وقد كانت صناعة النفط منذ زمن طويل حجر الزاوية في إمدادات الطاقة العالمية، والنقل بالطاقة، والصناعة التحويلية، وغير ذلك من القطاعات، ومع ذلك فإن هذه الهيمنة تأتي بتكلفة بيئية متزايدة، حيث أن انبعاثات غازات الدفيئة من استخراج الطاقة، والارتقاء بها، والحرق تسهم إسهاما كبيرا في تغير المناخ، وفي مواجهة ذلك، فإن هذا القطاع يخضع لتدقيق شديد من جانب أجهزة التبريد والمستثمرين والجمهور في إزالة انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون.

فهم الهيدروجين كفيولا

إن الهيدروجين هو العنصر الأبسط والوافي في الكون، ولكن على الأرض، فإنه يربط دائما تقريبا بمركبات مثل الماء (H2O) أو الهيدروكربونات، ولإستخدام الهيدروجين كوقود، يجب استخراجه من خلال العمليات الكيميائية، ويمكن عندئذ حرق الغاز الهيدروجين الناتج مباشرة أو تحويله إلى كهرباء عن طريق خلايا الوقود، وتكون كثافة الطاقة الجاذبية فيها ثلاث مرات تقريباً من حيث الحجم الكيميائي، أي كمية من الوقود.

ولا يُنشأ كل الهيدروجين على قدم المساواة، فالأثر البيئي يعتمد اعتماداً كبيراً على كيفية إنتاجه، إذ تستخدم الصناعة نظام تصنيف قائم على اللون:

  • Grey hydrogen] – produced from natural gas via steam methane reforming (SMR) without capturing the CO2 emissions. It is the most common and cheapest form but still generates significant greenhouse gases.
  • Blue hydrogen] — similar to grey hydrogen but coupleed with carbon capture and storage (CCS) to comp the CO2. This reduces emissions by up to 90%, though it still relies on fossil fuels and leaves residual emissions and methane leakage concerns.
  • Green hydrogen] – produced by electrolysis of water using renewable electricity (solar, wind, hydropower), It is completely carbon-free but currently more expensive than grey or blue hydrogen.
  • Turquoise hydrogen] - made via methane pyrolysis, which divides natural gas into hydrogen and solid carbon (rather than CO2). It remains in early development but could offer a lower-carbon alternative without CCS.

وبالنسبة لصناعة النفط، فإن الاختيار بين طرق الإنتاج هذه يتوقف على تكاليف الطاقة الإقليمية، والهياكل الأساسية المتاحة، وسياسات تسعير الكربون، وعلى الحاجة الملحة لأهداف خفض الانبعاثات، ويُتوقع من خبراء كثيرين أن تصبح الهيدروجين الأخضر منافسة من حيث التكلفة مع الهيدروجين الأزرق بحلول عام 2030، مدفوعاً بانخفاض أسعار الكهرباء المتجددة ورفع مستوى صناعة الكهرباء.

التطبيقات الرئيسية للهيدروجين في عمليات البترول

تنقيح وتجهيز المواد الكيميائية

(الهيدروجين) هو بالفعل وسيط أساسي في مصافي النفط، يستخدم في الهيدروجين لإزالة الكبريت والنيتروجين، وقطع أخرى من أجزاء النفط الخام، وفي التتبع الهيدروجيني لكسر الجزيئات الهيدروكربونية الثقيلة إلى أخف، والمنتجات الأكثر قيمة مثل الديزل ووقود الطائرات، ومعظم هذه الهيدروجينات تنتج في الموقع من الغاز الطبيعي، مما يولد انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون.

توليد الطاقة وهوية الطاقة

العديد من مرافق النفط تعمل في محطات توليد الطاقة الخاصة بها والمغليات لتوليد الكهرباء والبخار من أجل عمليات التكرير، وضخ الأنابيب، وعمليات الحفر، وترميم الغاز الطبيعي مع الهيدروجين في توربينات الغاز أو المغليات، أمر ممكن من الناحية التقنية، على الرغم من أنه يتطلب تعديلات على أجهزة الحرق وغرف الاحتراق لمعالجة مختلف سرعة اللهب وخصائص الاحتراق.

النقل واللوجستيات

كما أن صناعة النفط تحرك كميات هائلة من النفط الخام والمنتجات المحسنة والمواد الكيميائية عن طريق الشاحنات والسككك الحديدية والسفن والأنابيب، كما أن خلايا الوقود الهيدروجينية المستخدمة في شاحنات ثقيلة الاستخدام في السوقيات ذات الفتحة القصيرة والطويلة المدى، كما أن بعض الشركات تقوم بالفعل بنشر شاحنات وقود الهيدروجين من أجل تسليم الوقود السائب، كما أن أجهزة التسرب المزودة بالهيدروجين والسفن التي يتم اختبارها.

العمليات المتعلقة بُعد وخارج البحر

ويعتمد العديد من أجهزة الحفر، ومنابر الإنتاج، والمرافق النائية على مولدات الديزل بالنسبة للطاقة، وتتناسب خلايا وقود الهيدروجين بشكل جيد مع هذه التطبيقات خارج الشبكة لأنها هادئة وفعالة ولا تنتج سوى المياه، وقد أظهرت عدة مشاريع رائدة وجود خلايا وقود على منابر خارجية وفي محطات رصد الأنابيب النائية، وفي حين أن التحدي يكمن في إيصال الهيدروجين إلى هذه المواقع النائية، فإن كثافة الطاقة العالية في خيار التوزيع المضغوط أو السائل هيدروجين تجعله قابلة للبقاء.

مزايا الهيدروجين لقطاع النفط

  • Deep decarbonization potential:] Hydrogen combustion produces no carbon dioxide or particulate matter, helping refineries and production facilities meet tightening emissions regulations and net-zero targets.
  • كثافة الطاقة العالية: محتوى الطاقة الهيدروجينية لكل كتلة وحدة (حوالي 120 ميغاغرام/كغ) يتجاوز بكثير محتوى الغاز الطبيعي (55 ميغاغرام/كغ) أو البنزين (44 ميغاغرام/كغ)، مما يسمح بتخزين المزيد من الطاقة ونقلها.
  • Versatility:] Hydrogen can serve as a fuel, a chemical feedstock, and an energy storage medium. It can be converted to electricity via fuel cells or burned for heat, making it adaptable to nearly every energy need in oil operations.
  • Synergy with existing infrastructure:] Natural gas pipelines, storage hydrorns, and burner technology can often be adapted for hydrogen use with modifications, reducing the need for entirely new systems.
  • Integration with renewable energy:] Excess renewable electricity can be used to produce green hydrogen via electrolysis, effectively storing renewable energy and smoothing the intermittency of wind and solar. This hydrogen can then power refinery operations when renewables are scarce.
  • Job creation and economic opportunity:] Developing hydrogen production, storage, and distribution networks creates new supply chains and skilled jobs, particularly in regions with strong oil and renewable energy industries.

التحديات الحاسمة أمام التبني

ورغم هذه المزايا، فإن انتشار اعتماد الهيدروجين في صناعة النفط يواجه عقبات تقنية واقتصادية ولوجستية كبيرة.

تكاليف الإنتاج

ولا تزال الهيدروجينات الغراية هي أرخص خيار اليوم، حيث تبلغ تكاليف الإنتاج نحو ١-٢ لكل كيلوغرام، وتزيد الهيدروجين الأزرق من ٥,٠ دولار إلى ١ دولار للكيلوغرام الواحد بسبب معدات وعقوبات الطاقة في كل من ثاني أكسيد الكربون، وتكلف الهيدروجين الأخضر حاليا ٤-٦ دولارات للكيلوغرام، على الرغم من انخفاض أسعار الكهرباء والطاقة المتجددة المنخفضة التكلفة، مما يتوقع أن يصل إلى ٥,١ دولار إلى ٣ دولارات للكيلوغرام بحلول عام ٢٠٣٠.

التخزين والنقل

وتعاني الهيدروجين من كثافة حرارية منخفضة جداً، مما يعني أنه يتطلب كميات كبيرة من مخزون الطاقة الكبيرة، ويمكن الضغط عليه إلى 700 بار لدبابات المركبات أو مصفوفة عند - 253 درجة مئوية للتخزين بالجملة، وكلتاهما كثيفة الطاقة ومكلفة، وتواجه الخلايا تحديات من تذبذبذب الهيدروجين - ضعف المعادن بسبب انتشار الهيدروجين - الذي يتطلب تغييراً خاصاً في المواهب.

بناء الهياكل الأساسية

إن إنشاء بنية تحتية شاملة للهيدروجين - من محطات الإنتاج إلى خطوط الأنابيب، وكهوف تخزين، ومحطات لتزود الوقود، ومعدات الاستخدام النهائي - يبقى بعيدا عن بعض المجموعات الصناعية، وسيتطلب بناء هذه الهياكل الأساسية عقودا من الاستثمار والتنسيق فيما بين الحكومات وشركات الطاقة ومقدمي التكنولوجيا، وصناعة النفط، مع شبكات خط الأنابيب الموجودة لديها، والأصول النهائية، في وضع قوي لإعادة استخدام بعض تلك الهياكل الأساسية، ولكن تكلفة إعادة استخدامها لا تزال مرتفعة أو إعادة بنائها.

السلامة والتصور العام

فالهيدروجين قابل للاشتعال بدرجة كبيرة ولديه نطاق واسع من القابلية للاشتعال (4-74 في المائة في الهواء) كما أنه لا يبشر بالخير ولا لون ويحرق بشعلة شبه مرئية، مما يجعل اكتشاف التسرب أكثر صعوبة من الغاز الطبيعي، وفي حين أن الصناعة قد عالجت الهيدروجين في المصافي على نحو آمن منذ عقود، فإن الانتشار العام الأوسع سيتطلب تحديث مدونات الأمان والتدريب والتعليم العام، وقد تؤدي الحوادث التي تنطوي على الهيدروجين، وإن كانت نادرة، إلى تقويض الثقة بسرعة.

المياه واستخدام الموارد

ويستهلك إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحلل الكهربائي حوالي 9 لترات من المياه لكل كيلوغرام من الهيدروجين، وفي المناطق التي تجهز المياه، يمكن أن يتنافس ذلك مع الاحتياجات الأخرى، غير أن تكنولوجيات تحلية المياه أو تنقية المياه يمكن أن تخفف من ذلك، وأن الاستهلاك العام للمياه متواضع بالمقارنة مع العديد من العمليات الصناعية الأخرى، وبالإضافة إلى ذلك، فإن المواد الكهروزرية مثل الإيريديوم والبلاتينوم نادرة والمكلفة، وإن كان البحث في مجالات تحفيزية البديلة يمضي قدما.

المبادرات الحالية واعتماد الصناعة

ولا تنتظر صناعة النفط على هامش المشروعات، وقد أعلنت شركات النفط والغاز الرئيسية عن مشاريع الهيدروجين الطموحة التي تحشد خبراتها الحالية في مجال مناولة الغاز على نطاق واسع، وعمليات خط الأنابيب، وإدارة المشاريع.

  • The H2H Saltend project] (UK) — led by Equinor, this project aims to build a blue hydrogen production facility with CCS at the Saltend Chemicals Park, supplying hydrogen to industrial users and potentially for blending into the local gas grid.
  • (شيل) مصفاة (رينلاند) (ألمانيا) - شيلي تبني 10 ميغاواط من طراز PEM لإنتاج الهيدروجين الأخضر لعمليات المصفاة، مع خطط لزيادة إلى 100 ميغاواط. وهذا المشروع جزء من طموح (شيل) الأوسع ليصبح تجارة الطاقة الصافية الانبعاثات بحلول عام 2050.
  • بي بي بي بي يطور محور هيدروجين في تيسايد، ويشمل كل من الأخضر (التحليل الكهربائي) والزرقاء (الطبيعي مع محطات الهيدروجين المزودة بجهاز CCS)
  • وزارة الطاقة الأمريكية هيدروجين شوت - تهدف وزارة الطاقة إلى خفض تكلفة الهيدروجين النظيف إلى 1 دولار لكل كيلوغرام بحلول عام 2031، وحفز مشاريع البحث والعرض في جميع أنحاء البلد، ويشارك العديد من الجهات الفاعلة في صناعة النفط في محاور الهيدروجين الإقليمية التي يمولها قانون البنية التحتية في بيبارتاسان.
  • Mitsubishi Heavy Industries and others] are developing large-scale turbines capable of burning 100% hydrogen for power generation, which could be deployed at refinery cogeneration plants.

وبالإضافة إلى مشاريع الشركات، يجري إدماج الهيدروجين في التعاون الدولي في مجال الطاقة، كما أن مجلس الهيدروجين، وهو مبادرة عالمية من جانب قادة الطاقة والصناعة، يضم العديد من شركات النفط، وينشر بانتظام نسق الطرق لنشر الهيدروجين، كما تقوم الوكالة الدولية للطاقة بتتبع التقدم الذي يحرزه الهيدروجين في الاستعراض السنوي [(FLT:0]) العالمي للهيدروجين .]

التوقعات المستقبلية وخرائط الطريق

وسيتكشف مسار انتشار اعتماد الهيدروجين في عمليات النفط على مراحل، ففي الأجل القريب (2025-2030)، من المرجح أن تهيمن الهيدروجين الأزرق على أن تكون تكنولوجيا ثاني أكسيد الكربون وتخزينه نابعة من مجموعات صناعية قائمة، ومن المتوقع أن تتناقص تكاليف الهيدروجين إلى أنابيب الغاز الطبيعي واستخدامه في سخانات الصرافة ومغليها أكثر شيوعا، ومن المتوقع أن ترتفع المشاريع الرائدة في مجال الهيدروجين الأخضر، وأن ترتفع التكاليف الكهربائية.

وبحلول عام 2035، يتوقع أن تصبح الهيدروجين الأخضر منافساً من حيث التكلفة مع الهيدروجين الأزرق في العديد من المناطق، ولا سيما تلك التي لديها موارد متجددة وفرة، وستربط خطوط أنابيب الهيدروجين المخصَّصة ومستودعات الكهوف المالحة مراكز الإنتاج بالمصافي والنباتات البتروكيميائية، وستبدأ الشاحنات والسفن العاملة بالهيدروجين بدخول الأسطول التجاري، وستوفر نظم خلايا الوقود الطاقة الاحتياطية في المرافق النائية.

ففي الفترة بين 2040 و2050، يمكن أن يوفر الهيدروجين حصة كبيرة من الطاقة والمخزونات الوسيطة في صناعة النفط، وسيدعم الانتقال بتسعير الكربون ومعايير حافظة الطاقة المتجددة والولايات الحكومية المتعلقة بالوقود المنخفض الكربون، وفي حين أن الهيدروجين لن يحل كل تحدي، كما أن الشحن الطويل الأجل قد يعتمد أكثر على الوقود الاصطناعي أو البطاريات التي ستشكل أداة لا غنى عنها في إزالة انبعاثات الكربون.

وتشمل العوامل الرئيسية التي تتيح هذا المستقبل مواصلة البحث في التحلل الكهربائي المتطور (الأكسيد الموحَّد، ومرنات تبادل الأنيون)، ومواد محسنة لتخزين الهيدروجين (هيدرويدز الميكانيكي، ونانووب الكربون)، وبروتوكولات السلامة الموحدة.() وستؤدي التجارة الدولية في الهيدروجين ومشتقاته (الآيميونيا، والميثانول) دوراً أيضاً، حيث ستؤدي البلدان ذات الهيدروجين النظيف المنخفض التكلفة للطاقة المتجددة إلى المستهلكين الصناعيين.

خاتمة

فالهيدروجين يوفر مساراً عملياً وملحاً لصناعة النفط لتقليل آثارها البيئية دون التخلي عن خدمات الطاقة الحرجة التي يوفرها، وبزيادة الهياكل الأساسية القائمة، والخبرة الهندسية، والاندماج في مصادر الطاقة المتجددة، يمكن للصناعة أن تنتقل من مصدر رئيسي إلى قائد في الطاقة النظيفة، ويمكن أن تصبح التحديات - التكلفة، والهياكل الأساسية، والسلامة، والحجم - حقيقية ولكن غير قابلة للتعقيم، مع استمرار الاستثمار، ودعم السياسات، والابتكار التكنولوجي، حجر الزاوية.