ما هو الهيدروجين وهل يمكن أن يصبح حقاً حلاً لتغير المناخ؟
يحظى الهيدروجين، أو H₂، باهتمام كبير مؤخرًا، حيث تضغط الحكومات في الولايات المتحدة، وكندا، وأوروبا، لخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
ولكن ما هو H بالضبط، وهل هو حقًا مصدر طاقة نظيف؟
أنا متخصص في البحث وتطوير تقنيات الإنتاج H₂ ، فيما يلي بعض الحقائق الأساسية حول هذه المادة الكيميائية متعددة الاستخدامات التي يمكن أن تلعب دورًا أكبر بكثير في حياتنا في المستقبل.
ما هو الهيدروجين؟
الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون، ولكن لأنه شديد التفاعل، لا يوجد بمفرده في الطبيعة، بدلاً من ذلك، يرتبط عادةً بذرات وجزيئات أخرى في الماء والغاز الطبيعي والفحم وحتى المواد البيولوجية مثل النباتات والأجسام البشرية.
يمكن عزل الهيدروجين، ومن تلقاء نفسه، يحمل جزيء H₂ لكمة ثقيلة باعتباره ناقل طاقة عالي الفعالية.
ويستخدم بالفعل في الصناعة لتصنيع الأمونيا والميثانول، والصلب وتكرير النفط الخام، كوقود، يمكنه تخزين الطاقة وتقليل الانبعاثات من المركبات، بما في ذلك الحافلات وسفن الشحن .
يمكن أيضًا استخدام الهيدروجين لتوليد الكهرباء مع انبعاثات غازات دفيئة أقل من محطات توليد الطاقة بالفحم أو الغاز الطبيعي.
تحظى هذه الإمكانية بمزيد من الاهتمام، حيث تقترح الحكومة الأمريكية قواعد جديدة تتطلب من محطات الطاقة الحالية خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
نظرًا لأنه يمكن تخزينها، يمكن أن يساعد H في التغلب على مشكلات التقطع المرتبطة بمصادر الطاقة المتجددة، مثل الرياح والطاقة الشمسية، يمكن أيضًا مزجه مع الغاز الطبيعي في محطات الطاقة الحالية لتقليل انبعاثات المحطة.
يمكن أن يؤدي استخدام الهيدروجين في محطات الطاقة إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند مزجه أو بمفرده في توربينات متخصصة، أو في خلايا الوقود، التي تستهلك H₂ والأكسجين، أو O₂، لإنتاج الكهرباء والحرارة والماء، لكنها في العادة ليست خالية تمامًا من ثاني أكسيد الكربون.
هذا جزئيًا لأن عزل H₂ عن الماء أو الغاز الطبيعي يستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة.
كيف يتم إنتاج الهيدروجين؟
هناك عدة طرق شائعة لإنتاج H₂
يمكن للتحليل الكهربائي عزل الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء – H₂O – إلى H₂ و O₂ باستخدام تيار كهربائي.
يستخدم إصلاح الميثان البخار لتقسيم الميثان، أو CH₄، إلى H₂ و CO₂، يمكن أيضًا استخدام الأكسجين والبخار أو ثاني أكسيد الكربون في عملية التقسيم هذه.
يحول التغويز المواد القائمة على الهيدروكربون – بما في ذلك الكتلة الحيوية والفحم أو حتى النفايات البلدية – إلى غاز تخليقي، وهو غاز غني بـ H₂ يمكن استخدامه كوقود، إما بمفرده أو كطليعة لإنتاج المواد الكيميائية والوقود السائل، لكل منها مزايا وعيوب.
الأخضر والأزرق والرمادي – ماذا تعني الألوان؟
غالبًا ما يتم وصف الهيدروجين بالألوان للإشارة إلى مدى نظافته أو خلوه من ثاني أكسيد الكربون. الأنظف هو الهيدروجين الأخضر .
يتم إنتاج Green H₂ باستخدام التحليل الكهربائي الذي يتم تشغيله بواسطة مصادر الطاقة المتجددة، مثل الرياح أو الطاقة الشمسية أو الطاقة الكهرومائية.
في حين أن الهيدروجين الأخضر خالٍ تمامًا من ثاني أكسيد الكربون، إلا أنه مكلف، بحوالي 4 – 9 دولارات للكيلوجرام (2 إلى 4 دولارات للرطل) بسبب الطاقة العالية المطلوبة لتقسيم المياه.
يمكن أن تنتج التقنيات الأخرى الأقل استهلاكًا للطاقة H₂ بتكلفة أقل، لكنها لا تزال تنبعث منها غازات الدفيئة.
Gray H₂، هو أكثر أنواع الهيدروجين شيوعًا، مصنوع من الغاز الطبيعي من خلال إعادة تشكيل غاز الميثان، تطلق هذه العملية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتكلف حوالي 1 – 2.50 دولار للكيلوجرام (50 سنتًا – 1 دولار للرطل).
إذا تم التقاط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الهيدروجين الرمادي وحبسها بعيدًا بحيث لا يتم إطلاقها في الغلاف الجوي، يمكن أن تتحول إلى هيدروجين أزرق.
التكاليف أعلى، حيث تتراوح بين 1.50 و 3 دولارات للكيلوجرام الواحد (70 سنتًا- 1.50 دولارًا للرطل) للإنتاج، ولا يزال من الممكن أن تتسرب انبعاثات غازات الاحتباس الحراري عند إنتاج الغاز الطبيعي ونقله.
بديل آخر هو الهيدروجين الفيروزي، المنتج باستخدام كل من الموارد المتجددة وغير المتجددة.
توفر الموارد المتجددة طاقة نظيفة لتحويل الميثان – CH₄ – إلى H₂ وكربون صلب، بدلاً من ثاني أكسيد الكربون الذي يجب التقاطه وتخزينه، لا يزال هذا النوع من تقنية الانحلال الحراري جديدًا، وتقدر تكلفته بين 1.60 دولار و2.80 دولار للكيلوجرام (70 سنتًا – 1.30 دولارًا للرطل).
هل يمكننا إطفاء الأنوار عن الوقود الأحفوري الآن؟
أكثر من 95 ٪ من H₂ المنتج في الولايات المتحدة اليوم، هو الهيدروجين الرمادي المصنوع من الغاز الطبيعي، والذي لا يزال ينبعث منه غازات الاحتباس الحراري.
ما إذا كان يمكن تكثيف H₂ كبديل للغاز الطبيعي لصناعة الطاقة والاستخدامات الأخرى، مثل النقل والتدفئة والعمليات الصناعية، سيعتمد على توافر الطاقة المتجددة منخفضة التكلفة للتحليل الكهربائي لتوليد H₂ الأخضر.
سيعتمد أيضًا على تطوير وتوسيع خطوط الأنابيب والبنية التحتية الأخرى لتخزين ونقل وتوزيع H₂ بكفاءة.
بدون البنية التحتية، لن ينمو استخدام H بسرعة، هي نسخة حديثة من “أيهما جاء أولاً، الدجاجة أم البيضة؟”
يمكن أن يؤدي الاستخدام المستمر للوقود الأحفوري لإنتاج H إلى تحفيز الاستثمار في البنية التحتية H₂، ولكن استخدام الوقود الأحفوري يطلق غازات الدفيئة.
ماذا يحمل المستقبل للهيدروجين؟
على الرغم من ظهور مشاريع الهيدروجين الخضراء والزرقاء، إلا أنها صغيرة حتى الآن.
قد تساعد سياسات مثل حدود انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في أوروبا وقانون خفض التضخم الأمريكي لعام 2022، الذي يقدم ائتمانات ضريبية تصل إلى 3 دولارات للكيلوجرام (1.36 دولارًا للرطل) من H₂، في جعل الهيدروجين الأنظف أكثر تنافسية.
من المتوقع أن يزداد الطلب على الهيدروجين إلى ما يصل إلى ضعفين إلى أربعة أضعاف مستواه الحالي بحلول عام 2050.
ولكي يكون ذلك أخضر، فإن H₂ يتطلب كميات كبيرة من الطاقة المتجددة في نفس الوقت الذي يتم فيه بناء محطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وغيرها من محطات الطاقة المتجددة الجديدة من أجل توفير الكهرباء مباشرة لقطاع الطاقة.
في حين أن الهيدروجين الأخضر هو اتجاه واعد، فهو ليس الحل الوحيد لتلبية احتياجات الطاقة في العالم وأهداف الطاقة الخالية من الكربون.
من المحتمل أن يكون مزيج من مصادر الطاقة المتجددة و H₂ النظيف، بما في ذلك الأزرق أو الأخضر أو الفيروزي، ضروريًا لتلبية احتياجات الطاقة في العالم بطريقة مستدامة.
