نظرًا لتعدد استخدامات الهيدروجين — من إنتاج الأسمدة وصولًا إلى النقل الثقيل — أصبح ركيزة أساسية في استراتيجيات إزالة الكربون. أكثر من 95٪ من الهيدروجين المنتج عالميًا اليوم هو “رمادي”، يُنتج عبر SMR للغاز الطبيعي، مما يطلق نحو 9–12 كجم CO₂ لكل كجم H₂. في المقابل، يحتجز الهيدروجين الأزرق 50–90٪ من CO₂ الناتج للتخزين تحت الأرض أو الاستخدام، مما يخفض الانبعاثات إلى 1–4 كجم CO₂e لكل كجم H₂. فهم مقايضات الاستثمار الرأسمالي، والتكاليف التشغيلية، والتأثير البيئي أمر حاسم للمستثمرين وصانعي السياسات في التحول إلى هيدروجين منخفض الكربون.
مسارات الإنتاج
الهيدروجين الرمادي (SMR)
- العملية: يتفاعل البخار مع الميثان على محفز النيكل عند نحو 900 °م لإنتاج سينجاس (CO + H₂)، ثم يُحوَّل CO إلى CO₂ وH₂ في مفاعل تبديل الغاز، ويُنقَّى الهيدروجين بعد ذلك بامتصاص تقلب الضغط.
- الانبعاثات: يُطلَق جميع CO₂ الناتج من مفاعل التبديل وغازات الاحتراق إلى الجو، بما يقارب 9–12 كجم CO₂ لكل كجم H₂.
الهيدروجين الأزرق (SMR + CCS / ATR + CCS)
- الأنماط:
- SMR + CCS: تركيب أنظمة احتجاز CO₂ على غاز المداخن والسينجاس في مصنع SMR تقليدي.
- الإصلاح الذاتي (ATR) + CCS: دمج الأكسدة الجزئية والإصلاح بالبخار في مفاعل واحد تحت ضغط أعلى، مبسّطًا التقاط CO₂.
- SMR + CCS: تركيب أنظمة احتجاز CO₂ على غاز المداخن والسينجاس في مصنع SMR تقليدي.
- معدلات الاحتجاز: تستهدف التصاميم التجارية احتجاز 60–90٪ من CO₂ الإنتاجي والاحتراقي، مع بقاء بعض الانبعاثات من التيارات غير المحتجزة وتسرب الميثان في سلسلة التوريد.
المقارنة الاقتصادية
المؤشر | الهيدروجين الرمادي | الهيدروجين الأزرق (SMR + CCS) |
CAPEX (دولار/كجم H₂) | 800–1,000 دولار/كW | 1,200–1,600 دولار/كW (×1.5) |
OPEX | 0.8–1.0 دولار/كجم H₂ | 1.2–1.5 دولار/كجم H₂ (×1.5) |
تكلفة نقل وتخزين CO₂ | لا ينطبق | 0.1–0.2 دولار/كلغ CO₂ المحتجز |
LCOH | 1.00–1.50 دولار/كجم | 1.50–2.50 دولار/كجم |
عوامل التكلفة | سعر الغاز، المحفز | جهد الطاقة للاحتجاز، الضغط، النقل |
- CAPEX: تزداد تكلفة الهيدروجين الأزرق بنسبة 30–50٪ بسبب معدات الاحتجاز (أنظمة الأمينات أو المذيبات)، وكباسات CO₂، ومبادلات حرارية إضافية.
- OPEX: زيادة 10–20٪ في استهلاك الغاز الطبيعي جراء تكلفة الطاقة الزائدة لإعادة توليد المذيب وضغط CO₂.
- LCOH: يتراوح تقريبًا 0.50–1.00 دولار/كجم تكلفة إضافية مقارنة بالرمادي، وتساهم مصادر الحرارة الرخيصة أو البخار المتكامل في تضييق الفجوة.
الأثر البيئي
انبعاثات غازات الاحتباس الحراري
- الرمادي: ~9–12 كجم CO₂e لكل كجم H₂.
- الأزرق: ~1–4 كجم CO₂e لكل كجم H₂ بعد احتجاز 60–90٪، مع إضافة 0.5–1 كجم CO₂e/كجم من نشت الميثان (1–3٪).
استهلاك المياه والطاقة
- الرمادي: حوالى 9 كجم بخار (مياه) و3–4 kWh/كجم H₂ للطاقة الحرارية.
- الأزرق: ماء إضافي لتعويض المذيبات و10–20٪ طاقة أكثر بسبب عملية الاحتجاز، بإجمالي نحو 4–5 kWh/كجم H₂.
البصمة على مدى الحياة
تعتمد الانبعاثات الصافية للهيدروجين الأزرق على معدل نشت الميثان في سلسلة التوريد؛ ويجب الحفاظ على معدل أقل من 0.2٪ لتحقيق منافع مناخية تنافس الرمادي والأخضر.
ديناميكيات السياسة والسوق
- تسعير الكربون: عند 50–100 دولار/طن CO₂، يترجم فرق 10 كجم CO₂/كجم H₂ إلى فائدة 0.50–1.00 دولار/كجم، مما يجعل الأزرق تنافسيًا.
- الحوافز: ائتمانات ضريبية للإنتاج (45Q في الولايات المتحدة) تقلل تكلفة 0.15–0.25 دولار/كجم.
- عقود التوريد: اتفاقيات شراء الهيدروجين منخفض الكربون التي تطالب بانبعاثات < 3 كجم CO₂e/كجم H₂ تعزز جاذبية المشاريع الزرقاء.
دراسات حالة
- Port Arthur، تكساس: مشروع ATR + CCS المزمع جذب 90٪ من 3 ملايين طن CO₂/سنة لاستخدامه في EOR، مع استهداف 1.50 دولار/كجم H₂ في عقود طويلة الأجل.
- H₂Teesside، المملكة المتحدة: تعديل مصنع SMR رمادي بامتصاص أميني بنحو 70٪، وتخزين 1.5 مليون طن CO₂/سنة في البحر، مع LCOH متوقع ~2.30 دولار/كجم.
التحديات والنظرة المستقبلية
- نشت الميثان: جهود قطاعية لتقليله ضرورية لمصداقية الهيدروجين الأزرق.
- البنية التحتية لتخزين CO₂: نقص خطوط الأنابيب وقدرات الحقن يحدّ من حجم المشاريع ويزيد التكاليف.
- اقتصاديات الحجم: المشاريع المبكرة تواجه تكاليف مرتفعة؛ وستخفض تصميمات SMR/ATR “جاهزة لـCCS” ومراكز تراكم CO₂ التكاليف مع التوسع.
- المنافسة من التحليل الكهربائي: مع انخفاض أسعار الكهرباء المتجددة إلى < 20 دولار/MWh، سيتفوق الهيدروجين الأخضر (1.5–2.5 دولار/كجم) على الأزرق بحلول أواخر عقد 2020.
يظل الهيدروجين الرمادي الأرخص في غياب سياسات مناخية، لكن انبعاثاته الكبيرية تتعارض مع أهداف إزالة الكربون. يقدم الهيدروجين الأزرق جسرًا عمليًا—بتخفيض انبعاثات حتى 90٪ بتكلفة إضافية معقولة—في ظل تسعير كربون وقوي وحوافز منخفضة النشت. في المناطق المزودة ببنية تحتية للغاز وقدرة لـCCS، يمكن للهيدروجين الأزرق أن يمهد أسواق الهيدروجين منخفض الكربون قبل أن يتفوق الهيدروجين الأخضر من حيث التكلفة. يعتمد الاختيار بين الأزرق والرمادي على الأطر السياسية، وتكلفة الكربون، وسرعة انتشار المتجددة، مع دور الأزرق كحل انتقالي في اقتصاد الهيدروجين العالمي.
