Hydrogen Blending: A Pragmatic Pathway to Decarbonizing Natural Gas Power

فقطاع الطاقة العالمي يقف عند مفترق طرق حرجة، ففي حين أن مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية آخذة في التوسع بسرعة، يظل الغاز الطبيعي حجر الزاوية لتوليد الكهرباء بسبب موثوقيته وقدرته على تحقيق التوازن بين تقلبات الشبكة، غير أن حرق الغاز الطبيعي يُطلق ثاني أكسيد الكربون بدرجة كبيرة، وهو عامل رئيسي لتغير المناخ، كما أن توليد الطاقة الكثيفة في محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية يوفر استراتيجية انتقالية تُعزز الهياكل الأساسية القائمة لتقليل الانبعاثات في الوقت نفسه.

ويكتسب هذا النهج مشقته في جميع أنحاء العالم، حيث تستكشف الحكومات والمرافق ومؤسسات البحوث أفضل السبل لإدماج الهيدروجين في مزيج الطاقة، ووفقاً ل ]، يمكن أن يؤدي تزييف الهيدروجين دوراً رئيسياً في جهود إزالة الكربون في الأجل القريب، ولا سيما في المناطق ذات البنية التحتية الواسعة النطاق للغاز الطبيعي، وهذه المادة توفر نظرة متعمقة على التطبيقات الحقيقية التي يمكن أن تدمج في المستقبل،

ما هي هي الهيدروجين بليند؟

ويُعدّ تكتل الهيدروجين ممارسة مزج الغاز الهيدروجيني بالغاز الطبيعي قبل تسليمه إلى محطات توليد الطاقة أو المرافق الصناعية أو المستخدمين النهائيين، ثم يُدمج الغاز المختلط في الأربينات أو المغليات أو نظم الدراجات المشتركة لتوليد الكهرباء أو الحرارة، ويُعد محتوى الهيدروجين، الذي يُعبر عنه كنسبة مئوية من الحجم أو محتوى الطاقة، يتراوح عادة بين 5 في المائة و 20 في المائة في المشاريع التجريبية الحالية، رغم أن بعض النظم المتقدمة قد اختبرت مزيجاً.

العلم خلف العشب

أما الغاز الطبيعي فهو يتألف أساساً من الميثان )الثاني عشر( وعندما يحترق الميثان، فإنه يتفاعل مع الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والمياه )ه٢ أ(. ومن ناحية أخرى، فإن الميدروجين لا ينتج سوى بخار الماء، ومن خلال الاستعاضة عن جزء من الميثان بالهيدروجين، فإن مجموع ثاني أكسيد الكربون المنبعث من كل وحدة من وحدات الطاقة يولد نقصاً متناسباً.

ومن الضروري إدارة نسبة المزيجات بعناية للحفاظ على التشغيل الآمن والفعال، إذ أن التوربينات الغازية المصممة للغاز الطبيعي يمكن أن تستوعب في كثير من الأحيان نسب الهيدروجين المنخفضة دون إدخال تعديلات كبيرة، ونظراً إلى أن زيادة حصة الهيدروجين قد تتطلب رفع مستوى المصابيح الكهربائية، وغرف الاحتراق، ونظم التحكم لمعالجة التفاعل الأعلى وسرعة اللهب في الهيدروجين، فإن هذا التكييف التقني هو أحد الأسباب التي تجعله يُنظر إليه كخيار جذاب في الأجل القريب.

فوائد الإقراض الهيدروجيني

ويتيح تزييف الهيدروجين عدة مزايا قاهرة تجعله أداة استراتيجية لخفض الانبعاثات من محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية.

خفض الانبعاثات في حالة الكربون فورا

(أ) بالنسبة لكل نقطة مئوية من الهيدروجين المنزف إلى الغاز الطبيعي، فإن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الاحتراق تهبط بنسبة مئوية واحدة تقريباً، على افتراض أن الهيدروجين ينتج من مصادر منخفضة الكربون (مثلاً، التحلل الكهربائي الذي تولده مصادر الطاقة المتجددة أو الغاز الطبيعي المحتوي على الكربون) (ويمكن أن يقلل إنتاج الهيدروجين بنسبة تتراوح بين 7 و10 في المائة من ممرات توليد الطاقة الحرارية).

Leveraging Existing Infrastructure

وتمثل أنابيب الغاز الطبيعي ومرافق التخزين ومعدات توليد الطاقة مئات البلايين من الدولارات في الاستثمار العالمي، ويتيح مزيج الهيدروجين إعادة استخدام هذه الهياكل الأساسية بدلا من ربطها، ويمكن لمشغلي الخطيب ومالكي النباتات أن يبدأوا في التزحلق بأقل قدر من النفقات الرأسمالية، مما يجعلها نقطة دخول فعالة من حيث التكلفة لاستخدام الهيدروجين، ويتجنب هذا النهج أيضا فترات الرصاص الطويلة ويتيح التحديات المرتبطة ببناء نظم جديدة تماما مصممة على الهيدروجين.

جسر الوقود من أجل الانتقال في الطاقة

وفي حين أن الهدف النهائي للعديد من المناطق هو شبكة متجددة تماما أو ذات قدرة نووية، فإن تشابك مصادر الطاقة المتجددة يعني أن محطات الوقود الأحفوري التي يمكن إرسالها ستظل ضرورية لسنوات قادمة، ويتيح مزيج الهيدروجين وسيلة لتطهير هذه النباتات تدريجيا، حيث أن سلاسل إنتاج الهيدروجين الخضراء قد ارتفعت وتخفض التكاليف، فإن النسبة المئوية للنزف يمكن أن تزيد، مما يتيح في نهاية المطاف لمصانع الطاقة أن تدار على 100 في المائة من الهيدروجين.

دعم إنتاج الهيدروجين

ويخلق الإقراض طلبا مبكرا على الهيدروجين، وهو أمر حاسم في خفض تكاليف الإنتاج، وبدون اتفاقات الاستيلاء على الهيدروجين المنخفض الكربون، يواجه المنتجون مشكلة دجاج وزجاج: فكلما زاد من ردع المشترين، والافتقار إلى المشترين يحول دون خفض التكاليف من خلال وفورات الحجم، ويمكن لمولدات الطاقة أن تكون بمثابة زبائن متجانسين لمصانع الهيدروجين، مما يعجل بمستوى التعلم من أجل التحلل الكهربائي، وإصلاح تكنولوجيات البخار الميثين الأخرى،

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من وعدها بأن تذويب الهيدروجين ليس رصاصة فضية، ويجب التصدي للعديد من التحديات التقنية والاقتصادية والمتعلقة بالسلامة من أجل تحقيق الاستراتيجية كامل إمكاناتها.

مسارات إنتاج الهيدروجين وكثافة الكربون

وتتوقف فوائد الاختلاط من الانبعاثات على الطريقة التي يتم بها إنتاج الهيدروجين، وقد يؤدي الهيدروجين المستخرج من الغاز الطبيعي دون الحصول على الكربون (الهدروجين الصخري) إلى زيادة الانبعاثات الإجمالية عند النظر في سلسلة الإمداد الكاملة، لأن إنتاج البخار الميثان من ثاني أكسيد الكربون هو وحده الهيدروجين الأخضر (من الكهرباء باستخدام الكهرباء المتجددة)، والهيدروجين الأزرق (من الغاز الطبيعي إلى احتجاز الكربون وتخزينه)، أو غير ذلك من الوسائل المنخفضة الكربون (مثلاً، التحلل الحراري).

المقارنات المادية والتركات

فالهيدروجين هو أصغر جزيئات موجودة، مما يجعله عرضة للتسرب من خلال الفقمات والصمامات وحتى بعض المعادن، وفي الأنابيب ومكونات محطات توليد الطاقة، يمكن أن يسبب الهيدروجين ازدهارا في الفولاذ العالي الارتداد، مما يؤدي إلى كسر وهبوط الحياة في الخدمة، وفي حين أن العديد من خطوط أنابيب الغاز الطبيعي القائمة مصنوعة من الفولاذ التي يمكن أن تتسامح مع النسب المنخفضة من الهيدروجين (تحت درجة أعلى من 10 إلى 15 في المائة).

الديناميات الكمائية وتعديلات توربين

إن التنويم الهيدروجيني يحرق بسرعة وبدرجات حرارة أعلى من الميثان، مما قد يؤثر على أداء التربين ويزيد من انبعاثات أكسيد النيتروجين، ولإدارة هذه الآثار، يتطلب الكثير من التوربينات الغازية تحسين نظم الاحتراق، مثل حزمة الحرق المكثفة أو اللافقارية المصممة للوقود الغنية بالهيدروجين.

القدرة الاقتصادية على تحمل التكاليف الهيدروجينية

وتكلف الهيدروجين الأخضر حاليا أكثر من غاز طبيعي بمقدار مرتين إلى ثلاث مرات على أساس معادلة للطاقة، وحتى مع تسعير الكربون أو الإعانات، فإن المزلاج يزيد تكلفة الوقود لمشغلي محطات توليد الطاقة، وقد تصبح الكهرباء المولدة أكثر تكلفة، مما قد يقلل من القدرة التنافسية مع مصادر نظيفة أخرى مثل الرياح والطاقة الشمسية، وغالبا ما تعتمد المشاريع الرائدة على المنح الحكومية أو إيرادات التعويض الكربوني لسد الفجوة، حيث أن تكاليف الكهرباء التي تنجم عن انخفاض الطاقة الكهربائية وتصبح الطاقة المتجددة أرخص،

النسب المثلى للبيع

ويُعد إيجاد النسبة المئوية الصحيحة من قبيل الموازنة، إذ أن ارتفاع نسب الهيدروجين تخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ولكنها تزيد من التحديات والتكاليف التقنية، وتسهل تنفيذ النسب المئوية المنخفضة، ولكنها تعرض تخفيضات محدودة في الانبعاثات، وتشير البحوث الحالية إلى أن مزيجاً يتراوح بين 10 و20 في المائة حسب الحجم هو نقطة انطلاق عملية بالنسبة لمعظم الهياكل الأساسية القائمة، وتتوقف النسبة المثلى على خصائص خط الأنابيب المحلية، وأنواع التوربين، والنقاء الهيدروجين، والقيود التنظيمية.

دراسات الحالة والمشاريع الرائدة

وتقدم عدة مبادرات لتجميع الهيدروجين في جميع أنحاء العالم بيانات قيمة عن الجدوى التقنية والآثار التشغيلية.

مشروع هايدبروف (المملكة المتحدة)

وقد نجح مكتب هيدبروف، وهو تعاون بين شركة " كيد غاس " وجامعة كيلي، في إظهار مزيج من الهيدروجين بنسبة 20 في المائة في شبكة خاصة من الغاز الطبيعي تخدم المنازل ومصنع الطاقة، ولم يتوصل المشروع الذي امتد من عام 2019 إلى عام 2022 إلى أي آثار سلبية على الأجهزة أو الأنابيب أو السلامة، وأكد أن الهياكل الأساسية القائمة يمكن أن تعالج هذا الخليط دون إدخال تعديلات كبيرة، مما يمهد الطريق إلى توسيع نطاق الانتشار في شبكة الغاز في المملكة المتحدة.

SoCalGas Hydrogen Blending Demonstration (United States)

وكانت شركة كاليفورنيا الجنوبية للغاز (SoCalGas) تختبر المزيج الهيدروجيني في مرافق خط الأنابيب التابعة لها بالشراكة مع وزارة الطاقة، ويهدف هذا العرض إلى تقييم التوافق المادي، وكشف التسرب، وبروتوكولات السلامة بالنسبة للمزاهرات حتى 20 في المائة، وكانت النتائج المبكرة مشجعة، دون ملاحظة أي مسائل هامة، ويدعم المشروع أهداف كاليفورنيا لخفض انبعاثات غازات الدفيئة بنسبة 40 في المائة دون مستويات عام 1990 بحلول عام 2030.

محطة هاونوفر للغاز الطبيعي (ألمانيا)

وفي ألمانيا، بدأ تشغيل محطة توليد الطاقة ذات الدراجة المشتركة في هانوفر بمزيج الهيدروجين في عام 2021، وتستخدم المفاعل، الذي تملكه ستادرجك هانوفر، الهيدروجين من مروج كهربائي مجاورة تعمل بتربينات الرياح، وقد خفضت خليط الهيدروجين بنسبة 10 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 500 3 طن سنويا، وهو جزء من محور إقليمي أكبر للهيدروجين يخطط لزيادة المزلاج إلى 20 في المائة بحلول عام 2025.

التوقعات المستقبلية والإمكانيات المحتملة

إن تكتل الهيدروجين ليس حلا دائما، بل هو تكنولوجيا انتقالية تكمل استراتيجيات أعمق لتطهير الكربون، ومع توسع الطاقة الكهربائية المتجددة، سيصبح إنتاج الهيدروجين عن طريق التحلل الكهربائي أرخص وأكثر توافرا، ويمكن لمصانع الطاقة أن تزيد تدريجيا حصة الهيدروجين، وأن تصل في نهاية المطاف إلى 100 في المائة إذا كانت التوربينات مصممة لتشغيل الهيدروجين النقي.

تحسين الهياكل الأساسية وتوحيدها

ويتطلب التوسع في الاختلاط اتخاذ إجراءات منسقة في جميع قطاعات صناعة الغاز، كما أن معايير الحد من امتزاز الهيدروجين، وبروتوكولات السلامة، وأساليب القياس تقوم بتطويرها منظمات مثل المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس واللجنة الأوروبية لتوحيد المقاييس، ويجب على مشغلي الخط الحاسوبي أن يستثمروا في كشف التسرب، واستعادة الضغط، والاختبار المادي، ويمكن للحكومات أن تدعم هذه الجهود من خلال تمويل مشاريع إرشادية وأطر تنظيمية تركز على السلامة.

سائقو السياسات والتنظيم

ويعد تسعير الكربون ومعايير الوقود المتجددة والإعانات المقدمة لإنتاج الهيدروجين من أهم مقاييس السياسات العامة للتعجيل بالاختلاط، ويتضمن قانون الولايات المتحدة لخفض التضخم ائتماناً ضريبياً لإنتاج الهيدروجين (45V) يمكن أن يجعل من الطاقة الكهرمائية الخضراء قادرة على المنافسة، كما أن استراتيجية الاتحاد الأوروبي للهيدروجين تستهدف 40 جيغاوات من القدرة على توليد الكهرباء بحلول عام 2030، مع وجود مزيج من الهياكل الأساسية الأساسية الأساسية الرئيسية لاستيراد الغازات.

مقارنة مع خيارات أخرى لتطهير الكربون

أما تكتل الهيدروجين فهو أحد عدة استراتيجيات لتطهير الطاقة التي تطلقها الغازات، وتشمل استراتيجيات أخرى احتجاز الكربون وتخزينه، والمشاركة في الكتلة الأحيائية، والتبخير الكامل للشبكة، ويتيح الإقراض ميزة التنفيذ التدريجي، ويقلل التكلفة المرتفعة مقارنة بثاني أكسيد الكربون، غير أن ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يزيل نسبة أعلى من ثاني أكسيد الكربون من مصنع واحد (90% +) في حين أن نسبة التراكم لا تقلل من الانبعاثات إلا في إطار التوليد.

خاتمة

ويتيح تزييف الهيدروجين في محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية نهجا عمليا ومرحليا لخفض انبعاثات الكربون من البنية التحتية للطاقة الحالية، ومن خلال مزيج الهيدروجين المنخفض الكربون بالغاز الطبيعي، يمكن لمولدات الطاقة أن تحقق تخفيضات ذات مغزى للانبعاثات اليوم دون انتظار انتقال كامل إلى النظم المتجددة وحدها، وتزيد التكنولوجيا من خطوط الأنابيب والتوريبان القائمة، وتحافظ على إدارة تكاليف الطاقة، وتوفر سوقا لزيادة إنتاج الهيدروجين النظيف.

ومع ذلك، فإن التكتل وحده لا يمكن أن يحل التحدي المتعلق بالمناخ، إذ يتوقف نجاحه على توافر الهيدروجين الأخضر أو الأزرق، وعلى استمرار الاستثمار في التربينات والخطوط الأنابيب، وعلى السياسات الداعمة التي تستوعب التكاليف البيئية للوقود الأحفوري، وتثبت المشاريع الرائدة في جميع أنحاء العالم أن التكتل ممكن تقنياً ومأمون على مستويات تصل إلى 20 في المائة، وترمي البحوث الجارية إلى رفع هذه الحدود، ولكي يتمكن المهنيون الطاقة من تحقيق التوازن بين الموثوقية والإن والإن والإنثبات