انخفاض طفيف في صادرات الفحم الأميركية خلال 2022.. والهند أكبر المستوردين
القائمةالطاقة
الرئيسية/هيدروجين/تقارير الهيدروجين
تقارير الهيدروجينالتقاريرهيدروجين
إنتاج الهيدروجين الأخضر يستعد لمنافسة الأزرق في التكلفة (دراسة)
داليا الهمشري
2023-01-210
إنتاج الهيدروجينالهيدروجين الأخضر
اقرأ في هذا المقال
لا يُعَد الهيدروجين مصدر طاقة طبيعيا بشكل مباشر مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
يمثل الهيدروجين ركيزة أساسية لمستقبل التحول الأخضر للصناعة والطاقة.
يمكن إنتاج الهيدروجين الحيوي عن طريق الطحالب بالاستفادة من ضوء الشمس.
تكاليف إنتاج الهيدروجين الأخضر ستنخفض إلى حدود 1-3 دولارات أميركية لكل كيلوغرام.
سلّطت دراسة حديثة الضوء على دور إنتاج الهيدروجين الأخضر والأزرق في عملية تحوّل الطاقة، وحاولت الإجابة عن بعض التساؤلات؛ من بينها: لماذا الزخم العالمي والإقليمي نحو الهيدروجين؟ وهل يحتاج العالم إلى وقود جديد؟ وهل هو فرصة أم مشكلة تهدد شركات النفط والغاز بالدول العربية؟
ويشرح المدير الفني للمركز الإقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة، خبير الطاقة المستدامة، الدكتور ماجد كرم الدين محمود، في الدراسة التي أجراها بعنوان "الهيدروجين الأخضر والأزرق.. عصر تعاون المتنافسين"، كل ما يتعلق بتاريخ هذا القطاع المهم ومستقبله.
وأبرزت الدراسة -التي حصلت عليها منصة الطاقة المتخصصة- أن الهيدروجين يُعَد أكثر العناصر الكيميائية وجودًا، ويشكل 3 أرباع المادة في الكون، ومن النادر وجود عنصر الهيدروجين بالشكل الحر على نمطه الغازي ثنائي الذرة؛ حيث يقدر وجوده بجزء واحد في المليون، بالنسبة لحجم الغلاف الجوّي.
عنصر متوافر
أوضحت الدراسة أن غاز الهيدروجين يُنتج بشكل طبيعي من بعض البكتريا والطحالب، وفي الظروف العادية من الضغط والحرارة، ويكون بلا لون أو رائحة أو طعم، وليس معدنيًا، وقابل للاشتعال.
كما أشارت الدراسة إلى أن الهيدروجين يوجد في أكثر من نصف مركبات المعادن المُكتشفة، وهو بذلك يلي الأكسجين والسيليكون ليصبح ثالث أكثر العناصر وفرةً في العالم.
ويكون أغلب الهيدروجين الموجود على الأرض على شكل جزيئي في روابط تساهمية في بنية الماء ومعظم المركبات العضويّة؛ لذا يُنتج بفصله من هذه المواد والمركبات بمعالجات حرارية وكيميائية أو كيميائية وكهربائية وغير ذلك.
ولكن لكي يجري ذلك؛ فهناك حاجة دائمًا لتوافر المواد، وتوافر مصدر للطاقة لعملية إنتاج الهيدروجين.
إنتاج الهيدروجين
المدير الفني للمركز الإقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة، خبير الطاقة المستدامة، الدكتور ماجد كرم الدين محمود
لماذا يُعَد الهيدروجين مهمًا؟
يقول الدكتور ماجد كرم الدين -في دراسته- إن الهيدروجين لا يُعَد مصدر طاقة طبيعيًا بشكل مباشر، مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي؛ لأنه لا توجد احتياطيات هيدروجين في الأرض.
وأكد كرم الدين أن الهيدروجين يُعَد ناقلًا وليس مصدرًا للطاقة، ولكنه يتميز بقيمة تسخين عالية تبلغ 141 ألفًا و800 كيلو غول/كغم وقيمة تسخين دنيا تبلغ 120 ألف كيلو غول/كغم.
وتكون كثافة الطاقة بالنسبة للكتلة للهيدروجين أعلى من مصادر الطاقة التقليديّة.
وتُعَد كثافة الطاقة بالنسبة للكتلة للهيدروجين أعلى منها للبنزين بأكثر من ضعفين؛ حيث تعادل 33.3 كيلوواط/ساعة لكل كيلوغرام هيدروجين مقابل 12.7 كيلوواط/ساعة لكل كيلوغرام بنزين.
في المقابل، من المشكلات التي تواجه استعمال الهيدروجين كثافة الطاقة، بالنسبة للحجم للهيدروجين السائل، كونها أقل من أي مصدر طاقة تقليدي.
على سبيل المثال، كثافة الطاقة بالنسبة لحجم للهيدروجين أقلّ بنحو 4 مرات منها للبنزين؛ حيث تعادل 2360 كيلوواط/ساعة لكل متر مكعب هيدروجين سائل، مقابل 8760 كيلوواط/ساعة لكل متر مكعب بنزين.
تاريخ الهيدروجين ومُكتشفه
أبرزت الدراسة تاريخ الهيدروجين، موضحة أنه اكتُشِفَ بواسطة العالم هنري كافيندش عام 1766، باعتباره غازًا ينطلق من تفاعل الفلزات مع الأحماض المعززة بالهواء القابل للاشتعال، وفي عام 1781 اكتشف أنّه يمكن إنتاج الماء بحرق الهيدروجين.
لاحقًا، أُطلقت تسمية "الهيدروجين" من جانب العالم أنطوان لافوازييه بعدما أعاد تجربة كافينديش بإنتاج الماء من حرق الهيدروجين، ومن ثم اشتق التسمية من لفظة هيدرو اللاتينية التي تعني ماء ولفظة جين وتعني مكوّنًا؛ أي مكون الماء.
ونجح العالم جيمس ديوار عام 1898 في استعمال التبريد لتسييل الغاز، ثم في العام التالي حضَّر الهيدروجين الصلب.
ومن المعالم البارزة في تاريخ الهيدروجين استعماله في رفع المناطيد، وذلك نظرًا إلى كثافته المنخفضة 14 مرة عن الهواء؛ بما يتسبب في ارتفاعه لأعلى، والذي قام به العالم جاك شارل لأول مرة في عام 1783.
واستخدم الألماني فون زيلين الفكرة لتأسيس شركة للسفر بالمناطيد الهيدروجينية سماها "مناطيد زيلين"، وكانت أول رحلة لها في عام 1900، واستمرت حتى عام 1937 عندما وقع حادث لمنطاد هيندنبورغ.
انفجارات وحرائق
يُعَد منطاد هيندنبورغ من نوع المناطيد الصلبة، وكان من أضخم المناطيد التي بُنيت في العالم؛ إذ بلغ طوله 245 مترًا، وعرضه 40 مترًا، وبلغت سرعته 125 كيلومترًا/ساعة.
وضم المنطاد 4 مولدات ديزل لتحريك المراوح الدافعة مع حفظ الغاز الرافع، وهو الهيدروجين في مجموعة من الأكياس أو الخزانات المنفصلة.
ومن الداخل، كان جناح الركاب فاخرًا؛ إذ تضمّن 25 مقصورة، في كل واحدة منها سريرين وغرفة طعام واسعة وصالة استقبال وقاعة للمطالعة.
وتحطم هذا المنطاد عام 1937 خلال هبوطه بمطار ليكهرست في نيوجيرسي قادمًا من فرانكفورت الألمانية، بسبب اشتعال الهيدروجين الذي يرفع المنطاد.
وأسفر الحادث عن مقتل 36 راكبًا من بين 97 راكبًا في تلك الرحلة الأخيرة، التي أنهت استعمال المناطيد في خدمات السفر.
وسبقت تحطم منطاد هيندنبورغ حوادث متعددة حول العالم، مثل منطاد "آر 101" البريطاني، الذي سقط في عام 1930 في فرنسا خلال أول رحلة خارج بريطانيا، وأودى الحادث بحياة 48 شخصًا.
هناك أيضًا حادث حاملة الطائرات أكرون الأميركية عام 1933، الذي تسبب في مقتل 73 راكبًا، وأدت هذه الحوادث إلى أفول العصر الذهبي للسفر بالاعتماد على الهيدروجين، والذي استمر ما يزيد على 3 عقود.
إنتاج الهيدروجين
كارثة تحطم المنطاد هيندنبورغ
مخاطر على السلامة
سلّطت هذه الحوادث الضوء على أن استعمال الهيدروجين في بعض الحالات قد يشكّل خطرًا على السلامة البشريّة، وذلك إما على شكل انفجارات وإما حرائق عند امتزاجه مع الهواء، أو لكونه مسبّبًا للاختناق في جو خالٍ من الأكسجين.
عند تركيزات مرتفعة من الهيدروجين تفوق 30%، تبدأ عوارض عدم انتظام حركات الجسم وفقدان الوعي، والتي يمكن أن تنتهي بالوفاة حال عدم توافر الأكسجين.
والهيدروجين غاز له قابلية كبيرة للاشتعال حتى في التركيزات المنخفضة (4%)، كما أنه يتفاعل بشدة مع الكلور والفلور ليُنتج "أحماضًا أكالة"، والتي تكون مضرة للجهاز التنفسي عند استنشاقها، كما أنها مضرة للأنسجة الحيوية.
ويتسم الهيدروجين بخاصية فريدة، وهي أن شعلته في الهواء لا تُرَى؛ ما يجعل من الصعب ملاحظة حدوث أي احتراق يحدث من تسربه، ولذا فقد تطورت معايير الأمان الخاصة باستعماله كثيرًا عبر العقود الماضية.
ويتميز الهيدروجين إلى جانب محتواه المرتفع من الطاقة، التي تعادل مرتين ونصف المرة أكبر من الغاز الطبيعي، بأنه عند احتراقه لا يُصدر انبعاثات، وفقًا للدراسة.
ومن المعالم البارزة أيضًا في تاريخ الهيدروجين استعماله من قِبل وكالة الفضاء الأميركية ناسا وقودًا للصواريخ مع مزيج من الأكسجين السائل، ومن ثم إمكان استعمال كميات وقود كبيرة مع تجنب حمل أوزان ثقيلة.
وتمكّنت ناسا عبر عقود طويلة من تطوير الاستعمال والنقل الآمن للهيدروجين لخدمة برنامج الفضاء الأميركي.
التطبيقات الحديثة
أوضحت الدراسة، التي أجراها خبير الطاقة المستدامة، الدكتور ماجد كرم الدين، أن الهيدروجين يُستَعمل في العصر الحديث في العديد من التطبيقات؛ فعلى صعيد العمليّات الكيميائية يدخل إنتاج الهيدروجين عنصرًا أساسيًا في الصناعات الكيميائية والنفطية.
حيث تُعَد من أكبر الاستعمالات لإنتاج الهيدروجين عملية تصنيع الأمونيا والميثانول، وفي عمليات تحسين نوعية الوقود الأحفوري -أيضًا- مثل عملية نزع الكبريت المهدرج والتكسير الهيدروجيني، فضلًا عن أنه عامل أساسي في عملية الهدرجة وعامل اختزال للخامات المعدنية.
وعلى صعيد التطبيقات الفيزيائية والهندسية، يُستَعمل الهيدروجين بمثابة غاز واقٍ في عمليات اللحام، كما يُستعَان به في أبحاث التبريد العميق وأبحاث الموصلات فائقة الكفاءة.
كما يُستَعمل الهيدروجين في تبريد المولدات التوربينية، ويمكن استعمال مزيج من غاز الهيدروجين مع غاز النيتروجين للكشف عن وجود تسريبات دقيقة في الأنظمة المستخدمة في الصناعات الكيميائيّة، ومحطّات توليد الطاقة، وفي صناعة السيارات والمركبات الفضائية.
ويُسمح باستعمال غاز الهيدروجين في الاتحاد الأوروبي باعتباره مادة للكشف عن تسريبات أغلفة الأغذية.
إنتاج الهيدروجين
محطة للتزود بوقود الهيدروجين - الصورة من موقع تويوتا ميراي
ركيزة التحول الأخضر
بحسب الدراسة، بلغ الطلب على الهيدروجين 105 ملايين طن في عام 2020؛ حيث استُعمِلَ عمليًا في التكرير والتطبيقات الصناعية بصفة رئيسة.
ويُعَد الهيدروجين ركيزة أساسية لمستقبل التحول الأخضر للصناعة والطاقة؛ إذ بدأ تشغيل أول مشروع تجريبي في العالم لإنتاج الفولاذ الخالي من الكربون باستعمال الهيدروجين الأخضر في السويد عام 2020.
كما يجري تطوير مشروعات ريادية لاستعمال الهيدروجين في التطبيقات الصناعية مثل الأسمنت والسيراميك أو تصنيع الزجاج.
ويمكن استعمال الهيدروجين في العديد من التطبيقات الأخرى، والتي لا تمثل حاليًا إلا حصة صغيرة من إجمالي الطلب عليه، ولكن الطموحات حولها مبشرة ولا سيما في مجال النقل.
فقد انخفضت تكلفة السيارات الكهربائية العاملة بخلايا الوقود الهيدروجينية، والتي تستعمل الهيدروجين مع الهواء لتوليد الكهرباء لإدارة المحركات الكهربائية للسيارات والحافلات، بنسبة 70% منذ عام 2008 بفضل التقدم التكنولوجي والمبيعات المتزايدة.
وتقود كوريا والولايات المتحدة والصين واليابان الجهود في هذا المجال؛ حيث زاد عدد سيارات خلايا الوقود الكهربائية على الطريق بأكثر من 6 أضعاف، من 7 آلاف سيارة في عام 2017 إلى أكثر من 43 ألف سيارة بحلول منتصف عام 2021.
وفي عام 2017 كانت أغلب سيارات خلايا الوقود الهيدروجينية سيارات ركاب ولكن اليوم 20% منها هي حافلات وشاحنات كبيرة لديها القدرة على قطع مسافات طويلة، وتجعل من الهيدروجين منافسًا في تحول قطاع النقل.
ولا تزال حصة سيارات خلايا الوقود الهيدروجينية محدودة في إجمالي عدد السيارات الكهربائية على الطرق عالميًا، وقُدرت في أوائل عام 2021 بنحو 11 مليون سيارة كهربائية، وفقًا للدراسة.
وهناك العديد من المشروعات الريادية الجاري تطويرها سواء لاستعمال الهيدروجين أو إنتاج وقود قائم على الهيدروجين (الوقود الاصطناعي) لخدمة مختلف وسائل النقل مثل السكك الحديدية والشحن والطيران؛ ما يفتح آفاقًا جديدة للطلب على الهيدروجين.
طرق الإنتاج
استعرض الدكتور ماجد كرم الدين -في دراسته- أنواع الهيدروجين، مشيرًا إلى وجود 17 طريقة لإنتاجه من مصادر مختلفة، ويمكن تصنيف هذه المصادر إلى 4 فئات، هي الغاز الطبيعي والفحم والكتلة الحيوية والماء.
بالنسبة للغاز الطبيعي، فإن أشهر عمليات إنتاج الهيدروجين هي عملية إعادة تشكيل أو إصلاح الميثان بالبخار.
وبالنسبة للفحم، فإن تغويز الفحم عبر تسخينه مع الأكسجين وبخار الماء عند درجات حرارة وضغوط مرتفعة، يُعَد الوسيلة الأشهر لإنتاج الهيدروجين.
وفيما يتعلق بالإنتاج من الكتلة الحيوية؛ فيعتمد بكثرة على التحلل اللاهوائي، أما الإنتاج من الماء فيتم عبر عملية التحليل الكهربائي، والتي تعتمد على الكهرباء من أي من المصادر سواء الوقود الأحفوري أو النووي أو الطاقات المتجددة.
ومن الطرق الحديثة لإنتاج الهيدروجين استعمال ما يسمى بحارق بلازما لحرق الهيدروكربونات لتحويلها إلى أسود الكربون وغاز الهيدروجين دون انبعاث غاز ثنائي أكسيد الكربون، وتسمى هذه العملية عملية "كفيرنر" نسبة للشركة النرويجية المبتكرة لها.
ومن الطرق الأخرى المستخدمة على نطاق ضيق، استعمال الفيروسيليكون لإنتاج الهيدروجين، والفيروسيليكون هي سبيكة تتألف بشكل رئيس من الحديد والسيليكون؛ حيث يمزج كل من هيدروكسيد الصوديوم والفيروسيليكون والماء في وعاء ضغط، وينتج من تفاعلها الهيدروجين وبخار الماء بالإضافة إلى سيليكات الصوديوم.
الهيدروجين الحيوي
أشارت الدراسة -أيضًا- إلى إمكان إنتاج الهيدروجين الحيوي عن طريق الطحالب بالاستفادة من ضوء الشمس؛ حيث تجري بعض الأنواع من الطحالب الخضراء عمليّة اختزال تتحوّل فيها البروتونات والإلكترونات لتشكّل غاز الهيدروجين بنوع خاص من أنزيم يسمى الهيدروجيناز.
وهناك محاولات أخرى لإنتاج الهيدروجين من الطحالب المعدّلة وراثيًا لتتمكن من إنتاج الهيدروجين الحيوي بوفرة.
وعلى الرغم من تعدد الأفكار والعمليات الحرارية الكيميائية لإنتاج الهيدروجين؛ فإنه يُنتج عالميًا بشكل حصري تقريبًا من الوقود الأحفوري؛ ما أدى إلى ما يقرب من 900 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
ويُعَد إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي أكثر الطرق انتشارًا وموثوقية عالميًا من خلال عملية إعادة تشكيل الميثان بالبخار، وهي الطريقة الأرخص حاليًا؛ حيث يُنتج 4 كيلو مول (نحو 8 كغم) من الهيدروجين باستعمال 1 كيلو مول (نحو 16 كغم) من الميثان في التفاعل.
أنواع الهيدروجين
يُعَد تخزين الطاقة المتجددة -مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والأمواج- إحدى المشكلات الرئيسة التي تواجه التوسع في هذا النوع من الكهرباء النظيفة، ولا سيما مع الانخفاض المتوقع في الطلب على مصادر الطاقة التقليدية بحلول عام 2025 بعد تنفيذ اتفاقية باريس للمناخ وخطة التنمية المستدامة.
وعلى الرغم من أن البطاريات تُعَد خيارًا مهمًا في هذا الإطار؛ فإن تكلفتها لا تزال مرتفعة، وقدراتها لم تصل بعد للتطبيق تجاريًا في محطات كبرى واسعة النطاق؛ لذا يُعد إنتاج الهيدروجين من الكهرباء المتجددة أحد الحلول الممكنة لهذه المشكلة عن طريق التحليل الكهربائي للماء.
وبمجرد إنتاج الهيدروجين يمكن تخزينه واستعماله في أي وقت.
وخلال العامين الأخيرين استُخدمت الألوان للدلالة على طرق إنتاج الهيدروجين، وهناك قدر من عدم التوافق بين مختلف المصادر حول دلالات تلك الألوان، إلا أن هناك اتفاقًا حول تسمية الهيدروجين بالأسود عند إنتاجه من الفحم أو الرمادي عند إنتاجه من الغاز الطبيعي، وكلاهما يتسبب في انبعاثات كربونية.
وكذلك اتفاق على تسمية الهيدروجين بالأزرق إذا جرى احتجاز وتخزين أو استغلال هذه الانبعاثات في عمليات صناعية.
كما أن هناك إجماعًا حول تسمية الهيدروجين بالأخضر إذا أُنتج من الماء من خلال التحليل الكهربائي بالاعتماد على الكهرباء المُولدة من مصادر الطاقة المتجددة.
ولكن هناك تباينًا حول لون الهيدروجين المُنتج من التحليل الكهربائي باستعمال الطاقة النووية وغيرها من طرق الإنتاج.
الجدول التالي يُقدم مقارنة بين ألوان الهيدروجين المتنوعة وفق ما هو شائع بين المختصين:
أنوع الهيدروجين
الجدوى الاقتصادية
رأت الدراسة أن إنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري يُعَد أرخص تكلفة -حاليًا- في معظم أنحاء العالم، مؤكدة أن الهيدروجين الأسود والرمادى المُنتجين من الفحم والغاز الطبيعي هما الأرخص على الإطلاق.
وتتراوح تكلفة إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي من 0.5 إلى 1.7 دولارًا أميركيًا للكيلوغرام الواحد.
ويؤدي استعمال تقنيات التقاط واستعمال أو تخزين الكربون لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن إنتاج الهيدروجين إلى زيادة تكلفة الإنتاج إلى نحو 1 إلى 2 دولار أميركي لكل كيلوغرام.
بينما يُكلف استعمال الكهرباء المتجددة لإنتاج الهيدروجين الأخضر ما بين 3 و6 دولارات أميركية للكيلوغرام الواحد.
وتوقّعت الدراسة انخفاض تكلفة الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة إلى ما يتراوح بين 1.3 و3.5 دولارًا أميركيًا لكل كيلوغرام بحلول عام 2030 في المناطق الغنية بموارد الطاقة المتجددة مثل الدول العربية؛ بما يجعلها منافسة للهيدروجين الأزرق والرمادي.
كما أكدت الدراسة أن تكاليف إنتاج الهيدروجين من الطاقة النظيفة ستنخفض على المدى الطويل إلى حدود 1 إلى 3 دولارات أميركية لكل كيلوغرام؛ ما يجعل الهيدروجين الأخضر منافسًا للتكلفة مع الهيدروجين من الغاز الطبيعي حتى دون قنص وتخزين أو استغلال الكربون في العديد من المناطق.
ووفقًا لتقديرات مجلس الهيدروجين لتكاليف الإنتاج؛ فإن تقليص الفجوة بين الهيدروجين الرمادي والأخضر سيحتاج إلى إضافة نحو 65 غيغاواط من أجهزة التحليل الكهربائي المعتمدة على الكهرباء من المصادر المتجددة، وهو ما يمكن ترجمته لاستثمارات بنحو 50 مليار دولار.
وهذا دون وضع أي أعباء مالية نتيجة انبعاثات الكربون على الهيدروجين الرمادى وحال وجود مثل هذه الأعباء ستكون اقتصادات الهيدروجين الأخضر أفضل من الرمادي.
