ما هي المحلّلات الكهربائية؟
المحلّلات الكهربائية هي نظام يُستخدم في عملية التحليل الكهربائي (electrolysis) لتفكيك جزيئات الماء إلى عنصري الهيدروجين والأوكسجين. من خلال هذه العملية، يُنتج الجهاز غاز الهيدروجين، بينما يُطلق الأوكسجين في الغلاف الجوي، أو يُمكن التقاطه وتخزينه لاستخدامه في تطبيقات صناعية أو طبية.
تخيّل عالماً تعمل فيه المصانع وسفن الشحن وحتى الطائرات بوقود لا يُطلق أي انبعاثات ضارة؛ هذا ما سيوفره الهيدروجين الأخضر. في قلب هذا التحوّل يأتي دور المحلّل الكهربائي، وهو جهاز يفصل الماء (H₂O) إلى هيدروجين (H₂) وأوكسجين (O₂) باستخدام الكهرباء. وعندما تُستمد هذه الكهرباء من مصادر متجددة كالشمس أو الرياح أو المياه، فإن الناتج هو الهيدروجين الأخضر، وهو وقود نظيف يمهّد الطريق للاستغناء عن الوقود الأحفوري، خاصة في القطاعات التي يصعب إزالة الكربون منها.
لنأخذ مثالًا على مصنع للصلب، كان يعتمد في السابق على الفحم، وأصبح يستخدم الهيدروجين الأخضر، ما أدى إلى خفض انبعاثاته الكربونية بشكل كبير. أو لننظر إلى سفن الشحن والشاحنات المخصّصة للمسافات الطويلة، التي اعتادت حرق الديزل، وهي الآن تعمل بخلايا وقود الهيدروجين، ولا تنتج سوى بخار الماء. بل وحتى الطائرات قد تتمكّن يوماً من الطيران بمحركات تعتمد على الهيدروجين، ما يجعل السفر الجوي أكثر استدامة.
ولا يقتصر الأثر على قطاع النقل فقط، بل يمكن أيضاً دمج الهيدروجين الأخضر مع النيتروجين الموجود في الهواء لإنتاج الأمونيا الخضراء، وهي عنصر أساسي في صناعة الأسمدة، ما يُعزز استدامة الزراعة. كما يمكن استخدامه لإنتاج الميثانول الأخضر، الذي يُعد وقودًا أنظف ومادة أولية كيميائية مهمة، تسهم في تقليل البصمة الكربونية للصناعات.
باختصار، تُعدّ المحلّلات الكهربائية بوابةً نحو مستقبل أكثر نظافة. فهي تُحوّل الماء ومصادر الطاقة المتجددة إلى وقود فعّال قادر على دفع عجلة الصناعة والنقل والزراعة باتجاه الاستدامة الحقيقية.
أهمية تحسين كفاءة المحللات الكهربائية
تُعدّ المحلّلات الكهربائية عنصرًا أساسيًا في إنتاج الهيدروجين الأخضر، الذي يُشكّل بدوره ركيزة محورية في تحقيق هدف الوصول إلى صافي انبعاثات صفري. إن تحسين كفاءة هذه الأجهزة يُسهم في خفض استهلاك الطاقة وتقليل تكاليف التشغيل، بينما يؤدي تعزيز متانتها إلى إطالة عمرها التشغيلي، مما يقلّل من أعباء الصيانة وعمليات الاستبدال.
تُشكّل هذه التحسينات ضرورة ملحّة لتمكين دمج المحلّلات الكهربائية مع مصادر الطاقة المتجددة، التي تتسم غالبًا بالتقلب في الإنتاج، كما تسهم في رفع القدرة الإنتاجية للهيدروجين بما يواكب الطلب العالمي المتزايد.
غير أن الطريق إلى ذلك ليس خالياً من التحديات. فمشكلات المتانة، مثل تدهور أداء المحفّزات، وتآكل الأغشية، وتلف المكوّنات، تُلقي بظلالها مباشرة على مؤشرات الأداء، ككفاءة النظام وسلامته التشغيلية. ومن هنا، تُصبح معالجة هذه المشكلات أمراً ضرورياً لتقليل كُلفة الملكية الإجمالية، وضمان موثوقية واستدامة أنظمة إنتاج الهيدروجين على المدى الطويل.
جدول مقارنة خصائص أنواع المحللات الكهربائية الرئيسية
| الميزة | المحلل الكهربائي القلوي (AWE) | محلل غشاء التبادل البروتوني (PEM) | خلية التحليل الكهربائي بالأكسيد الصلب (SOEC) | محلل غشاء التبادل الأنيوني (AEM) |
| الكهرليت (Electrolyte) | محلول قلوي سائل (مثل KOH) | غشاء بوليمر صلب | كهرليت سيراميكي | غشاء التبادل الأنيوني |
| درجة حرارة التشغيل | 60–90 درجة مئوية | 50–80 درجة مئوية | 600–900 درجة مئوية | 50–80 درجة مئوية |
| الكفاءة | ~65–70% | ~70–80% | ~84% (مع استرداد الحرارة) | ~65–75% |
| نطاق الضغط | من الضغط الجوي إلى 30 بار | من الضغط الجوي إلى 40 بار | تحت الضغط (20–50 بار) | تحت الضغط حتى 35 بار |
| التشغيل الديناميكي | استجابة أبطأ (ramp-up/ramp-down) | استجابة سريعة (ramp-up/ramp-down) | استجابة أبطأ (ramp-up/ramp-down) | استجابة سريعة (ramp-up/ramp-down) |
| متطلبات المحفز | معادن غير ثمينة | معادن ثمينة (مثل الإيريديوم، البلاتين) | معادن غير ثمينة | معادن غير ثمينة |
| متطلبات نقاء الماء | <5 ميكروسيمنز/سم | ماء فائق النقاء | <20 ميكروسيمنز/سم | نقاء معتدل |
| العمر التشغيلي | يصل إلى 90,000 ساعة | يصل إلى 60,000 ساعة | غير محدد بالكامل | يصل إلى 60,000 ساعة |
| متطلبات خاصة | لا يوجد | يتطلب ماء فائق النقاء | يتطلب درجات حرارة عالية واسترداد الحرارة | لا يوجد |
| التكلفة | تكلفة رأسمالية منخفضة | تكلفة رأسمالية مرتفعة | تكلفة رأسمالية مرتفعة | تكلفة رأسمالية معتدلة |
| قابلية التوسع | قابلة للتوسع بشكل كبير | قابلة للتوسع | قابلية توسع محدودة | قابلة للتوسع |
| استرداد الحرارة المفقودة | محدود | ممكن (50–60 درجة مئوية) | إمكانية عالية | محدود |
| النضج التجاري | تقنية ناضجة | متوفرة تجاريًا | ناشئة، تقترب من التسويق التجاري | ناشئة، تتقدم بسرعة |
تتنوّع تقنيات المحلّلات الكهربائية وفقًا لخصائصها واستخداماتها، ولكل منها مزايا وتحديات تميزها عن الأخرى:
- المحلّلات الكهربائية القلوية (AWE – Alkaline Water Electrolyzers):
تُعد الخيار الأنسب للتطبيقات الصناعية واسعة النطاق بفضل انخفاض تكاليفها وطول عمرها التشغيلي. ومع ذلك، فإن أوقات استجابتها البطيئة تجعلها أقل ملاءمة للتعامل مع مدخلات الطاقة المتجددة التي تتسم بالديناميكية والتقلّب. - محلّلات غشاء التبادل البروتوني (PEM – Proton Exchange Membrane):
تمتاز بتصميم مدمج وكفاءة عالية، كما تُوفّر أوقات استجابة سريعة، مما يجعلها مثالية للتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. إلا أن ارتفاع تكلفتها، بسبب اعتمادها على محفّزات من المعادن النبيلة مثل البلاتين، لا يزال يشكل تحدياً أمام التوسع التجاري. - خلايا التحليل الكهربائي بالأكسيد الصلب (SOEC – Solid Oxide Electrolysis Cells):
تُقدّم أعلى مستويات الكفاءة بين جميع التقنيات، لكنها تتطلب درجات حرارة تشغيل مرتفعة، ما يجعلها أكثر ملاءمة للمنشآت الصناعية التي تتوافر فيها حرارة مهدرة. وعلى الرغم من إمكاناتها الواعدة، لا تزال هذه التقنية في مراحل البحث والتطوير، ولم تصل بعد إلى الانتشار التجاري الواسع. - محلّلات غشاء التبادل الأنيوني (AEM – Anion Exchange Membrane):
تجمع هذه التقنية الناشئة بين الكفاءة المعتدلة والفعالية من حيث التكلفة، ما يجعلها خياراً جذاباً للمرحلة المقبلة من التحوّل في إنتاج الهيدروجين. كما أن اعتمادها على محفّزات من معادن غير ثمينة يساهم في خفض التكاليف مقارنةً بأنظمة PEM.
التطوّرات الحديثة في تقنيات المحلّلات الكهربائية
شهدت تقنيات المحلّلات الكهربائية في السنوات الأخيرة تطوّرات ملحوظة في المواد والتصميم واستراتيجيات التشغيل، ما يُمهّد الطريق لزيادة كفاءة إنتاج الهيدروجين الأخضر وخفض التكاليف.
- ابتكارات في المواد: يجري العمل على تطوير محفّزات جديدة تحتوي على نسب أقل من المعادن النبيلة، بهدف خفض التكاليف دون التأثير على الأداء. كما تم تحسين الأغشية، مثل غشاء Nafion 117، لتعزيز المتانة وتقليل فقدان نفاذية الهيدروجين، ما يُساهم في تحسين كفاءة العملية واستقرارها.
- استراتيجيات التشغيل: تعتمد المحلّلات القلوية (AWE) استراتيجيات تشغيل متعددة الأوضاع ذاتية التحسين لمواكبة تقلبات مصادر الطاقة المتجددة، وهو ما يرفع كفاءتها في البيئات الديناميكية. أما في محلّلات PEM، فقد أُدخلت تحسينات على أنظمة الضغط بهدف تعزيز كفاءة النظام وزيادة إنتاجيته.
- تحسينات تصميم النظام: تم تطوير أنظمة تبريد أكثر فاعلية لضمان استقرار درجة حرارة المكدس (stack)، مما يُعزّز من عمر الجهاز ومتانته التشغيلية. كما تم إدخال أنظمة تحكم ذكية ومتقدّمة، تُمكّن المحلّلات من العمل بكفاءة عالية رغم تذبذب مدخلات الطاقة المتجددة.
مقاييس الأداء الرئيسية
لقياس أداء المحلّلات الكهربائية، يتم الاعتماد على ثلاثة مؤشرات أساسية:
- الكفاءة: تُقاس بكمية الطاقة المطلوبة لإنتاج كل كيلوغرام من الهيدروجين. وكلما ارتفعت الكفاءة، انخفضت التكاليف التشغيلية.
- المتانة: تُقاس بالعمر التشغيلي بالجُهد أو عدد الساعات في ظروف تشغيل محددة. على سبيل المثال، تُظهر محلّلات PEM قدرة على العمل لما يصل إلى 80,000 ساعة، ما يعكس موثوقية عالية.
- التكلفة:تشمل النفقات الرأسمالية المرتبطة بالمواد والمعدات، إلى جانب النفقات التشغيلية المستمرة على مدى عمر النظام.
تحديات وفرص المحلّلات الكهربائية في إنتاج الهيدروجين الأخضر
لا تزال تقنيات المحلّلات الكهربائية تواجه تحديات تقنية ومادية تعوق تبنّيها على نطاق واسع، رغم دورها المحوري في التحوّل نحو الهيدروجين الأخضر.
- التكاليف المرتفعة: تعتمد محلّلات PEM (Proton Exchange Membrane) على مكوّنات مرتفعة التكلفة، مثل ألواح التيتانيوم ومحفّزات الإيريديوم، ما يرفع كلفة الإنتاج ويحد من انتشارها التجاري.
- مشكلات المتانة: تتدهور المحفّزات في أنظمة PEM نتيجة التشغيل الديناميكي المرتبط بتقلّب مصادر الطاقة المتجددة. كما تُعاني المحلّلات القلوية (AWE) من تآكل الأغشية وتسممها بسبب الشوائب في الماء أو المحاليل الكهرليتية، ما يؤثر سلبًا على أدائها وطول عمرها التشغيلي.
- تكامل صعب مع الطاقة المتجددة: يُسرّع التشغيل المتقطّع، الناتج عن تقلبات الطاقة الشمسية والرياح، من تآكل جميع أنواع المحلّلات، ما يتطلّب تطوير مواد متقدّمة وأنظمة تحكّم ذكية للتخفيف من هذه التأثيرات.
ورغم هذه التحديات، فإن تحسين كفاءة ومتانة المحلّلات الكهربائية يُعدّ أمرًا جوهريًا لتسريع إنتاج الهيدروجين الأخضر. ويُعوَّل على البحث المستمر في المواد والتصاميم واستراتيجيات التشغيل لتجاوز العقبات الحالية وتمكين الاعتماد الواسع لهذه التكنولوجيا الحيوية.
أنواع المحلّلات الكهربائية ومزاياها المقارنة
تتنوّع تقنيات التحليل الكهربائي وفقًا لتطبيقاتها وقدرتها على التكيّف مع مصادر الطاقة المختلفة:
- المحلّلات القلوية (AWE – Alkaline Water Electrolyzers):
تُعدّ تقنية ناضجة وفعالة من حيث التكلفة، مناسبة لإنتاج الهيدروجين على نطاق صناعي واسع عند توفر إمدادات كهرباء مستقرة. ومع ذلك، فإن بطء استجابتها يجعلها أقل كفاءة مع الطاقة المتجددة الديناميكية. - محلّلات PEM:
تمتاز بالكفاءة العالية والاستجابة السريعة، ما يجعلها مثالية للتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. إلا أن استخدامها لمعادن نبيلة مثل الإيريديوم يرفع من تكلفتها. - خلايا SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cells):
تعمل بكفاءة عالية عند درجات حرارة مرتفعة، ما يجعلها مناسبة للبيئات الصناعية التي تتوافر فيها حرارة مهدرة. لكنها لا تزال في مرحلة التطوير ولم تصل إلى مرحلة النضج التجاري بعد. - محلّلات AEM (Anion Exchange Membrane):
تُعد تقنية ناشئة تجمع بين الكفاءة المعتدلة وانخفاض التكاليف، بفضل استخدامها لمحفّزات غير ثمينة. لكنها بحاجة إلى تحسينات إضافية في المتانة وقابلية التوسّع لتنافس فعليًا في السوق.
مقارنة الأداء والاقتصاد
عند تقييم تقنيات المحلّلات الكهربائية، تُؤخذ في الاعتبار عدة مقاييس:
- الكفاءة: تُعدّ خلايا SOEC الأعلى كفاءة، تليها PEM، ثم AEM، وأخيرًا AWE.
- المتانة: تُسجّل AWE أطول عمر تشغيلي، بينما لا تزال SOEC في مرحلة التطوير.
- التكلفة: تُعدّ AWE الأرخص بسبب المواد البسيطة، بينما تُعتبر PEM الأغلى نتيجة استخدام المعادن النبيلة.
قابلية التوسع والتكامل مع الطاقة المتجددة
يتوقّف التوسّع التجاري للمحلّلات على مدى قدرتها على الاندماج مع مصادر الطاقة النظيفة:
- تُعد PEM الخيار الأنسب لتطبيقات الطاقة المتقطّعة بفضل استجابتها السريعة.
- تُفضّل AWE للتطبيقات الصناعية ذات الطاقة المستقرة.
- تقنية SOEC مناسبة للمنشآت الصناعية التي تستفيد من الحرارة المهدرة.
- تقنية AEM واعدة للتطبيقات الصغيرة والموزعة بفضل تكلفتها المنخفضة.
نظرة مستقبلية
يُشكّل خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين هدفًا رئيسيًا للتبنّي الواسع، وتسعى وزارة الطاقة الأميركية إلى خفض التكلفة إلى 2 دولار/كغ بحلول 2026، وإلى 1 دولار/كغ بحلول 2031. وتُسهم تقنيات مثل PEM وAEM في تحقيق هذا الهدف عبر ابتكارات في المواد، في حين تحتاج SOEC إلى استثمارات بحثية لمواجهة تحدياتها الحرارية والمادية.
ومع التحوّل العالمي نحو الطاقة النظيفة، ستلعب المحلّلات الكهربائية دورًا متزايد الأهمية في إنتاج الهيدروجين الأخضر. وستُحدد التطوّرات التقنية في هذه المجالات مدى قدرتها على تلبية متطلبات الطاقة العالمية بأسلوب مستدام وفعّال.
الابتكار في المواد والتكامل والتوسّع: مستقبل المحلّلات الكهربائية
يمثّل تطوير المواد والمحفّزات إحدى الركائز الأساسية في مسيرة تحسين تقنيات المحلّلات الكهربائية. فهناك حاجة ماسّة إلى استخدام مواد مبتكرة تُسهم في خفض التكاليف دون المساس بالأداء، أو حتى تحسينه. ويكتسب هذا التوجّه أهمية خاصة في أنظمة AEM (Anion Exchange Membrane) التي تتطلب محفّزات خالية من المواد الخام الحرجة (CRM-free catalysts)، وكذلك في خلايا SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cells) التي تستدعي سيراميكًا مستقرًا حراريًا لضمان الأداء في البيئات الصناعية عالية الحرارة
تكامل الأنظمة وتوسيع نطاقها
يتطلّب التوسّع في نشر هذه التقنيات على نطاق واسع التغلب على تحديات هندسية معقدة، من أبرزها الإدارة الحرارية الدقيقة في خلايا SOEC، وضمان الاستقرار التشغيلي طويل الأمد في أنظمة AEM. ومن المهم بمكان إجراء تحليلات دورة الحياة لتقييم الأثر البيئي وضمان أن تكون هذه الأنظمة جزءًا من منظومة طاقة مستدامة بالكامل.
السياسات واتجاهات الصناعة
تلعب السياسات العامة دوراً محورياً في تسريع اعتماد تقنيات المحلّلات الكهربائية المتقدّمة. فالحوافز الحكومية، إلى جانب الشراكات الصناعية والاستثمارات الاستراتيجية في البنية التحتية للطاقة المتجددة، تُعدّ محركات رئيسية لدخول هذه التكنولوجيا الأسواق على نطاق أوسع. ويُنتظر أن تعزز هذه السياسات من جدوى المشروعات وتقليص التكاليف الأولية المرتبطة بالتنفيذ.
الخلاصة
تشهد تقنيات المحلّلات الكهربائية تطوّرًا متسارعاً استجابةً للطلب العالمي المتزايد على الهيدروجين الأخضر. تُوفّر خلايا SOEC كفاءة استثنائية تُناسب البيئات الصناعية عالية الحرارة، في حين تجمع أنظمة PEM بين الموثوقية والحجم المدمج، ما يجعلها مثالية لتطبيقات الطاقة المتجددة. وتُبشّر محلّلات AEM بتقليل التكاليف مع مزيد من التطوير، بينما تظل المحلّلات القلوية (AWE) خيارًا فعالًا من حيث التكلفة للأسواق الصناعية المستقرة.
إنّ الابتكار المستمر في علوم المواد، وتصميم الأنظمة، والدعم السياسي، سيشكّل القاعدة التي تُبنى عليها منظومة طاقة مستدامة قادرة على تلبية احتياجات المستقبل بكفاءة وأمان.
كتب المقال: Prasasta Mediti
ترجمته للعربية: بسمه عبود
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
