يعد عنصر الهيدروجين من أكثر العناصر انتشاراً في الطبيعة، حيث يشكل نسبة 75% من حجم الكون وهو أخف العناصر الكيميائية،ويوجد في الطبيعة بشكل جزيئي على شكل رابطة تساهمية في بنية الماء والمركبات العضوية.
ويتميز بسهولة استخراجه من المركبات التي يدخل بتركيبها بالإضافة إلى كمية الطاقة التي ينتجها من عملية الانفصال حيث تقدر الطاقة الموجودة في 1 كيلوغرام من الهيدروجين بـ 40000 واط ساعي، بينما تقدر الطاقة الموجودة في 1 كيلوغرام من بطارية ليثيوم ايون بحدود 278 واط ساعي، ولكن هل يمكن في الحقيقة تسخير كل هذه الطاقة لتحويلها لطاقة مفيدة؟ هل يمكن تخزينها؟ ماهي طرق إستخراج الهيدروجين؟ وماهي طرق الحصول على الطاقة من الهيدروجين؟
مبدأ عمل خلايا الوقود الهيدروجينية Hydrogen Fuel Cells
تتألف خلايا الوقود الهيدروجينية من مصعد قد يكون من الكربون او خلائطه مع معادن أخرى كالنيكل ويكون هذه المصعد معرضا لتدفق من غاز الهيدروجين. وعند وصوله، تتحرر منه الالكترونات لتمر عبر المصعد نحو العناصر الكهربائية المتصلة مع الخلية (الشبكة الكهربائية أو محرك سيارة كهربائية وغيرها)، بينما تنتقل الشوارد الهيدروجينية التي خسرت الكتروناتها عبر المحلول الكهرليتي (سائل غني بالشوارد) إلى مكان المهبط حيث يتصل مع المهبط مسرى لغاز الأوكسجين وهناك عند المهبط تتحد الشوارد الهيدروجينية مع الأوكسجين منتجة الماء.
وهكذا يتم توليد الكهرباء من تفاعل الهيدروجين مع الأوكسجين وبدون إصدار أي غازات مضرة بالبيئة أو أي غاز من غازات الاحتباس الحراري مثل ثنائي أوكسيد الكربون. و هذا هو مبدأ عمل جميع خلايا الوقود الهيدروجينية المستخدمة في السيارات الكهربائية.
الحصول على الهيدروجين
لِكَون الهيدروجين من أكثر العناصر ارتباطاً بالعناصر الأخرى من النادر وجوده في الطبيعة بشكل حر، لذلك يتطلب الحصول عليه اجراء عدة تفاعلات وأكثر الطرق انتشاراً للحصول عليه هي:
إصلاح البخار – Steam reforming:
يتم تعريض الغاز الطبيعي مثل الميثان لتيار من بخار الماء بوجود محفز معدني كالنيكل مثلاً بدرجات حرارة مرتفعة (700 – 1100 درجة مئوية) وينتج من هذا التفاعل غاز احادي أوكسيد الكربون وبالإضافة إلى غاز الهيدروجين. ويتم الحصول على الهيدروجين وفق المعادلة التالية:
CH4+H2O ———> CO + 3H2
من مساوئ هذه الطريقة أنها تسبب انبعاث غازات دفيئة.
التحليل الكهربائي للماء:
يتم وضع قطبين كهربائيين وغالباً ما تكون هذه الأقطاب من فلزات خاملة كيميائياً مثل البلاتين والإريديوم بحيث لا تتفاعل مع نتائج التحليل (الهيدروجين أوالأوكسجين) ويتم وصل القطبين إلى منبع كهربائي بجهد عالي للتغلب على الروابط بين الهيدروجين والأوكسجين حيث يتشكل غاز الهيدروجين على المهبط وغاز الأوكسجين على المصعد.
هذه الطريقة في الحصول على الهيدروجين لا تؤثر على البيئة لخلوها من الغازات الضارة ولا تتطلب سوى طاقة كهربائية وبالتالي فإن تأثير هذه العملية على البيئة يتحدد بمصدر الطاقة الكهربائية.
تخزين الهيدروجين
يعد الهيدروجين أحد الحلول المتوقعة لحل مشكلة تخزين الطاقة المتجددة والتحكم بمواعيد تغذية الشبكة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وبينما تحدثنا عن طرق الحصول على الهيدروجين، ننظر في هذه الفقرة على طرق تخزينه.
التخزين الفيزيائي
الهيدروجين السائل
يمكن تخزين الهيدروجين بشكل سائل ضمن مستوعبات وخزانات بحيث تتحمل ضغط عالي ولكن لتحويل الهيدروجين من غاز إلى سائل فإن ذلك يتطلب ضياعات كبيرة في الطاقة وذلك بسبب درجة غليانه المرتفعة 20.271 K (−252.879 °C).
الهيدروجين بشكل غاز
من مساوئ الهيدروجين أن نسبة الطاقة إلى الحجم منخفضة بالمقارنة مع الغازات الهيدروكربونية أي أنه للحصول على طاقة من الهيدروجين مماثلة لطاقة من غاز هيدروكربوني فإن ذلك يتطلب خزانا بحجم أكبر بكثير. لتخزين الهيدروجين بشكل غاز، يجب ضغطه إلى قيم ضغط (550 بار – 700 بار) وهذه الخزانات مستخدمة في السيارات.
التخزين بالعناصر
يمكن تخزين الهيدروجين عن طريق ربطه بعناصر مختلفة يمكن استخراجه منها لاحقاً ومن الأمثلة عن هذه الطرق:
- الامتزاز وهو يعني تراكم جزئيات مادة ما (الهيدروجين في حالتنا هنا) على سطح مادة صلبة وتسمى الماز وبهذه العملية يتم تشكيل طبقة من الجزئيات والتي تكون تراكمت بكثافة على سطح الماز.
- الهيدريد الفراغي – Interstitial hydrides يطلق مصلح هيدريد على المركبات الحاوية على ذرات هيدروجين في روابطها ويتميز الهيدريد الفراغي برابطة معدنية ومن أشهر هذه الهيدريدات الفراغية هو البلاديوم Palladium.
- الهيدريد المعقد مثل NaAlH4.
العلاقة بين الهيدروجين والطاقة المتجددة
التسريع من اعتماد مصادر الطاقة المتجددة في الشبكات الكهربائية
إن الاستخدام الواسع للهيدروجين يمكن أن يزيد الطلب على الطاقة المولدة من مصادر متجددة، حيث تتوقع الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) أن يساهم الهيدروجين المنتج من الطاقة المتجددة بحوالي 19EJ (EJ: exajoule: وتساوي 1018 جول) بالاقتصاد العالمي للطاقة وذلك بحلول العام 2050 بينما يرى آخرون أن هذا الرقم قد يرتفع ليصل حتى 80EJ وذلك من الهيدروجين المنتج من الطاقة المتجددة أو غيرها.
لتغطية هذا الطلب نحتاج إلى حوالي 30-120 EJ من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية لعملية التحليل الكهربائي للماء وذلك لإنتاج الهيدروجين وهذا يعني 8-30 بيتاواط ساعي (1 بيتاواط = 1015 واط) وهذا يتطلب إنشاء محطات طاقة متجددة لتنتج طاقة ما بين 4 و16 تيراواط (1 تيراواط = 1012 واط) لتغطية عمليات التحليل الكهربائي للماء وإنتاجه بكمية كافية لتغطية احتياج الطاقة وذلك بحلول العام 2050.
يوضح الشكل كمية الكهرباء من الاستهلاك العالمي للطاقة:
زيادة مرونة نظام الطاقة من خلال انتاج الهيدروجين
يُمكن أن يساعد الهيدروجين في التقليل من قصور الشبكات الكهربائية التي تشكل محطات الطاقة المتجددة قسماً كبيراً منها، ولكن من غير المرجح أن يكون الإنتاج اللازم لتغطية القصور يحصل فقط باستخدام الطاقة الكهربائية الفائضة من مصادر الطاقة المتجددة (أو كهرباء منخفضة السعر) أي أن محطات التحليل الكهربائي للماء (المحللات – Electrolysers) ستعمل فقط 10% من الوقت أو أقل في هذه الحالة. لذلك يجب تحسين معدل استخدام المحللات وذلك لخفض تكاليف عملية التحليل وبالتالي تخفيض تكاليف إنتاج الطاقة.
يمكن للمحللات الحديثة أن ترفع انتاجها أو تخفضه خلال دقائق أو ثواني ويتوقع أن تتطور بشكل أكبر مستقبلاً فمثلاً المحللات نوع PEM (proton exchange membrane – الخلايا ذات غشاء لتبادل البروتونات) تستجيب بشكل أسرع من المحللات القلوية وهذا السبب يجعلها محورا أساسيا في الدراسات المستقبلية بالرغم من حالتها الحديثة.
يمكن توزيع محطات التحليل بشكل استراتيجي لتقليل الازدحام في الشبكة الكهربائية ونقل الهيدروجين عوضاً عن الكهرباء مما يساعد في تجنب الضياعات الناتجة عن نقل الكهرباء (انخفاض الجهد نتيجة النقل).
يوضح الشكل التالي مقارنة بين عدة طرق للتحليل الكهربائي للماء مع الزمن التي تتطلبه كل عملية للبدء بإنتاج الهيدروجين والطاقة التي تحتاجها في وقتنا الحالي ومستقبلاً ونلاحظ وجود ثلاث طرق:
- PEM: Proton Exchange Membrance: الخلايا ذات الغشاء لتبادل البروتونات.
- ALK:Alkaline: المحللات القلوية.
- SOEC: Solid Oxide Electrolysis Cell: الخلايا ذات المؤكسد الصلب.
التخزين الموسمي للهيدروجين
نعلم أن انتاج مصادر الطاقة البديلة على أنواعها يختلف بتغير المناخ خلال العام، لذلك يُمكن استخدام الطاقة الكهربائية الزائدة عن الانتاج من محطات الطاقة الشمسية ومحطات طاقة الرياح في أحد الفصول وذلك في توليد الهيدروجين ومن ثم تخزينه ليتم استخدامه لاحقاً في توليد الطاقة الكهربائية عند انخفاض الإنتاج بسبب سوء العوامل المناخية في فصل أخر.
اظهرت الدراسات الحديثة في اوروبا الشمالية أنه بالرغم من انخفاض كفاءة دورة تحويل الطاقة إلى غاز وهي تقدر بنسبة 45% لتخزين الطاقة ولكنها ستكون ذات منفعة ومربحه اقتصادياً بحلول عام 2050 مع زيادة محطات توليد الطاقة البديلة، فهي تساعد في تقليل قصور الشبكات تساعد في التوسع في محطات الطاقة المتجددة. كما أظهرت الدراسة أيضاً أن تخزين الهيدروجين واستخدامه في توليد الكهرباء لاحقاً هو أمر مربح أكثر من استخدامه في العمليات الصناعية.
خلاصة
يتوقع بأن يزود الهيدروجين 5% تقريبا من متطلبات الطاقة في عام 2050، كما سيلعب دورا حاسما في حل مشكلة الموسمية لمصادر الطاقة المتجددة وتحديات استقرار الشبكة المرافقة لازدياد نسبة التوليد من محطات الطاقة المتجددة فيها. ولكن أمامه اليوم تحديان أساسيان: أولا، اقتصادية الحلول المقترنة بالهيدروجين وخفض تكاليف الإنتاج. ثانيا، زيادة كفاءة حلول تخزينه. إن اقتصادية الحلول المقترنة بالهيدروجين تتحسن بشكل سريع، سواء بانخفاض سعر الطاقة المتجددة أو بانخفاض سعر المحللات الحديثة. كما أن القوانين الجديدة في أوروبا مثلا تقوم بوضع تعرفة على انبعاثات غاز ثنائي أوكسيد الكربون مما يعطي الهيدروجين فرصة أكبر للمنافسة.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
