وقد اعتبر الهيدروجين منذ وقت طويل ناقلا للطاقة واعدا للمستقبل، إذ أن خصائصه الفريدة تسمح له بتخزين الطاقة ونقلها بكفاءة عالية، مما يجعلها عنصرا قيما في نظم التوزيع الحديثة والمقبلة، وبما أن الاقتصاد العالمي ينتقل إلى مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية، فإن الهيدروجين يمكن أن يؤدي دورا حاسما في تحقيق التوازن بين العرض والطلب، مما يتيح إزالة انبعاثات كبيرة من المواد الكربونية في القطاعات التي يصعب كهربتها مباشرة.

Why Hydrogen Matters in Energy Distribution

ويمر نظام الطاقة العالمي بتحول أساسي، إذ تتطلب مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة آليات مرنة للتخزين والتوزيع لضمان استقرار الشبكة، حيث توفر الهيدروجين حلاً بتحويل فائض الكهرباء المتجددة إلى طاقة كيميائية قابلة للخزن، ويمكن بعد ذلك إطلاق هذه الطاقة المخزنة من خلال خلايا الوقود أو الاحتراق لتوليد الكهرباء أو الحرارة أو نقل الطاقة، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة، يمكن أن تشكل الهيدروجين 10 في المائة من إجمالي الاستهلاك النهائي للطاقة بحلول عام 2050 في سيناريوه.

مزايا الهيدروجين كناقل للطاقة

كثافة الطاقة العالية

ويمتلك الهيدروجين كثافة طاقة غير قياسية تبلغ نحو 120 ميغاغرام/كغ، أي ما يقرب من ثلاث مرات من كمية البنزين، وهذا المحتوى العالي من الطاقة لكل كتلة من وحدات الطاقة يجعل الهيدروجين أكثر كفاءة من حيث النقل البعيد المدى والخدمة الثقيلة حيث يكون الوزن شاغلا، وعندما يضغط على 700 بار، يمكن للهيدروجين أن يخزن طاقة أكبر لكل كيلوغرام من أي بطارية تقليدية، رغم أن كثافة الحجم لا تزال أقل من الوقود الأحفوري السائل.

دال - القدرة على العمل في مختلف القطاعات

وفيما عدا توليد الكهرباء، فإن الهيدروجين يمثل وسيطاً لإنتاج الأمونيا، والارتقاء، وصنع الصلب، والصناعات الكيميائية، ويمكن أن يختلط بالغاز الطبيعي في خطوط الأنابيب الحالية للحد من انبعاثات الكربون من عمليات التدفئة والصناعية، وفي النقل، توفر خلايا الوقود الهيدروجينية إمدادات سريعة للوقود، ونطاقاً طويلاً للشاحنات الثقيلة والحافلات والقطارات وحتى السفن البحرية، مما يجعل الهيدروجين أداة شاملة لعدة قطاعات لإبطال الكربون.

صفر الانبعاثات عند نقطة الاستخدام

وعندما يستهلك الهيدروجين في خلية الوقود، يجمع بين الأكسجين لإنتاج الماء والكهرباء فقط - ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النيتروز أو السوكس أو الجسيمات، وهذه السمة الصفرية ذات قيمة خاصة بالنسبة لجودة الهواء الحضري والتطبيقات الداخلية، وإذا كان الهيدروجين ينتج من مصادر متجددة (الهدروجين الأخضر)، فإن دورة الحياة بأكملها يمكن أن تكون قريبة من الكربون المحايد، وتدعم الأهداف المناخية دون الاتجار بملوث آخر.

قدرات التخزين المرنة

ويمكن تخزين الهيدروجين بأشكال متعددة: الغاز المضغط في خزانات عالية الضغط (350-700 بار)، أو السائل المبرد عند -253 درجة مئوية، أو المربوط كيميائياً في الأمونيا، أو ناقلات الهيدروجين العضوية السائلة، أو الهيدروجينات المعدنية، وهذه الخيارات تتيح تخزين الهيدروجين لأيام أو أسابيع أو حتى مواسم، مما يجعله مطابقاً لنظم الطاقة الحالية.

التحديات في توزيع الهيدروجين

رغم وعده، الانتشار الواسع النطاق لتوزيع الهيدروجين يواجه عقبات كبيرة، هذه التحديات يجب أن تعالج من خلال التكنولوجيا والسياسات والاستثمار لفتح كامل إمكانات الهيدروجين.

تنمية الهياكل الأساسية

(ب) إنشاء شبكة توزيع الهيدروجين يتطلب نفقات رأسمالية ضخمة؛ ويجب بناء خطوط الأنابيب أو إعادة تجهيزها من خطوط الغاز الطبيعي (بتعديلات على تركيب الهيدروجين والتسرب) كما يلزم بناء مرافق التخزين ومحطات التعبئة وأجهزة الوقود على نطاق واسع؛ وفي الوقت الراهن، فإن البنية التحتية المكرَّسة للهيدروجين تقتصر أساساً على المجموعات الصناعية المتجددة.() ووفقاً لتقرير 2023 مقدم من Hydrogen Europe

تكاليف الإنتاج والكفاءة

أما الهيدروجين الأخضر الذي ينتج عن الكهرباء المتجددة فهو حالياً أكثر تكلفة من ثاني أو ثلاث مرات من الهيدروجين الرمادي من الغاز الطبيعي (مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون) أما التكلفة المخفضة للهيدروجين الأخضر فهي عادة ما تتراوح بين 4 و7 دولارات للكيلوغرام الواحد مقابل 1 و2 دولار للكيلوغرام بالنسبة للهيدروجين الرمادي، وتستأثر الكهرباء بنسبة 50 إلى 70 في المائة من تكلفة الإنتاج، مما يجعلها أقل تكلفة في الطاقة المتجددة.

الشواغل المتعلقة بالسلامة والتصور العام

فالهيدروجين قابل للاشتعال بدرجة كبيرة، حيث يتراوح نطاق قابلية الارتحال بين 4 و74 في المائة في الهواء، وطاقة الإشعال المنخفضة، ونظراً لأن اللهب فيها يكاد يكون غير مرئي ولا يبشر بالصدر، فإن نظم الكشف والتهوية الموحدة عن التسرب، وفي حين أن تفرق الهيدروجين بسرعة في الهواء الطلق، فإن الاحتواء في الأماكن المغلقة يتطلب تصميما دقيقا، وقد عالجت صناعة النفط والغاز بأمان بروتوكولات الهيدروجينية على مدى عقود في المصافي، ولكن القبول العام للبناء.

خسائر النقل والمخزون

ويستهلك الضغط على 700 بار حوالي 10-15 في المائة من محتوى الطاقة الهيدروجينية، ويفقد التكتل حوالي 30 إلى 40 في المائة بسبب الطاقة المطلوبة للتبريد، ويتسبب النقل البري في انخفاض الضغط والتسرب المحتمل (الجزيئات الهيدروجينية هي الأصغر، مما يجعلها عرضة للهروب) وتخفض هذه الخسائر من كفاءة النظام وتضيف التكاليف، وترمي الابتكارات في المواد وتكنولوجيا العزل إلى التقليل من هذه الخسائر.

الابتكارات والتوقعات المستقبلية

التطور السريع في التكنولوجيا والسياسات وتطورات السوق لمواجهة تحديات الهيدروجين، من المرجح أن يشهد العقد القادم انجازات تقلل كثيراً من التكاليف وتحسن السلامة والكفاءة.

تكنولوجيات الإلكترولزر المتطورة

وهناك نوعان من أنواع الكهربة الرئيسية تهيمن على السوق: الكملين وكمبرونات البورتون (PEM) والكهرباء الكهرمائية الصلبة (SOEC) وأجهزة الإلتهاب المغناطيسي (AEM) آخذة في الظهور، مما يوفر كفاءة أعلى وتكاليف أقل، وتهدف مبادرة الولايات المتحدة لإدارة الطاقة الهيدروجينية في الرش إلى خفض تكلفة إنتاج الطاقة الكهروجينية إلى 1 كغم في عام 2031.

شبكة إعادة استخدام الأنابيب والشبكات الجديدة

(ب) إن مشغلي شبكات الغاز يختبرون خلايا تصل إلى 20 في المائة من الهيدروجين في أنابيب الغاز الطبيعي، وفي المملكة المتحدة، أثبت مشروع هايدروفي بنجاح أنبوب الهيدروجين في شبكة الغاز العام تصل إلى 20 في المائة، ويجري التخطيط لأنابيب الهيدروجين المخصَّصة في مجموعات صناعية، مثل العمود الفقري H2 في أوروبا (المبادرة الأوروبية بشأن الهيدروجين خلفي)

التخزين تحت الأرض: سُلط قفيرنز، وبحوزة، ومخازن مستنفدة

ويُعتبر تخزين الهيدروجين على نطاق واسع في التكوينات الجيولوجية الجوفية أمراً عملياً وجذاباً اقتصادياً، حيث إن كهوف الملح، على وجه الخصوص، تقدم معدلات مرتفعة لحقن/سحب وتسرب منخفض، كما أن مشاريع مثل هايستوك في هولندا ومستودع الطاقة النظيفة المتقدم في أوتاه (التي يمكن أن تخزن 300 جي وه من الطاقة النظيفة) هي مشاريع رائدة في هذا النهج، ويمكن أن يُعيق هذا التخزين التقلبات الأسبوعية في الإمداد المتجددة.

نظم الطاقة المتجددة المتكاملة

دور الهيدروجينات كعبء مرن يمكن أن يعزز اقتصاد الطاقة المتجددة عندما تولد الطاقة الزائدة يمكن للكهرباء أن تعمل لإنتاج الهيدروجين الذي يخزن ويستخدم لاحقاً لتوليد الطاقة أو الحرارة الصناعية هذا النظام المعروف باسم الطاقة إلى الغازات يسمح بتقليص حجم الطاقة وموازنة الشبكات

الابتكارات والأنظمة المتعلقة بالسلامة

وتحسن تكنولوجيات الاستشعار الجديدة، بما في ذلك أجهزة الكشف عن الألياف الضوئية والنانو - الهوائية، الكشف عن التسرب، وتخفض الدبابات المركبة ذات خطوط متقدمة ومقاومة التأثير المخاطر، وتخفض المعايير الدولية لمراكز تجديد الوقود الهيدروجيني (ISO 19880) وصهاريج المركبات (ISO 19881) تطورت، وفي اليابان، كانت أول برامج للوقود المختلط المزودة بأجهزة وقبوذينة كهربائية تساعد على اختبار قواعد بيانات تجارية واسعة النطاق.

Global Projects and Policy Momentum

ستُعلن الحكومات في جميع أنحاء العالم عن استراتيجيات الهيدروجين الطموحة، وتستهدف استراتيجية الهيدروجين للاتحاد الأوروبي 40 جي دبليو من الطاقة الكهرومغناطيسية بحلول عام 2030، وتستهدف اليابان أن تصبح مجتمعاً مائياً، مع خطط لاستيراد الهيدروجين المسيّل من أستراليا وبروني، ويُتوخى أن يُخفض حجم خطّة طريق الاقتصاد الهيدروجيني في كوريا الجنوبية إلى 15 جي دبليو من الطاقة الكهربائية بحلول عام 2040.

خاتمة

ويبشر الهيدروجين بأكبر قدر من الوعود باعتباره ناقل طاقة نظيفة وكفؤة لنظم التوزيع في المستقبل، وفي حين أن التحديات من قبيل تكاليف الهياكل الأساسية وكفاءة الإنتاج والسلامة لا تزال كبيرة، فإن التطورات التكنولوجية الجارية ومستويات الاستثمار غير المسبوقة تغلق بسرعة هذه الثغرات، وتسمح قابلية الهيدروجين للتشريد من القطاعات التي لا يمكن للكهرباء وحدها الوصول إليها، والنقل الطويل الأجل، وتخزين الطاقة الموسمية في المستقبل، إلى جانب الهياكل الأساسية الكهربائية المباشرة.