خلية وقود الهيدروجين هي مستقبل الطاقة والتنقل

محمد عبد الكريم يوسف
مدرب ومترجم وباحث
(Mohammad Abdul-karem Yousef)

الحوار المتمدن-العدد: 7471 - 2022 / 12 / 23 - 20:35
المحور: العولمة وتطورات العالم المعاصر
    

ترجمة محمد عبد الكريم يوسف

يعد توسيع نطاق التنقل والوصول إلى الطاقة لجزء أكبر من البشرية مع تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري هو التحدي الأكبر الذي تواجهه الأرض.

تخوض البشرية معركة شاقة عندما يتعلق الأمر بالحفاظ على الكوكب لتجنب بعض أسوأ آثار تغير المناخ. بالإضافة إلى تلبية طلبها الهائل والمتزايد باستمرار على الطاقة.

لا يمكن حل هذه المعادلة بدون حل طاقة بديلة. سوف يتطلب الأمر مجموعة متنوعة من الحلول لتحقيق هذا الهدف ، لكن أحد الأدوات التي تكتسب قوة دفع هي الهيدروجين. والتي يتم إنتاجها باستخدام عملية خالية من الكربون.

إن تحويل الكهرباء إلى هيدروجين ثم استخدامها في شكل غاز ووقود أو عن طريق تخزينها أو تحويلها مرة أخرى إلى طاقة وحرارة باستخدام خلية وقود هي وعود طاقة الهيدروجين.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون وهو ضروري للحياة. معظمه مصنوع من الشمس. وهو موجود في جميع الكائنات الحية تقريبًا.

إذن كيف يتحول هذا العنصر الوفير إلى وقود يمكن للكوكب الاستفادة منه؟

سنجيب بشيء من التفصيل على بعض الأسئلة المتعلقة بخلية وقود الهيدروجين

ما هي خلية وقود الهيدروجين؟
كيف تولد خلايا وقود الهيدروجين الكهرباء؟
لماذا تكتسب خلايا وقود الهيدروجين أهمية؟
ما هي فوائد خلايا وقود الهيدروجين؟
مصدر وفير للطاقة
الطاقة النظيفة
الوقود البديل
حياد الكربون
الفاعلية
مستقبل خلية وقود الهيدروجين

ما هي خلية وقود الهيدروجين؟

الهيدروجين (H) هو العنصر الأول في الجدول الدوري لمندليف. إنها أبسط وأخف ذرة تتكون من نواة تحتوي على بروتون و إلكترون محيطي.

ثنائي الهيدروجين (H 2 ) تتكون من ذرتين هيدروجين موضوع استغلال كيميائي ويولد اهتماما كبيرا بالطاقة من حيث إمكانيات استخدامها وتخزينها.

تتيح خلية الوقود التحويل المباشر لطاقة الاحتراق الكيميائي إلى طاقة كهربائية. خلية الوقود عبارة عن جهاز كهروكيميائي يجمع بين الهيدروجين والأكسجين من الهواء لتوليد الطاقة الكهربائية والماء والحرارة من خلال تفاعل الأكسدة والاختزال.

كيف تولد خلايا وقود الهيدروجين الكهرباء؟

خلية الوقود المفردة من إلكتروليت محصور بين قطبين كهربائيين. يتم فصل القطب الموجب المؤكسد (باعث الإلكترونات) والكاثود المختزل (مجمع الإلكترونات) بواسطة إلكتروليت.

يتميز المحلول الكهربائي بخاصية توصيل الجزيئات المتأينة مباشرة من قطب كهربائي إلى آخر وحجب الإلكترونات عن طريق إجبارها على المرور عبر الدائرة الخارجية للبطارية حيث يمكن استغلال الطاقة.

يمر الأكسجين من الهواء فوق قطب كهربائي ، بينما يمر الهيدروجين فوق الآخر الذي ينتج بعد ذلك الكهرباء والماء والحرارة. تساعد الألواح ثنائية القطب الموجودة على جانبي الخلية في توزيع الغازات وتجميع التيار الكهربائي.

في القطب الموجب ، يتم فصل الهيدروجين إلى أيونات وإلكترونات باستخدام البلاتين أو محفز مماثل. تنتقل الإلكترونات عبر دائرة خارجية تولد الكمية المطلوبة من الطاقة.

بينما تمر الأيونات عبر الإلكتروليت إلى الكاثود حيث تنضم بمساعدة محفز آخر إلى ذرات الأكسجين لإنتاج الماء.

دعونا نطبق هذه التفسيرات لتشغيل السيارة. تستخدم السيارة وقود محرك احتراق داخلي بواسطة الهيدروجين. ينفجر ثنائي الهيدروجين (H 2 ) إلى ثنائي الأكسجين (O 2 ) ، وينتج عن هذا التفاعل ينتج الماء (H 2 O) وإطلاق الطاقة.

تنتج خلية الوقود الكهرباء التي تشغل المحرك الكهربائي وبالتالي تعمل السيارة. يتيح هذان العنصران الحصول على كفاءات محرك أعلى من تلك الموجودة في المحركات التقليدية.

لماذا تكتسب خلايا وقود الهيدروجين أهمية؟

يمكن تحويل الهيدروجين إلى كهرباء أو حرارة أو ماء أو طاقة محركة حسب الاستخدام النهائي. باعتبار خلايا الهيدروجين حاملة للطاقة في المستقبل وبديل محتمل للهيدروكربونات ، فإنها تتمتع بالعديد من المزايا المهمة:

يولد احتراقها كمية كبيرة من الطاقة.

إنها عنصر وفير على الأرض في أشكال ذرية.

لا ينتج عن احتراقها أي انبعاثات لثاني أكسيد الكربون لأنه يأتي من مصادر متجددة.

يمكن أن تكون وسيلة فعالة لتخزين الكهرباء لفترات طويلة.

يمكنها تشغيل وتحسين استقلالية المركبات.

يوفر قطاع النقل إمكانات تطويرية كبيرة لقطاع الهيدروجين. يمكن استخدامه مباشرة في محركات الاحتراق الداخلي أو خلايا الوقود.

في بعض البلدان ، يتم بالفعل تركيب محركات الاحتراق التي تستخدم الهيدروجين في الحافلات ومخلفات النفايات في شكل الهيثان (خليط من 20٪ هيدروجين و 80٪ غاز طبيعي).

يوفر تكوين النقل الثقيل أو المكثف قدرة ممتازة على التكيف مع استخدام خلايا وقود الهيدروجين. ينتج عن احتراق كيلوغرام واحد من الهيدروجين طاقة تزيد بثلاث مرات عن طاقة كيلوغرام واحد من البنزين.

ومن ثم تنتج خلية الوقود مزيدا من الكهرباء مما يمنح السيارة مزيدا من الطاقة ويعيد شحن البطاريات بسهولة. تعد سرعة إعادة الشحن ميزة لأساطيل الشاحنات التي لا تسمح أنماط الشحن الخاصة بها بأي توقف. كما توفر شاحنات خلايا الوقود مزايا أخرى مهمة مثل اكتساب الاستقلالية دون تقليل الحمولة.

هناك العديد من البلدان في طليعة تطبيق خلايا وقود الهيدروجين في النقل.

ألمانيا مع برنامج H 2 Mobility و Callux

اليابان مع البرنامج الإيضاحي لخلايا الوقود اليابانية على نطاق واسع

الولايات المتحدة مع البرنامج الوطني الأمريكي للهيدروجين وخلايا الوقود

التزمت إنجلترا بخفض انبعاثاتها بنسبة ٦٨٪ على الأقل مقارنة بمستوى عام ١٩٩٠ بحلول عام ٢٠٣٠ وتفكر في الحصول على أسطول من حافلات الهيدروجين .

ومن المرجح أن تؤدي الزيادة المتوقعة في أسعار الوقود التقليدي المرتبطة برغبة معظم الدول في الحد من انبعاثات الكربون لديها إلى تحفيز تطوير قطاع الهيدروجين في النقل.

ما هي فوائد خلايا وقود الهيدروجين؟

إنها مصدر وفير للطاقة

من وجهة النظر الجزيئية ، الماء موجود في كل مكان على كوكبنا. للتذكير ، إنها ذرة أكسجين وذرتان هيدروجين (الماء). إنه لأمر استثنائي أن نلاحظ أن الماء يمثل أكثر من ٩٠٪ من الأرض.

الطاقة النظيفة

وكالة الطاقة الدولية في تقرير يعود إلى عام ٢٠١٩ أن الهيدروجين هو طاقة المستقبل. في الواقع ، بفضل انبعاثاتها المنخفضة من ثاني أكسيد الكربون ، تبدو هذه الطاقة بديلاً موثوقًا به.

ترتبط بشكل فعال بخلية وقود ، وهذه الطاقة لا تنبعث منها ثاني أكسيد الكربون . الماء هو الإصدار الوحيد من خلية الوقود.

وقود بديل

في الواقع ، تعمل غالبية وسائل النقل اليوم على الوقود الأحفوري. يعد قطاع النقل أحد أكبر المساهمين في تغير المناخ. مثلت ما يقرب من ٢١ ٪ من إجمالي الانبعاثات في عام ٢٠٢٠.

يستهلك نقل البضائع الكثير من الطاقة. لذلك فإن أحد الحلول المتصورة لإزالة الكربون من هذا القطاع هو الهيدروجين. ينتج عن احتراق محرك الهيدروجين الغازي الماء فقط ، وهذه الخاصية تجعله مرشحا جادا كوقود للمستقبل. لذلك يمكننا تخيل المركبات التي تعمل بالهيدروجين.

حياد الكربون

في خلية الوقود ، يتفاعل الهيدروجين (H 2 ) مع الأكسجين (O 2 ) من الهواء المحيط. ينتج عن هذا التفاعل إنتاج الطاقة الكهربائية المستخدمة لتشغيل السيارة وينتج فقط الحرارة والماء (H 2 O).

نظرًا لأن الكهرباء المستخدمة يتم إنتاجها من الطاقات المتجددة ولا تطلق غازات سامة ، فإن خلية الوقود محايدة تمامًا للكربون.

بالإضافة إلى ذلك ، تحتاج المركبات المزودة بخلية وقود ببساطة إلى بطارية صغيرة للتخزين مما يقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون في مرحلة التصنيع.

الفاعلية

يتأثر أداء الطاقة للمحرك بشكل خاص بكفاءته. إن المركبات المجهزة بخلية وقود أعلى بحوالي الربع من المركبات المزودة بمحرك احتراق داخلي.

و نظرا لأن خلايا وقود الهيدروجين يمكن أن توفر طاقة أكبر بثلاث مرات من البنزين ، فإنها توفر كفاءة أكبر على الطريق.

مستقبل خلية وقود الهيدروجين

تم الترحيب بالهيدروجين كوقود للمستقبل يمكن أن يساعد في إنهاء اعتماد العالم على الوقود الأحفوري والمساعدة في الانتقال إلى صافي انبعاثات صفرية.

ولكن لكي تحدث ثورة الهيدروجين هذه ، يجب التغلب على بعض العقبات الكبيرة. حاليًا ، خلايا وقود الهيدروجين واعدة ولكنها لا تزال بحاجة إلى التطوير.

للأمل في تسويق ضخم ، لا تزال التكلفة والأداء والاكتناز لخلايا وقود الهيدروجين بحاجة إلى تحسين كبير.

أيضًا ، المواد المستخدمة حاليًا تبلى بسرعة كبيرة مقارنة بعمر الخدمة المتوقع لخلايا وقود الهيدروجين. قطاع النقل هو الاحتمال الرئيسي لزيادة استخدام الهيدروجين.

ومع ذلك ، فإنه يشكل تحديا كبيرا. السيارات المجهزة بخلايا وقود الهيدروجين قيد التداول حاليا ولكنها بضع مئات فقط والتي تهدف إلى تقديم ملاحظات لمصنعي السيارات.

بطبيعة الحال ، لن يكون تطوير خلايا الوقود للسيارات ممكنا بدون التقدم في قطاع الهيدروجين.

بدون تطوير أنظمة تخزين وتوزيع موثوقة للغاز ، لن يكون الانتقال ممكنا نحو الهدروجين. ناهيك عن أن إدارة الهيدروجين صعبة للغاية.

يتطلب تخزين الهيدروجين كميات كبيرة من الطاقة بسبب كثافته المنخفضة.

كفاءة النقل أقل بكثير من النفط أو الغاز بسبب كثافته المنخفضة.

هناك مخاطر القابلية للاشتعال والانفجار بالهواء.
تظل تكلفة عملية إنتاج الهيدروجين الواعدة مرتفعة.

يتطلب استخدامه من قبل عامة الناس في النقل إنشاء شبكة من محطات الهيدروجين التي تتطلب استثمارات كبيرة.

طاقة الهيدروجين واعدة للغاية بأكثر من طريقة. ومع ذلك ، فإن استغلالها على نطاق صناعي لا يزال في مهده. كثيرا ما يتم طرح مسألة خطورة الهيدروجين.

نظرًا لأن جزيء ثنائي الهيدروجين صغير ، فإن خطر تسريب الخزان أعلى من الوقود التقليدي. علاوة على ذلك ، يشتعل الهيدروجين بسهولة أكبر من البنزين ولا يكاد اللهب الناتج يكون مرئيا.

ومع ذلك ، نظرا لأن الهيدروجين شديد التقلب ، فإنه ينتشر في الهواء بشكل أسرع بكثير من الغاز الطبيعي أو أبخرة البنزين مما يقلل من خطر الانفجار.

تم استخدام الهيدروجين لسنوات عديدة في الصناعة حيث تم تنفيذ مجموعة من معايير السلامة. في مجال النقل ، يركز البحث على المواد المكونة للخزانات لتجنب مخاطر التسرب.

يتم التركيز أيضا على أنظمة التبريد والتهوية لتجنب النقاط الساخنة في المحرك وتقليل مخاطر نشوب حريق. يصعب نقل الهيدروجين بسبب كثافة الطاقة المنخفضة لكل وحدة حجم.

يتم النقل بشكل عام في زجاجات أو خطوط أنابيب في شكل مضغوط. يجب ضغط الغاز إلى ٣٥٠ بار عند تخزينه في خزان أو ٧٠٠ بار عند نقله. من الممكن أيضًا تسييل الهيدروجين عند درجة حرارة -٢٥٣ درجة مئوية ولكن هذا التحول يستهلك الكثير من الطاقة. .

البحث الحالي موجه بشكل أساسي نحو التخزين بتكلفة أقل وبطريقة آمنة. بالإضافة إلى مشاكل التخزين وإمكانية الوصول ، فإن إنشاء شبكة توزيع الهيدروجين له تكلفة كبيرة.

هناك حاجة إلى شبكة من محطات الخدمة التي توزع الهيدروجين. لكي تصبح مركبات الهيدروجين أكثر شيوعًا ، يجب أن تكون موثوقة ويجب أن يكون التزود بالوقود أمرًا سهلاً.

من المؤكد أن للهيدروجين صفات لا يمكن إنكارها ، لكن له أيضا أوجه قصور. يتطلب تطوير قطاع الهيدروجين استثمارات ضخمة في جميع مراحل سلسلة الإنتاج.

سواء من حيث الإنتاج والنقل والتخزين. من الضروري أن تنجح في خفض تكاليف خلايا الوقود وحتى تلك الخاصة بالمحلل الكهربائي .

يقدر مجلس الهيدروجين بحوالي ٢٠٢٥ مليار هناك حاجة إلى استثمارات باليورو سنويًا للوصول إلى حجم حرج في عام ٢٠٣٠. قد يبدو هذا المبلغ كبيرا ولكنه حاليا أقل بمئة مرة من الأموال المخصصة للاستثمارات النفطية.

تزعم بعض الدراسات أن مركبات الهيدروجين يمكن أن تكون وسيلة النقل الأكثر كفاءة والأقل تلويثا والأقل تكلفة بحلول عام ٢٠٣٠ .

يقدر إجمالي الاستثمار المتوقع لخطوط الأنابيب في قطاع الهيدروجين بنحو ٥٠٠ مليار دولار . بدأ الكثير من أصحاب رؤوس الأموال في رؤية إمكانات هذا القطاع.

كما أن التقدم العلمي ينتقل من المختبرات إلى المصانع التجريبية ويتجه في النهاية إلى السوق. ترى العديد من الدول أيضا إمكانات الصناعة.


أوروبا هي رائدة الصفقات الخضراء التي تصل إلى تريليون يورو للمبادرات الخضراء. وبعضها يتم توجيهه إلى قطاع الهيدروجين. أعلنت ألمانيا عن برنامج بقيمة ٧ مليارات يورو لصناعة الهيدروجين.

تمتلك الصين هدفا قويا لزيادة إنتاجها من الطاقة بشكل كبير بالإضافة إلى نقل أساطيل سياراتها من محرك الاحتراق إلى الهيدروجين.

في الواقع ، تريد الحكومة الصينية أن يكون لديها مليون مركبة تعمل بخلايا الوقود على طرقها بحلول عام ٢٠٣٠ يخدمها ١٠٠٠ محطة للتزود بالوقود. تركز شركات صناعة السيارات في كوريا الجنوبية واليابان أيضا بشكل كبير على خلايا الوقود وانتقال سوق السيارات إلى الهيدروجين.

النص الأصلي 
https://futurside.com/is-hydrogen-fuel-cell-the-future-energy-and-mobility/
Hydrogen Fuel Cell is the Future of Energy and Mobility

by Futurside EditorMar 2, 2022Industry, Sustainability

#محمد_عبد_الكريم_يوسف (هاشتاغ)       Mohammad_Abdul-karem_Yousef#          

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين	حوار مع الكاتبة السودانية شادية عبد المنعم حول الصراع المسلح في السودان وتاثيراته على حياة الجماهير، اجرت الحوار: بيان بدل

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات