Table of Contents

الدور الحاسم لمواد الطاقة في إنتاج الهيدروجين الأخضر

ويبرز الهيدروجين الأخضر بسرعة كحجر للانتقال العالمي إلى الطاقة المستدامة، حيث إن استخدام الكهرباء المتجددة لتقسيم جزيئات المياه إلى الهيدروجين والأكسجين عن طريق التحلل الكهربائي، يتيح هذا الإنتاج ناقل طاقة خال من الكربون يمكن أن يزيل انبعاثات الطاقة من القطاعات التي يصعب الوصول إليها مثل الصناعة الثقيلة، والنقل الطويل الأجل، وتوليد الطاقة، غير أن سلسلة القيمة الهيدروجينية الخضراء كلها لا تفي بالقدر الموثوق بها والكفاءة من حيث أن البنية التحتية الكهربائية التي تُحوّل إليها.

ويجب أن توفر إمدادات الطاقة من الهيدروجين الأخضر تياراً مباشراً مستقراً عالي الجودة إلى خلايا الكهرباء، بل إن تقلبات الفولطية الطفيفة أو التشوهات التناسقية يمكن أن تقلل من كفاءة استخدام الطاقة، وأن تزيد استهلاك الطاقة المحددة (كيلو وهكغ/كغ/٢)، وأن تعجل بتدهور التجمعات الكهرمائية، وبالتالي فإن تصميم الطاقة يؤثر تأثيراً مباشراً على التكلفة العالية للابتكارات الهيدروجينية في المستقبلية في مرفق العرض التقني الشامل.

أهمية إمدادات الطاقة في إنتاج الهيدروجين الأخضر

إن عملية التحليل الكهربائي - أي ألوكالين، أو حمض البروتون، أو أكسيد الفولط الصلب - تتطلب وجودا ثابتا ومتحكما في العاصمة، وتستخدم إمدادات الطاقة كواجهة بين مصدر الطاقة المتجددة (الريح، والطاقة الشمسية، والهيدروا) أو الشبكة الكهربائية، والكهرباء، وتؤدي عدة مهام حاسمة: تصحيح الوصل بين ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، والخسائر في إنتاج عوامل التصحيح التدريجي أو التدرج، والزيادة في الإنتاج الحالي.

فالكهرباء حساسة بالنسبة للمتحولين الكهربائيين، إذ يمكن أن يؤدي نقص الإمداد بالطاقة إلى تيارات ممزقة تسبب تدفئة محلية، وتوزعاً غير منتظم في الزنزانات، وتسريع ارتداء الكهروديس والكمبرات، وفي المرافق الواسعة النطاق، يمكن أن يؤدي تحسين كفاءة الإمداد بالطاقة بنسبة 1 في المائة إلى توفير الكهرباء سنوياً، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في نفقات التشغيل.

الأثر على الاقتصاد النظامي

إن الإنفاق الرأسمالي على معدات الإمداد بالطاقة يمثل عادة نسبة تتراوح بين 10 و15 في المائة من مجموع تكلفة محطات التحلل الكهربائي، غير أن أثرها التشغيلي أكبر بكثير، ويسهم الإمداد بالطاقة في الكثافة الحالية للمجموعات، التي تحدد معدل إنتاج الهيدروجينية لكل منطقة خلوية، وتخفض الكثافة الحالية حجم الكثافة وبالتالي تستلزم إمدادات من الطاقة ذات الحجم الكبير ومقاومة داخلية منخفضة.

تكنولوجيات التحليل الكهربائي ومتطلبات الإمداد بالطاقة

وتفرض تكنولوجيات الكهرومغناطيسية المختلفة مطالب متميزة على إمدادات الطاقة، فهم هذه المتطلبات أساسي لتحديد المعدات الصحيحة.

Alkaline Electrolyzers

أما الكهروليت الكهروليتات الألكلينية فهي أكثر التكنولوجيات نمواً وانتشاراً على نطاق واسع، وهي تعمل بكهرباء هيدروكسيد البوتاسيوم السائل، التي عادة ما تكون في درجات حرارة تتراوح بين 70 و90 درجة مئوية، والضغوط حتى 30 بار، ويجب أن تُوصل إمدادات الطاقة إلى البلدان النامية ذات القدرة المنخفضة (التي تتراوح بين 1.8 و2.4 درجة مئوية) ذات تركيبات عالية (بآلاف الأمبيرزات).

Proton Exchange Membrane (PEM) Electrolyzers

وتستخدم أجهزة الإلكتروليت البوليمر الصلبة الكهربية وتعمل في كثافة عالية )١-٣ ألف/جيم٢( بالمقارنة مع وحدات العجلات، وتطالب بكهرباء صافية جداً من البلدان النامية تقل فيها نسبة الطول المميت إلى ٥,٥ في المائة من عوامل الإنتاج لحماية طبقة الحساسية من الزئبق والعامل الحفاز، ويجب أن تستجيب إمدادات الطاقة بسرعة للتغيرات في الحمولة، حيث يمكن أن تصل إلى ١٠٠ في المائة من العجلات

مضخات الأكسايد الصلبة

وتشغل تكنولوجيا الطاقة الكهربائية العاملة في درجات حرارة عالية (700-850 درجة مئوية) وتستخدم كهروليتاً سيرامياً، وبينما لا تزال في مرحلة مبكرة من التسويق التجاري، توفر الشركة كفاءة كهربائية عالية باستخدام حرارة النفايات، وتختلف احتياجات الإمداد بالطاقة اختلافاً كبيراً: فالأكياسات تعمل في الكثافة الدنيا الحالية (العزلة A/cmtemp2) ولكنها تتطلب تركيبة ثابتة من مصادر الطاقة الكهربائية المتكاملة تبلغ حوالي 1.3 إلى 1.5 V.

أنواع لوازم الطاقة المستخدمة في مرافق الهيدروجين الخضراء

اختيار هيكل الإمداد بالطاقة يعتمد على حجم المنشأة، والموقع، ومصدر الطاقة، ثلاثة تشكيلات رئيسية مستعملة:

إمدادات الطاقة المظلة

وهذه النظم تستمد الكهرباء مباشرة من شبكة المرافق، التي كثيرا ما توفرها مزارع الطاقة المتجددة (الريح أو الشمس) عن طريق اتفاقات شراء الطاقة، وتؤمن الشبكة استمرار التشغيل، ولكن يجب أن تُحدِّد إمدادات الطاقة من حجم شبكة AC وتواترها إلى نظام ثابت في العاصمة.

إمدادات الطاقة غير المأهولة والجزرية

وتعتمد المرافق النائية أو الجزرية، مثل تلك الموجودة على منابر خارجية أو في المناطق الصحراوية، على توليد متجدد مكرس ببطارية أو تخزين الهيدروجين، ويجب أن تؤدي إمدادات الطاقة هنا أقصى درجات تعقب لنقطة توليد الطاقة من صفائف الطاقة الشمسية أو التربينات الريحية وإدارة شحن/تشفير شبكات تخزين الطاقة، وغالبا ما تتضمن هذه النظم محولات ذات توجهين ومراحل تشخيصية من قبل البلدان النامية للحفاظ على تركيبة ثابتة للحافلات من قبل البلدان النامية على الرغم من المقومات الطاقة.

نظم الإمداد بالطاقة الهجينة

وتجمع التشكيلات الهجينة بين الربط الشبكي وبين توليد الطاقة المتجددة في الموقع، وتوفر أفضل حل وسط بين الموثوقية والاستدامة، وتُحدث إمدادات الطاقة الكهربية من مصادر متعددة، وتستخدم حافلة مركزية تابعة للمبنى أو بنية مدمجة، وتُستخدم الطبقات الهيدروجينية المستقرة ذات الوجهة الواحدة والمتصلة بالشبكة، وتُدير محولات غير مباشرة من مصادر متجددة، وتُخضع لرقابة ذات توجه متقدم من البلدان النامية.

مقاييس الأداء الرئيسية لمواد الطاقة الفعالة

ولتحقيق الإنتاج الأمثل من الهيدروجين الأخضر، يجب أن تظهر إمدادات الطاقة عدة خصائص رئيسية تؤثر مباشرة على أداء النباتات وطولها.

كفاءة التحويل العالية

فالكفاءة هي أكثر القياسات أهمية، إذ أن إمدادات الطاقة الحديثة للتحلل الكهربائي تبلغ 94-98 في المائة من الكفاءة في الحمولة المقيسة، باستخدام أجهزة الإمداد بالهيدروكسيدات ذات النطاق الواسع، التي تقلل من خسائر التحويل والسلوك، ويجب أن تظل الكفاءة عالية في نطاق الحمولة الواسعة - من 20 في المائة إلى 100 في المائة - لاستيعاب توليد الطاقة المتجددة المتغيرة.

نوعية النواتج وقابليتها للاستمرار

ويجب أن تُوصل الطاقة إلى العاصمة بأقل قدر ممكن من الطحالب والضوضاء والفولطية. ويُسرع التيار الرنبي في التحلل الكهروكيميائي، ولا سيما في أجهزة الإلكتروليت التي يمكن أن تجتاز فيها الهيدروجين والأكسجين، ويستهدف أفضل الممارسات معاملاً متطوراً يقل عن 3 في المائة بالنسبة لنظم الألكلين وأقل من 1 في المائة بالنسبة لنظم PEM.

القابلية للتسويق والوحدة

وكثيرا ما تنمو مشاريع الهيدروجين الخضراء على مراحل، حيث أن إمدادات الطاقة المتحركة، التي تُبنى من وحدات محولية موحدة (مثل 1 ميغاواط، 2 ميغاواط)، تسمح بتوسيع القدرات دون استبدال المعدات الموجودة، كما أن التصميمات النموذجية تحسن أيضا من درجة تحمل الخطأ: إذا فشلت وحدة واحدة، فإن بقية الوحدات تواصل العمل بقدرات مخفضة، والقابلية للتوسع مهمة بوجه خاص بالنسبة للنظم الخارجية حيث تزداد القدرة على توليد الطاقة تدريجيا.

دال - مدى القدرة على العمل والارتقاء البيئي

أما إمدادات الطاقة في محطات الهيدروجين فتعمل في بيئات صعبة - الرطوبة العالية، والتعرض المحتمل للهيدروجين، والهزاء من المكثفات، ودرجات الحرارة القصوى، ويجب تصميم المعدات بأجهزة IP54 أو أجهزة الإقفال الأعلى، والمواد المقاومة للتآكل، ومراوح التبريد الزائدة أو الحلقات السائلة، وينبغي تقدير أجهزة توليد الطاقة الكهربائية لحياة تشغيلية دنيا مدتها 20 سنة، بما يضاهي العمر المستهدف للمشتريات الكهربائية.

قدرات دعم الضواحي

ومع تزايد عدد محطات الهيدروجين (مئات الميغاوات) يجب عليها أن توفر خدمات الشبكة مثل تنظيم الترددات، ومراقبة الطاقة الاستباقية، ووصلات الطوابق، ويمكن أن تعمل إمدادات الطاقة المتقدمة مع أجهزة تحويل الشبكة في شكل الجزيرة وقدرة على البدء الأسود، مما يحول مرفق الهيدروجين من حمولة سلبية إلى أصول شبكة نشطة، مما قد يولد تدفقات إضافية من الإيرادات.

التحديات وقضايا التكامل

ويشكل نشر إمدادات الطاقة لإنتاج الهيدروجين الأخضر تحديات تقنية واقتصادية كبيرة يجب التصدي لها من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

السمسرة ونوعية الطاقة

وتحقن منشآت التصحيح الكبيرة التيارات المتجانسة في شبكة AC، التي يمكن أن تسبب التسخين المفرط للمحولين، أو تضاعف عدد أجهزة الحماية من خلال التقلبات، أو التدخل في نظم الاتصالات، ويستلزم الامتثال لمعايير الارتداد من مستوى الترددات العالية إلى 519 نظاما متعدد المستويات، أو أجهزة استصلاح نبضات الـ 24، أو أجهزة التصفية المتوافقة النشطة، ويمكن أن تضيف تكلفة زيادة المقاييس التناسبية إلى التكلفة

الاستجابة السريعة للتغيرات المتجددة

وتقلبات الطاقة الشمسية والريحية على فترات من الثانية إلى الدقيقة بسبب الغطاء السحابي أو علكة الرياح، ويجب أن تتبع إمدادات الطاقة هذه التغييرات دون أن تُسبب في تعثرات الكهروليت على مستوى منخفض أو زائد، كما أن أجهزة الكهرباء المستجيبة بسرعة والتي لديها موصلات شبه موصلات واسعة النطاق (SiC) يمكن أن تعالج معدلات الارتفاع بنسبة 20 في المائة في الثانية، ولكن عملية النقل الكهرومغناطيسي نفسها قد أخذت.

الإدارة الحرارية

وتشتت حرارة المحولات ذات الطاقة العالية، إذ إن الرفض الحراري البالغ 500 كيلوواط بالنسبة لعشرة ميغاواط من الكهروليت ذات الكفاءة في الطاقة، في المناخ الساخن أو الأماكن المحصورة، مما يتطلب إزالة هذه الحرارة نظماً قوية للتبريد، وتبريد السائل أكثر فعالية من التبريد الجوي للكثافة العالية للطاقة، ولكنه يضيف مخاطر التعقد والتسرب المحتملة، ويمكن إدماج استعادة القدرة من إمدادات الطاقة في نظم التسخين النباتي أو استخدامها لتحسين كفاءة المائي.

مسارات خفض التكاليف

أما تكاليف الإمداد بالطاقة الحالية للتحلل الكهربائي على نطاق واسع فتتراوح بين 100 و200 دولار لكل كيلوواط، ولتحقيق هدف إدارة الطاقة البالغ 2 كغم من الـ H2 بحلول عام 2026، فإن تكاليف الإمداد بالطاقة يجب أن تنخفض إلى أقل من 50 دولاراً من دولارات الولايات المتحدة، وهذا يتطلب إحراز تقدم في التغليف شبه الموصل، وزيادة تصنيع الحجم، والتوحيد.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

وهناك عدة تطورات واعدة على استعداد لتحسين أداء إمدادات الطاقة وخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر.

موصلات شبه عسكرية واسعة النطاق

إن أجهزة توليد الطاقة في السيليكون (SiC) وGllium nitride (GaN) توفر خسائر أقل في السلوك والتبديل مقارنة بمركبات الإيثر الثنائي الفينيل المتعدد البروم، ويمكنها أن تعمل على ارتفاع الترددات (وتتراوح بين مئات الكيلوغرامات)، مما يتيح للمحوّلين الأصغر حجماً، والمكثفات، والعناصر المغناطيسية، وهذا يترجم إلى ترابط، وإلى زيادة سرعة نمو القدرة على توليد الطاقة الكهربائية.

التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية

ويمكن أن توفر إمدادات الطاقة المجهزة بمستشعرات (العملية، والفولط، ودرجة الحرارة، والرطوبة) بيانات عن نماذج التوأم الرقمية التي تحاكي صحة المحولات والفشل في التنبؤ، وتخفض الصيانة القائمة على شروط العمل غير المخطط لها وتمتد من عمر المعدات، كما يمكن لإمدادات الطاقة المترابطة بالكلاب أن تُحدِّد معايير التشغيل على أساس ظروف شبكات الصرف السائدة وأسعار سوق الهيدروجين.

التكامل مع تخزين الطاقة

ويمكن ربط البطاريات والمكثفات، وحتى تخزين الهيدروجين مباشرة بحافلة شركة DC للإمداد بالطاقة، وتبرز المحولات ذات الوضع الصلب كمنبرة إلكترونية موحدة للطاقة يمكنها إدارة موانئ متعددة من العاصمة وشركة AC في آن واحد، ويمكن أن تُرسل الطاقة بين الشبكة والمتجددة والتخزين والكهرباء بدون محولين منفصلين، مما يقلل من عدد المكونات والخسائر.

التكافل المباشر من جديد إلى الهيدروجين

ويقضي تصميم النظام الابتكاري على شبكة AC بكاملها عن طريق الجمع المباشر بين صفائف الطاقة الشمسية أو توربينات الرياح إلى الكهرباء من خلال محول من البلدان النامية، ويقلل هذا النهج من الخسائر الناجمة عن مراحل التحويل المتعددة ويزيل تكاليف الرش المتجانس، غير أنه يتطلب مقاييس قوية من طراز MPPT يمكن أن تعالج الانقلاب الجزئي وسرعة الرياح المتغيرة.

الموارد الخارجية لمواصلة القراءة

لتعميق فهمك لتصميم إمدادات الطاقة من أجل الهيدروجين الأخضر، والنظر في المصادر الموثوقة التالية:

الاستنتاج: قوة اقتصاد الهيدروجين

أما إمدادات الطاقة فهي ليست مجرد عناصر وصولية في إنتاج الهيدروجين الأخضر؛ فهي عوامل تمكن من تحديد الجدوى التقنية، والقابلية للاستمرار الاقتصادي، وطول تشغيل محطات توليد الطاقة الكهربائية، ومن التصويب أن الظروف تتحول إلى محول متطور من البلدان النامية إلى متحول يتفاعل مباشرة مع مجموعة من المواد الشمسية، يجب أن تكون كل مرحلة تحويلية على النحو الأمثل لتحقيق الكفاءة والموثوقية، ونوعية الطاقة.