يمكن للهيدروجين الأخضر أن يحول نظام الطاقة، ويحل العديد من تحديات العرض والانبعاثات، ويعتمد حدوث ذلك على مدى إمكانية إنتاجه اقتصاديًا ومدى جاذبيته للمستهلكين.
من بين التقنيات الواعدة لتوفير الطاقة لمستقبل صافي الصفر، يعتبر الهيدروجين غريبًا بعض الشيء، في حين أن الألواح الشمسية وتوربينات الرياح ومحطات الطاقة الكهرومائية جميعها تستغل الطاقة التي توفرها الطبيعة وتحولها إلى كهرباء، فإن الهيدروجين لا يتناسب مع هذا القالب.
يشرح أندرياس زوتيل، رئيس مختبر مواد الطاقة المتجددة في EPFL، السبب: “الهيدروجين ليس مصدرًا للطاقة، إنه ناقل للطاقة”.
بالفعل اليوم، الهيدروجين هو جوهر نظام الطاقة لدينا، يحتوي الهيدروجين على طاقة أكبر لكل وحدة كتلة من أي مادة أخرى معروفة للإنسان، ويعمل بمثابة حامل الطاقة الأساسي في الوقود الأحفوري.
أدى الاحتراق الحر للهيدروجين مع الأكسجين إلى إطلاق الصواريخ في الفضاء، وبفضل قدرتنا على التحكم في احتراقه في خلايا الوقود، فهو الآن يشغل أسطولًا متزايدًا من المركبات على طرقاتنا.
ووفقا لزوتيل، فإن مشكلة الهيدروجين المستخدم اليوم هي أن معظمه، حوالي 95% منه، ملوث، حيث نعتمد عليه، كما هو الحال في التكسير الهيدروجيني في مصافي النفط، وإنتاج الأسمدة الاصطناعية، وفي الصناعة الكيميائية، فإننا نحصل عليه من الوقود الأحفوري – مما يعني بصمة كربونية ضخمة.
تحول صعب إلى اللون الأخضر والنظيف
ومن المثير للدهشة، أن هذه المادة نفسها يتم الترحيب بها باعتبارها مساهمًا حيويًا في نظام طاقة خالٍ من الانبعاثات.
يرى المكتب الفيدرالي السويسري للطاقة (SFOE) أن الهيدروجين الأخضر النظيف يلعب دورًا مهمًا في مزيج الطاقة النظيفة في سويسرا بحلول عام 2050، بدءًا من الصفر تقريبًا اليوم.
سيتطلب تحقيق ذلك عملية تنظيف كبرى للهيدروجين، إن التحول من الهيدروجين الأزرق إلى الهيدروجين النظيف سيتطلب معالجة التحديات العديدة الكامنة في الهيدروجين.
كيميائيا، عدم وجود الطور السائل في درجة حرارة الغرفة يجعل من الصعب تخزينه.
ومن المعروف أنها متفجرة، مما يجعلها حساسة للتعامل معها، علاوة على ذلك، فإن عدم القدرة على انبعاث الروائح الكريهة يعقد عملية اكتشاف التسرب.
فيما يتعلق بكفاءة استخدام الطاقة، يتخلف الهيدروجين عن مصادر الطاقة الأخرى، مما يتطلب إنتاج كميات هائلة من الطاقة – 66 كيلووات في الساعة لكل كيلوجرام.
وينطبق الشيء نفسه من منظور اقتصادي، حيث أن تكلفة كيلوواط ساعة من الطاقة المنقولة بالهيدروجين أعلى بنحو مرتين إلى ثلاث مرات من سعر السوق للكهرباء.
بالنظر إلى كل هذه السلبيات، لماذا يوجد الكثير من الأمل في الهيدروجين؟ لأنه، في ظل الظروف المناسبة، يمكن لخصائص حاملة الطاقة المتجددة هذه أن تعالج التحديات التي ستنشأ، بينما نتحرك نحو مزيج طاقة أنظف وأكثر اخضرارًا.
سكين الجيش السويسري لحاملات الطاقة
يقول زوتيل، إن الأبحاث المتعلقة بالهيدروجين كحامل للطاقة شهدت طفرة في التسعينيات، “عندما دخلت هذا المجال قبل 32 عامًا، اعتقدنا أن الهيدروجين سيحل محل جميع أنواع الوقود الأحفوري، في تلك الأيام، لم نكن نأمل بعد في مكافحة ظاهرة الاحتباس الحراري، كنا نحاول معالجة الخوف من نفاد الوقود الأحفوري قريبًا”، ومع اكتشاف رواسب جديدة للوقود الأحفوري وزيادة الإنتاج مما أدى إلى انخفاض تكلفتها، هدأت الضجة حول الهيدروجين.
ولكن الآن، عاد البندول إلى الوراء، يقول زوتل، إن الهيدروجين أصبح في دائرة الضوء مرة أخرى، هذه المرة يتعلق الأمر بقدرته على المساعدة في الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية.
بينما ينتج عن حرق الكربون ثاني أكسيد الكربون الذي يحبس الحرارة، فإن حرق الهيدروجين لا ينتج سوى الماء.
إذا تم استخدام الكهرباء المتجددة لإنتاج الهيدروجين، على سبيل المثال من خلال التحليل الكهربائي للمياه، يصبح الهيدروجين الناتج وسيلة فعالة لتخزين الطاقة المتجددة.
يوضح زوتيل “الهيدروجين هو العنصر الأساسي في الطريق من الكهرباء المتجددة إلى حاملات الطاقة الكيميائية مثل الميثان والميثانول والزيت الاصطناعي والأمونيا”، “بينما يمكن إنتاجها باستخدام الكربون من ثاني أكسيد الكربون المحتجز في الغلاف الجوي أو من الكتلة الحيوية، فإن الهيدروجين يحمل الطاقة المتجددة .”
حامل طاقة قيمًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات
وهذا يجعل الهيدروجين حامل طاقة قيمًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، يمكن استخدام الهيدروجين النقي لتوليد الكهرباء لتلبية الطلب المتزايد، ويمكنه تشغيل السيارات والحافلات والمركبات الثقيلة.
إذا تمكنا من حل لغز التخزين والتوزيع والتعامل معه، فيمكننا البدء في استخدامه كوقود محايد للكربون للشحن والطيران.
وبدمجه مع الكربون المستخرج من الغلاف الجوي أو الكتلة الحيوية أو الانبعاثات الصناعية، يمكن تحويله أيضًا إلى غاز الميثان أو الزيت الاصطناعي أو الأمونيا أو الميثانول أو أنواع الوقود الأخرى ذات الانبعاثات الصافية.
وهذا من شأنه أن يأتي مرة أخرى على حساب كفاءة استخدام الطاقة بشكل عام، ولكن في عالم مليء بالكهرباء المتجددة، تساعد كثافة الطاقة الحجمية المتزايدة وسلامة التعامل مع هذا الوقود الاصطناعي على خفض البصمة الكربونية للتطبيقات التي يصعب كهربتها.
تسريع اعتماد السوق
كما يقول زوتل، فقد تم تحقيق العديد من الاختراقات على الطريق نحو اعتماد الهيدروجين الأخضر في السوق في مجال النقل وإنتاج الكهرباء ، وهما القطاعان المسؤولان عن أكثر من نصف انبعاثات الغازات الدفيئة في العالم.
يبدأون في مرحلة إنتاج الهيدروجين، حيث حققت الكهرباء المتجددة بالفعل تكافؤًا في السعر مع الكهرباء القياسية، قبل عقود من الموعد الذي توقعته وكالة الطاقة الدولية في البداية، مما أدى إلى خفض تكلفة الهيدروجين النظيف معها.
لقد كانت قوى السوق محركًا رئيسيًا لتطبيقات مركبات الطرق، مما أدى إلى تسريع تطوير خلايا الوقود وأسطوانات تخزين الهيدروجين عالية الضغط الآمنة.
على الرغم من هذا التقدم التكنولوجي، إلا أن اعتماد المركبات التي تعمل بالهيدروجين كان بطيئًا بشكل محبط.
الافتقار إلى البنية التحتية
كانت العقبة الرئيسية هي الافتقار إلى البنية التحتية على جانب الطريق، يقول زوتيل، إن سويسرا لديها حاليا ثماني محطات للتزود بالوقود الهيدروجيني.
يشرح زوتيل “لن يشتري الناس سيارة هيدروجينية إذا لم يتمكنوا من تزويدها بالوقود، ومن يريد تشغيل محطة وقود إذا لم يرغب أحد في شراء الهيدروجين؟ هذا هو السبب وراء عدم بيع تويوتا سياراتها الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود هنا”.
ومع زيادة حصة الكهرباء المتجددة المتقطعة التي تحملها شبكة الطاقة، فمن المرجح أن تصبح محطات الطاقة تعتمد بشكل متزايد على الهيدروجين المخزن لتتناسب مع العرض والطلب على الطاقة.
جعل تخزين الكهرباء باستخدام الهيدروجين أكثر جاذبية
يقول: “إذا كان لديك الكثير من الكهرباء المتطايرة، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، فيمكنك إنتاج الهيدروجين وتخزينه تحت الأرض، على سبيل المثال، ثم يمكنك استخدامه في فصل الشتاء لإنتاج الكهرباء بكفاءة عالية في محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة، “التي تحتوي على توربين يعمل بالهيدروجين وتوربين بخاري”.
وأضاف “لكي ينجح هذا الأمر، يجب على السوق بأكمله – وتوقعاتنا – أن تتكيف، لقد اعتدنا على شراء الكهرباء بسعر ثابت تقريبًا، ولجعل التخزين جذابًا، يجب أن يكون سعر الكهرباء أثناء الليل أكثر تكلفة من سعره”، خلال النهار وفي الشتاء، يتعين علينا أن نكون مستعدين لدفع المزيد مما هو عليه في أشهر الصيف، ولكن كلما أصبح تخزين الكهرباء باستخدام الهيدروجين أكثر جاذبية، كلما زاد عدد هذه المخازن”.
ولتحفيز نمو السوق على جانبي العرض والطلب، توصلت الصناعة إلى حل ملون – على الأقل بالاسم. يتم الآن تسويق الهيدروجين بمجموعة ألوان تتراوح من الأسود إلى الأخضر بناءً على البصمة الكربونية.
عند تطوير تطبيقات جديدة، يمكن لمستخدمي الهيدروجين الآن اتخاذ قرار واعي بشأن تحديد أولويات البصمة الكربونية أو التكلفة.
ستعمل هذه الإستراتيجية في نهاية المطاف على دفع المستهلكين إلى أعلى الطيف نحو الهيدروجين الأكثر خضرة حيث أصبح في المتناول أكثر فأكثر.
ومع ذلك، كما يؤكد زوتيل، فإن هذا لا يكون منطقيًا إلا كاستراتيجية مؤقتة، يتم تطبيقها لفترة كافية لزيادة الطلب على الهيدروجين والبنية التحتية لتوزيعه، قائلا “بمجرد أن نبدأ في استخدام الكثير من الهيدروجين، فإنه يجب أن يكون الهيدروجين المتجدد فقط، أي شيء آخر لن يكون له معنى حقا.”
