طاقة الهيدروجين النظيفة

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

الحوار المتمدن-العدد: 7243 - 2022 / 5 / 9 - 18:12
المحور: الادارة و الاقتصاد
    

بقلم جين مارش

ترجمة محمد عبد الكريم يوسف

يعد الهيدروجين أحد أكثر تقنيات الطاقة الناشئة الواعدة لتلبية الطلب العالمي المتزايد على مصادر طاقة نظيفة وخالية من الكربون وخالية من الانبعاثات. أدى التحول المجتمعي العالمي الأخير نحو الاستدامة البيئية ، والضرورة العالمية للعمل المناخي ، إلى تغيير أنماط استهلاك الطاقة بشكل كبير.
تزدهر شركات الطاقة النظيفة والمتجددة بشكل كبير . لقد شهدت شركات الطاقة الشمسية أعلى معدلات إنتاجها وتوزيعها في عام 2020 ، مما عزز الاستخدام الوطني للطاقة المتجددة. بالإضافة إلى الطاقة الشمسية ، فإن الطاقات المتجددة الأخرى وتقنيات الطاقة النظيفة الناشئة من الجيل التالي (مثل الهيدروجين واحتجاز الكربون) تشهد أيضًا سنوات اختراق. لقد أثر الرئيس بايدن على مصادر الطاقة البديلة من خلال وضع معايير استدامة طموحة في الولايات المتحدة - مثل صافي الصفر بحلول عام 2050 ، وشبكة كهرباء خالية من الكربون بحلول عام 2035. وتسعى إدارة بايدن أيضًا إلى تقليل غازات الاحتباس الحراري (GHGs) بنسبة 50-52٪ بحلول عام 2030 (من مستويات 2005) .
لقد أنشأ بايدن خطة البناء نحو الوراء أفضل التي تسعى إلى الاستثمار في المجتمع الأمريكي وقطاع الطاقة النظيفة الأمريكي. يخصص البرنامج المقترح تريليونات من الدولارات لتمويل البنية التحتية للولايات المتحدة (بالإضافة إلى البرامج الأخرى التي تفيد المجتمع) ، بما في ذلك تمويل صناعة الطاقة النظيفة ، وتعزيز التقدم التكنولوجي وتعديلات النظام.
تتضمن خطة البناء نحو الوراء أفضل تمويل البحث والتطوير التكنولوجي لاحتجاز الهيدروجين والكربون (بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من تقنيات الطاقة النظيفة من الجيل التالي). تشمل أجزاء مختلفة من خطة البناء نحو الوراء أفضل المتعلقة بالمناخ أيضًا تمويل البنية التحتية للطاقة النظيفة ، والبنية التحتية لشحن المركبات الكهربائية ، والحوافز المالية مثل الإعفاءات الضريبية للطاقة المتجددة ، وتحديث الشبكة الكهربائية الأمريكية (بالإضافة إلى المزيد من برامج الطاقة النظيفة). عندما تنوع الولايات المتحدة إنتاج واستخدام الطاقة النظيفة (بما في ذلك الهيدروجين النظيف واحتجاز الكربون) ، يتم تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بشكل فعال.
لحسن الحظ ، انتهى الكونجرس بإقرار جزء من خطة البناء نحو الوراء أفضل الأصلية - قانون الاستثمار في البنية التحتية والوظائف و بعض الاستثمار للتدابير التكنولوجية الموضحة في هذه المقالة ووقعها الرئيس بايدن كقانون في تشرين الثاني عام 2021. لسوء الحظ ، لا يبدو أن بقية خطة البناء نحو الوراء أفضل الأصلية سيمرر الكونجرس خلال فترة بايدن الأولى. ومع ذلك ، يحظى تطوير تقنيات الهيدروجين وتقنيات احتجاز الكربون بدعم من الحزبين. تم تحديد التطورات التكنولوجية التي تمت مناقشتها في هذه المقالة لمواصلة التقدم هذا العقد (أبطأ قليلاً مما لو مرت خطة البناء نحو الوراء أفضل الكامل.)
تحديات إنتاج الطاقة المحلية
هناك ما يقرب من 80٪ من إنتاج واستهلاك الطاقة في أمريكا (بما في ذلك قطاع النقل) مشتق من الوقود الأحفوري. تخلق هذه الموارد الطبيعية المحدودة (الفحم والنفط والغاز) تلوثًا جويًا أثناء الاحتراق (غازات الدفيئة والتلوثات الأخرى). تغير غازات الدفيئة عملية التحكم في درجة الحرارة الطبيعية للكوكب ، مما يؤدي إلى تدهور النظام البيئي العالمي. من ناحية أخرى ، يمثل الهيدروجين طاقة نظيفة. لأن الهيدروجين بحد ذاته لا يطلق الكربون ولا يساهم في تلوث الغلاف الجوي. 
تمتص الأرض ضوء الشمس ، وتولد الحرارة وتسخن السطح. الكوكب قادر على إعادة امتصاص كمية محدودة من الإشعاع الشمسي الإضافي أو بعثه مرة أخرى إلى الفضاء. عندما تغزو غازات الدفيئة البيئة من احتراق الوقود الأحفوري ، فإنها تغير التركيب الطبيعي للغلاف الجوي وتغير العملية. تتميز غازات الدفيئة بمعدل تحويل أعلى من ضوء الشمس إلى الحرارة وتحتجز الطاقة  بدلاً من إرسالها إلى الفضاء.
بمرور الوقت ، يؤدي الانغلاق والإفراط في إنتاج الحرارة إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض. مع ارتفاع درجة حرارة الكوكب ، يرتفع معدل التبخر ، وتسخن المحيطات ، وتتغير أنماط الطقس العالمية ؛ مما أدى إلى حدوث فيضانات شديدة في بعض مناطق العالم (نتيجة تزايد العواصف الشديدة) ، وطول فترات الجفاف (مما تسبب في حرائق الغابات ، وإلحاق أضرار بالزراعة ، وما إلى ذلك ...) في مناطق أخرى. يؤدي الاحترار العالمي أيضًا إلى تدهور النظم الإيكولوجية المائية ، ويسبب ارتفاع مستويات سطح البحر ، ويؤثر سلبًا على التنوع البيولوجي في جميع أنحاء العالم (من بين الآثار السلبية العالمية الأخرى لتغير المناخ).
الهيدروجين هو حل للطاقة النظيفة لتخزين الطاقة ونقلها ليحل محل الوقود الأحفوري المسبب لتغير المناخ. في الوقت الحالي ، يمكن استخدام الهيدروجين كمصدر وقود للسيارات والحافلات - وفي المستقبل ، للشحن لمسافات طويلة ، والشاحنات الثقيلة ، ونأمل أن يستخدم في الطيران لمسافات طويلة.
يمكن استخدام الهيدروجين لتخزين الطاقة. يمثل الهيدروجين أيضًا مصدر وقود محتمل للانبعاثات الكربونية الصفرية أو المنخفضة للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء في المباني ؛ حل انبعاثات الكربون الصفرية لتدفئة المباني. من المحتمل أن يؤدي الهيدروجين جميع هذه الوظائف دون المساهمة في الاحتباس الحراري أو تلوث الهواء أو تغير المناخ (صفر كربون في حالة الهيدروجين الأخضر - بينما يمثل الهيدروجين الأزرق محلولًا منخفض الكربون - انظر أدناه للحصول على وصف للطيف اللوني لإنتاج الهيدروجين ) .
ما هو احتجاز الكربون ؟
مع زيادة الطلب على مصادر الطاقة ذات الانبعاثات الكربونية المنخفضة ، يطور مهندسو البيئة والعلماء تقنيات إنتاج نظيفة جديدة. يقلل التقاط الكربون وتخزينه من غازات الاحتباس الحراري في عملية إنتاج الهيدروجين في محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي (وكذلك في توليد الطاقة من أنواع الوقود الأحفوري الأخرى ، والعمليات الصناعية الأخرى). ينتج عن إنتاج CCS + H2 طاقة منخفضة الكربون موثوقة - الهيدروجين. بعد التقاط انبعاثات الكربون من إصلاح الميثان (في عملية إنتاج الهيدروجين الأزرق ، الموصوفة أدناه ) ، تقوم الأكسدة الجزئية بإعادة هيكلة العناصر أثناء تدفقها عبر طبقة محفز ، مما ينتج هيدروجينًا نظيفًا. يولد الاستخدام الفعلي للهيدروجين للطاقة لا تلوث ولا انبعاثات كربونية.
على الرغم من أن احتجاز الكربون لا يمكن أن يولد الهيدروجين بشكل مباشر لاستخدامات الطاقة المستدامة ، فإن إصلاح الميثان في محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي يمكن أن يحدث. تجمع إعادة تشكيل غاز الميثان في محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي بين بخار فهرنهايت مع عامل مساعد. تنتج العملية الهيدروجين وكمية صغيرة نسبيًا من ثاني أكسيد الكربون (أصغر من عملية توليد الطاقة بالغاز الطبيعي). يمكن استخدام احتجاز الكربون لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من احتراق الغاز الطبيعي ، بالإضافة إلى دورة إصلاح الميثان - وهي عملية منخفضة الكربون لإنتاج الهيدروجين النظيف.
يطور علماء ومهندسو البيئة تقنية احتجاز الكربون للحد من تلوث الغلاف الجوي من مرافق التصنيع ومحطات الطاقة. يمكن لهذه التقنية امتصاص 90٪ من انبعاثات الكربون ، مما يقلل بشكل كبير من غازات الدفيئة.
يحول احتجاز الكربون قبل الاحتراق مصادر الوقود إلى غاز بدلاً من حرقها. يفصل الالتقاط بعد الاحتراق ثاني أكسيد الكربون عن انبعاثات احتراق الوقود الأحفوري. ينتقل جمع ثاني أكسيد الكربون إلى منشأة معالجة بديلة حيث يقوم الأفراد بإعادة توظيفه أو تخزينه ، مما يقلل من الآثار البيئية الضارة.
إنتاج الهيدروجين - الألوان الثلاثة
طور المهندسون طرقًا مختلفة لإنتاج الهيدروجين وميزوا بينها على طيف لوني. عندما تقوم الشركات بإنشاء H2 من إعادة صياغة الميثان دون تجميع مخرجات الكربون ، فإنها تولد الهيدروجين الرمادي . تطلق هذه العملية 9.3 كجم من غازات الدفيئة لكل كيلوغرام من الهيدروجين. من أجل إيجاد حل مستدام منخفض الكربون لإنتاج الهيدروجين في المستقبل ، يجب أن ينتقل العالم من الهيدروجين الرمادي إلى طرق إنتاج الهيدروجين الصديقة للبيئة ( يمثل الهيدروجين الرمادي حاليًا الغالبية العظمى من إنتاج الهيدروجين العالمي).
يمكن للشركات التقاط انبعاثات الكربون في عملية إصلاح الميثان ، وتخزينها للحفاظ على الغلاف الجوي ، وإنتاج الهيدروجين الأزرق . يمكن لعملية احتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون أن تجمع ما يصل إلى 90٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتضعها تحت الأرض لمنع تغير المناخ. هذه العملية أكثر استدامة بكثير من إنتاج الهيدروجين الرمادي .
تستخدم عملية إنتاج الهيدروجين الصفري انبعاثات الكربون الطاقة المتجددة ، والمحللات الكهربائية ، والمياه ، لتوليد الهيدروجين الأخضر . الأجهزة التكنولوجية المتقدمة (المحلل الكهربائي) تفصل الهيدروجين (H2) عن H2O باستخدام التحليل الكهربائي. تعمل الألواح الشمسية وتوربينات الرياح على تشغيل الأنظمة ، مما يؤدي إلى عدم وجود انبعاثات صفرية في جميع أنحاء الممارسة.
الهيدروجين الأخضر هو أكثر نسخة مستدامة من مصدر الطاقة. يمكن للصناعات تشغيل إنتاجها باستخدام مصدر طاقة نظيف بنسبة 100٪ ( H2 الأخضر ) ،مما يزيل تلوث الغلاف الجوي من هذه العملية.
تعتبر عملية إنتاج H2 الأخضر أنظف بكثير من ممارسات تطوير الهيدروجين التقليدية المهينة بيئيًا لإصلاح الميثان. تقليديا ، ينتج متخصصو الطاقة غاز ثاني أكسيد الكربون من مصادر الوقود الأحفوري ، ويولدون 830 مليون طن من غازات الدفيئة سنويًا. يمكن أن يؤدي إنتاج الهيدروجين الأخضر من مصادر مستدامة خالية من الانبعاثات إلى تعزيز كفاءته مع تقليل تدهور الغلاف الجوي. لا يزال إنتاج الهيدروجين الأزرق يستخدم إصلاح الميثان ، ولكن باستخدام تقنية CCS أيضًا ، يتم استخدام طريقة أنظف لإنتاج الهيدروجين.
طاقة خلية وقود الهيدروجينن
يمكن لعملية إنتاج الهيدروجين أن توفر الوقود لخلايا الوقود التي تعمل بالهيدروجين ، مما يخلق مصدرًا بديلًا للطاقة النظيفة لتخزين الطاقة ونقلها. تعمل الخلايا مثل البطاريات ، تنفد من الهيدروجين بداخلها. أنها تحتوي على قطب موجب وآخر سالب ، يولد الكاثود والأنود.
يحتوي القطبان على إلكتروليت. يعمل الهيدروجين على تغذية القطب الموجب ، ويعمل الهواء على تشغيل الكاثود ، ويفصل الجزيئات إلى بروتونات وإلكترونات. تنتقل الإلكترونات الحرة عبر دائرة معينة ، وتنتج الكهرباء. تنتقل البروتونات الزائدة إلى القطب السالب ، وتتحد مع الأكسجين وتنتج الماء كإخراج. تعد المياه النقية بديلاً مستدامًا لغازات الدفيئة الأخرى ، والماء هو الانبعاث الوحيد في توليد الطاقة الهيدروجينية.
تُستخدم خلايا وقود الهيدروجين في تخزين الطاقة ، وحافلات الهيدروجين ، كحلول لبطاريات الطاقة النظيفة. تبذل أوروبا جهودا مكثفة لتوسيع وجود ناقل الهيدروجين في القارة  . وتدرس بعمق الانبعاثات من حافلات الهيدروجين التي تديرها خلايا الوقود المتمثلة بالماء.
يمكن لأصحاب المنازل أيضًا الاستفادة من خلايا وقود الهيدروجين ، مما يؤدي إلى تقليص بصماتهم الكربونية. نأمل أن يتم استخدام الهيدروجين في الأجهزة المنزلية الكبيرة في المستقبل ، مثل وحدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الكهربائية والأفران الكهربائية والمراجل الكهربائية وغيرها من التطبيقات. يمكن أن يساعد استخدام الأجهزة المنزلية الكهربائية في الانتقال بعيدًا عن مصادر الطاقة المشتقة من الوقود الأحفوري. 
يمكنك مقارنة بصمتك الكربونية ووفورات المرافق من خلال تلقي استشارة بشأن الطاقة أولاً. يمكن لمستشار الطاقة المحترف الكشف عن توافق الممتلكات الخاصة بك مع مصادر طاقة خلايا وقود الهيدروجين. يمكنهم أيضًا التوصية بممارسات كفاءة الطاقة ، مما يقلل من انبعاثات الكربون بمرور الوقت.
فوائد تخزين الكربون وتخزينه والكهرباء ومصادر وقود الهيدروجين
وضع الرئيس بايدن هدفًا وطنيًا لتحييد الكربون عند توليه منصبه. يتطلب تحقيق الهدف إعادة هيكلة قطاع الطاقة. يمثل كل من التقاط . الهيدروجين والكربون حلولاً لتسريع انتقال الطاقة  يخطط بايدن لتطوير شبكة كهربائية خالية من الكربون ، وتوفير 100٪ من الكهرباء الأمريكية من مصادر الطاقة النظيفة.

على الرغم من أن الهيدروجين النظيف لا يزال مكلفًا إلى حد ما ، إلا أنه يمثل بديلاً عالي الكفاءة للطاقة منخفضة الكربون. "يمكن إعادة كهربة الهيدروجين في خلايا الوقود بكفاءات  تصل إلى 50٪ ، أو بدلاً من ذلك حرقها في محطات توليد الطاقة بالغاز ذات الدورة المركبة ( كفاءات تصل إلى 60٪ ).   . يمكننا تطوير حالة خالية من الكربون بشكل فعال من خلال تنويع مصادر الكهرباء لدينا.

يمكن أن يوفر تطوير الهيدروجين الأخضر والأزرق دعمًا مستدامًا للشبكة الكهربائية ، ويمكن استخدامه في قطاع النقل أو تخزين الطاقة (في خلايا وقود الهيدروجين) ، وكحل منخفض الكربون لوحدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والأجهزة الرئيسية الأخرى في المباني.  و مع تطوير الهيدروجين (إنتاج الهيدروجين الأزرق) الذي يمثل مصدرًا منخفض الكربون للهيدروجين النظيف ، بينما يمثل إنتاج الهيدروجين الأخضر مصدرًا خالٍ من الكربون.

يمكننا توليد طاقة نظيفة مع القضاء على المزيد من التدهور في الغلاف الجوي عندما نستهدف منتجي التلوث المهمين على الجو واستبدال الطاقة القذرة بمصادر طاقة نظيفة مثل الكهرباء والهيدروجين. تمثل كل من الحافلات الكهربائية والهيدروجين حلول الطاقة النظيفة. يمكن أن يؤدي استخدام السيارات الكهربائية إلى زيادة وصول المجتمع إلى طاقة أقل انبعاثات. إذا كنت ترغب في القيادة بدون انبعاثات ، يكون لديك أيضًا خيار اختيار سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين (على الرغم من أن السيارة الكهربائية تمثل حاليًا خيار الانبعاثات الصفرية الأقل تكلفة). مع كل من الكهرباء والهيدروجين ، يجب أن تأتي عملية توليد الطاقة في النهاية من مصدر منخفض الكربون أو منعدم الانبعاثات لكي تكون حقاً حلاً للطاقة النظيفة.

إن عملية استخدام الكهرباء و / أو الهيدروجين في المباني والنقل تقلل أيضًا من تأثير الاحتباس الحراري المعزز من خلال تقليل انبعاثات الغلاف الجوي. عندما نلتقط العناصر قبل أن تصل إلى البيئة ، فإننا نمنع الإفراط في الإنتاج واحتجاز الحرارة (كما في الهيدروجين الأزرق ). يعمل الهيدروجين الأخضر ، أو الكهرباء التي تعمل بالطاقة المتجددة ، على تقليص البصمة الكربونية لإنتاج الطاقة أقرب إلى الصفر.

تعزيز الاستدامة الحضرية

قامت العديد من المدن مؤخرًا بزيادة معايير الاستدامة الخاصة بها ، وتنظيم انبعاثات الكربون وعمليات إنتاج التلوث. إنها تعمل على توليد الكهرباء من النقل والمباني ، وتتطلب طاقة أنظف (كما هو الحال في معايير الحافظة المتجددة ومعايير الطاقة النظيفة ). يمكن لتكنولوجيا احتجاز الكربون وتخزينه التي تُستخدم مع إنتاج الطاقة الهيدروجينية (الهيدروجين الأزرق) أن تدعم التحولات الحضرية نحو طاقة نظيفة ومنخفضة الكربون. يمكن أن يدعم إنتاج طاقة الهيدروجين الأخضر تحول الطاقة الحضرية بعيدًا تمامًا عن الاعتماد على الوقود الأحفوري نحو طاقة خالية من الانبعاثات.

#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