طرق انتاج الهيدروجين

من الواضح بشكل متزايد أن العالم يعاني من تغير المناخ ، مع تزايد درجات الحرارة القصوى ، وتصبح الكوارث الطبيعية أقوى وأكثر تواتراً. تأتي هذه الآثار السلبية من التلوث الناتج عن الجنس البشري لقرون ، مثل ، على سبيل المثال ، الانبعاث المستمر لغازات الدفيئة من خلال استخدام الوقود الأحفوري.

غازات الاحتباس الحراري (GHG) هي مجموعة واسعة جدًا ، ولكن أكثرها وفرة هو ثاني أكسيد الكربون (CO2) ويستخدم كعامل نسبي للآخرين. على سبيل المثال ، لطن واحد من الميثان نفس التأثير على الغلاف الجوي مثل ما يقرب من 20 إلى 25 طنًا من ثاني أكسيد الكربون ، لذلك يقال إن تأثير غاز الميثان في الاحتباس الحراري يتراوح من 20 إلى 25 طنًا من مكافئ ثاني أكسيد الكربون (طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون).

نظرًا لقلقها بشأن تغير المناخ وآثاره ، تقترح دول الاتحاد الأوروبي والقوى العالمية الأخرى ، مثل الولايات المتحدة واليابان والصين وكندا وغيرها ، تدابير وأهدافًا جريئة بشكل متزايد لإزالة الكربون على نطاق واسع بحلول عام 2030 مع التركيز على صفر كربون. انبعاثات مكافئة بحلول عام 2050.

لتحقيق هذه الأهداف ، من الضروري فهم تحول الطاقة ، وهو تحول نموذجي يشمل توليد الطاقة واستهلاكها وإعادة استخدامها ، لا سيما عند النظر إلى أن توليد الطاقة بأشكالها الأكثر تنوعًا هو المسؤول عن جزء كبير من انبعاثات غازات الدفيئة. في جميع أنحاء العالم.

يبدأ هذا المفهوم من هجرة مصفوفات الطاقة الملوثة ، مثل الوقود الأحفوري القائم على الفحم أو النفط ، إلى مصادر الطاقة المتجددة ، مثل الطاقة الشمسية ، والطاقة الكهرومائية ، وطاقة الرياح ، والكتلة الحيوية. يمتد هذا التحول في الطاقة أيضًا إلى كفاءة الطاقة ، والرقمنة ، والبيئة ، وإدارة النفايات وغيرها من الوسائل ، بحيث يتحقق الهدف المشترك المتمثل في تقليل انبعاثات غازات الدفيئة.

في هذا السياق ، يظهر الهيدروجين (H2) المنتج من خلال عمليات منخفضة أو معدومة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون كمصدر طاقة بديل قادر على إزالة الكربون من القطاعات المعروفة حاليًا باسم المنتجين المكثف لغازات الدفيئة ، والتي يتم إطلاقها في حرق الوقود الأحفوري ، كما يحدث ، على سبيل المثال ، في صناعات الاسمنت والصلب.

على الرغم من أن H2 ليس مادة غير معروفة ويستخدم بالفعل على نطاق واسع في العديد من العمليات ، إلا أن استخدامه كبديل لإزالة الكربون يعتمد على إمكانية الحصول على الجزيء من خلال الطاقة المتجددة ، وكذلك استخدامه ، دون انبعاث غازات ملوثة. على سبيل المثال ، يؤدي احتراق الهيدروجين إلى إطلاق الماء فقط (H2O) والأكسجين (O2). ومع ذلك ، لا يزال من الضروري التطور في عمليات إنتاج ونقل وتخزين H2 ، مع مراعاة جوانب السلامة والجدوى التقنية والاقتصادية.

يمكن تقسيم عملية إنتاج الهيدروجين إلى ثلاث طرق رئيسية: التحليل الكهربائي والحراري والمحلل الضوئي ، حيث يتم تقسيمها إلى سبع عمليات رئيسية ، تنطبق على الموارد المختلفة ، سواء الكتلة الحيوية أو الأحافير. تشمل العمليات التي تستخدم الوقود الأحفوري إعادة التشكيل (الأكسدة الجزئية ، وإعادة التشكيل بالبخار ، والأكسدة الجزئية وإعادة التشكيل الحراري الذاتي) والانحلال الحراري للهيدروكربونات.

يمكن تصنيف عمليات الإنتاج من الموارد المتجددة وفقًا للمادة الخام: الكتلة الحيوية أو الماء. يمكن تقسيم العمليات التي تستخدم الكتلة الحيوية إلى فئتين فرعيتين: حرارية كيميائية وبيولوجية. يتضمن الأول الانحلال الحراري والتغويز والاحتراق وإسالة الكتلة الحيوية ، في حين أن العمليات البيولوجية الرئيسية هي التحلل البيولوجي والتخمير الداكن والتخمير الضوئي. تتضمن الفئة الثانية من التقنيات المتجددة إنتاج الهيدروجين من الماء من خلال عمليات التحليل الكهربائي والانحلال الحراري (الانحلال الحراري) والتحليل الضوئي (التحلل الكهروكيميائي الكهروضوئي).

اعتمادًا على مسار إنتاج الهيدروجين ، يتم تصنيفها إلى ألوان وفقًا لخصائصها. لا يوجد حتى الآن توافق في الآراء بشأن هذا التصنيف ، ومع ذلك ، يتم نشر بعض التصنيفات على نطاق واسع من قبل مؤسسات مثل IEA ، EPE ، مجلس الهيدروجينالخ والتي يمكن تلخيصها كالتالي:

مصدر: مقتبس من قواعد توطيد استراتيجية الهيدروجين البرازيلية (EPE ، 2021)

بني / أسود هيدروجين

ينتج من تغويز الفحم المعدني (ليجنيت / فحم - هيدروجين بني ، أنثراسايت - هيدروجين أسود) دون التقاط أو استخدام أو عزل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن العملية.

يحتوي Lignite في تكوينه على ما يكفي مسألة متطايره، هذا يجعل من السهل تحويله إلى غاز وإلى منتجات بترولية من بعض أنواع الفحم ذات الجودة الأفضل. ومع ذلك ، فإن رطوبتها العالية وقابليتها للتأثر الاحتراق التلقائي يسبب مشاكل في النقل والتخزين ، مما يجعل استخدامه أكثر صعوبة ، مما يعني أن الشركات التي تستخدم هذه الكتلة الحيوية تقع عادة بالقرب من منطقة التعدين لهذه المادة. نقطة أخرى مهمة هي أنه بسبب الرطوبة العالية والقيمة الحرارية المنخفضة للليغنيت ، فإن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عادة ما تكون أكبر بكثير لكل ميجاواط (الطاقة الكامنة) المتولدة مقارنة بالفحم الأسود والفحم "المتفوق".

يتم إنشاء أنثراسايت عن طريق التحول ويرتبط بالصخور المتحولة بنفس الطريقة التي يرتبط بها الفحم الحجري (الخث المعبأ) بالصخور الرسوبية. يطلق أنثراسايت طاقة عالية لكل رطل ويحترق بشكل نظيف مع القليل من السخام ، كما يستخدم كمرشح متوسط ​​، مما يجعله نوعًا مرغوبًا أكثر من الفحم وبالتالي ذو قيمة أعلى. تم تشكيل الفحم الأحفوري المعدني من بقايا النباتات الاستوائية وشبه الاستوائية المدفونة ، خاصة خلال الفترات الكربونية والبرمي.

تحدث عملية التغويز عندما تتعرض مصادر الكربون ، في هذه الحالة الفحم المعدني ، للهواء أو الأكسجين النقي وبخار الماء في وعاء ضغط عند درجات حرارة عالية جدًا (أكثر من 1800 درجة مئوية) وضغوط. تؤدي هذه الضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة إلى حدوث عدة تفاعلات ، مما ينتج عنه مزيج من الغازات يسمى الغاز التخليقي ، وعادة ما يكون مع أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروجين (H2) بكثرة ، بالإضافة إلى الرماد والخبث في العمليات التي تستخدم مصادر معدنية. من الممكن تطبيق عملية إعادة تشكيل بالبخار ، مثل تلك الموصوفة في الهيدروجين الرمادي أدناه ، لتحويل ثاني أكسيد الكربون ، وهو ضار للغاية ، إلى ثاني أكسيد الكربون.

الهيدروجين الرمادي

يتم إنتاج هذا الهيدروجين المعني من إعادة تشكيل الغاز الطبيعي أو الفحم بدون CCUS (التقاط الكربون واستخدامه وعزله). يطلق هذا الشكل من الإنتاج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، مما يساهم في الاحتباس الحراري وتغير المناخ.

تبدأ عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي ، الذي يتكون في الغالب من الميثان (CH4) ، بدخول الغاز إلى مفاعل وتلقي ترشيح مسبق لإزالة الكبريت. بعد ذلك ، يتفاعل الميثان ، بمساعدة محفز ، مع بخار الماء داخل مفاعل عند درجة حرارة عالية ، مكونًا الهيدروجين (H2) وأول أكسيد الكربون (CO). بعد ذلك ، لتحسين إنتاج الهيدروجين في العملية ، يتم إضافة محفز آخر حيث يتفاعل أول أكسيد الكربون مع البخار ويشكل ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، مما يجعل خطوة الفصل النهائية حيث يتم فصل الغازات المختلطة ويتم تخزين الهيدروجين النقي. حاليًا ، هذا هو الشكل الأكثر شيوعًا لإنتاج الهيدروجين في العالم ، ولكن لا يتم التقاط غازات الدفيئة الناتجة في العملية ، على الرغم من إعادة استخدام جزء من هذه الغازات في عملية التسخين.

الهيدروجين الأزرق

يتم إنتاج الهيدروجين الأزرق عن طريق إعادة تشكيل الوقود الأحفوري ، تمامًا مثل اللون الرمادي ، ولكن يتبع العملية التقاط وتخزين الكربون المنبعث في هذه العملية. يُعرف باسم "غاز منزوع الكربون" أو "غاز منخفض الكربون" ويعتبره البعض مصدرًا نظيفًا للطاقة. هناك جدل في هذا الصدد ، حيث أن تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه ليست دائمًا خالية من المشاكل البيئية.

يتم إنتاج هذا الهيدروجين المحدد من الوقود الأحفوري والغاز الطبيعي (بشكل أساسي عن طريق طريقة الإصلاح) ، ولكن في هذه الحالة تحدث طريقة CCUS (التقاط الكربون واستخدامه وعزله).

تتكون عملية CCUS من تخزين الكربون باستخدام سوائل مع محفزات محددة والتي ، بعد التسخين ، تطلق الغاز ؛ أو يوجد ببساطة احتجاز لثاني أكسيد الكربون (CO2) مباشرة. في كلتا الحالتين يتم نقل ثاني أكسيد الكربون عبر خطوط الأنابيب إلى جيوب التخزين تحت الأرض ("المدفونة") أو تخزينها للنقل. يمكن لبعض الصناعات الاستفادة من هذا الغاز ، مثل صناعة الأسمدة والصناعات الكيماوية وصناعة وقود الميثانول.

الهيدروجين الوردي

يتم إنتاج الهيدروجين الوردي من التحليل الكهربائي للماء باستخدام الطاقة النووية. التحليل الكهربائي للماء هو التحلل الكيميائي للماء (H.₂O) توليد منتجات الأكسجين (O₂) والهيدروجين (H₂) ، عن طريق تطبيق تيار كهربائي (طاقة) على الماء. في هذه الحالة المحددة ، يأتي التيار الكهربائي من طاقة المفاعلات النووية.

المفاعلات النووية هي محطات كهروحرارية ، أي وحدات تولد الطاقة عن طريق تسخين المياه ، ولكنها تستخدم الطاقة العالية الناتجة عن التفاعلات التي تحدث في نوى الذرات كمصدر للطاقة لهذا التسخين. هناك طريقتان لإنتاج الطاقة النووية ، من خلال الانشطار أو الاندماج النووي. اليوم فقط الانشطار النووي قابل للتطبيق تجاريًا ، وعادة ما يستخدم ذرات اليورانيوم المشعة. هناك بحث متقدم في جعل الاندماج النووي قابلاً للتطبيق تجاريًا ، وفي عام 2022 كانت هذه هي المرة الأولى في التاريخ التي كان من الممكن فيها تحقيق توازن طاقة إيجابي في هذه العملية. يمكن أن يكون لهذا النوع من الطاقة عدة تطبيقات ، خاصة توليد الطاقة الكهربائية.

اليورانيوم ، بدوره ، هو مورد محدود ، على الرغم من وجود احتياطيات كبيرة من هذه المادة ، مما يعني أن الهيدروجين من مصدر الطاقة هذا غير متجدد. على الرغم من النقطة الإيجابية المتمثلة في عدم إنتاج غازات ملوثة في الغلاف الجوي ، إلا أنه لا تزال هناك مخاطر كبيرة ، سواء من النفايات المشعة الناتجة عن عملية الانشطار الضارة بالطبيعة ، والخطر الذي يجلبه مصنع في هذا القطاع (على سبيل المثال) خطر التسرب). إذا أصبح الاندماج النووي ممكنًا في المستقبل ، فلن تكون هذه المشاكل موجودة.

هيدروجين الفيروز

يتم إنتاجه من خلال الانحلال الحراري للميثان من الغاز الطبيعي ، وهو نفسه يستخدم كمصدر للطاقة للعملية الحرارية. بقاياها هي الكربون الصلب (الفحم) ، وهذا هو السبب في أنها تعتبر إنتاجًا خاليًا من الانبعاثات.

ينشأ الهيدروجين الفيروزي مع دخول الميثان (CH4) إلى مفاعل يتم تسخينه إلى أكثر من 1000 درجة مئوية (مئوية) ، والذي يعمل من خلال استخدام الطاقة من مصادر متجددة. في وقت لاحق ، داخل المفاعل ، يحدث الانحلال الحراري (الانقسام بالحرارة) للميثان ، مما ينتج عنه الكربون الصلب ، أو الفحم ، (C) والهيدروجين (H2). في الخطوة الأخيرة ، يتم جمع الهيدروجين في صورة غاز في الجزء العلوي من المفاعل ويخرج المنتج الثاني (الفحم) من خلال الجزء السفلي من المفاعل في صورة صلبة ، مما يجعل تخزينه أبسط. يطلق بعض الخبراء على هذا الهيدروجين "هيدروجين منخفض الكربون".

الهيدروجين الأصفر

ينتج عن طريق التحليل الكهربائي للماء مع الطاقة لتنفيذ العملية القادمة من أي مصدر متاح.

مثل الهيدروجين الوردي ، يتم إنتاج الهيدروجين الأصفر أيضًا من التحليل الكهربائي للماء باستخدام الكهرباء. التفاضل في تلوين H2 هذا هو مصدر الطاقة المستخدمة في التحليل الكهربائي ، أو في الواقع "مصادر الطاقة" ، بعد كل شيء ، يتم إنتاج هذا الهيدروجين بمزيج من الطاقات من مصادر مثل مصادر الطاقة المتجددة والوقود الأحفوري ، وهذا غير ممكن لتتبع مصدر الطاقة المستخدمة. تأتي هذه الطاقة من شبكات النظام الوطني المترابط ، والذي يتم توفيره من خلال عدة أنواع من مصادر الطاقة. لذلك ، لا يعتبر هذا الهيدروجين نظيفًا ومتجددًا.

هيدروجين أبيض

يوجد هذا النوع من الهيدروجين في شكله الطبيعي ، كغاز حر ، إما في طبقات القشرة القارية (جيوب الغاز) ، في قاع القشرة المحيطية ، في الغازات البركانية ، في السخانات أو في الأنظمة الحرارية المائية. الهيدروجين الطبيعي / الأبيض موجود في مجموعة واسعة من التكوينات الصخرية والمناطق الجيولوجية. ينشأ من مجموعة متنوعة من المصادر الطبيعية مثل أصل التوليد (أكسدة الحديد) في الأحواض الرسوبية ، والتحليل الإشعاعي (التحليل الكهربائي الطبيعي) أو النشاط البكتيري ، وأيضًا من المصادر القلوية التي تحتوي على انبعاثات ثنائي الهيدروجين (2H2) ، من بين أشكال أخرى.

عادة ما يتم استغلال الهيدروجين الأبيض عن طريق طرق الحفر الأرضية. ولكن في الوقت الحالي ، لا توجد العديد من الاستراتيجيات والخطط لاستغلال هذا النوع من الهيدروجين ، حيث أن "الألوان" الأخرى أكثر فائدة وعملية يمكن الحصول عليها واستخدامها.

طحلب الهيدروجين

تتم عملية التغويز ، في حالة الكتلة الحيوية ، على 4 مراحل: الأولى هي التجفيف ، حيث تفقد الكتلة الحيوية المياه المحتجزة ؛ في المرحلة الثانية ، يتم استخدام الانحلال الحراري لبدء تحلل الكتلة الحيوية وإعدادها للمرحلة التالية ؛ في المرحلة الثالثة ، يتم احتراق هذا المنتج ؛ وفي المرحلة الرابعة ، يتم تقليل المادة ، حيث يتفاعل الكربون والهيدروكربونات من الوقود المستخدم جزئيًا مع الأكسجين وينتج عنه أول أكسيد الكربون (CO) ، وهو مادة ضارة للغاية ، وغاز الهيدروجين (H2). تتم هذه العملية في درجات حرارة عالية جدًا ، من 900 درجة مئوية.

يمكن تحويل خليط الغاز هذا ، الذي تم إنتاجه في الخطوة الرابعة ، لاحقًا إلى لا شيء أكثر من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون (CO2) عن طريق إضافة البخار والتفاعل على محفز في مفاعل إزاحة غاز الماء ، مما يسهل استخدام تقنية الغاز. CCUS ، إذا يتم تضمينه في العملية.

الهيدروجين الأخضر

ينتج أيضا من التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الكهرباء وكذلك الوردي والأصفر. في هذه الحالة ، يجب أن تأتي الكهرباء المستخدمة في العملية بالضرورة من مصادر متجددة لا تنبعث منها غازات الدفيئة ، وخاصة الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الشمسية. إنه أنظف بديل لإنتاج الهيدروجين ، لأنه خالٍ من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (GHG) ، وبالتالي فقد تلقى دعمًا قويًا من الحكومات والشركات في جميع أنحاء العالم.

لذلك ، يُعتقد أن الهيدروجين الأخضر هو أحد "وقود المستقبل" ، حيث يمكن استخدامه في العديد من التطبيقات التي يصعب اليوم إزالة الكربون منها ، مثل الفولاذ والأسمنت والأسمدة والزجاج وغيرها ، مثل وكذلك وقود بديل للمركبات والطائرات والسفن.

لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه حيث يمثل الهيدروجين الأخضر حاليًا نسبة صغيرة من سوق الهيدروجين العالمي ولم يعد مجديًا اقتصاديًا بعد. ومع ذلك ، على غرار ما حدث مع إدخال مصادر الطاقة المتجددة في مصفوفة الطاقة ، فإن الاتجاه هو أن يتم تقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر لأنه يكتسب وفورات الحجم ويصبح عملية أكثر أمانًا ونضجًا من وجهة نظر من وجهة نظر تكنولوجية ومالية.