دور الهيدروجين في حلول تخزين الطاقة.. لماذا نحتاج لتخزين الطاقة على المدى الطويل؟

مع خضوع مجالات الطاقة والصناعة لتحولات كبيرة، أصبح اقتصاد الهيدروجين على أعتاب التوسع المستدام. تشمل سلسلة القيمة المتوقعة للهيدروجين البنية التحتية للإنتاج والتخزين والتوزيع، ودعم مجموعة واسعة من التطبيقات، من الأنشطة الصناعية (مثل تكرير البتروكيماويات) إلى وسائل النقل المختلفة (مثل الشحن).

في حين أن الكهرباء لا تزال تمثل المسار الرئيسي لإزالة الكربون في العديد من القطاعات، فإن الهيدروجين يعمل كبديل أساسي للصناعات التي تواجه تحديًا لإزالة الكربون.

ومن ثم، فمن الضروري تعزيز سلسلة قيمة الهيدروجين في الوقت نفسه جنبًا إلى جنب مع مجموعة واسعة من التطبيقات.

وتطرح كل صناعة تحديات وفرصًا مختلفة للنمو، ولكن جميعها تؤكد الحاجة الملحة لإزالة الكربون.

ورغم أن الهيدروجين ليس حلا واحدا يناسب الجميع، فإنه يوفر وسيلة مرنة ومجدية للتحرك نحو مشهد صناعي وطاقي أكثر استدامة.

لماذا هناك حاجة لتخزين الطاقة على المدى الطويل؟

ومع اكتساب الضرورة العالمية للانتقال من الوقود الأحفوري زخما، هناك حاجة إلى حلول جديدة لضمان أمن الطاقة واستدامتها.

هذا بشكل خاص في مناطق مثل أوروبا، التي واجهت أزمات الغاز الأخيرة التي تؤكد مدى ضعف الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية فقط.

تعمل هذه المخاوف المتعلقة بأمن الطاقة على تضخيم الحاجة إلى خيارات أكثر مرونة واستدامة، والتي يمكن أن يصبح الهيدروجين جزءًا مهمًا منها.

وبالإضافة إلى ذلك، سلط التبني المتزايد لتكنولوجيات الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، الضوء على قضية ملحة أخرى: التقطع.

يتقلب إنتاج الطاقة من مزارع الرياح والطاقة الشمسية اعتمادًا على الظروف الجوية والوقت من اليوم والموسم.

ويشكل هذا التقطع تحديات أمام الحفاظ على إمدادات مستقرة من الطاقة، وقد أدى إلى الاهتمام بحلول تخزين الطاقة على المدى الطويل.

وهنا يمكن أن يلعب الهيدروجين دورًا محوريًا: يمكن لتطبيقاته المحتملة في تخزين الطاقة الموسمية والنهارية أن توفر حاجزًا لمصادر الطاقة المتجددة، مما يساعد على تحقيق التوازن بين العرض والطلب من خلال تخزين الطاقة الزائدة لاستخدامها لاحقًا.

علاوة على ذلك، أصبح تخزين الطاقة خارج الشبكة ذا أهمية متزايدة بالنسبة للمناطق النائية أو المعزولة في كل من البيئات السكنية والصناعية، ومن الأمثلة على ذلك مواقع التعدين النائية ومنصات النفط والغاز البحرية.

يبرز الهيدروجين كخيار جذاب في هذه السيناريوهات بسبب كثافة الطاقة العالية وقدرته على تخزين الطاقة لفترات أطول دون خسائر كبيرة، بشرط أن يكون النظام مغلقًا بشكل صحيح.

التقنيات الرئيسية ودراسات الحالة لاستخدام الهيدروجين في تخزين الطاقة

عند تقييم دور الهيدروجين في تخزين الطاقة، يجب على المرء أولاً أن يعترف بالبنية التحتية التي يحتاجها الهيدروجين لتحقيق التوازن بين التقلبات الكامنة في إنتاج الطاقة واستهلاكها، على سبيل المثال، خلال ساعات الذروة، يمكن للمحللات الكهربائية المصممة للتشغيل الديناميكي، في المقام الأول أنواع غشاء تبادل البروتون (PEM)، الاستفادة من الطاقة الفائضة لإنتاج الهيدروجين الأخضر.

ويمكن بعد ذلك تخزين هذا الهيدروجين باستخدام تقنيات مختلفة، مثل تخزين الغاز المضغوط في حزم الأنابيب، أو في أشكال الحالة الصلبة، كما هو الحال في أنظمة تخزين هيدريد المعدن. توفر كهوف الملح أيضًا بديلاً تحت الأرض لكميات كبيرة جدًا من الهيدروجين.

عندما يصل الطلب على الطاقة إلى ذروته، يمكن سحب هذا الهيدروجين المخزن واستخدامه إما في نظام خلايا الوقود PEM أو حرقه في محطة توربينات الغاز.

الخيار الأول يعني أن موقع الطاقة المتجددة ومحطة التحليل الكهربائي وموقع تخزين الهيدروجين ومنشأة خلايا الوقود يمكن أن تكون جميعها في موقع مشترك، في حين أن الخيار الأخير يعني أن يحتاج خط الأنابيب إلى توصيل موقع التخزين بمحطة الذروة التي تعمل بالغاز.

ومن الممكن تعديل المحطات الحالية التي تعمل بالغاز لاستيعاب احتراق الهيدروجين. ويقوم موردو تكنولوجيا التوربينات مثل Siemens Energy وGE Gas Power وMitsubishi Power بالفعل بتطوير مثل هذه الحلول.

تزايد إمكانية تطبيق الهيدروجين في تطبيقات الطاقة

تكشف المشاريع قيد التطوير عن تزايد إمكانية تطبيق الهيدروجين في تطبيقات الطاقة، ومن الأمثلة على ذلك مشروع تخزين الطاقة النظيفة المتقدمة (ACES) في دلتا بولاية يوتا.

وباعتبارها مشروعًا مشتركًا بين شركتي Mitsubishi Power Americas وMagnum Development (التي استحوذ عليها قسم الطاقة الجديدة في شركة Chevron)، تهدف ACES إلى استخدام الطاقة المتجددة لإنتاج 150 ألف طن من الهيدروجين الأخضر سنويًا، وتخزينه في كهوف ملحية تحت الأرض (سعة تخزين محتملة تصل إلى 300 جيجاوات ساعة من الهيدروجين) طاقة).

سيتم استخدام الهيدروجين لتزويد مشروع Intermountain Power Project، وهو عبارة عن محطة لتوليد الطاقة تعمل بالغاز بقدرة 840 ميجاوات قيد الإنشاء أيضًا في الدلتا.

وسيستخدم المصنع 30% من الهيدروجين عند بدء التشغيل في عام 2025، مع خطط لتحقيق 100% من الهيدروجين بحلول عام 2045، ومع ذلك، تعتقد شيفرون أنه ستكون هناك فرص لتزويد الهيدروجين لقطاعي النقل والصناعة أيضًا.

وفي حالة أخرى، تقدم شركة Battolyser Systems، وهي شركة فرعية من جامعة دلفت وProton Ventures، حلاً مبتكرًا:

بطارية تتحول إلى محلل كهربائي عند شحنها بالكامل. باستخدام الحديد وأقطاب النيكل منخفضة الجودة، يهدف هذا النظام إلى تحقيق كفاءة بنسبة 85% على مدى عمر 20 عامًا، توفر هذه التكنولوجيا وسيلة مقنعة لتخزين الطاقة وإنتاج الهيدروجين في وقت واحد.

الأدوار المتنوعة لتقنيات الهيدروجين

في مجال تخزين الطاقة خارج الشبكة، تظهر تقنيات الهيدروجين كحل متعدد الاستخدامات للطاقة. على سبيل المثال،

يستخدم مشروع GKN Hydrogen في فندق Arieshof في جنوب تيرول، إيطاليا، خط إنتاج HY2MEDI، الذي يتميز بنظام تخزين هيدروجين هيدريد المعدن الصلب.

ويتكامل هذا النظام بسلاسة مع المحللات الكهربائية وخلايا الوقود في محلول داخل حاوية، مما يوفر الكهرباء والحرارة ويؤكد على تعدد وظائف الهيدروجين في التطبيقات خارج الشبكة.

مثال آخر هو وحدة الطاقة الهيدروجينية (HPU) التابعة لشركة GeoPura، وهي عبارة عن حل في حاويات بقدرة 250 كيلووات يتم تجربته في المحطة الفرعية التابعة لشركة National Grid في مركز Deeside للابتكار (المملكة المتحدة) وموقع بناء HS2 في لندن. تشتمل وحدة HPU على مجموعة خلايا الوقود ونظام البطاريات وأنظمة التحكم المختلفة لتحقيق التوازن بين العرض والطلب.

كما أن النظام قادر على توفير الماء الساخن (60 درجة مئوية) عبر مبادل حراري (الحرارة من خلية الوقود)، مما يزيد من فائدته في الإعدادات خارج الشبكة.

توضح هذه المشاريع الأدوار المتنوعة التي يمكن أن تؤديها تقنيات الهيدروجين، بدءًا من موازنة العرض والطلب على الطاقة وحتى توليد الحرارة، مما يجعلها حلاً واعدًا للطاقة على نحو متزايد للمناطق خارج الشبكة.

الهيدروجين مقابل البطاريات: ما هو مكان الهيدروجين؟

في الخطاب حول تقنيات تخزين الطاقة، غالبًا ما يتم المقارنة بين تخزين طاقة الهيدروجين وأنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) وبطاريات تدفق الأكسدة (RFBs)، حيث يعرض كل منها مجموعة فريدة من الإيجابيات والسلبيات الاقتصادية والتقنية.

ومن الناحية الاقتصادية، تعد أنظمة تخزين الهيدروجين أكثر تكلفة من البطاريات على المدى القصير إلى المتوسط. في حين أن بطاريات الليثيوم أيون تقدم تكلفة متساوية لقيم الكهرباء تتراوح بين 0.2 و0.4 دولار أمريكي/كيلوواط ساعة، اعتمادًا على التكنولوجيا ومدة التخزين، فإن الوضع الاقتصادي للهيدروجين لا يزال نظريًا إلى حد كبير، في انتظار التحقق من صحته من تطبيقات العالم الحقيقي، ومع ذلك، تشير الدراسات التقنية والاقتصادية الأكاديمية إلى أن تخزين الطاقة الهيدروجينية على المدى الطويل يمكن أن يقع في نفس نطاق الدولار الأمريكي لكل كيلووات في الساعة.

وتشير التقييمات التقنية والاقتصادية إلى أن أنظمة BESS وRFB تتفوق في تطبيقات تخزين الطاقة النهارية (قصيرة المدى)، في حين أن الهيدروجين قد اكتسب مكانة فريدة في مجال التخزين الموسمي طويل الأجل.

تتمتع أنظمة البطاريات بفترات تفريغ محدودة، حسب ترتيب الساعات، مع قلة الطلب على مدة تفريغ أطول في السوق الآن.

إن قدرة الهيدروجين على تخزين الطاقة لفترات طويلة – تتراوح من أيام إلى أشهر – مفيدة بشكل خاص خلال المواسم التي تتميز بانخفاض إنتاج الطاقة المتجددة.

ومع ذلك، فمن الأهمية بمكان الاعتراف بأوجه القصور والتحديات الكامنة المرتبطة بالهيدروجين كوسيلة لتخزين الطاقة.

تعد الكفاءة ذهابًا وإيابًا مصدر قلق كبير، وغالبًا ما تصل إلى حوالي 36٪ فقط في محطة توليد الطاقة بالغاز التي تعمل بالهيدروجين الأخضر. تنشأ أوجه القصور هذه من مراحل مختلفة في تحويلات الطاقة إلى الغاز إلى الطاقة، على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي نقل الكهرباء إلى فقدان الطاقة بنسبة 5٪ تقريبًا بسبب فقدان حرارة الشبكة.

يمكن أن تختلف كفاءة التحليل الكهربائي بشكل كبير اعتمادًا على تقنية المحلل الكهربائي، من حوالي 30% فقدان في التحليل الكهربائي للماء القلوي إلى 10% إلى 20% في المحلل الكهربائي للأكسيد الصلب، علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي ضغط الهيدروجين إلى فقدان الطاقة بنسبة 10% إلى 30%، اعتمادًا على الضغط المستخدم.

النفقات الرأسمالية لتقنيات التخزين

أحد العوامل الحاسمة التي تضيف تعقيدًا إلى مشهد تخزين الطاقة هو النفقات الرأسمالية المرتبطة بهذه التقنيات، خاصة فيما يتعلق بتمديد مدة التخزين.

تشهد بطاريات الليثيوم أيون زيادة خطية تقريبًا في النفقات الرأسمالية لفترات أطول، لتصبح غير عملية من الناحية المالية بعد ست ساعات من التخزين.

وعلى العكس من ذلك، تُظهر مرافق المصايد ارتفاعًا أكثر هدوءًا في النفقات الرأسمالية، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن تكلفة التوسع تتركز على صهاريج تخزين الإلكتروليت، مما يجعلها قابلة للحياة اقتصاديًا لفترات متوسطة.

بالنسبة لتخزين الهيدروجين، تعد النفقات الرأسمالية الأولية كبيرة، حيث أن محطات التحليل الكهربائي ومرافق التخزين باهظة الثمن.

ومع ذلك، بمجرد إنشاء البنية التحتية، يمكن تخزين كميات كبيرة من الطاقة على شكل هيدروجين لفترات طويلة جدًا، علاوة على ذلك، قد لا تكون هناك حاجة إلى تركيب بنية تحتية إضافية، على عكس أنظمة البطاريات، حيث يمكن أن يتزايد إنتاج الهيدروجين صعودا وهبوطا.

المستقبل في تخزين الطاقة

إن استخدام الهيدروجين في تخزين الطاقة، على الرغم من أنه لا يزال في مراحله الأولى، يحمل وعدًا كبيرًا لجهود إزالة الكربون على نطاق أوسع.

على الرغم من عدم الكفاءة في تحويلات الطاقة ذهابًا وإيابًا، يظهر الهيدروجين كحل مثير للاهتمام لموازنة الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة للتطبيقات خارج الشبكة، ومع ذلك، فإن اعتماد الهيدروجين على نطاق أوسع لتطبيقات الكهرباء يتطلب نماذج أعمال أكثر تطورًا لتحقيق الجدوى التجارية.

أحد العوائق الرئيسية أمام اعتماد الهيدروجين على نطاق واسع هو النفقات الرأسمالية العالية المرتبطة بتطوير مرافق إنتاج الهيدروجين الأزرق والأخضر والبنية التحتية لخطوط الأنابيب.

يضاف إلى ذلك تحديات الجداول الزمنية الطويلة لتطوير كهوف الملح، والمخاطر المالية في مشاريع الهيدروجين والطاقة المتجددة، والحاجة إلى نماذج أعمال قوية لمبيعات الطاقة المعتمدة على الهيدروجين.

تلقي هذه التحديات المتعددة الأوجه بظلال من الشك على جدوى دور الهيدروجين في تخزين الطاقة على المدى القريب إلى المتوسط. توقعت شركة Siemens Energy أنه من غير المرجح أن يتم إنتاج الطاقة على نطاق واسع من الهيدروجين قبل عام 2035.

وعلى الرغم من هذه العقبات، فإن المبادرات التجارية الجارية يمكن أن تشهد تسارعا مدفوعا بالتغييرات التنظيمية المواتية، والقيود على الانبعاثات، والإعانات.

ترى مجموعة واسعة من الشركات فرصًا متزايدة في تخزين طاقة الهيدروجين، بدءًا من موردي المحلل الكهربائي إلى مزودي إلكترونيات الطاقة وأنظمة تخزين الهيدروجين.

لقد حققت أنظمة تخزين الطاقة الهيدروجينية المعيارية نجاحًا كبيرًا في السوق، بالإضافة إلى ذلك، يقوم كبار اللاعبين مثل مطوري محطات الطاقة وموردي التوربينات باستكشاف الفرص في هذا المجال بشكل متزايد.

عزز المشاريع والتطورات التكنولوجية المستمرة أن مساهمة الهيدروجين في تخزين الطاقة أصبحت في متناول اليد بشكل متزايد.

ومع استمرار الطاقة المتجددة في المطالبة بحصة أكبر من مزيج توليد الطاقة، فمن المتوقع أن يكتسب اعتماد حلول تخزين الهيدروجين زخماً، ومع ذلك، لا يزال من المتوقع أن يحدث هذا فقط على المدى الطويل، ومن المحتمل أن يكون ذلك بعد عام 2035،1 الذي يتضمن استكشافًا أكثر تعمقًا لسلسلة قيمة الهيدروجين.