إنتاج الهيدروجين في الخارج: جبهة جديدة في الطاقة النظيفة

وتبرز مرافق إنتاج الهيدروجينات البحرية كعنصر محوري في التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة، إذ يمكن أن تتعدى هذه المرافق، عن طريق توليد الهيدروجين مباشرة في البحر باستخدام مصادر الطاقة الريحية والشمسية وغيرها من مصادر الطاقة البحرية، على العديد من القيود المفروضة على استخدام الأراضي والموارد التي تحد من المشاريع الساحلية، ويعزز هذا النهج سرعة الرياح العالية والمتسقة المتاحة على المياه المفتوحة، فضلا عن المساحة الواسعة للمحيطات، لإنتاج ).

إن المفهوم ليس نظريا فحسب، فهناك عدة مشاريع رائدة ومبادرات تجارية يجري تطويرها بالفعل في أوروبا واليابان وأمريكا الشمالية، ومع تطور التكنولوجيا، يتوقع أن تصبح الهيدروجين البحري بديلا تنافسيا من حيث التكلفة للهيدروجين القائم على الوقود الأحفوري، مما يتيح إزالة كربونية عميقة لقطاعات مثل صناعة الفولاذ وإنتاج الأمونيا والشحن البعيد المدى، وتستكشف هذه المادة التكنولوجيات الأساسية التي تؤدي إلى هذا التحول، والتحديات القائمة على التكامل،

Core Technologies Driving Offshore Hydrogen Production

ويعتمد إنتاج الهيدروجين الخارجي على مجموعة من التكنولوجيات الناشئة التي تعمل معاً لاستخلاص الطاقة المتجددة، وتقسيم جزيئات المياه، وتوريد الهيدروجين الناتج عن ذلك إلى الشاطئ، وأهم العناصر هي نظم التحلل الكهربائي المتقدمة، والجيل القادم من التوربينات العائمة، وإيجاد حلول متكاملة للطاقة الهجينة.

التحلل الكهربائي العالي الكفاءة: PEM, Alkaline, and Solid Oxide

وتتأثر عملية التحلل الكهربائي بعملية استخدام الكهرباء لتقسيم المياه إلى الهيدروجين والأكسجين، وفي البيئات الخارجية، تتأثر تكنولوجيا الكهروليت بلعوامل مثل القدرة على تحمل الهواء المالح، والقدرة على معالجة مدخلات الطاقة المتغيرة، والكفاءة على نطاق واسع. يمكن أن تعمل وحدات الصرافة الكهربائية [FEM]]

(ب) على الرغم من أن أجهزة الإلكتروليت (FLT:0)) تعمل أيضاً على تكييف تكنولوجيا أكثر نضجاً للاستخدام في الخارج، وهي توفر تكاليف رأسمالية أقل وعمر تشغيلي طويل، ولكنها تتطلب عادة مدخلات ثابتة في الطاقة، وتشتمل التصميمات الجديدة على ديدان متطورة ومحفزات تحسن من قدرتها على تحمل حمولات دينامية، مما يجعلها أكثر ملاءمة للزواج من مرحلة الرياح البحرية.

وتقوم مجموعات وشركات البحوث مثل قوة الصراف الآلي، وشركة سيمينز للطاقة، وشركة نيل هيدروجين بنشاط بتطوير أكياس بحرية يمكن أن تصمد أمام الغلاف الجوي البحري التآكلي، وتخفيض فترات الصيانة، والعمل بشكل موثوق على عمق 50 مترا أو أكثر، وقد قامت إدارة الطاقة التابعة للولايات المتحدة، على سبيل المثال، بتمويل مشاريع اختبار الطور المائيات في الخليج المدمج مباشرة مع مبادرة الخليج.

(التوربينات المزدحمة)

وتقتصر توربينات الرياح الثابتة على أعماق المياه التي تبلغ حوالي 60 مترا، مما يقيد المناطق المتاحة لمزارع الرياح البحرية. Floating wind turbines ]() ويتجاوز هذا التقييد باستخدام نظم الغوغاء ومنابر متناثرة تسمح بالتركيب في أعماق تتجاوز 200 متر.() ويفتح هذا المجال أمام مناطق المحيط الأكثر قوة حيث تكون الرياح أقوى().

والتآزر بين الرياح العائمة والتحلل الكهربائي أمر ملح بوجه خاص، ويمكن وضع وحدات التحلل الكهربائي مباشرة على منصة العائمة، مما يزيل الحاجة إلى كابلات طاقة تحت سطح البحر مكلفة لنقل الكهرباء إلى الشاطئ، وبدلا من ذلك ينتج البرنامج الهيدروجين المحلي، الذي يُضغط ويخزن على الشبكة المائية أو يُنقل عبر خط الأنابيب، وهذا الشكل " من الريح إلى الهيدروجين " يقلل من خسائر النقل الكهربائي وتتجنب التراكم.

وتشمل الابتكارات الرئيسية في الرياح العائمة برامج شبه مصغرة، وبويارات سائلة، ومنابر توتر، لكل تصميم مبادلات من حيث الاستقرار، والتكلفة، وسهولة الصيانة، ويجري حالياً تحقيق أفضل النماذج التي تستخدمها الاضطرابات، مثل الـ 15 MW Vestas V236، في التطبيقات العائمة، مما يؤدي إلى تناثر اللويث التي تخضع للسيطرة الراسية، وإلى إعادة توزيع الطاقة الكهربائية.

نظم الطاقة المتكاملة: الرياح، والسولار، والهاجين المخزن

ولا يمكن لأي مصدر متجدد واحد أن يوفر طاقة غير متداخلة، ولذلك فإن مرافق الهيدروجين الموجودة في المناطق البحرية تعتمد على نظم الطاقة المتكاملة ] التي تجمع بين الرياح والطاقة الشمسية وتخزين الطاقة من أجل تيسير الإمداد، فمثلاً يمكن تركيب ألواح كهربية عائمة على منصة احتياطية أو على منظومات منفصلة لاحتجاز ضوء الشمس خلال فترات منخفضة.

وتُعدّل حمولات الكهرباء وتدير عمليات التخزين في الوقت الحقيقي، وتُحدّد هذه النظم التكلفة المتردية للهيدروجين عن طريق تحقيق التوازن بين الإنفاق الرأسمالي ودورات الصيانة وتقليص الطاقة، وتُدمج أيضاً وحدات تحلية المياه العذبة التي تنتج الطاقة المتجددة.

وتقوم شركات مثل شركة ليفي (فرنسا) وشركة نبتون للطاقة (هولندا) بتشغيل منصات تجريبية للهيدروجين البحرية تبين هذا النهج المتكامل، وتجمع مشاريعها بين التوربينات الريحية والصفوف الشمسية وتخزين الطاقة تحت الماء والكهرباء على متنها لإنتاج الهيدروجين على مدار الساعة، مع فائض الطاقة المخزونة كهيدروجين مضغط للاستخدام في وقت لاحق.

تخزين وضغط ونقل الهيدروجينات البحرية

إن إنتاج الهيدروجين في الخارج هو نصف التحدي فحسب؛ ويجب تخزين الغاز بأمان ونقله إلى المستعملين النهائيين بكفاءة؛ وهناك تكنولوجيات عديدة آخذة في الظهور لمعالجة هذه العقبات اللوجستية.

تخزين وضغط على نظام " بلاتفور "

Hydrogen has a low volumetric energy density, so it must be compressed to high pressure (typically 350-700 bar) or liquefied to reduce transportation volume. On offshore platforms, advanced compressors designed for hydrogen service are being deployed, using magnetic bearings, hermttleetic seals, and pressure materials resistant to hydrogen

وبالنسبة للتصفح، يمكن تركيب محطات التبريد الصغيرة الحجم على المنصات، وتبريد الهيدروجين إلى -253 درجة مئوية. وفي حين أن شحن الهيدروجين السائل الكثيف للطاقة يبسط الشحن ويضاعف كثافة التخزين، فإن مشروع سوسو ليتييه الياباني، على سبيل المثال، يقوم بتطوير ناقلات هيدروجين السائلة التي ستتلقى في نهاية المطاف الهيدروجين من المرافق البحرية في أستراليا والشرق الأوسط.

Pipelines vs. Shipping

ويمكن نقل الهيدروجين من الشاطئ إلى الشاطئ عن طريق خطوط أنابيب مخصصة أو عن طريق السفن، كما أن الخطيب مثالي للمسافات القصيرة (حتى بضع مئات من الكيلومترات) والتدفقات المستمرة العالية، كما أن المواد الجديدة من خطوط الأنابيب، مثل الفولاذ ذو المحتوى المنخفض من الكربون ومعاطف مقاومة للتآكل، يجري اختبارها لخدمة الهيدروجين، كما أن الارتفاع الهيدروجين إلى أنابيب الغاز الطبيعي القائمة يجري استكشافها كمقياس انتقالي قدره ١٠ في المائة.

وبالنسبة للمسافات الأطول أو المواقع النائية، فإن الشحن الهيدروجيني ] يوفر المرونة، ويمكن للسفن أن تحمل الهيدروجين كغاز مضغط أو سائل أو في شكل أمونيا (ناقل الهيدروجين) ويسهل تخزين الأمونيا ونقلها في ضغوط متوسطة ويمكن صدها إلى الهيدروجين في الوجهة، وتخضع عدة طرق تجريبية لتطوير مراكز الإنتاج الخارجية.

ألف - الجوانب الاقتصادية والبيئية

ويسفر اعتماد التكنولوجيات الناشئة في إنتاج الهيدروجينات البحرية عن فوائد متعددة تحسن حالة الأعمال التجارية وتخفض آثار الكربون.

خفض التكاليف التشغيلية

(ب) إن دراسة أجرتها الوكالة الدولية للطاقة المتجددة مشاريع " رصد الطاقة الكهربائية على مستوى المناطق الساحلية " التي تستخدمها الوكالة الدولية للطاقة المتجددة، والتي تُستخدم فيها الطاقة الكهرمائية المتدنية (LCOH) من الرياح البحرية يمكن أن تنخفض إلى أقل من 2 دولار لكل كيلوغرام بحلول عام 2030، مما يجعلها قادرة على المنافسة مع بيئة مائية مصغرة.

كفاءة الطاقة العليا

ومن خلال الوصل الكهربائي في مواقع مشتركة مع توليد الطاقة المتجددة، يتم القضاء على خسائر النقل الكهربائي، مما يرفع كفاءة النظام عموما من أقل من 80 في المائة (بالنسبة للتحلل الكهربائي على الشاطئ مع الرياح المترابطة بالشبكة) إلى أكثر من 85 في المائة للإنتاج المباشر في الخارج، ويمكن استخلاص حرارة النفايات من التحلل الكهربائي من أجل تحلية مياه البحر أو تسخين منصة المياه، مما يزيد من الاستخدام الكلي للطاقة.

Enhanced Durability in Harsh Marine Environments

وتُعد المكونات المصدق عليها على سطح البحر لتحمل رذاذ الملح، والرياح العالية، وحمولات الموجات، والضغط الأحيائي، وتشمل السلف الأخيرة للمواد الكهروديس التيتانيوم، وأجهزة التستر مقاومة للتآكل، والختم التي تمنع حدوث جرعات من الهواء المالح، وتمتد هذه التحسينات عمر المعدات إلى 25 سنة أو أكثر، وتتناسب مع الحياة التصميمية للتربينات الريحية البحرية.

Scalability for Large-Scale Production

ويمكن توسيع نطاق مرافق الهيدروجينات البحرية على نحو منوّج، وقد يبدأ منصة نموذجية بكهرباء من 10 إلى 20 ميغاواط مقترنة باضطرابات عائمة واحدة تتراوح بين 10 و15 ميغاواط، ويمكن تجميع منابر إضافية لتكوين محاور هيدروجين قادرة على إنتاج مئات الأطنان يومياً، وهذا التصعيد حاسم بالنسبة للمجموعات الصناعية التي تخدم مثل ممر H2 في خليج المكسيك أو شبكة التصدير في شمال البحر.

التحديات والنظر في المسألة

ورغم الزخم القوي، لا تزال هناك عقبات تقنية واقتصادية عديدة قبل أن يتم نشر الهيدروجين البحري في منطقة تيراوات.

  • Harsh environmental conditions:] Salt corrosion, wave fatigue, and icing in cold climates require specialized design standards and regular inspection.
  • High up upfront capital costs:] Floating wind turbines and dedicated hydrogen infrastructure remain expensive; financing depends on supportive policies and long-term power purchase agreements.
  • Water supply and purification:] Seawater must be desalinated and polished to meet electrolyzer water quality specs, add energy and cost.
  • Hydrogen handling safety:] Hydrogen’s wide flammability range and small molecular size require robust leak detection, ventilation, and pressure relief systems.
  • Interconnection with onshore grids:] Some projects may still need electrical cables for supportive power or export during low hydrogen demand, increasing complexity.

وتتصدى البحوث الجارية التي تمولها المفوضية الأوروبية، وإدارة الطاقة في الولايات المتحدة، والاتحادات الخاصة لهذه التحديات، على سبيل المثال، مشروع H2Ocean]، وهو مشروع يختبر منصة مستقلة تماما لإنتاج الهيدروجين البحري ذات قدرات الرصد عن بعد والتدفئة الذاتية.

المشاريع الحالية والتوقعات المستقبلية

وتوضح عدة مشاريع رائدة التقدم السريع في تكنولوجيا الهيدروجين البحرية.

  • PosHYdon (هولندا): ] The world’s first offshore hydrogen pilot, launched in 2023 on a production platform in the Dutch North Sea. It integrates a 1 MW PEM electrolyzer with existing wind and gas infrastructure.
  • H2H Saltend (UK): ] A cluster plan to build a series of floating wind-to-hydrogen platforms in the Humber estuary, aiming to produce 300 tonnes of green hydrogen per day by 2030.
  • Hyport Oostende (Belgium): ] A 100 MW electrolysis plant built on a reclaimed area at the Port of Ostend, connected to offshore wind farms, with expansion plans to 1 GW.

ووفقاً لـ International Energy Agency (IEA)، يمكن أن تلبي الهيدروجين البحري نسبة تصل إلى 10 في المائة من الطلب العالمي على الهيدروجين بحلول عام 2050، مع وجود قدرة ثابتة تتجاوز 100 جيو. As floating wind costs decline and electrolysis efficiency improves, more regions - including Japan, Korea, and the U.S. West Coast-are expected to adopt this model.

خاتمة

وتمثل مرافق إنتاج الهيدروجينات البحرية المتطاولة تقارب هندسة الطفرة في الطاقة الريحية والكهرباء والنظم البحرية، إذ إن نشر التوربينات العائمة، والكهرباء المتطورة، والتخزين المتكامل للطاقة، يمكن لهذه النباتات أن تحقق ] الهيدروجين الأخضر المستدام والكبير النطاق دون تنافس على الموارد الأرضية، بينما تشير التحديات الناشئة مثل سرعة نمو الطاقة البحرية إلى استمرار.

For further reading, refer to IRENA’s report on offshore hydrogen production] and the ]IEA’s analysis of hydrogen from offshore renewables. Case studies from the PosHYdon project also provide valuable technicals.