يُعدّ الهيدروجين ناقل طاقة متعدد الاستخدامات، بدءًا من التكرير والتخليق الكيميائي إلى توليد الطاقة والتنقل. ومع ذلك، ينتج “الهيدروجين الرمادي” التقليدي—المستخلص من إصلاح الغاز الطبيعي—انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. يحلّ الهيدروجين الأخضر محله باستخدام الكهرباء المولدة من الرياح أو الشمس أو الطاقة الكهرومائية، ليفصل الماء (H₂O) إلى هيدروجين (H₂) وأكسجين (O₂) دون انبعاثات كربونية مباشرة. ومع توسع قدرات الطاقة المتجددة وانخفاض تكلفة الإلكتروليزر، أصبح الهيدروجين الأخضر مؤهلاً للعب دور محوري في تحقيق أهداف صافي الصفر بحلول منتصف القرن.
تقنيات إنتاج الهيدروجين الأخضر
يعتمد إنتاج الهيدروجين الأخضر على عمليات الإلكتروليز الفعّالة والقابلة للتوسع. تقنيات الإلكتروليزر الرئيسية هي:
الإلكتروليزرات القلوية (AEL)
- العملية: تستخدم إلكتروليتًا قلويًا سائلًا (مثل هيدروكسيد البوتاسيوم) بين قطبين.
- المزايا: تقنية ناضجة بتكلفة رأسمالية منخفضة؛ سجل صناعي مثبت.
- القيود: استجابة ديناميكية بطيئة لتقلبات الطاقة المتجددة؛ مطلوبة مساحة أكبر.
الإلكتروليزرات ذات غشاء تبادل البروتون (PEM)
- العملية: تستخدم غشاءً بوليمريًا صلبًا ينقل البروتونات، ويفصل بين حجرة الهيدروجين وحجرة الأكسجين.
- المزايا: كثافة تيار عالية؛ استجابة سريعة للطاقة المتغيرة؛ تصميم مدمج.
- القيود: تكلفة رأسمالية أعلى؛ تعتمد على محفزات معدنية ثمينة (بلاتين، إريديوم).
الإلكتروليزرات ذات غشاء تبادل الأنيون (AEM)
- العملية: مشابهة لـPEM ولكنها تنقل أيونات الهيدروكسيد، مما يتيح استخدام محفزات غير ثمينة.
- المزايا: تقنية ناشئة تعد بتكاليف محفز أقل وكفاءة طاقة محسنة في المختبر.
- القيود: ما تزال على مستوى النماذج الأولية؛ تحديات في متانة الغشاء.
الإلكتروليزرات ذات الأكسيد الصلب (SOE)
- العملية: تعمل عند درجات حرارة عالية (700–900 °م)، باستخدام إلكتروليت خزفي صلب لنقل أيونات الأكسيد.
- المزايا: أعلى كفاءة تحويل كهرباء إلى هيدروجين (حتى ~90%); يمكنها استخدام الحرارة المهدرة من العمليات الصناعية.
- القيود: درجات حرارة التشغيل العالية تسبب تدهور المواد؛ إدارة حرارية معقدة.
التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة
يكون إنتاج الهيدروجين الأخضر الأكثر فعالية من حيث التكلفة عندما يُغذى بالطاقة المتجددة المتقلبة:
- يمكن لمحطات الرياح والشمس على نطاق المرافق بيع الكهرباء للفواصل الإلكترونية خلال فترات الفائض، مما يقلل من عمليات التخفيض القسري ويحسن استخدام الأصول.
- نماذج التموقع المشترك، حيث تُقام الإلكتروليزرات بجانب منشآت التوليد، تخفض تكاليف الربط بالشبكة وخسائر النقل.
- الأنظمة الهجينة، التي تجمع بين الرياح والشمس وتخزين البطاريات، توفر طاقة أكثر استقرارًا للإلكتروليزرات، مما يُنظم الإنتاج ويخفض تكلفة الهيدروجين المستوى (LCOH).
- التشغيل الديناميكي—زيادة أو خفض حمل الإلكتروليزر—يمكن أن يوفر خدمات موازنة الشبكة، مما يخلق تدفقات قيمة إضافية لمُنتجي الهيدروجين.
- يمكن لمحطات الرياح والشمس على نطاق المرافق بيع الكهرباء للفواصل الإلكترونية خلال فترات الفائض، مما يقلل من عمليات التخفيض القسري ويحسن استخدام الأصول.
طرق توزيع الهيدروجين
يتطلب نقل الهيدروجين من مراكز الإنتاج إلى المستخدمين النهائيين مراعاة دقيقة للحجم والمسافة وطريقة النقل:
- الأنابيب
- الإيجابيات: الأكثر اقتصادية للنقل بكميات كبيرة وعلى مسافات طويلة؛ يمكن تكييف شبكات الغاز الطبيعي القائمة للمزج بنسبة 10–20% هيدروجين.
- السلبيات: هشاشة الفولاذ بتأثير الهيدروجين؛ تحديات في كشف التسربات والحصول على التراخيص التنظيمية.
2. شحن الهيدروجين المسيّل
- الإيجابيات: يتيح التجارة بين القارات؛ يقلل التسييل الحجم بمعدل ~1/800.
- السلبيات: تسييل يستهلك طاقة كبيرة (~30% من محتوى الهيدروجين الطاقي)؛ خسائر التبخر؛ سفن خاصة بكريوجنيف.
3. ناقلات الأمونيا
- الإيجابيات: يسهل سائلتها في ظروف معتدلة وتمتلك بنية تحتية قائمة؛ يمكن “تفكيك” الأمونيا لإعادة إنتاج الهيدروجين في محطات الاستيراد.
- السلبيات: عملية التفكيك تضيف تكلفة واستهلاك طاقة؛ سمية الأمونيا تتطلب إجراءات سلامة مشددة.
4. مقطورات وقطارات الغاز المضغوط
- الإيجابيات: مرونة للتسليمات الصغيرة والمواقع النائية.
- السلبيات: كفاءة حجمية منخفضة؛ تكلفة أعلى لكل كيلوغرام على المسافات الطويلة.
حلول تخزين الهيدروجين
لضمان إمداد موثوق وموازنة تقلبات الإنتاج، يلزم تخزين قوي:
- تخزين الغاز المضغوط (350–700 بار) في خزانات فوق الأرض أو كهوف تحت الأرض؛ مناسب للتخزين قصير المدى.
- خزانات الهيدروجين السائل عند –253 °م؛ الأفضل للتخزين عالي الكثافة وطويل الأمد ولكن مع خسائر تبخر.
- كهوف تحت الأرض في تشكيلات ملحية أو حقول مستنزفة؛ توفر سعة تخزين منخفضة التكلفة وعلى نطاق واسع وتخزين موسمي.
- الناقلات الكيميائية مثل الأمونيا، وLOHCs (ناقلات الهيدروجين العضوية السائلة)، أو الهيدريدات المعدنية؛ تربط الهيدروجين لتخزين أكثر أمانًا وكثافة.
يعتمد اختيار التخزين المناسب على الحجم، والمدة (ساعية إلى موسمية)، والجغرافيا.
البنية التحتية وتطبيقات الاستخدام النهائي
يتطلب الانتقال إلى اقتصاد الهيدروجين الأخضر بنية تحتية مصممة خصيصًا عبر القطاعات:
- التجمعات الصناعية
- المصافي والبتروكيماويات: استبدال الهيدروجين الرمادي في التكسير الهيدروجيني وتخليق الأمونيا.
- مصانع الصلب والاسمنت: عمليات الاختزال المباشر للحديد (DRI) المدعومة بالهيدروجين يمكن أن تحل محل فحم الكوك.
2. توليد الطاقة
- توربينات الغاز: الخلط أو الاحتراق الكامل بالهيدروجين لتوفير طاقة ثابتة وقابلة للتوزيع.
- خلايا الوقود: للتوليد الموزع ومراكز البيانات، مع كفاءة عالية وصفر انبعاثات محلية.
3. التنقل
- النقل الثقيل: مركبات الوقود الهيدروجيني (FCEVs) للشاحنات والحافلات والقطارات، مع تزويد سريع بالوقود.
- القطاع البحري والجوي: الأمونيا والوقود الصناعي المشتق من الهيدروجين الأخضر يمكّنان من شحن وطيران أقل كربونًا.
4. محطات التزويد
- وحدات الضغط والتبريد والموزع: يجب أن تلتزم بمعايير السلامة (ISO 19880) وتتضمن أنظمة فوترة.
- المراكز المجمعة: التمركز مع محطات الوقود وشحن المركبات الكهربائية ومرافق الصيانة لتحسين استخدام الأراضي.
الاعتبارات الاقتصادية ومحركات التكلفة
تعتمد تكلفة الهيدروجين المستوية (LCOH) على:
- CAPEX وOPEX للإلكتروليزر: تنخفض باستمرار مع التوسع—فالنباتات القلوية على مستوى المرافق تكلف الآن ~$900–1,200/كВт، بينما PEM تكلف ~$1,200–1,800/كВт.
- أسعار الكهرباء المتجددة: المناطق التي تقل فيها تكلفة الرياح أو الشمس عن $20/م.و.س ترى الهيدروجين الأخضر يقترب من $2–3/كغم.
- عامل السعة: يزيد الاستخدام العالي (مثل عقود تثبيت الشبكة) من توزيع التكاليف الثابتة.
- تكلفة التمويل: التمويل منخفض الفائدة والضمانات الحكومية يمكن أن يخفض LCOH إلى النصف مقارنة بالتمويل التجاري.
- الحوافز السياسية: ائتمانات ضريبية للإنتاج، وتسعير الكربون، ومنح البحث والتطوير تسرّع النشر.
بحلول عام 2030، يتوقع الخبراء أن تنخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر إلى أقل من $2/كغم في المناطق المشمسة، مما يجعله منافسًا للهيدروجين الرمادي (حالياً ~$1.50–2.00/كغم دون تكاليف الكربون).
دراسات حالة
- مصنع نيوم للهيدروجين الأخضر (السعودية): مرفق بقدرة 4 GW من الطاقة الشمسية والرياح مع 1 GW إلكتروليزر، يهدف لإنتاج 650 طن/يوم من الهيدروجين الأخضر ومشتقاته للتصدير.
- مشروع Haru Oni (تشيلي): أول مصنع تجاري لإنتاج الوقود الإلكتروني بتحويل الهيدروجين الأخضر وCO₂ إلى ميثانول وبنزين لأوروبا.
- NortH2 (هولندا): consortium يخطط لـ4 GW من رياح البحر لتشغيل 1 GW من الإلكتروليزرات بحلول 2030، مع خطوط نقل إلى ألمانيا وبلجيكا.
تُظهر هذه المشاريع الرائدة جدوى سلاسل القيمة المدمجة من إنتاج الطاقة المتجددة إلى الأسواق النهائية.
الأُطر السياسية والمبادرات العالمية
أطلقت السلطات الرئيسية استراتيجيات الهيدروجين لتسريع الهيدروجين الأخضر:
- الاتحاد الأوروبي: هدف REPowerEU بإنتاج 10 Mt محليًا من الهيدروجين بحلول 2030، مع 10 Mt واردات؛ و3 مليار يورو لتمويل الإلكتروليزرات.
- الولايات المتحدة: مبادرة DOE’s Hydrogen Shot لخفض التكلفة إلى $1/كغم خلال عقد؛ وتوسيع ائتمانات الإنتاج الضريبي 45V بموجب IRA.
- اليابان وكوريا الجنوبية: خرائط طريق لنشر خلايا الوقود في النقل والمساكن، اعتمادًا على الشراكات الصناعية.
تُسهل التعاونات الدولية—مثل مجلس الهيدروجين ومهمة الهيدروجين في Mission Innovation—توحيد المعايير، وبروتوكولات السلامة، والتجارة عبر الحدود.
التحديات والنظرة المستقبلية
على الرغم من التقدم السريع، تواجه اقتصاد الهيدروجين الأخضر عقبات:
- توسيع تصنيع الإلكتروليزرات: الحاجة إلى مصانع ضخمة لـPEM وAEL لتلبية الطلب.
- تكامل الشبكة: موازنة أحمال الإلكتروليزر مع تقلب الشبكة واستقرارها.
- أمن سلاسل الإمداد: يجب الحصول على المواد الأساسية (إريديوم، بلاتين) والمواد النادرة بشكل مسؤول.
- المعايير التنظيمية والسلامة: تتطلب مواءمة القوانين لخلط وتخزين وتزويد الهيدروجين تعاونًا دوليًا.
- تطوير السوق: خلق الطلب عبر الأحكام، وحصص الخلط، ومعايير الوقود منخفض الكربون.
في المستقبل، ستدفع الابتكارات في مواد المحفزات، وتصميم الإلكتروليزرات المعيارية، والتوائم الرقمية للتحسين التشغيلي، خفض التكاليف وتسريع الاعتماد. ومع توسع التصنيع، سيتجاوز اقتصاد الهيدروجين الأخضر الاستخدام الصناعي المتخصص ليشمل التنقل والطاقة الكهربائية، مثبتًا دوره في مستقبل طاقة نظيفة.
يقدم الهيدروجين الأخضر مسارًا تحوليًا لإزالة الكربون من القطاعات الصعبة ودمج الطاقة المتجددة على نطاق واسع. من خلال تطوير تقنية الإلكتروليزر، وبناء شبكات توزيع وتخزين قوية، ومواءمة الحوافز السياسية، يمكن للمساهمين إطلاق اقتصاد هيدروجين عالمي يدعم أهداف المناخ والنمو المستدام. سيكون العقد القادم حاسمًا في تجاوز الحواجز وتحقيق الإمكانات الكاملة للهيدروجين الأخضر عبر الصناعات والجغرافيا.
