مزايا وعيوب الهيدروجين الأخضر

كتبه ليفي نالدي دو إسبيريتو سانتو وآنا بياتريس بيريرا سانتوس في مارس 2023

يعتبر Green Hydrogen (H2V) أحد البدائل الناشئة الرئيسية ذات الخصائص المستدامة وإمكانية استبدال الوقود الأحفوري في مختلف قطاعات الاقتصاد. يتم إنتاجه من خلال التحليل الكهربائي للماء ، وهي عملية مكثفة في الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. لذلك ، من الممكن الحصول على وقود لا ينبعث منه غازات الدفيئة في كل من عمليات الإنتاج والاستخدام ، على عكس الوقود الأحفوري ، المسؤول عن جزء كبير من هذه الانبعاثات.

يمكن استخدام Green Hydrogen بمرونة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، مثل قطاعي النقل بالمركبات الخفيفة والثقيلة ؛ توليد الطاقة وتخزينها وفي القطاعات الصناعية.

في الوقت الحالي ، يواجه العالم حاجة متزايدة لمصادر طاقة نظيفة ومتجددة لمكافحة تغير المناخ وتلبية الطلب المتزايد على الطاقة. يمكن أن تلعب H2V دورًا مهمًا في هذا التحول ، وتعتبر هذه اللحظة هي الأنسب للاستثمار في إنتاجها واستخدامها.

من المهم الإشارة إلى أن عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر تختلف عن العمليات التي تم تنفيذها في الغالب حتى الآن من قبل الصناعة لإنتاج الهيدروجين ، حيث تستخدم هذه المصادر الأحفورية ، مثل الغاز الطبيعي والفحم ، التي تنبعث منها غازات الاحتباس الحراري. في عملية إنتاجهم.

بهذا المعنى ، من المهم مقارنة سلسلة قيمة الهيدروجين بأكملها من أجل الحصول على تقييم لمزايا وعيوب الأنواع المختلفة من التقنيات لإنتاج واستخدام ناقل الطاقة هذا.

إنتاج

بلغ الطلب العالمي على الهيدروجين 94 مليون طن (طن متري) في عام 2021 ، مما يدل على زيادة الطلب بنسبة 5 ٪ عن العام السابق ، مدفوعًا بشكل أساسي باستعادة النشاط في قطاع الكيماويات والتكرير. بالإضافة إلى ذلك ، تجاوز الطلب على الهيدروجين الحد الأقصى التاريخي البالغ 91 مليون طن الذي تم الوصول إليه في عام 2019. ولكن معظم هذا الطلب تمت تلبيته عن طريق الهيدروجين المنتج من الوقود الأحفوري ، مع تأثيرات ضارة على البيئة (وكالة الطاقة الدولية ، 2022).

حاليًا ، يعد إنتاج الهيدروجين ، المستخدم في الغالب في القطاعات الكيميائية والبتروكيماوية ، مسؤولاً عن أكثر من 900 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (مثل الهيدروجين الرمادي والهيدروجين الأسود). بالمقارنة مع H2V ، الذي يحتوي على صفر المنبعين من CO₂ في إنتاجه ، يلاحظ أن إحدى الخطوات الأولى ستكون اقتراح بديل لهذه القطاعات لاستخدام الهيدروجين النظيف.

تتطور تكنولوجيا إنتاج H2V ، لكنها لا تزال تواجه حاجز النضج التكنولوجي واكتساب الحجم. في الشكل 1 ، يُلاحظ أنه عند مقارنته بعمليات الإنتاج الأخرى ، يتمتع الهيدروجين الأخضر بكفاءة مماثلة لـ Gray Hydrogen [1] [3].

الشكل 1: مقارنة الكفاءة بين تقنيات الحصول على الهيدروجين

مصدر: فقدان سلامة تقنيات الهيدروجين: مراجعة نقدية، 2021

تعد الاستثمارات في مشاريع البحث والتطوير الجديدة التي تهدف إلى تطوير تقنية إنتاج الهيدروجين الأخضر أحد الحلول للتغلب على حاجز النضج التكنولوجي. بهذا المعنى ، ووفقًا لبيانات من (وكالة الطاقة الدولية ، 2022) ، فقد شهد التمويل العام للبحث والتطوير في مجال الهيدروجين أكبر زيادة سنوية له في عام 2021 ، بزيادة قدرها 35٪ مقارنة بعام 2020. تلقت تقنيات الهيدروجين حوالي 5٪ من إجمالي ميزانية البحث والتطوير. لتقنيات الطاقة النظيفة وكانت الدول الأوروبية هي المساهم الرئيسي في هذه الزيادة.

عند مقارنة تكاليف الإنتاج ، لا يزال Green Hydrogen ذو قيمة عالية جدًا مقارنة بالرمادي ، على سبيل المثال. بالإضافة إلى العوامل المذكورة سابقًا للنضج التكنولوجي ونقص مكاسب الحجم ، والتي تؤثر على حصة رأس المال من الإنتاج ، يرتبط هذا السعر المرتفع أيضًا بتوافر التوليد من مصادر متجددة وقبول الصناعات. ومع ذلك ، كما هو مبين في الشكل 2 ، في المدى المتوسط ​​، فرض الضرائب على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون₂ والتقدم في تكنولوجيا الإنتاج ، وضع Green Hydrogen في موقع أكثر فائدة من الناحية الاقتصادية من حيث تكلفة الإنتاج.

الشكل 2: مقارنة التكلفة بين Green Hydrogen x Gray Hydrogen

مصدر: إعادة التفكير في الطاقة ، 2022

مع الأخذ في الاعتبار كفاءة الإنتاج الحالية لأنواع الهيدروجين ، يمكننا القول أن Green لا يزال غير قابل للتطوير مثل Gray. لكن ميزة المساهمة بشكل كبير في إزالة الكربون ، مع الأخذ في الاعتبار أنه يمكن استخدام كليهما لنفس الاستخدامات النهائية ، تشير إلى أهمية تطوير تقنيات الهيدروجين الأخضر في أسرع وقت ممكن. التأكيد على أهمية هذا الشكل / المصدر الجديد للطاقة للتخفيف من تغير المناخ وآثاره.

التخزين / النقل

يمكن تخزين الهيدروجين ونقله باستخدام صهاريج محملة بالشاحنات ، ومع ذلك ، بالإضافة إلى كونه إجراءً خطيرًا ، نظرًا لأنه منتج شديد التقلب وقابل للاشتعال ، فإنه يتمتع بكفاءة منخفضة جدًا عند مقارنته بنقل مصادر الطاقة الأخرى. يحدث هذا لأن الهيدروجين له كثافة طاقة حجمية منخفضة جدًا. على سبيل المثال ، لنقل طاقة تعادل 10 لتر من الديزل ، الموجودة في شاحنة ، هناك حاجة إلى 11 شاحنة بوزن 300 كجم من H2 المضغوط.

لذلك ، من بين عوامل أخرى ، من المثير للاهتمام وجود إنتاج هيدروجين متجدد بالقرب من مكان الاستخدام. ومع ذلك ، من الممكن القول أنه سيكون من الصعب نشر هذا النوع من النماذج لمعظم الاستخدامات النهائية. وهكذا تم تقديم بعض البدائل للتخزين في الخزانات وهي: التسييل والتخفيف في الغاز الطبيعي وإضافة الأمونيا.

لا يعد خيار تخزين ونقل الهيدروجين في شكله السائل فعالاً للغاية لأنه تقنية معقدة نسبيًا ويمكن أن تولد تكاليف تركيب عالية ، بالإضافة إلى الحاجة إلى عمليات إضافية لتسييل الهيدروجين. ومع ذلك ، فإنه لا يزال مجالًا للدراسة يتمتع بإمكانية إجراء تحسينات كبيرة في التقنيات المستخدمة ، مما قد يزيد من كفاءة هذا النوع من التخزين ويقلل من تكاليف العملية.

هناك خيار آخر لنقل الهيدروجين وهو عن طريق خطوط أنابيب الغاز ، والتي من خلالها يكون المؤشر هو بناء هيكل جديد وحصري لـ H2 ، كما يتم تنفيذه ، لا يزال في المرحلة الأولية ، في الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا وهولندا وفرنسا وبلجيكا. ومع ذلك ، يعتبر هذا بديلاً مكلفًا ، لذلك يُقترح جعل نقل الهيدروجين ممكنًا من خلال إعادة استخدام الشبكة الحالية لنقل الغاز الطبيعي. يمكن القول في مرحلة الدراسة الأولية أن خليط الهيدروجين مع الغاز الطبيعي آمن ، ويعتمد تركيز كل مادة على التطبيق ، بتركيز 10٪ هيدروجين في الحجم الكلي يعتبر آمنًا ، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3. التسامح المقبول لبعض مكونات البنية التحتية للغاز

المصدر: إيرينا. تفصيل طاقة الغاز

يُنظر إلى تجميع الهيدروجين إلى الأمونيا كخيار آخر قابل للتطبيق ، حيث إنه قادر على الحفاظ على كميات كبيرة من الطاقة لفترة طويلة ، مما يجعل هذا النوع من النقل بديلاً مثيرًا للاهتمام لمسافات طويلة ، بالإضافة إلى البنية التحتية المدمجة الموجودة بالفعل من أجل هذا النوع من النقل.

يستخدم

سيكون أحد التطبيقات الرئيسية للهيدروجين في قطاع التنقل ، حيث تم استخدامه كوقود منذ بداية القرن التاسع عشر في وسائل النقل المختلفة ، مثل السيارات والمناطيد والمركبات الفضائية. حاليًا ، يمكن استخدام خلايا وقود الهيدروجين (FVECs) في السيارات والشاحنات والحافلات لتشغيل المحركات الكهربائية ، مما يوفر بديلاً للوقود الأحفوري. ومع ذلك ، في النقل البري ، لا تزال المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أكثر كفاءة وتطورًا من المركبات الكهربائية العاملة بالبطاريات. من ناحية أخرى ، من الممكن ملاحظة الانتشار السريع لـ FCEVs ، خاصة في الشاحنات الثقيلة. بالإضافة إلى ذلك ، فهو مصدر متعدد الاستخدامات للطاقة ويمكن استخدامه للأغراض الصناعية وتخزين الطاقة. [6]

في الصناعة ، سيكون أحد التطبيقات الرئيسية للهيدروجين في إنتاج الأمونيا والميثانول والمنتجات الكيميائية الأخرى. في هذا السيناريو ، باستخدام الهيدروجين الأخضر ، يمكن لهذه الصناعات أن تقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون. يمثل هذا الاستخدام تحديات تقنية منخفضة نسبيًا عند مقارنته باستبدال الوقود ، لأنه لا يغير العملية التي تم تنفيذها بالفعل ، بل يغير فقط مصدر إنتاج الهيدروجين المستخدم.

استخدام آخر للهيدروجين الأخضر هو تخزين الطاقة. هذا ممكن لأنه يمكن ضغط الهيدروجين وتخزينه بسهولة وبالتالي استخدامه لتخزين الطاقة المتجددة الزائدة المتولدة خلال فترات انخفاض الطلب. يمكن استخدام الطاقة المخزنة لتكملة إنتاج الطاقة خلال فترات ارتفاع الطلب ، مما يقلل الحاجة إلى مصادر الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري ، والتي تلعب هذا الدور حاليًا.

مزايا H2 Verde عن الأنواع الأخرى:

1. لا تصدر غازات الدفيئة أثناء إنتاجها أو استخدامها ، على عكس الوقود الأحفوري.
2. يمكن إنتاجه من مصادر الطاقة المتجددة ، من خلال التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.
3. يمكن استخدامه بمرونة في مجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك نقل الطاقة وتوليدها وتخزينها.
4. يمكن استخدامه في المركبات التي تعمل بالهيدروجين ، مثل القطارات والسفن والطائرات ، مما يزيل انبعاثات الملوثات الجوية أثناء النقل.
5. يمكن استخدامه في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء وتخزينه للاستخدام المستقبلي.
6. يمكن استخدامه كمواد خام للصناعات الكيماوية والبتروكيماوية والأدوية والأسمنت والصلب ، لتحل محل الوقود الأحفوري وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

عيوب H2 Green:

فيما يلي عيوب الهيدروجين الأخضر بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى.

1. لا يزال لديها تكلفة إنتاج عالية عند مقارنتها بمصادر الطاقة الأخرى ، ويرجع ذلك أساسًا إلى النضج التكنولوجي المنخفض الذي ينطوي عليه إنتاجها.
2. لاستخدامها كبديل للوقود الأحفوري ، مثل البنزين أو الديزل ، ستحتاج صناعة السيارات إلى التكيف مع استخدام الهيدروجين ، بالإضافة إلى وجود خيارات أخرى ، مثل السيارة الكهربائية ، والتي يمكن استخدامها كبديل.
3. تؤدي الكثافة المنخفضة للهيدروجين ، سواء في الحالة السائلة أو الغازية ، إلى كثافة طاقة منخفضة. إثبات أن الهيدروجين ، في شكله النقي ، ليس وسيلة جيدة لنقل الطاقة.

التحديات

بالإضافة إلى العيوب المذكورة أعلاه ، هناك أيضًا تحديات في تنفيذ Green Hydrogen لا ترتبط بالضرورة بالمقارنة بين مصادر الطاقة ، وهي:

1. البنية التحتية الحالية لتخزين وتوزيع الهيدروجين محدودة.
2. يتطلب إنتاج الهيدروجين الأخضر مصادر طاقة كهربائية متجددة ، والتي لا تزال أقل توفرًا في بعض مناطق العالم.
3. لا تزال هناك تحديات تقنية لزيادة كفاءة إنتاج الهيدروجين وتخزينه.
4. لا يزال المجتمع يخشى استخدام الهيدروجين لارتباطه بالقنابل والتفجيرات النووية.
5. لا يزال إنتاج الهيدروجين الأخضر غير قابل للتطوير بدرجة كافية لتلبية الطلب العالمي على الطاقة.

6 أسباب لماذا حان الوقت الآن للاستثمار في Green Hydrogen:

1. الحاجة المتزايدة إلى مصادر طاقة نظيفة ومتجددة لمكافحة تغير المناخ وتلبية الطلب العالمي المتزايد على الطاقة.
2. يمتلك Green Hydrogen القدرة على لعب دور مهم في التحول إلى اقتصاد منخفض الكربون كبديل للوقود الأحفوري.
3. تطورت تقنية إنتاج الهيدروجين الأخضر بشكل كبير في السنوات الأخيرة ، مع احتمالات أن تصبح أكثر سهولة وقابلة للتطبيق اقتصاديًا.
4. الضغط المتزايد من الحكومات والمجتمع للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحقيق الأهداف المناخية.
5. الحاجة إلى مصادر طاقة مرنة وقابلة للتطوير لتلبية الطلب على الطاقة ، خاصة لتطبيقات نقل الطاقة وتخزينها.
6. تزايد الطلب على حلول النقل النظيفة والفعالة بسبب زيادة الوعي بأهمية الاستدامة والصحة العامة.

_______________________________________________________________________

[1] سانتوس وآنا وإسبريتو سانتو وليفي. أشكال إنتاج الهيدروجين. ميتسيدي. 2023. متاح على: https://mitsidi.com/as-formas-de-producao-de-hidrogenio/

[2] شروتينبور ، ألبرت هـ وآخرون. نظام طاقة الهيدروجين الأخضر: استراتيجيات التحكم المثلى لتخزين الهيدروجين المتكامل وتوليد الطاقة باستخدام طاقة الرياح. 2022. متاح على: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122006323

[3] أوستولين ، فيديريكو. فقدان سلامة تقنيات الهيدروجين: مراجعة نقدية. المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين ، العدد 45 ، 10.1016 يونيو 2021. متاح على: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319920321583؟ref=pdf_download&fr=RR-2&rr=7b648398ff7ca5d3

[4] أعد التفكير في الطاقة. متاح على: https://rethinkresearch.biz/product/rethink-energy/

[5] مورغان ، هاري. لماذا ستخفض ديناميكيات السوق متوسط ​​سعر الهيدروجين الأخضر إلى 1.50 دولار / كجم بحلول عام 2023. تعبئة رصيد. 2022. متاح على: https://www.rechargenews.com/energy-transition/opinion-why-market-dynamics-will-reduce-the-average-price-of-green-hydrogen-to-1-50-kg بحلول عام 2030 / 2-1-1292801

[6] الهيدروجين. IEA. 2022. متاح على: https://www.iea.org/reports/hydrogen

[7] الهيدروجين. IEA. 2021. متاح على: https://www.iea.org/fuels-and-technologies/hydrogen

[8] لاكيردا ، نايلل. تحديات تخزين ونقل الهيدروجين على نطاق واسع. طاقة الغاز. 2021. متاح على https://gasenergy.com.br/os-desafios-da-armazenagem-e-transporte-de-hidrogenio-em-larga-escala/

[9] إبيردولا. الهيدروجين الأخضر: بديل لتقليل الانبعاثات والعناية بكوكبنا. متاح على: https://www.iberdrola.com/sustentabilidade/hidrogenio-verde