الفهرس
مقدمة
يحظى الهيدروجين الأخضر مؤخراً باهتمام كبير من قبل الشركات العالمية والدول المهتمة بتحقيق الحياد الكربوني، كما قدمت هذه الدول والشركات العديد من الاستثمارات التي وصلت مليارات الدولارات في مجال الهيدروجين الأخضر سواءً إنتاجه أو نقله أو استخدامه، ويتوقع الخبراء أن تكون دول الشرق الأوسط مركزاً لصناعة الهيدروجين الأخضر كونها غنية بمصادر الطاقة المتجددة.
وتكمن أهمية الهيدروجين الأخضر في إمكانية استخدامه لتخزين الطاقة، كونه يستخدم لحل مشكلة تخزين الطاقة الزائدة الناتجة من مصادر الطاقة المتجددة نظراً لتكلفة عملية التخزين العالية. لكن كيف؟ وهل تخضع هذه العملية لشروط معينة؟
يلقي هذا المقال الضوء على أسباب تخزين الطاقة الكهربائية بالهيدروجين وكيفية تخزينه واستخدامه بعد ذلك كمصدر للطاقة.
لماذا يتم تخزين الطاقة بالهيدروجين؟
يعد الهيدروجين الأخضر وسيلة ممتازة لتخزين الطاقة، ولعل خصائصه وهي أهم ما يجعله وسيلة ممتازة للتخزين، في ما يلي هذه الخصائص:
- يتمتع بكثافة طاقة عالية بمقدار ثلاثة مرات مقارنة بالكتلة، مما يعني أنه يمكنه تخزين كمية أكبر من الطاقة في كمية معينة من الكتلة مقارنة بالوقود. وإذا تمت مقارنته بوحدات تخزين الطاقة (البطاريات) فإن سعة تخزين البطارية يقل مع مرور الوقت وهذا لا يحدث عند تخزين الطاقة بالهيدروجين.
- يمكن تحويله مرة أخرى إلى أشكال الطاقة الأخرى مثل الكهرباء أو الحرارة عند الحاجة عن طريق حرقه في محرك احتراقي ، أو باستخدامه في خلية وقود. تنتج كلتا الطريقتين ماء فقط مما يجعل الهيدروجين الأخضر وقودًا خاليًا من الكربون وصديقًا للبيئة.
- يمكن نقله عبر مسافات طويلة إما على شكل غاز أو سائل، إذ يمكن ضغط الهيدروجين في خزانات عالية الضغط أو تكثيفه عند درجات حرارة منخفضة جدًا للنقل بواسطة شاحنات أو سفن أو أنابيب. يمكن أيضًا تحويل الهيدروجين إلى وقود آخر قائم على الهيدروجين، مثل الأمونيا أو الميثان الاصطناعي، لتسهيل النقل والتخزين.
- على شكل غاز مضغوط
- على شكل سائل مبرد
- على شكل هيدريدات المعادن
كيف يتم تخزين الطاقة بالهيدروجين؟
بدايةً يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق فصل جزيئات الماء باستخدام الطاقة الناتجة من المصادر المتجددة إلى هيدروجين وأكسجين، ثم يتم تخزينه على أحدى الأشكال الثلاثة التالية (تستخدم كل طريقاً وفقاً لطبيعة استخدام الهيدروجين لاحقاً) : –
- الغاز المضغوط: يتم ضغط غاز الهيدروجين وتخزينه في اسطوانات أو خزانات تتحمل ضغطاً عالياً. وتستخدم هذه الطريقة لتزويد الوقود للسيارات التي تعمل بخلايا الوقود أو المركبات التجارية. ويتم تخزين الغاز المضغوط عند 700 بار.
- على شكل سائل: يمكن تخزين الهيدروجين أيضاً في شكله السائل بكثافة أعلى وعند -253 درجة مئوية. هذه الطريقة تستخدم عند نقل كميات أكبر من الغاز لمسافات طويلة وبتكلفة أقل، كأن يتم نقله بواسطة شاحنات أو صهاريج. لكن في هذه الطريقة يمكن أن يتبخر الهيدروجين السائل بسبب التسخين وبالتالي يحتاج إلى تبريد مستمر.
- الهيدريدات المعدنية: وهي مركبات كيميائية تتكون من ذرات معدنية مرتبطة بجزيء هيدروجين، يمكن أن تخزن هذه المركبات كميات كبيرة من الهيدروجين في شكل مادة صلب، دون الحاجة إلى ضغط أو تبريد الغاز، ويمكن أن تختلف كمية الهيدروجين التي يمكن تخزينها في هيدريدات المعادن حسب نوع المعدن والحالة الحرارية والضغطية للمادة. فمثلاً يمكن أن يخزن هيدريد المغنيسيوم حوالي 7.6 واط من الهيدروجين لكل جرام من المعدن وهذا يفوق كثيرا كثافة الهيدروجين الغازية أو السائلة. ويمكن تحرير الهيدروجين من هيدريدات المعادن بطرق مختلفة، مثل التسخين أو التحفيز أو التفاعل مع الماء.
- الناقلات العضوية السائلة للهيدروجين (LOHC): تخزن الناقلات العضوية السائلة للهيدروجين (LOHC) الهيدروجين في وسيط حامل عضوي سائل. يتحول الهيدروجين خلال هذه العملية إلى مادة أخرى عن طريق الترابط الكيميائي ويتم تكثيفه وتحويله إلى سائل مما يسمح بالتخزين دون ضغط ونقل كميات كبيرة حتى عند درجة حرارة الغرفة. من خلال عكس التفاعل الكيميائي، يتم تحرير الهيدروجين من مادة الحامل. أمثلة على أنظمة LOHC تشمل هیدروجیناسیون المواد العضویة، تشکیل الکحول مع أکسید الکربون، التوصیل مع الزیوت، أو حتى استخدام الأمونیا کحامل للھیدروژین.
بعد تخزين الهيدروجين، كيف يتم إنتاج الكهرباء من الهيدروجين؟
تحدثنا سابقاً في المقال عن تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام الهيدروجين، ولكن الآن سنتطرق عن إمكانية استعادة هذه الطاقة عن طريق (خلايا الوقود-Cells Fuel)
يتم استعادة الطاقة الكهربائية المخزنة في الهيدروجين من خلال عملية تسمى “تحويل الهيدروجين إلى كهرباء باستخدام خلايا الوقود”. تعمل هذه الخلايا عن طريق تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين في الهواء، وبذلك تنتج الكهرباء والماء كناتج طبيعي
تعد خلايا الوقود الهيدروجينية وسيلة فعالة صديقة للبيئة لاستعادة الطاقة المخزنة في الهيدروجين على هيئة طاقة كهربائية. وهي تقنية مهمة للتوليد المباشر للطاقة الكهربائية وبكفاءة عالية، الخلية الوقودية هي في جوهرها خلية كهروكيميائية تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية للوقود المغذى لها (الهيدروجين أو الغاز الطبيعي) بشكل مباشر إلى طاقة كهربائية. لا تختلف البنية الأساسية لخلية الوقود عن البنية الأساسية لأي خلية كهروكيميائية أخرى كالبطاريات وأجهزة التحليل الكهربائي للماء، فهي تتكون من قطبين: مصعد ومهبط وكهرليت بينهما، أما مبدأ عملها فهو عكس مبدأ عمل المحلل الكهربائي للماء، حيث يقوم هذا الأخير بتحليل الماء إلى مركبتيه الهيدروجين والأكسجين ماصاً (مستهلكاً) قدراً معيناً من الطاقة الكهربائية، بينما تقوم خلية الوقود بتركيب الماء من الهيدروجين والأوكسجين مصدرة قدراً معيناً من الطاقة الكهربائية.
ختاماً، يمكن القول أن الهيدروجين الأخضر يعد من أفضل الاستثمارات الحالية والمستقبلية نظراً لأهميته وخصائصه، بالإضافة لكونه صديق للبيئة لا يتسبب بأي انبعاثات ضارة للبيئة في أي مرحلة من مراحل حياته.
وعلى الرغم من مزاياه العديدة ما زالت هناك بعض العوائق التي تقف أمام اعتماده بشكل أكبر وعلى نطاق أوسع، وهذا حال العديد من التقنيات الحديثة والتي يمكن التغلب على مساوئها من خلال المزيد من البحث والتطوير.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد عن الطاقة المتجددة ..
المصادر : كتاب تخزين الطاقة الكهربائية، منشورات جامعة دمشق كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية, umicore ,Office of Energy Efficiency & Renewable Energy 1,2 ,Wikipedia
