منذ ظهور السيارات للمرة الأولى في بدايات القرن التاسع عشر وهي تستهلك الوقود الأحفوري بصورة كبيرة وهو ما يعد أحد الأسباب الرئيسية في المشاكل البيئية المتعلقة بالاحتباس الحراري، ولذا ظهرت الحاجة لاستخدام أنواع وقود مختلفة عن المواد البترولية ومشتقاتها. في هذا السباق نحو استحداث وقود جديد، ظهر الهيدروجين كنوع وقود متوفر وذي مزايا كثيرة.
الهيدروجين
يعتبر الهيدروجين هو العنصر الأبسط في الكون حيث تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون واحد وإلكترون واحد فقط، وهو كذلك عنصر الأكثر وفرة في الكون. لكن على الرغم من وفرته، لا يتواجد الهيدروجين بشكل منفرد وطبيعي كغاز على الأرض فهو دائمًا مقترن بعناصر أخرى مثل ذرة الماء التي هي مزيج من الهيدروجين والأكسجين ورمزها الكيميائي «H2O». يتواجد الهيدروجين أيضًا في العديد من المركبات العضوية، لا سيما الهيدروكربونات التي تشكل العديد من أنواع الوقود، مثل البنزين والغاز الطبيعي والميثانول والبروبان. يمكن فصل الهيدروجين عن الهيدروكربونات من خلال عمليات حرارية تُعرف باسم «الإصلاح التحفيزي – Catalytic Reforming». يمكن أيضًا استخدام تيار كهربائي لفصل الماء إلى مكوناته من الأكسجين والهيدروجين باستخدام عملية التحليل الكهربائي. [1]
وقد كانت وكالة الفضاء الأمريكية «ناسا» سباقة لاستخدام الهيدروجين السائل منذ سبعينيات القرن الماضي لدفع مكوك الفضاء والصواريخ إلى مداراتها، إذ تعمل خلايا الوقود الهيدروجينية على تشغيل الأنظمة الكهربائية للمكوك، كما تنتج ناتجًا ثانويًا نظيفًا، وهو الماء النقي الذي يشربه طاقم المركبات الفضائية. [1]
إنتاج الهيدروجين
يمكن إنتاج وقود الهيدروجين من خلال عدة طرق، أكثرها شيوعًا اليوم عملية الإصلاح التحفيزي للغاز الطبيعي، وعملية التحليل الكهربائي للماء. ويوجد أساليب أخرى تعمل بالطاقة الشمسية والبيولوجية.
تتضمن عمليات الإصلاح الحرارية لإنتاج الهيدروجين عملية إصلاح بالبخار، وهي عملية يُسخدم فيها درجات حرارة عالية حيث يتفاعل فيها البخار مع أحد عناصر الهيدروكربونات لإنتاج الهيدروجين. يمكن استخدام العديد من أنواع الوقود الهيدروكربوني لإنتاج الهيدروجين، بما في ذلك الغاز الطبيعي والديزل والوقود السائل المتجدد والفحم. يتم إنتاج حوالي (95٪) من الهيدروجين من عملية الإصلاح الحراري للغاز الطبيعي باستخدام البخار.
كما يمكن فصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين من خلال عملية التحليل الكهربائي. تتم عمليات التحليل الكهربائي في محلل كهربائي يتكون من أنود وكاثود مفصولين بإلكتروليت، حيث يقوم المحلل الكهربائي بإنشاء الهيدروجين من فصل جزيئات الماء على الكاثود كما بالصورة.
في أساليب أخرى، يتم استخدام الضوء كعامل لإنتاج الهيدروجين. هناك عدد من العمليات التي تعمل بالطاقة الشمسية، بما في ذلك العمليات الضوئية والكيميائية الكهروضوئية. حيث تستخدم تلك العمليات النشاط الضوئي الطبيعي للبكتيريا والطحالب الخضراء لإنتاج الهيدروجين. كما تستخدم العمليات الكهروكيميائية الضوئية أشباه الموصلات لفصل الماء إلى الهيدروجين والأكسجين. [2]
طاقة الهيدروجين
يعتبر الهيدروجين من العناصر الحاملة للطاقة، وليس مصدرًا للطاقة. فهو وسيلة فعالة لتخزين ونقل الطاقة. ويُعدّ وقود الهيدروجين فعال للغاية، فهو أكثر كفاءة بثلاثة أضعاف من البنزين. [3]
الطريقة الفعالة للحصول على طاقة الهيدروجين واستخدامها هي باستخام خلية الوقود. حيث تعمل على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. في خلية الوقود، يندمج الهيدروجين والأكسجين معًا في تفاعل كهروكيميائي. والنتيجة هي إنتاج كهرباء وماء وحرارة. تحاكي خلايا الوقود البطاريات لأنها تعمل على تحويل الطاقة الناتجة عن التفاعل الكهروكيميائي إلى طاقة كهربائية. تمثل خلايا الوقود تقنية محتملة لتوفير مصدر للكهرباء والحرارة في المباني. كما إنه أيضًا مصدر طاقة للسيارات الكهربائية. [4]
مزايا الطاقة الهيدروجينية
- صديق للبيئة: من الصعب العثور على مصدر وقود غير سام. إلا أن الهيدروجين نوع غير سام من الوقود لأنه لا يطلق أي غازات ضارة في البيئة، بالعكس فهو ينتج الماء النقي كأحد نواتج التفاعل الثانوية.
- مصدر طاقة متجدد: الهيدروجين موجود في كل مكان تقريبًا، وهذا يعني أنه مصدر طاقة متجدد. في حين أن مصادر الوقود الأخرى مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم غير متجددة، مما يعني أنها سوف تنضب قريبًا. كما أن الهيدروجين أحد مصادر الطاقة التي يمكن توليدها عند الطلب.
- مصدر ذو كفاءة عالية: يعطي الهيدروجين مصدرا قويا وفعالا للطاقة. فقوة الهيدروجين وكفاءته هما السبب في استخدامه في الصواريخ والسفن الفضائية. وفقًا للإحصائات فإن الهيدروجين أقوى بثلاثة أضعاف من البنزين وغيره من مصادر الوقود الأحفوري. [4]
عيوب الطاقة الهيدروجينية
- صعوبة تخزينه: لم يتم استكشاف طاقة الهيدروجين بالكامل، ولذا لم يتم تطوير عمليات تخزينه بشكل كبير. جزيئات الهيدروجين دقيقة للغاية، مما يجعل الهيدروجين معرض دائمًا للتسرب. حيث يجب تخزينه في ضغط مرتفع.
- مكلف جدًا: على الرغم من أن الهيدروجين متاح بوفرة، فإن عمليات فصله مثل التحليل الكهربائي مكلفة للغاية. السبب الرئيسي لذلك هو أنه من الصعب فصل العناصر الأساسية مثل الهيدروجين والأكسجين. على الرغم من استخدام خلايا وقود الهيدروجين بشكل متزايد في السيارات، إلا أنها ليست في متناول الجميع.
- اعتماده على الوقود الحفري: بالرغم من أن الهيدروجين هو مصدر طاقة متجدد وليس له أي تأثير على البيئة. إلا أن فصل مكونات الهيدروجين أثناء عملية الإنتاج لا يزال يعتمد على الوقود الحفري مثل النفط والفحم والغاز الطبيعي. وهو ما يساهم بقوة في انبعاث الغازات الدفيئة المسببة للاحتباس الحراري.
- قابليته للاشتعال: يتميز الهيدروجين بأنه شديد الاشتعال وهو ما يجعل من الصعب نقله. يتم نقل الهيدروجين إلى السوق عبر خطوط أنابيب أو في صهاريج. شاحنات الصهاريج تقدم الهيدروجين في صورة سائلة مضغوطة. هذه العملية تؤدي إلى تسرب الهيدروجين. [4]
مستقبل وقود الهيدروجين
في المستقبل، سينضم الهيدروجين إلى الكهرباء كوسيلة مهمة لنقل الطاقة. كما سيتم استخدامه كوقود للمركبات «الخالية من الانبعاثات» ولتدفئة المنازل والمكاتب وإنتاج الكهرباء وتزويد الطائرات بالوقود. الهيدروجين لديه إمكانية كبيرة كوسيلة لتقليل الاعتماد على مصادر الطاقة الغير متجددة مثل النفط. لكن قبل أن يلعب الهيدروجين دورًا أكبر في مجال الطاقة ويصبح بديلاً للبنزين يستخدم على نطاق واسع، يجب بناء العديد من المنشآت والأنظمة الجديدة. [5]
إعداد: محمد شريف
مراجعة علمية: د. ولاء شعبان
تدقيق لغوي: محمد غنيم
تحرير: نسمة محمود
المصادر:
- Hydrogen & Fuel Cells [Internet]. [cited 2019 Apr 25]. Available from: https://www.renewableenergyworld.com/hydrogen/tech.html
- Hydrogen Fuel Basics [Internet]. Energy.gov. Available from: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-fuel-basics
- Use of Hydrogen – Energy Explained, Your Guide To Understanding Energy – Energy Information Administration [Internet]. [cited 2019 Apr 26]. Available from: https://www.eia.gov/energyexplained/index.php?page=hydrogen_use
- What is Hydrogen Energy and How is Hydrogen Energy Converted into Electricity? [Internet]. Conserve Energy Future. Available from: https://www.conserve-energy-future.com/hydrogenenergy.php
- Hydrogen Energy – The Perfect Energy Source for the Future? [Internet]. AZoCleantech.com. 2008 [cited 2019 Apr 26]. Available from: https://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=29
