إمكانية خلايا الوقود الهيدروجينية لدعم الطاقة في حالات الطوارئ

ارتفاع الكفاءة وانخفاض تكاليف التشغيل

فكل خلايا الوقود تحول الطاقة الكيميائية مباشرة إلى الكهرباء مع وجود كفاءة تتراوح بين 40 و60 في المائة بالنسبة لنظم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، مقارنة بنسبة 30 إلى 40 في المائة بالنسبة لمولدات الديزل، وعندما تُستولى على حرارة النفايات من أجل الجيل المشترك (الدفئة والطاقة المتجمعة)، يمكن أن تتجاوز الكفاءة العامة 85 في المائة، وفي حين أن تكلفة وقود الهيدروجين أعلى حاليا من الديزل، فإن خلايا الوقود تحتاج إلى صيانة أقل (لا تقل عن 000 10 ساعة من أسعار الوقود المتحرك)

الجدولة لأي طلب

وتُعد نظم خلايا الوقود الهيدروجينية نموذجية، بمعنى أن الوحدات المتعددة يمكن الجمع بينها لتلبية طلبات الطاقة من 1 كيلوواط في برج الاتصالات عن بعد إلى 10 ميغاواط في مركز بيانات كبير أو مرفق صناعي، ويتيح هذا التصعيد للمنظمات بدء تشغيل صغارها وتوسيع نطاقها مع نمو الاحتياجات، ويمكن للنظم السكنية مثل [شبكة FLT:0] Enapter توفير وحدات احتياطية ذات قاعدة واحدة، مقترنة ذات قيمة وقودية.

هدوء، عملية نظيفة

وتنتج خلايا الوقود حدا أدنى من الضوضاء؛ وتنتج أقل من 60 نقطة من علامات الوسم في متر واحد من طراز " ميترميداش " ؛ وتصنعها مناسبة للاستخدام في المستشفيات والمدارس والحي السكني دون وجود شاغلين أو جيران مقلقين؛ وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن تتجاوز مولدات الديزل 100 باء، مما يتطلب مساحات مضادة للصوت، ويحتمل أن تنتهك أوامر الصعود المحلية.

التحديات التي تواجه التبني على نطاق واسع

تخزين ونقل الهيدروجين

وتعاني الهيدروجين من كثافة حرارية منخفضة جدا، مما يعني أنه يجب الضغط على ٣٥٠-٧٠٠ بار أو مكعب عند - ٢٥٣ درجة مئوية لتحقيق كثافة تخزين عملية، وتتكون خزانات عالية الضغط من كميات كبيرة من الطاقة، بينما تتطلب الهيدروجين السائل معدات رطوبة متخصصة وتعاني من خسائر في البصمات، كما أن نقل الهيدروجين عبر الشاحنات أو خطوط الأنابيب هو أكثر تكلفة لكل وحدة من وحدات الطاقة الحالية أو الغاز الطبيعي.

تكلفة خلايا الوقود والهيدروجين

وعلى الرغم من انخفاض التكاليف، فإن نظم خلايا الوقود الخاصة بالطاقة الاحتياطية لا تزال تحمل تكلفة رأسمالية أعلى من مولدات الديزل ذات القدرة المماثلة، وتهدف وزارة الطاقة الأمريكية إلى تخفيض تكاليف النظام إلى 30 دولاراً من أجل تطبيقات النقل و50 دولاراً من دولارات الولايات المتحدة من أجل الطاقة الثابتة بحلول عام 2030، ولكن الأسعار الحالية أعلى، ولا يزال الوقود الهيدروجيني نفسه باهظ التكلفة: تكاليف الهيدروجين الخضراء تتراوح بين 4 و6 دولارات لكل كيلوغرام.

محدودية البنية التحتية للوقود

(د) أن يكون نظام دعم الهيدروجين موثوقاً به حقاً في حالات انقطاع الوقود الممتد، وأن إمدادات الوقود الهيدروجيني جاهزة، وفي الوقت الراهن، فإن شبكة محطات توليد الوقود الهيدروجينية تُنشق، ويخدم في المقام الأول أسطول مركبات كاليفورنيا الكهربائية، ويمكن أن يكون إيصال الهيدروجين إلى المناطق النائية أو المتأثرة بالكوارث تحدياً لوجستياً، وتخفف بعض المنشآت من ذلك بتخزين خزانات كبيرة ومحطات في الموقع، ولكن هذا يتطلب فضاءً وتصاريح.

طرق الإنتاج وخطابات الكربون

وفي الوقت الراهن، ينتج نحو 95 في المائة من الهيدروجين العالمي من الوقود الأحفوري (إصلاح الغاز الطبيعي أو غاز الفحم)، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون؛ وما يسمى الهيدروجين المهيمن، لجعل خلايا الوقود مستدامة حقاً بالنسبة للطاقة الاحتياطية، يجب أن تكون الهيدروجين (من التحلل الكهربائي باستخدام الطاقة المتجددة) أو (الحجم المهيدرجين الذي يرتفع فيه الكربون وتخزينه).

التطبيقات العالمية الحالية في مجال الدعم في حالات الطوارئ

مراكز البيانات

وتحتاج مراكز البيانات إلى طاقة غير متداخلة لمنع فقدان البيانات وتوقيت العمل عند التعطل، وقد قام كبار المشغلين مثل ميكروسوفت، وغوغل، وإكينكس باختبار خلايا وقود الهيدروجين كقوة احتياطية أو تكميلية، وفي عام 2020، قامت بتفادي تشغيل شبكات الطاقة بوضع نظام خلايا الوقود في مركز بيانات تابع للوقود في كارولينا الشمالية، مما يدل على استمراره.

المستشفيات ومرافق الرعاية الصحية

والمطلوب من المستشفيات أن تكون لديها قدرة احتياطية طارئة يمكن أن تبدأ في غضون 10 ثوان، ويمكن أن تلبي خلايا الوقود هذا الشرط مع توفير الطاقة النظيفة والهادئة للنظم الحرجة مثل أجهزة التهوية، والضوء الجراحي، وتخزين الثلاجات، وفي عام 2021، قام مستشفى في كونيتيكت بتركيب نظام خلايا الوقود PEM الذي يبلغ 200 كيلوواط لدعم جناح الطوارئ، مما أدى إلى خفض انبعاثات الكربون بنسبة 30 في المائة مقارنة بنسخة الديزل السابقة.

برج الاتصالات السلكية واللاسلكية

وكثيراً ما تعتمد برجات تيليكوم في المناطق النائية أو غير المستقرة على مولدات الديزل التي تحتاج إلى إعادة وقود متواتر وصيانتها، ويمكن أن تحل خلايا وقود الهيدروجين محلها بحل أكثر موثوقية، خاصة عندما تكون مقترنة بالهيدروجين المتجدد المنتجة في الموقع بواسطة الكهروولية ذات الطاقة الشمسية.() وتشغل الشركات مثل Intelligent Energy

السكن والقدرة على التكيف المجتمعي

وبالنسبة للمالكين والميكرويين المحليين، يجري إدخال نظم خلايا الوقود الهيدروجينية كمولدات احتياطية بكاملها، حيث يوفر نظام G5 الطاقة المستمرة من الهيدروجين المخزن أو يمكن ربطها بمصنع من الأمونيا لتوريد الوقود، ويستخدم العديد من المشاريع الرائدة في اليابان وألمانيا وملاجئ الشرطة المحلية كوارث وقود هيدروجينية.

مقارنة مع حلول القوة الاحتياطية التقليدية

مولدات الديزل

والمولدات الكهربائية للديزل هي المعيار الحالي للطاقة الاحتياطية نظراً لتدني تكلفتها الرأسمالية (300 دولار/كيلوواط) واتساع نطاق توافر الوقود، غير أن هناك العديد من جوانب الانكماش: ارتفاع الانبعاثات (بما في ذلك المادة الديزلية المسببة للسرطان)، والضوضاء، والهوية، والحاجة إلى الصيانة المنتظمة (تغييرات النفط، واستبدال الرش، ومعالجة الوقود لمنع نمو الطحالب).

Battery Energy Storage Systems

وتستخدم نظم بطارية الليثيوم على نحو متزايد لدعم فترة قصيرة )من ١٥ دقيقة إلى ٤ ساعات( لأنها صامتة وخالية من الانبعاثات ولديها أوقات استجابة سريعة، غير أن البطاريات مكلفة بالنسبة للاحتياطيات الطويلة الأجل )أكثر من ٦ ساعات( لأنها تتطلب أداء كبيرا من حيث القدرة وتواتر التدوير، كما أن خلايا وقود الهيدروجين، بالإضافة إلى بطارية صغيرة للاستجابة الفورية، توفر حلا فعالا من حيث التكلفة بالنسبة للخلايا المتعددة الأيام.

مولدات الغاز الطبيعي

ومولدات الغاز الطبيعي أنظف من الديزل ولكنها لا تزال تنتج ثاني أكسيد الكربون وثدي أكسيد النيتروز، وهي تحتاج إلى ربط بخط أنابيب الغاز الذي قد يتعرض للخطر أثناء الزلازل أو الكوارث الطبيعية الأخرى، وخلايا الوقود التي تعمل على إنتاج الهيدروجين لا تنتج سوى بخار مياه، وعندما تستخدم الهيدروجين المخزن، فإنها مستقلة تماما عن البنية التحتية للأنابيب، غير أن مولدات الغاز الطبيعي أرخص حالا ولديها نظام إيكولوجي أكثر نضجا للدعم.

رأس الطريق: التقدم التكنولوجي ودعم السياسات

وهناك عدة اتجاهات متقاربة لجعل خلايا وقود الهيدروجين خيارا أكثر قابلية للتطبيق بالنسبة للطاقة الاحتياطية الطارئة:

• Declining electrolyzer costs:] The cost of electrolyzers (used to produce green hydrogen) has fallen by 40% over the past five years, and with scaled manufacturing ]projected to reach $1.5/kg by 2030, green hydrogen will become cost-competit.
• Improvements in fuel cell durability:] New membrane materials and incentive designs extend fuel cell stack life to over 50,000 hours for stationary applications, reducing replacement costs.
• Government incentives:] The U.S. Department of Energy has invested billions in hydrogen hubs and the 45V tax credit. Similar programs exist in Europe, Japan, and Australia, accelerating infrastructure development.
• Integration with renewables:] Excess solar and wind energy can be used to produce hydrogen via electrolysis, storing renewable energy for weeks or months. This "power-to-gas-power" approach makes back power truly renewable.
• Standardization and safety codes:] Adoption of uniform codes for hydrogen storage and fuel cell installation (e.g., NFPA 2 in the U.S.) is reducing permitting barriers and enabling broader deployment.

وتظهر المشاريع الرائدة في جميع أنحاء العالم جدوى خلايا وقود الهيدروجين من أجل التأهب للكوارث، وعلى سبيل المثال، مشروع " القدرة على مواجهة الارتحال " في كاليفورنيا، الذي نشر مولدات خلايا الوقود في محطات الإطفاء ومراكز الإجلاء، مما يوفر طاقة احتياطية خلال مواسم إطلاق النار البرية، وفي اليابان، تقدم الحكومة الدعم لخلايا وقود الهيدروجين من أجل الدعم السكني بعد كارثة فوكوشيما، ومع نضج التكنولوجيا، من المرجح أن تصبح الهياكل الأساسية للوقود الهيدروجين حالة طوارئ.

خاتمة

ونظراً لأن خلايا الوقود الهيدروجينية توفر مزيجاً قوياً من الموثوقية والاستدامة والقدرة على التصعيد بالنسبة للطاقة الاحتياطية الطارئة، فبينما تظل التحديات قائمة؛ ولا سيما فيما يتعلق بتخزين الهيدروجين، والتكاليف، والهياكل الأساسية، والهيكل الأساسي، والتطور السريع في إنتاج الهيدروجينات وتكنولوجيا خلايا الوقود يضيق الفجوة مع الحلول التقليدية، ففيما يتعلق بالمستشفيات ومراكز البيانات وشبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية والمجتمعات التي تسعى إلى تحقيق مستويات طاقة احتياطية منخفضة الكربون، فإن خلايا الوقود هي بمثابة أهدافا الوقود هيدروجين تؤدي إلى تحقيق تقدم.