ما هو الهيدروجين، وهل يمكن أن يصبح حلاً لتغير المناخ؟

يحظى الهيدروجين، أو H₂، بالكثير من الاهتمام مؤخرًا مثل الحكومات في الولايات المتحدة وكندا وأوروبا. ادفع للقطع انبعاثاتها من الغازات الدفيئة.

ولكن ما هو بالضبط H₂، وهل هو حقًا مصدر طاقة نظيف؟

أنا متخصص في البحث وتطوير تقنيات إنتاج H₂.فيما يلي بعض الحقائق الأساسية حول هذه المادة الكيميائية متعددة الاستخدامات والتي يمكن أن تلعب دورًا أكبر بكثير في حياتنا في المستقبل.

إذن ما هو الهيدروجين؟

هيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون, ولكن نظرًا لأنه شديد التفاعل، فإنه لا يوجد بمفرده في الطبيعة.وبدلاً من ذلك، فهو يرتبط عادةً بالذرات والجزيئات الأخرى في الماء والغاز الطبيعي والفحم وحتى المواد البيولوجية مثل النباتات والأجسام البشرية.

ومع ذلك، يمكن عزل الهيدروجين.ومن تلقاء نفسه، يتمتع جزيء H₂ بقوة كبيرة كحامل طاقة فعال للغاية.

إنه بالفعل تستخدم في الصناعة لتصنيع الأمونيا, الميثانول و فُولاَذ وفي تكرير النفط الخام.كوقود، يمكنه تخزين الطاقة وتقليل الانبعاثات الصادرة عن المركبات، بما في ذلك الحافلات والحافلات سفن الشحن.

يمكن أيضًا استخدام الهيدروجين لتوليد الكهرباء بانبعاثات غازات دفيئة أقل من محطات توليد الطاقة بالفحم أو الغاز الطبيعي.تحظى هذه الإمكانية بمزيد من الاهتمام مثل نحن.الحكومة تقترح قواعد جديدة وهذا يتطلب من محطات الطاقة الحالية خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

نظرًا لأنه يمكن تخزينه، يمكن أن يساعد H₂ في التغلب على مشكلات التقطع المرتبطة بمصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية.ويمكن أيضًا مزجه مع الغاز الطبيعي في محطات الطاقة الحالية لتقليل انبعاثات المحطة.

يمكن أن يؤدي استخدام الهيدروجين في محطات الطاقة إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند مزجه أو بمفرده توربينات متخصصة, ، أو في خلايا الوقود, ، والتي تستهلك H₂ والأكسجين، أو O₂، لإنتاج الكهرباء والحرارة والماء.لكنها عادةً ليست خالية تمامًا من ثاني أكسيد الكربون.ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن عزل H₂ عن الماء أو الغاز الطبيعي يستهلك الكثير من الطاقة.

كيف يتم إنتاج الهيدروجين؟

هناك عدة طرق شائعة لإنتاج H₂:

• التحليل الكهربائي يمكن عزل الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء – H₂O – إلى H₂ وO₂ باستخدام تيار كهربائي.

• إعادة تشكيل الميثان يستخدم البخار لتقسيم الميثان، أو CH₄، إلى H₂ وCO₂.يمكن أيضًا استخدام الأكسجين والبخار أو ثاني أكسيد الكربون في عملية التقسيم هذه.

• التغويز يحول المواد القائمة على الهيدروكربون - بما في ذلك الكتلة الحيوية, أو الفحم أو حتى النفايات البلدية - إلى غاز صناعي، وهو غاز غني بـ H₂ يمكن استخدامه كوقود إما بمفرده أو كمقدمة لإنتاج المواد الكيميائية والوقود السائل.

ولكل منها فوائد وعيوب.

الأخضر والأزرق والرمادي – ماذا تعني الألوان؟

غالبًا ما يتم وصف الهيدروجين بالألوان للإشارة إلى مدى نظافته أو خلوه من ثاني أكسيد الكربون.أنظف هو الهيدروجين الأخضر.

الأخضر H₂ يتم إنتاجه باستخدام التحليل الكهربائي المدعوم بمصادر الطاقة المتجددة، مثل الرياح أو الطاقة الشمسية أو الطاقة الكهرومائية.في حين أن الهيدروجين الأخضر خالٍ تمامًا من ثاني أكسيد الكربون، إلا أنه مكلف في حدوده 4-9 دولارات أمريكية للكيلوغرام الواحد (2 دولار - 4 دولارات للرطل الواحد) بسبب الطاقة العالية اللازمة لتقسيم المياه.

يمكن لتقنيات أخرى أقل استهلاكًا للطاقة إنتاج H₂ بتكلفة أقل، لكنها لا تزال تنبعث منها غازات دفيئة.

رمادي H₂ هو النوع الأكثر شيوعاً من الهيدروجين.وهي مصنوعة من الغاز الطبيعي من خلال إصلاح الميثان.تطلق هذه العملية ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي وتتكلف حوله 1 دولار - 2.50 دولار للكيلوغرام الواحد (50 سنتا - 1 دولار للرطل).

إذا تم التقاط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الهيدروجين الرمادي واحتجازها بعيدًا حتى لا يتم إطلاقها في الغلاف الجوي، فيمكن أن تصبح الهيدروجين الأزرق.التكاليف أعلى، في جميع أنحاء 1.50 دولار - 3 دولارات للكيلوغرام الواحد (70 سنتًا - 1.50 دولارًا للرطل) لإنتاجه، ولا يزال من الممكن الهروب من انبعاثات الغازات الدفيئة عند إنتاج الغاز الطبيعي ونقله.

بديل آخر هو الهيدروجين الفيروزي, ، يتم إنتاجها باستخدام الموارد المتجددة وغير المتجددة.توفر الموارد المتجددة طاقة نظيفة للتحويل الميثان – CH₄ – إلى H₂ والكربون الصلب, بدلاً من ثاني أكسيد الكربون الذي يجب احتجازه وتخزينه.هذا النوع من تكنولوجيا الانحلال الحراري لا يزال جديدًا، ويقدر أن يكلف ما بين 1.60 دولار و2.80 دولار للكيلوغرام الواحد (70 سنتًا - 1.30 دولارًا للرطل الواحد).

هل يمكننا إطفاء أضواء الوقود الأحفوري الآن؟

أكثر من 95% من H₂ تم إنتاجه في الولايات المتحدة اليوم هو الهيدروجين الرمادي المصنوع من الغاز الطبيعي، والذي لا يزال ينبعث منه غازات الدفيئة.

إن إمكانية زيادة H₂ كبديل للغاز الطبيعي في صناعة الطاقة والاستخدامات الأخرى، مثل النقل والتدفئة والعمليات الصناعية، سيعتمد على توفر طاقة متجددة منخفضة التكلفة للتحليل الكهربائي لتوليد H₂ الأخضر.

وسوف يعتمد أيضا على تطوير وتوسيع خطوط الأنابيب والبنية التحتية الأخرى لتخزين ونقل وتوزيع H₂ بكفاءة.

بدون البنية التحتية، لن ينمو استخدام H₂ بسرعة.إنها نسخة حديثة من "أيهما جاء أولاً، الدجاجة أم البيضة؟" استمرار استخدام الوقود الأحفوري لإنتاج H₂ يمكن أن يحفز الاستثمار في البنية التحتية لـ H₂، ولكن استخدام الوقود الأحفوري يؤدي إلى إطلاق غازات الدفيئة.

ماذا يحمل المستقبل للهيدروجين؟

على الرغم من الهيدروجين الأخضر والأزرق المشاريع آخذة في الظهور, ، فهي صغيرة حتى الآن.

سياسات مثل حدود انبعاثات الغازات الدفيئة في أوروبا والولايات المتحدة عام 2022. قانون خفض التضخم, ، والتي تقدم إعفاءات ضريبية تصل إلى 3 دولارات لكل كيلوغرام (1.36 دولار لكل رطل) من H₂، يمكن أن تساعد في جعل الهيدروجين النظيف أكثر قدرة على المنافسة.

ومن المتوقع أن يرتفع الطلب على الهيدروجين زيادة تصل إلى مرتين إلى أربع مرات مستواه الحالي بحلول عام 2050.لكي يكون ذلك أخضرًا، سيتطلب H₂ كميات كبيرة من الطاقة المتجددة في نفس الوقت الذي يتم فيه بناء محطات جديدة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح وغيرها من محطات الطاقة المتجددة لتوفير الكهرباء مباشرة لقطاع الطاقة.

في حين أن الهيدروجين الأخضر يمثل اتجاها واعدا، فإنه ليس الحل الوحيد لتلبية احتياجات العالم من الطاقة وأهداف الطاقة الخالية من الكربون.من المحتمل أن يكون الجمع بين مصادر الطاقة المتجددة وH₂ النظيف، بما في ذلك اللون الأزرق أو الأخضر أو ​​الفيروزي، ضروريًا لتلبية احتياجات العالم من الطاقة بطريقة مستدامة.