الهيدروجين المستدام قد يقلل انبعاثات إنتاج الأمونيا 95٪.. تحقيق التوازن بين التكاليف والتأثير البيئي

ما إذا كان الهيدروجين المنتج بشكل مستدام يجب أن يكون أخضر بنسبة 100% هو محل نقاش حاليًا، وباستخدام إنتاج الأمونيا والأسمدة الاصطناعية كأمثلة، حسب الباحثون أن الهيدروجين “المستدام تقريبًا” سيكون أفضل في النهاية.

هناك دور للهيدروجين المنتج بشكل مستدام في التحول في مجال الطاقة، وليس فقط كوسيلة لتخزين الطاقة أو كوقود للشاحنات.

في الصناعة، يمكن استخدامه حيثما تكون هناك حاجة إلى الهيدروجين بالفعل اليوم: على سبيل المثال، في إنتاج الأمونيا . في جميع أنحاء العالم، يتم إنتاج 180 مليون طن متري من الأمونيا كل عام، وخاصة لصناعة الأسمدة.

يتم الحصول على الهيدروجين اللازم حاليًا من الغاز الطبيعي، مما يؤدي إلى انبعاثات عالية من الغازات المسببة للاحتباس الحراري والاعتماد على الدول المصدرة للغاز. إن استخدام الهيدروجين الأخضر كبديل نظيف من شأنه أن يجعل العالم أقرب إلى أهداف المناخ ويقلل الاعتماد عليه.

يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام الكهرباء المستدامة من خلال عملية تسمى التحليل الكهربائي.

في دراسة تناولت صناعة الأمونيا الأوروبية، قام باحثون من جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا والمعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ بحساب الظروف التي قد يكون من المفيد فيها تحويل إنتاج الأمونيا إلى الهيدروجين الأخضر أو الأخضر تقريبًا.

نُشر البحث في مجلة Nature Communications .

قابلة للاستمرار اقتصاديا في إسبانيا والنرويج

وهناك نتيجتان بارزتان، أولا، في بعض البلدان الأوروبية مثل النرويج وإسبانيا والمجر وبولندا، من الممكن أن يكون إنتاج الأمونيا من الهيدروجين الأخضر أو الأخضر تقريبا مجديا اقتصاديا اليوم، وفي هذه البلدان، يعد توليد الكهرباء المستدامة من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح فعالا من حيث التكلفة بشكل خاص.

ويرجع هذا إلى الظروف الجغرافية المواتية لهذه البلدان، فضلاً عن الدعم الحكومي أو انخفاض تكاليف الكهرباء عموماً.

وهذا يعني أنه في غياب أشعة الشمس أو الرياح، قد يعتمد إنتاج الهيدروجين على الطاقة الرخيصة من الشبكة، ونتيجة لهذا، يمكن للمنتجين هنا الاستغناء عن حلول التخزين المكلفة للكهرباء المستدامة.

ثانياً، حتى الكهرباء التي لا تعتمد بالكامل على الوقود الأحفوري سوف يكون لها تأثير إيجابي على المناخ.

ووفقاً للدراسة، فإن الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي أمر منطقي حتى لو لم يكن بعض الطاقة المستخدمة من مصادر متجددة، وهذا يمنح المنتجين حرية التحول إلى الكهرباء من الشبكة، والتي يأتي بعضها من مصادر الوقود الأحفوري، كلما كانت الشمس أو الرياح في نقص.

كيلوجرام واحد من ثاني أكسيد الكربون سيكون جيدًا للمناخ

المؤلف الرئيسي للدراسة هو ستيفانو مينجولا، طالب دكتوراه في جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا، عمل لمدة ستة أشهر في المجموعة التي يقودها جيوفاني سانسافيني، أستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية والعمليات في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ.

يقول سانسافيني: “إذا استخدمت الهيدروجين الأخضر تقريبًا لإنتاج الأمونيا، فيمكنك تحقيق الكثير بسرعة كبيرة – إنها ثمرة منخفضة التكلفة”، مضيفا “وهذا على النقيض من التطبيقات الأخرى، حيث يعمل الهيدروجين كمخزن للطاقة فقط ويتطلب تحويله من شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر، وفي إنتاج الأمونيا، يستخدم الهيدروجين مباشرة كمادة خام، مما يلغي الحاجة إلى التحويلات غير الفعالة.”

وتُظهِر الحسابات التي أجراها مينجولا وزملاؤه، أن انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري العالمي الناجمة عن إنتاج الأمونيا يمكن خفضها بنسبة 95% مقارنة باليوم إذا تم إنتاج الهيدروجين المستخدم بطريقة لا تطلق أكثر من كيلوجرام واحد من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوجرام من الهيدروجين.

ويتعين أن تكون الكهرباء المطلوبة لهذا الغرض أكثر خضرة إلى حد كبير من المزيج الحالي في ألمانيا وبولندا وهولندا.

أكبر منتجي الأمونيا في أوروبا

هذه الدول الثلاث هي أكبر منتجي الأمونيا في أوروبا، للمقارنة: إن إنتاج كيلوجرام واحد من الهيدروجين باستخدام مزيج الكهرباء السويسري من شأنه أن يؤدي إلى انبعاثات تبلغ 1.7 كيلوجرام من ثاني أكسيد الكربون.

والرقم باستخدام مزيج الكهرباء الحالي في ألمانيا سيكون 18 كيلوجرامًا من ثاني أكسيد الكربون، وفي هولندا 16 كيلوجرامًا وفي بولندا 33 كيلوجرامًا.

إزالة الكربون من إنتاج الهيدروجين بالكامل، بدلاً من إزالة 95% فقط، ستكون مكلفة للغاية.

وتعتبر نسبة 5% الأخيرة من إزالة الكربون هي الأكثر تعقيدًا وتكلفة؛ حيث ستؤدي إلى مضاعفة التكلفة الإجمالية تقريبًا.
يقول سانسافيني: “من المهم تعديل الطموحات وفقًا لذلك، سيكون من غير المجدي أن نسعى إلى إزالة الكربون بالكامل، حيث أن التكاليف المفرطة قد تؤدي إلى إبطاء التحول في مجال الطاقة”.

محطات جديدة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح لإنتاج الهيدروجين

ومع ذلك، يؤكد سانسافيني، أن الهيدروجين لن يتم إنتاجه على نطاق واسع باستخدام الكهرباء من الشبكة، لأنه في كثير من الحالات، تكون قدرة توليد الطاقة المحلية ونقلها عبر الشبكة عبر الحدود غير كافية.

السيناريو الأكثر ترجيحا هو بناء مزارع جديدة للطاقة الشمسية أو طاقة الرياح مباشرة بجوار مصانع الأمونيا القائمة، ومع ذلك، يتطلب هذا مساحات كبيرة من الأرض.

وكما تظهر الدراسة، كلما كانت المنطقة تتمتع بظروف جغرافية مواتية لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، كلما كانت المساحة المطلوبة أقل.

وتتمتع جنوب أوروبا والمناطق الواقعة على طول ساحل المحيط الأطلسي بميزة هنا. ويقول سانسافيني: “نظرًا لأن كمية الأراضي المطلوبة كبيرة جدًا، فنحن بحاجة إلى التفكير في المقام الأول في الاستخدام المشترك للأراضي – على سبيل المثال، مزرعة رياح أو شمسية حيث يمكن ممارسة الزراعة في نفس الوقت”.

قد يكون الهيدروجين الأخضر تنافسيًا بالفعل في النرويج وإسبانيا والمجر وبولندا، ولكن في المتوسط في جميع أنحاء أوروبا، فإن إنتاجه أكثر تكلفة بشكل كبير من استخراج الهيدروجين من الغاز الطبيعي.

يقول سانسافيني: “لكي يصبح الهيدروجين الأخضر تنافسيًا في كل مكان، هناك حاجة إلى المزيد من الاستثمار في البحث والتطوير، وكذلك الحوافز الاقتصادية”.

كما أن ما يعنيه الهيدروجين “الأخضر” على وجه التحديد محل نقاش في الاتحاد الأوروبي، ويوضح سانسافيني: “نحن بحاجة إلى تحقيق التوازن بين التكاليف والتأثير البيئي، وينبغي لأي تعريف أن يسمح للهيدروجين الأخضر باحتواء بعض الطاقة الأحفورية المتبقية”.

وباستخدام مثال إنتاج الأمونيا، قام فريق البحث الآن بحساب توصية لهذه النسبة المتبقية: ما يصل إلى كيلوجرام واحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوجرام من الهيدروجين سيكون مقبولاً ومعقولاً.