الهيدروجين الأخضر مصدر طاقة مستدام من أجل المستقبل

بقلم د محمد محمود

كلية الهندسة – جامعه القاهرة 

من المؤكد أن العالم في العقود القادمة ، سيواجه التحدي المعقد والمتمثل في الحفاظ على النمو الاقتصادي وفي نفس الوقت تقليل وتخفيف آثار غاز ثاني أكسيد الكربون وغيره من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لتجنب كارثة مناخية بتحقيق انبعاثات "صفرية صافية" بحلول عام 2050. وهذا يعني أنه سيتعين بذل جهد جماعي بنهج جديدة وحلول مبتكرة تتضمن تخفيضات كبيرة في كافة الانبعاثات من خلال تدابير لتعزيز كفاءة الطاقة ودمج المزيد من الطاقة المتجددة وإزالة الكربون من قطاعي النقل والصناعة والبنىية التحتية.

من هذا المنطلق , فلاشك انه ستكون هناك حاجة إلى استخدام الهيدروجين كتقنية اساسية حيث ان الهيدروجين كوقود ناقل طاقة عالي الكفاءة وعند احتراقه فهو عديم الانبعاثات عند احتراقه والمنتج الاولي له هو الطاقة الحرارية اما الناتج الثانوي الوحيد له هو الماء وهذا يجعل الهيدروجين وسيلة مثالية لتوليد الكهرباء وكبديل للوقود البترولي والفحم في العمليات الصناعية والنقل والتطبيقات الأخرى . ان الفرص التي يتيحها انتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام الطاقة المتجددة من الشمس والرياح ستساعد في التغلب على العديد من العقبات على الطريق نحو ثورة كاملة في أنظمة الطاقة.

كما أن تكامل الهيدروجين والسلع ذات الصلة على نطاق واسع من شأنه أن يعزز الطلب على توليد الطاقة المتجددة ، مما يخلق حافزًا مستدامًا ذاتيًا نحو نظام طاقة قابل للحياة اقتصاديًا ومستدام بيئيًا حيث تتوقع الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) أن يتم نشر وتوليد ما يقرب من 4-16 تيراواط من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لإنتاج المنتجات القائمة على الهيدروجين بحلول عام 2050 ، مقارنة بإجمالي قدرة توليد الطاقة العالمية البالغة 7 تيرا واط اليوم. ، والتي تتضمن 1 تيرا وات فقط من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح .

يمكن التمييز بين ثلاث طرق رئيسية للحصول على الهيدروجين - الهيدروجين الرمادي والأزرق والأخضر:-

1- يتم الحصول على الهيدروجين الرمادي عن طريق طاقة البخار، أي تحويل الغاز الطبيعي أو الفحم تحت الحرارة إلى هيدروجين وثاني أكسيد الكربون ويترتب علي ذلك إطلاق حوالي 10 أطنان من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي كغازات دفيئة لكل طن من الهيدروجين المنتج.

2- يتم إنتاج الهيدروجين الأزرق بنفس الطريقة، ولكن مع إضافة احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) لمنع إطلاق ثاني أكسيد الكربون وهذه تقنية محتملة لفترة انتقالية حتى تنخفض تكلفة تصنيع الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة .

3- يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي للمياه باستخدام مصادر كهرباء متجددة وخالية من ثاني أكسيد الكربون، في حين أن هذه العملية قابلة للتطبيق بالفعل ، فإن سرعة اعتمادها واستخدامها ستعتمد على تكلفة المحلل الكهربائي ولوجستيات سلسلة التوريد ، والسياسات التنظيمية لدعم اقتران القطاع القائم على الهيدروجين.

يتم تحويل الماء إلى وقود الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي، أو عملية تقسيم الماء (H2O) إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام التيار المباشر. المبدأ الأساسي لهذه التقنية هو أن قطبين كهربائيين ، متصلين بمصدر طاقة ، يوضعان في الإلكتروليت (الماء) مما يسهل تبادل الشحنة ، سيبدأ الهيدروجين في التكون على شكل فقاعات عند القطب السالب وسيتطور الأكسجين عند القطب الموجب ، بمعدل إنتاج يتناسب مع الشحنة الكهربائي وسينتج عن هذا التفاعل الكيميائي 1 كجم من الهيدروجين ، مع محتوى طاقة (HHV) يبلغ 39.4 كيلو وات في الساعة لكل 9 لترات من الماء (قياس العناصر المتكافئة) ، بناءً على مدخلات طاقة تبلغ 52 كيلو وات في الساعة - وهو معدل كفاءة يقارن بشكل إيجابي مع العمليات الصناعية الأخرى.

رسم توضيحى لعمليات الهدروجين الأخضر 

تتوفر حاليا تقنيتان رئيسيتان قابلتان للتطبيق تجاريًا وهي :

1- التحليل الكهربائي القلوي وهو عملية راسخة لصنع الهيدروجين صناعيا لاستخدامه في إنتاج الأسمدة والكلور. إنه يشتمل على محلول إلكتروليت لهيدروكسيد البوتاسيوم تنتج الهيدروجين بدرجة عالية من النقاء حيث تفصله رقاقة رقيقة مسامية الأقطاب الكهربائية القائمة على النيكل ، مما يجعلها عملية متينة وبأسعار معقولة .

2- المحلل الكهربائي من غشاء التبادل البروتوني (PEM) وهو يعمل بغشاء نافذ للبروتونات ، ولكن ليس الهيدروجين الغازي أو الأكسجين ، ويعمل كفاصل لمنع اختلاط غازات المنتج. يستخدم المحلل الكهربائي PEM الماء النقي كمحلول إلكتروليت ، وبالتالي يتجنب الحاجة إلى استعادة وإعادة تدوير المنحل بالكهرباء ، كما هو مطلوب مع المحلل الكهربائي القلوي، أن بصمتها الصغيرة تجعل المحلل الكهربائي PEM مناسبًا للمساحات الحضرية ، مع القدرة على الصعود والهبوط في غضون دقائق أو حتى ثوانٍ - أسرع من المحلل الكهربائي القلوي - فهي مناسبة بشكل مثالي للتشغيل المرن جنبًا إلى جنب مع طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية ، ويمكن أن توفر التردد استقرار الاحتياطي والشبكة توفر تقنية PEM أداءً عالي الكفاءة وموثوقًا بكثافة طاقة عالية وتولد غاز منتج عالي الجودة ، حتى عند التحميل الجزئي تتطلب هذه الإ أجهزة للتحليل الكهربائي القليل من الصيانة نسبيًا ، ويكون الناتج خاليًا من المواد الكيميائية أو الشوائب.

مما ذكر ولاهمية الموضوع اقتصادياً في المستقبل القريب , فإني اقترح مشروعاً لانتاج الهيدروجين الأخضر يعتمد علي تسخير بعض من الطاقة الكهروبائية المولدة من الطاقة الشمسية في مشروع محطة بنبان للطاقة الشمسية بأسوان BENBAN SOLAR PARK .

المشروع هو بناء منشأة للتحليل الكهربائي للمياه تعمل بالطاقة الشمسية لتلبية أعلى معايير السلامة وبما يتماشى مع الأكواد الدولية . سيمثل مثل هذا المشروع نموذجًا أوليًا مثاليًا يمكنه توضيح وتقريب فكرة توليد الهيدروجين الأخضر للشراكات من القطاعين العام والخاص في هذا المجال المستقبلي لتوليد الطاقة، ويسلط هذا المشروع الضوء على أربعة مجالات تشغيلية رئيسية: توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية والطاقة النظيفة، وتكامل الشبكات الذكية ، وكفاءة الطاقة .

الطاقة المستدامة 

إن هذا المشروع سيكون فاتحة هامة وركيزه أساسية لتتوالي بعده ومن خلاله الدراسات البحثية والاختبارات الصناعية لكافة المكونات التي تدخل في توليد الهيدروجين وتخزينه واستخدامه ولقد بدأنا فعليا في هذا الاتجاه حيث نقوم في أحد الأبحاث بدراسة نظام تكنولوجي جديد متكامل لسيارة تدار بالطاقة المولدة المستدامة من الهيدروجين الأخضر .