إنتاج الهيدروجين: كيف يُنتج الهيدروجين وما هو؟

تتزايد أهمية الهيدروجين كناقل نظيف وواعد للطاقة، خاصةً مع التطلع إلى مستقبل غير ضار بالمناخ. ولكن هل تساءلت يومًا ما هو الهيدروجين في الواقع وكيف يُنتج؟ في هذا المقال، نلقي نظرة على الأساسيات والتقنيات المستخدمة لإنتاج الهيدروجين وما الذي يجعل الهيدروجين عنصرًا مميزًا.

بعبارة بسيطة، الهيدروجين هو غاز عديم اللون والرائحة والطعم. يُعرف بأنه أبسط وأكثر العناصر الكيميائية شيوعًا في الكون. ويتكون الهيدروجين من جسيمات صغيرة تسمى البروتونات والإلكترونات.

وهو شديد التفاعل ويمكنه الاتحاد مع عناصر أخرى لتكوين مركبات مثل الماء. كما أنه بمنزلة وقود قوي ويمكن استخدامه في توليد الكهرباء وتشغيل المركبات وتوليد الحرارة. وبوصفه ناقل طاقة نظيفًا، فإن الهيدروجين لديه القدرة على الحد من التأثير البيئي والإسهام في توفير إمدادات الطاقة المستدامة

توجد عدة تقنيات لإنتاج الهيدروجين يمكن استخدامها اعتمادًا على المتطلبات المحددة والموارد المتاحة. فيما يأتي بعض الطرق الشائعة:
 

• الإصلاح البخاري للغاز الطبيعي: يُعد هذا حاليًا التكنولوجيا الأكثر استخدامًا لإنتاج الهيدروجين. في هذه العملية، يُسخن الغاز الطبيعي، الذي يتكون بشكل رئيسي من الميثان، مع بخار الماء بوجود محفز. ومجازيًا، يمكن اعتبار الإصلاح البخاري بمنزلة "عملية تفكك" للغاز الطبيعي.
  
  خلال هذه العملية، يتفاعل الميثان الموجود في الغاز الطبيعي مع بخار الماء، ما ينتج الهيدروجين (H2) وأول أكسيد الكربون (CO). وينقى الهيدروجين الناتج ويمكن بعد ذلك استخدامه بمنزلة وقود في المركبات أو لتوليد الكهرباء في خلايا الوقود أو في تطبيقات صناعية مختلفة. هذه العملية غير مكلفة، لكن لها أيضًا سلبيات، حيث ينبعث ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي ما يؤثر في البيئة.

• التحليل الكهربائي للماء: في عملية التحليل الكهربائي، ينقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام تيار كهربائي. وتُجري المعدات أو الأجهزة المسماة بالمحللات الكهربائية عملية التحليل الكهربائي لتحقيق ذلك.

• إنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية: في هذه الطريقة، تُستخدم الطاقة الشمسية بدلاً من الطاقة الكهربائية لتنفيذ عملية التحليل الكهربائي. ويمكن فعل ذلك إما عن طريق ضوء الشمس المباشر أو عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي باستخدام المرايا أو المجمعات الشمسية. يمكن استخدام هذه التكنولوجيا الجديدة في البلدان التي تتوفر فيها أشعة الشمس بشكل كافٍ، ما يجعل من الممكن إنتاج هيدروجين أكثر فعالية من حيث التكلفة.

• إنتاج الهيدروجين الكيميائي الحراري (إنتاج الهيدروجين البيولوجي): يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة، مثل بعض أنواع البكتيريا أو الطحالب، إنتاج الهيدروجين من خلال التخمر أو عملية البناء الضوئي. لا تزال هذه الطريقة قيد التطوير، لكن لديها إمكانات كمصدر للهيدروجين مستدام وصديق للبيئة. ومع ذلك، فإن عيب هذا النوع من الإنتاج هو الموارد المحدودة.

تجدر الإشارة إلى أن كل عمليات إنتاج الهيدروجين ليست متساوية من حيث الاستدامة أو صديقة للبيئة. تعتمد استدامة إنتاج الهيدروجين على مصدر الطاقة المستخدم وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون في أثناء عملية الإنتاج. ومن أجل تحقيق الاستفادة القصوى من فوائد الهيدروجين كمصدر نظيف للطاقة، فمن المهم جدًا استخدام مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين.

يمكن أن يقلل استخدام الطاقات المتجددة مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو الطاقة الكهرومائية بشكل كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في أثناء إنتاج الهيدروجين، ما يجعله أكثر استدامة وصديقًا للبيئة. وهذه خطوة مهمة نحو تحقيق مستقبل منخفض الكربون ومكافحة تغير المناخ.

التحليل الكهربائي هو عملية واعدة للغاية. تتيح عملية التحليل الكهربائي إنتاج الهيدروجين بطريقة صديقة للبيئة، خاصةً إذا كانت الكهرباء المستخدمة فيه تأتي من مصادر طاقة متجددة. وتؤدي هذه التقنيات دورًا مهمًا في تمكين الهيدروجين النظيف ليصبح ناقلاً مستدامًا للطاقة لتطبيقات مختلفة. وقد ألقينا نظرة مفصلة على التقنيات المختلفة وتفحصنا مزايا وعيوب كل منها.

يعمل التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون على تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام غشاء بوليمر وتيار كهربائي.

المزايا:

• سرعة بدء التشغيل والتكيف السريع مع الأحمال المتغيرة
• كفاءة عالية في تشغيل الأحمال الجزئي
• درجة حرارة تشغيل منخفضة (من 50 إلى 80 درجة مئوية)، ما يقلل من استخدام المواد باهظة الثمن
• حجم صغير وسهولة التكامل مع الأنظمة الحالية
• مستوى عالٍ من النضج التكنولوجي (TRL 7-8)

العيوب:

• حساس للشوائب في الماء، ومن ثم يتطلب معالجة سابقة للماء
• محدودية عمر خدمة خلية وقود غشاء تبادل البروتون (10000 ساعة تشغيل تقريبًا)
• تكاليف أعلى مقارنة بالتحليل الكهربائي القلوي

في التحليل الكهربي القلوي، ينقسم الماء إلى مكوناته من الهيدروجين والأكسجين باستخدام محلول كهربائي قلوي، وهو عادةً محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم.

المزايا:

• تكاليف أقل مقارنة بالتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون
• قوي ضد الملوثات في الماء
• عمر خدمة طويل للخلية الكهروكيميائية (من 40000 إلى 80000 ساعة تشغيل تقريبًا)
• أعلى مستوى من النضج التكنولوجي (TRL 8-9)

العيوب:

• معدل تفاعل أبطأ مقارنة بالتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون
• درجات حرارة تشغيل أعلى (من 70 إلى 100 درجة مئوية) تؤدي إلى استهلاك طاقة أعلى
• تكامل أكثر صعوبة مع الأنظمة الحالية بسبب معايير التشغيل المختلفة

يرمز SOEC إلى خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب ويشير إلى خلية التحليل الكهربائي ذات درجة الحرارة العالية التي تحول الماء إلى هيدروجين وأكسجين في درجات حرارة عالية باستخدام أكاسيد صلبة كمحلول كهربائي.

المزايا:

• كفاءة عالية واسترداد للحرارة بسبب درجات حرارة التشغيل العالية (من 800 إلى 1000 درجة مئوية)
• المرونة في استخدام أنواع مختلفة من الوقود (مثل البخار وثاني أكسيد الكربون)

العيوب:

• تتطلب درجات حرارة التشغيل العالية مواد باهظة الثمن وعزلاً حراريًا خاصًا
• بطء التشغيل والتكيف مع الأحمال المتغيرة
• أبعاد أكبر وتكامل معقد مع النظم
• خبرة تشغيل محدودة على نطاق واسع

يرمز AEM إلى غشاء تبادل الأنيون ويشير إلى تقنية المحلل الكهربائي التي تستخدم غشاءً خاصًا يسمح بنفاذية الأيونات سالبة الشحنة ويقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام تيار كهربائي.

المزايا:

• تكاليف أقل مقارنة بالتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون
• قوي ضد الملوثات في الماء
• التشغيل في درجات حرارة منخفضة (من 60 إلى 80 درجة مئوية تقريبًا)

العيوب:

• محدودية التطوير والتسويق التجاري مقارنة بالتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون والتحليل الكهربائي القلوي
• تحديات محتملة لاستقرار الغشاء على المدى الطويل
• عدم توفر مرافق واسعة النطاق. انخفاض مستوى النضج التكنولوجي.