الهيدروجين

الهيدروجين يغيّر قواعد اللعبة. لديه القدرة على تغيير الكوكب عبر توفير الطاقة الخضراء وتخزينها. يمكن استخدامه لتشغيل الشاحنات والسفن والطائرات وحتى المدن. لكن لكي تصبح ثورة الهيدروجين حقيقة، يجب على البشرية تجاوز عدة تحديات تقنية واقتصادية. لذا استعد لرحلة إلى المستوى الذري لنرى إن كان الهيدروجين يملك ما يلزم لتغيير العالم!

لو فتحت كتاب الكون، لوجدت الهيدروجين في الفصل الأول تمامًا. لأنه إحدى لبنات الكون الأساسية. يشكّل 90% من ذرات النجوم ^[1-4] وعلى الأرض، يُعد الهيدروجين أحد المكونات الرئيسية للماء والنباتات وحتى الحمض النووي لكل الكائنات الحية ^[4-7].

وهو أيضًا وقود عالي الطاقة جدًا، ولهذا تستخدمه NASA لتشغيل صواريخ استكشاف الفضاء ^[8,9,10]. من الواضح أن الهيدروجين يأخذ البشرية بالفعل إلى آفاق جديدة. والأفضل من ذلك كله، أنه لا ينتج أي CO₂!

فلماذا ليس الخيار الأول للطاقة حول العالم؟ حسنًا، الأمر ليس بهذه البساطة.

يصعب استخراج الهيدروجين من الأرض بشكله النقي، رغم وجود رواسب طبيعية منه ^[11-17]. فهو غالبًا ما يكون مرتبطًا بعناصر أخرى ليكوّن مركبات. مثلًا، عندما يرتبط بالأكسجين، يصنع الماء أو H₂O. ويمكنه أيضًا الارتباط بالكربون لصنع الغاز الأحفوري، المعروف أيضًا بالميثان أو CH₄.

لذلك للحصول على هيدروجين نقي، يجب فصله عن العناصر المرتبط بها. عندما يُستخرج الهيدروجين من الماء، يتحرر الأكسجين. وعندما يُفصل عن الغاز الأحفوري، يتحرر الكربون. لذا فإن كون استخدام الهيدروجين كوقود جيدًا أو سيئًا للكوكب يعتمد على طريقة إنتاج ذلك الهيدروجين.

حاليًا، توجد ثلاث طرق رئيسية لإنتاج وقود الهيدروجين، وتُصنّف إلى رمادي وأزرق وأخضر: ^[18-21]

اليوم، يُصنع معظمه من الوقود الأحفوري ^[22-28] وأكثر أنواعه شيوعًا هو الهيدروجين الرمادي، المصنوع من الغاز الأحفوري. لكن سواء استخدمت الغاز أو الفحم أو النفط، فإن إنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري يطلق الكثير من CO₂ إلى الغلاف الجوي ^{[19,26,27,28]}. للأسف، تمثل هذه الأنواع أكثر من 99% من كل إنتاج الهيدروجين ^[23,24,28] - يا للهول!

في الواقع، يطلق إنتاج الهيدروجين الرمادي وحده CO₂ أكثر من المملكة المتحدة وأستراليا مجتمعتين ^[28,29]!

في السنوات الأخيرة، سمحت تطورات في تقنية تُعرف باحتجاز الكربون وتخزينه لمحطات توليد الكهرباء بالتقاط انبعاثات CO₂ وتخزينها تحت الأرض ^[30,31,32]. وعندما يقترن هذا بإنتاج الهيدروجين، تكون النتيجة ما يُسمى الهيدروجين الأزرق ^[33,34].

لكن رغم أن هذه الطريقة تقلل انبعاثات CO₂، فإنها حاليًا معرضة لتسرّب الميثان (CH₄) ^[34-37] الذي قد يكون أسوأ على الغلاف الجوي بأكثر من 80 مرة خلال فترة 20 عامًا ^[38,39,40]. بل وجدت إحدى الدراسات أن زيادة انبعاثات CH₄ قد تكون كبيرة جدًا إذا أُنتج الهيدروجين بهذه الطريقة بشكل خاطئ، لدرجة أنه سيكون من الأفضل ببساطة حرق الوقود الأحفوري من البداية ^[35].

ما يبحث عنه العلماء حقًا، إلدورادو الطاقة النظيفة، يُسمى الهيدروجين الأخضر. ويُنتج من الماء في عملية كيميائية تُعرف بالتحليل الكهربائي: ^[41-45]

تخيّل خزانًا كبيرًا من الماء، أو H₂O. للحصول على الهيدروجين، عليك أولًا كسر روابطه مع الأكسجين. ولتحقيق ذلك، تستخدم الكهرباء لتفكيك الروابط في جزيئات الماء، منتجًا غاز الهيدروجين الثمين. بسيط!

يمكن تشغيل كل هذا بالطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح مع انبعاثات قريبة من الصفر ^[41-45].

هذا الهيدروجين الأخضر لديه القدرة على إعادة تشكيل العالم ^{[21,28,43,44,45]}. بدأت صناعات مثل إنتاج البتروكيماويات وصناعة الصلب ^[44-47] - التي تمثل نحو 3.6% و7.2% من الانبعاثات العالمية ^[48] - تصبح أنظف باستخدام الهيدروجين الأخضر بدل الوقود الأحفوري. تستثمر بعض الدول فيه لإزالة الكربون من إنتاج الأمونيا، وهي مركب يُستخدم في الأسمدة، ما قد يخفض 1-2% إضافية من الانبعاثات العالمية ^{[44-46,49-53]}.

يدرس الخبراء استخدامه في قطاع النقل أيضًا. السيارات ليست أولوية كبيرة بسبب كفاءة المركبات الكهربائية، لكن الشاحنات التي تقطع مسافات طويلة والشحن الدولي والطائرات بعيدة المدى لها أولوية أكبر. وبما أنها لا تستطيع استخدام البطاريات الثقيلة للطاقة، فإن الهيدروجين الأخضر بديل مثالي ^{[21,28,44,45,54]}.

نظريًا (وطالما يُنتج بشكل مستدام)، الانبعاث المباشر الوحيد من استخدام وقود الهيدروجين هو الماء. في الواقع، يُستخدم هذا الماء حتى في مكوكات NASA الفضائية، حيث يشربه رواد الفضاء فعلًا! ^[55,56]

فما المشكلة؟

حسنًا، إذا أحرقت الهيدروجين ببساطة، فقد يتسبب أيضًا في تفاعل النيتروجين في الهواء وإنتاج أكاسيد النيتروجين، وهي ملوثات هواء ضارة ^[57-61].

هذا يبقى أنظف من حرق الوقود الأحفوري، لكن الخيار الأنظف هو تجنب حرقه تمامًا واستخدام خلية وقود الهيدروجين، التي تحوّل الطاقة الكيميائية للهيدروجين مباشرة إلى كهرباء ^[62-65]. ليس هذا أكثر كفاءة فقط، بل إنه ينتج صفر انبعاثات من أكاسيد النيتروجين وبالطبع صفر CO₂! ^{[57-59,63-65]}

يبدو جيدًا، أليس كذلك؟ فلماذا أقل من 1% من الهيدروجين المنتج اليوم أخضر؟ ^[23,24,28] ولماذا لا يُقبل الجميع على هذا النوع الصديق للبيئة؟

في الوقت الحالي، الهيدروجين غالٍ ويتطلب الكثير من الكهرباء لإنتاجه ^[66-69]. لو أردت تشغيل هاتفك بالهيدروجين الأخضر بدل شحنه مباشرة بالطاقة المتجددة، فستحتاج أولًا إلى تحويل الكهرباء من المصادر المتجددة إلى هيدروجين ثم استخدام خلية وقود لتحويله مجددًا إلى كهرباء. وقد تخسر بذلك ما يصل إلى 70% من الطاقة التي كنت ستحصل عليها لو شحنت هاتفك مباشرة بالألواح الشمسية من الأساس! ^[70,71,72]

يبدو أن الهيدروجين الأخضر لا يمنحك قيمة كبيرة مقابل ما تدفعه. فلماذا ينبغي للناس استخدامه لتشغيل منازلهم ومدنهم؟

الإجابة تكمن في إحدى أقوى خصائص الهيدروجين… قدرته على تخزين كميات كبيرة من الطاقة لاستخدامها لاحقًا.

بما أن توربينات الرياح تحتاج إلى الرياح والألواح الشمسية تحتاج إلى ضوء الشمس، غالبًا ما يتدخل الغاز والفحم في الأيام المظلمة التي لا تهب فيها الرياح للحفاظ على استمرار الكهرباء. لكن إليك فكرة أكثر خضرة:

تشغّل المنازل بالطاقة المتجددة عبر شبكة ذكية مرنة، وتبني ما يكفي من مزارع الرياح والشمس لتوليد فائض من الطاقة. ويمكن بعد ذلك توجيه الطاقة الزائدة إلى منشآت الهيدروجين الأخضر حيث تُستخدم لصنع الهيدروجين. ثم يمكن تخزين هذا الهيدروجين واستخدامه لتوليد الكهرباء عندما لا تلبي الشمس والرياح الطلب ^[73-76].

وإن لم يكن ذلك كافيًا، يمكن تخزين الهيدروجين بكميات هائلة تحت الأرض لفترات طويلة في المناجم القديمة أو كهوف الملح أو حتى مكامن النفط والغاز المستنفدة ^[77-80]. وهذا يعني أنه يمكن استخدامه طوال العام، حتى في أشهر الشتاء الباردة.

يُسمى هذا التخزين بين الفصول، والعديد من الدول تستثمر فيه بالفعل ^{[23,81,82,83]}. وفي يوم ما، قد يساعد حتى على إنهاء الاعتماد على الوقود الأحفوري. والأفضل أن هذه الإمدادات الضخمة من الهيدروجين تمنح الدول استقلالًا أكبر في الطاقة، فتجعلها أقل اعتمادًا على واردات الطاقة كي لا تحتاج إلى الاعتماد على دول أخرى لإبقاء الأضواء مضاءة ^[84,85,86].

لكن ألا تستطيع البطاريات فعل الشيء نفسه؟

ليس تمامًا. تكلفة البطاريات المطلوبة لتخزين طاقة احتياطية تكفي مدينة لأسابيع أو أشهر ستكون أعلى بكثير، بكثير ^[87-90]. أما الهيدروجين، فيمكن تخزينه بتكلفة زهيدة جدًا على نطاق واسع وقد يحل مشكلة تخزين الطاقة هذه ^[91,92].

فهل يمكن للهيدروجين أن يلعب دورًا في إزالة الكربون من الكوكب؟ حسنًا، فقط إذا كان هيدروجينًا أخضر مصنوعًا من مصادر متجددة ^[93]، وفقط إذا كانت تكلفته واقعية ^[66-69]. ويتطلب تحقيق ذلك توسيع البنية التحتية وتحديثها، ونشر الطاقة المتجددة على نطاق واسع.

لكن هناك أخبار جيدة! طاقة الرياح والشمس أصبحت الآن أرخص من الوقود الأحفوري ^[27,94-97]. وبفضل التطورات التقنية الحديثة في أجهزة التحليل الكهربائي، ينخفض سعر إنتاج الهيدروجين الأخضر بسرعة أيضًا ^[98-102].

لذا إذا دعمت البشرية هذه التقنية الناشئة، فقد يكون الهيدروجين الأخضر أحد النجوم اللامعة التي كنا ننتظرها.