في عالم يتسابق لإعادة هيكلة مصادر الطاقة، يظهر الهيدروجين الأخضر كمنارة للأمل والابتكار. ومع تزايد الحاجة المُلِحّة لمكافحة تغيّر المناخ، تستعد أعجوبة الطاقة النظيفة هذه لإحداث ثورة في كيفية توليد الطاقة واستخدامها. سنوضح في هذا المقال من أين جائت تسمية الهيدروجين الأخضر ب"الأخضر".

أهم النقاط

• تختلف البصمة الكربونية للهيدروجين مع اختلاف طريقة إنتاجه و هي العامل الحاسم في تحديد دوره في التحَوّل إلى نظام طاقة منخفض الكربون.
• الهيدروجين ليس مصدرًا أساسيًا للطاقة فهو ناقل أو شكل من أشكال تخزين الطاقة.

طاقة الهيدروجين

يستخدم الهيدروجين كوقود في المقام الأول من خلال خلايا الوقود، وهي أجهزة كهروكيميائية تعمل على تحويل الطاقة الكيميائية للهيدروجين مباشرة إلى كهرباء. وفيما يلي لمحة عن كيفية عملها:

1. تزويد الهيدروجين: يتم توفير الهيدروجين، الذي يتم تخزينه عادة كغاز أو سائل، لنظام خلايا الوقود.
2. التفاعل الكهروكيميائي: في خلية الوقود، يتم إدخال الهيدروجين إلى الأنود (القطب السالب)، ويتم توفير الأكسجين من الهواء إلى الكاثود (القطب الموجب). يتم فصل القطبين بواسطة إلكتروليت، عادةً ما يكون غشاء بوليمر. عند الأنود، تنقسم جزيئات الهيدروجين (H2) إلى بروتونات (H+) وإلكترونات (e-). عندها تتحرك البروتونات عبر الإلكتروليت إلى الكاثود، بينما تضطر الإلكترونات إلى الانتقال عبر دائرة كهربائية خارجية، مما يؤدّي إلى توليد تيار كهربائي. أما عند الكاثود، تتّحد جزيئات الأكسجين (O2) مع البروتونات والإلكترونات لتكوين الماء (H2O).
3. توليد الكهرباء: يؤدي تدفق الإلكترونات عبر الدائرة الكهربائية الخارجية إلى توليد الكهرباء التي يمكن استخدامها لتشغيل المحركات الكهربائية أو الأجهزة أو أي حمل كهربائي متصل بالنظام.
4. الحرارة وبخار الماء: المنتجات الثانوية الوحيدة للتفاعل الكهروكيميائي في خلية وقود الهيدروجين هي الحرارة وبخار الماء. وهذا يجعل من خلايا الوقود تقنية صديقة للبيئة.

مقارنة لمحتوى طاقة للهيدروجين مع المصادر الطاقية الأخرى:

• الهيدروجين (H2): حوالي 120-142 ميجا جول/كجم (ميجاجول لكل كيلوجرام).
• وقود السيارات: حوالي 45 ميجا جول/كجم
• الديزل: حوالي 35.8 ميجا جول/لتر (يختلف حسب التركيبة)
• الغاز الطبيعي (ميثان - CH4): حوالي 55 ميجا جول/كجم
• الفحم: حوالي 24-35 ميجا جول/كجم (يختلف حسب نوع الفحم)

الهيدروجين ناقل ومخزن للطاقة

الهيدروجين ليس مصدرًا أساسيًا للطاقة مثل ضوء الشمس أو الوقود الأحفوري؛ بدلاً من ذلك، فهو ناقل أو شكل من أشكال تخزين الطاقة. وبعبارة أخرى، الهيدروجين هو وسيلة لتخزين ونقل الطاقة وليس مصدرا للطاقة في حد ذاته.

المصادر الأساسية للطاقة هي تلك التي توفّر الطاقة الأولية، مثل الشمس (الطاقة الشمسية)، والوقود الأحفوري (الفحم والنفط والغاز الطبيعي)، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية. أما الهيدروجين، فغالبًا ما يتم إنتاجه من خلال طرق مختلفة، مثل التحليل الكهربائي أو إعادة تشكيل الميثان بالبخار، اعتمادًا على مصادر أساسية للطاقة.

يمكن تخزين الهيدروجين فيزيائياً على شكل غاز أو سائل. يتطلب تخزين الهيدروجين كغاز عادةً خزانات عالية الضغط (ضغط الخزان 350-700 بار). أما تخزين الهيدروجين كسائل فيتطلّب درجات حرارة مبرّدة لأن نقطة غليان الهيدروجين عند ضغط جوي واحد هي -252.8 درجة مئوية. يمكن أيضًا تخزين الهيدروجين على أسطح المواد الصلبة (عن طريق الامتزاز) أو داخل المواد الصلبة (عن طريق الامتصاص).

الهيدروجين الأخضر

يشير الهيدروجين الأخضر إلى الهيدروجين المنتج باستخدام مصادر الطاقة المتجددة، مثل الرياح أو الطاقة الشمسية أو الطاقة الكهرومائية، في عملية تسمى التحليل الكهربائي. يتم في هذه العملية تقسيم الماء (H2O) إلى هيدروجين (H2) وأكسجين (O2) باستخدام تيار كهربائي بواصطة المحلل الكهربائي.

رسم توضيحي لإنتاج الهيدروجين الأخضر. المصدر PNNL

تعتبر الكهرباء المستخدمة في عملية التحليل الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية لتحديد التأثير البيئي للهيدروجين المنتج. عند استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الريحية أو الطاقة الشمسية، يعتبر الهيدروجين "أخضر" لأن البصمة الكربونية الإجمالية أقل بكثير مقارنة بالطرق التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري.

الهيدروجين الأخضر هو ناقل و مُخزّن للطاقة النظيفة لأن عملية الإنتاج لا تطلق غازات دفيئة أو ملوّثات ضارة. ويمكن استخدامه في مختلف القطاعات، بما في ذلك الصناعة والنقل وتخزين الطاقة، للمساعدة في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري والتخفيف من تغير المناخ.

ماذا عن الهيدروجين الغير الأخضر؟

تختلف انبعاثات الكربون المرتبطة بإنتاج الهيدروجين حسب طريقة الإنتاج المستخدمة. غير ما ذكرناه عن طريقة الهيدروجين الأخضر، فإنه يمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين بطرق أخرى، مثل إعادة تشكيل إصلاح البخار (الهيدروجين الرمادي) أو تغويز الفحم (الهيدروجين البني)، و هي طرق تؤدى إلى زيادة انبعاثات الكربون:

• إصلاح البخار (الهيدروجين الرمادي): يتم إنتاج الهيدروجين الرمادي في المقام الأول من خلال عملية تسمى إصلاح البخار (SMR)، حيث يتفاعل الغاز الطبيعي (الميثان - CH4) مع البخار لإنتاج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.
• تغويز الفحم (الهيدروجين البني): يتم إنتاج الهيدروجين البني عن طريق تغويز الفحم، وهي عملية تحويل الفحم الصلب إلى خليط غاز يحتوي على الهيدروجين وأحادي أكسيد الكربون وغازات أخرى.