — أي انخفاضًا من النطاق الحالي البالغ ٨٠٠–١٤٠٠ دولار أمريكي لكل كيلوواط — وهو ما يتطلّب دعمًا سياسيًّا منسّقًا، واستثمارًا في سلسلة التوريد، وتوحيد المعايير عبر سلسلة القيمة بأكملها.

الأسئلة الشائعة

لماذا يُفضَّل الهيدروجين على البطاريات لتخزين الطاقة على المدى الطويل؟

يمكن للهيدروجين تخزين الطاقة لعدة أشهر، على عكس البطاريات التي تحتفظ بالشحن عادةً لبضعة أيام فقط. ويجعل هذا الهيدروجين عنصراً حاسماً في الحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية خلال الفترات الممتدة التي تغيب فيها الرياح.

ما هو الهيدروجين الأخضر وكيف يتم إنتاجه؟

يُنتج الهيدروجين الأخضر عبر عملية التحليل الكهربائي باستخدام فائض الكهرباء الناتجة عن طاقة الرياح لتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين، مما يؤدي إلى انبعاثات كربونية صفرية.

لماذا يُعتبر الهيدروجين متعدد الاستخدامات عبر القطاعات المختلفة؟

تتراوح تطبيقات الهيدروجين من إعادة تحويله إلى كهرباء خلال فترات انخفاض سرعة الرياح، والاستخدام المباشر في العمليات الصناعية، ووقوداً لمركبات النقل ذات الانبعاثات الصفريّة، ما يثبت تنوعه الوظيفي عبر القطاعات.

ما التحديات الرئيسية المرتبطة بأنظمة تحويل طاقة الرياح إلى هيدروجين؟

تشمل التحديات الفقدان في الطاقة أثناء عمليات التحويل، والقيود المفروضة على البنية التحتية، والتكاليف العالية المرتبطة بتوسيع نطاق أجهزة التحليل الكهربائي وحلول التخزين.