ما هي طاقة الهيدروجين؟
يتكون الكون من مزيج من مجموعة كبيرة من المكونات وكل مكون له دور حيوي في تكوين العالم، تشمل المكونات الأكثر وفرة في الكون الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين. الهيدروجين هو المكون الأكثر حدوثًا، حيث يشغل 75٪ من الكون ويلعب دورًا أكبر في استدامة الحياة، بصرف النظر عن مساعدة الأنواع الحية المختلفة على البقاء على قيد الحياة يمكن استخدام الهيدروجين لتوليد الطاقة.
يوجد الهيدروجين في جميع المواد النباتية تقريبًا ويوجد أيضًا بشكل طبيعي في الماء، على الرغم من أن الشمس تحتوي على نسبة أكبر من غاز الهيدروجين إلا أن الغاز خفيف جدًا لدرجة أنه يختفي فعليًا من سطح الأرض عندما تنقله أشعة الشمس، وللحصول على غاز الهيدروجين بشكل فعال يجب تسخيره من الماء أو الغاز الطبيعي أو الكتلة الحيوية.
الهيدروجين هو من أبسط عناصر كوكب الأرض، حيث تتكون كل ذرة من الهيدروجين من بروتون واحد وإلكترون واحد، على هذا النحو فهي وفيرة جدًا لكنها لا توجد حقًا كشكل منفصل من المادة، بدلاً من ذلك يتم دمجه عادةً مع عناصر أخرى، ويتطلب فصل غاز الهيدروجين عن المواد المصاحبة له الكثير من الجهد ولكنه ينتج مصدر طاقة قويًا ونظيفًا تقريبًا، كغاز يمكن استخدامه في خلايا الوقود لتشغيل المحركات.
يُستخرج غاز الهيدروجين من الماء بتقنية تعرف باسم التحليل الكهربائي والتي تتضمن تشغيل تيار كهربائي عالي عبر الماء لفصل ذرات الهيدروجين والأكسجين، كما أن عملية التحليل الكهربائي مكلفة للغاية لأنها تنطوي على نفقات عالية للطاقة.
يتم تسخير الطاقة المستخدمة لتوليد الكهرباء في عملية التحليل الكهربائي من الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز الطبيعي أو الفحم، حيث يمكن أيضًا الاستفادة منه من مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية لضمان عدم وجود انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، حيث لا يزال الحصول على كميات من الهيدروجين بهذه الطريقة قيد البحث لإنشاء طريقة قابلة للتطبيق لتوليدها محليًا بتكلفة منخفضة نسبيًا.
طريقة أخرى لاستخراج غاز الهيدروجين هي إعادة تشكيل بخار الميثان أو استخلاص البخار والذي يستلزم فصل ذرات الهيدروجين في الميثان عن ذرات الكربون، حيث إنها التقنية الحالية المستخدمة للحصول على غاز الهيدروجين بكميات كبيرة، يكمن الجانب السلبي في إصلاح بخار الميثان في أنه ينبعث منه الكثير من غازات الاحتباس الحراري مثل ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وهي وصفات للاحتباس الحراري.
للحصول على الكهرباء من غاز الهيدروجين يتم نقلها إلى خلايا الوقود، حيث تتحد مع الأكسجين والنتيجة تفاعل كيميائي يولد الكهرباء والحرارة، يمكن أيضًا حرق غاز الهيدروجين لتشغيل محركات المركبات، المنتجات الثانوية لهذا التفاعل الكيميائي هي الماء والكربون المستخدم في إنتاج الميثان والفحم.
استخدامات مختلفة للهيدروجين:
يتم إنتاج الهيدروجين كمنتج ثانوي في صناعات الكلور والقلويات، في وقت سابق تم استخدامه جزئيًا للتطبيقات غير المتعلقة بالطاقة وكان جزء التوازن إما مشتعلًا أو ينفث في الغلاف الجوي، في الوقت الحاضر تم استخدام عنصر الهيدروجين وهو المنتج الثانوي لإنتاج المواد الكيميائية والتطبيقات الأسيرة (الطاقة بشكل أساسي).
يتم إنتاج الهيدروجين أيضاً للتطبيقات غير المولدة للطاقة، على سبيل المثال في صناعات الأسمدة ومصافي البترول، كما تم تطوير وإثبات مجموعات توليد الطاقة الصغيرة التي تعمل بالوقود مثل حافلات خلايا الوقود وثلاث عجلات وعجلتين (دراجات نارية) وأنظمة الاحتراق التحفيزي للقطاعات السكنية والصناعية.
ما هي مزايا طاقة الهيدروجين؟
- تُعد مصدر للطاقة المتجددة ووفرة في العرض: يعتبر الهيدروجين مصدرًا غنيًا للطاقة لأسباب عديدة أهمها وفرة الإمدادات، بينما قد يتطلب الأمر الكثير من الموارد لتسخيرها لا يوجد مصدر طاقة آخر غير محدود مثل الهيدروجين، هذا يعني بشكل أساسي أنه لا توجد إمكانية لنفادها مثل مصادر الطاقة الأخرى.
- مصادر عديدة لإنتاج الهيدروجين محلياً: يمكن إنتاج الهيدروجين إما في الموقع أو مركزيًا ثم توزيعه، يمكن إنتاج غاز الهيدروجين من الميثان أو البنزين أو الكتلة الحيوية أو الفحم أو الماء، تختلف العوامل مثل كميات التلوث والتحديات التقنية ومتطلبات الطاقة اعتمادًا على المصادر المستخدمة.
- عمليا مصدر طاقة نظيف: عندما يتم حرق الهيدروجين لإنتاج الوقود تكون المنتجات الثانوية آمنة تمامًا مما يعني أنه ليس لها آثار جانبية معروفة، تستخدم شركات الطيران في الواقع الهيدروجين كمصدر لمياه الشرب، بعد استخدام الهيدروجين يتم تحويله عادةً إلى مياه شرب لرواد الفضاء على متن السفن أو المحطات الفضائية.
- طاقة الهيدروجين غير سامة: الهيدروجين بشكل عام هي مادة غير سامة ونادرة بالنسبة لمصدر للوقود؛ أي أنها صديقة للبيئة ولا تسبب أي ضرر أو تدمير لصحة الإنسان، هذا الجانب يجعلها أفظل من المقارنة مع غيرها من مصادر الوقود مثل الطاقة النووية أو الغاز الطبيعي والتي تشكل خطرا للغاية أو شاقة لتسخير بأمان، كما يسمح باستخدام الهيدروجين في الأماكن التي قد لا يُسمح فيها بأشكال أخرى من الوقود.
- استخدام الهيدروجين يقلل بشكل كبير من التلوث: عندما يتم دمج الهيدروجين مع الأكسجين في خلية وقود يتم إنتاج الكهرباء والتي يمكن استخدامها لتشغيل المركبات أو قيادة محرك كهربائي كمصدر للحرارة ولعدة استخدامات أخرى، عندما يتحد مع الأكسجين فإن المنتجات الثانوية الوحيدة هي الماء والحرارة وهي ميزة استخدام الهيدروجين كناقل للطاقة.
لا يؤدي استخدام خلايا وقود الهيدروجين إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى أو الجسيمات الأخرى عند استخدام مصادر متجددة مثل المياه أو الطاقة الشمسية في عملية الإنتاج. - أكثر كفاءة من مصادر الطاقة الأخرى: يعتبر الهيدروجين من أنواع الطاقة الفعالة لأنه يمتلك القدرة على نقل الكثير من الطاقة لكل رطل من الوقود مقارنة بالديزل أو الغاز، هذا يعني بشكل قاطع أن السيارة التي تستخدم طاقة الهيدروجين ستقطع أميالًا أكثر من واحدة بكمية متساوية من البنزين.
على سبيل المثال مقارنة بمحطة توليد الطاقة التقليدية القائمة على الاحتراق والتي تولد عادة كهرباء بين 33 إلى 35٪ كفاءة فإن خلايا وقود الهيدروجين قادرة على توليد كهرباء بكفاءة تصل إلى 65٪ وبسعة أكبر بثلاث مرات. - تستخدم لتشغيل السفن الفضائية: تعد كفاءة طاقة الهيدروجين وقوتها مصدرًا مثاليًا للوقود لسفن الفضاء، قوتها عالية لدرجة أنها قادرة على إطلاق الصواريخ بسرعة لمهام الاستكشاف، كما أنها أكثر أشكال الطاقة أمانًا لأداء مثل هذه المهمة كثيفة الاستهلاك للطاقة، في الواقع طاقة الهيدروجين أقوى بثلاث مرات من البنزين ومصادر الوقود الأحفورية الأخرى، هذا يعني بشكل مثالي أننا بحاجة إلى كمية أقل من الهيدروجين لإكمال مهمة ضخمة.
كما أنه يوفر القوة المحركة للطائرات والقوارب والسيارات وتطبيقات خلايا الوقود المحمولة والثابتة، الجانب السلبي لاستخدام الهيدروجين في السيارات هو أنه من الصعب عمليا تخزينه في خزانات التبريد أو الخزانات عالية الضغط. - نظام إنتاج مستدام: التحليل الكهربائي هو طريقة يتم فيها فصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين، في هذه الحالة يمكن استخدام الطاقة المتجددة لتشغيل المحلل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين من الماء الذي يوفر نظامًا مستدامًا مستقلًا عن المنتجات البترولية كما أنه غير ملوث ولا ينتج عنه أي انبعاثات، بعض المصادر المتجددة المستخدمة لتشغيل المحلل الكهربائي هي طاقة الرياح والطاقة المائية والطاقة الشمسية والمد والجزر.
بعد إنتاج الهيدروجين في محلل كهربي يمكن استخدامه في خلية وقود لإنتاج الكهرباء، المنتجات الثانوية المتولدة في عملية خلايا الوقود هي الماء والحرارة، إذا كانت خلايا الوقود تعمل في درجات حرارة عالية فيمكن إعداد النظام كمولد مشترك مع استخدام الطاقة المهدرة للتدفئة.
