في وقت سابق ، تحدثنا عن وسيلة النقل الصديقة للبيئة التي هي حافلات كهربائية. ومع ذلك ، لم يتم ذكر نقطة مهمة: مع زيادة عدد المركبات الكهربائية ، ستحتاج المدن إلى المزيد من الكهرباء ، والتي يتم الحصول عليها غالبًا بطرق غير آمنة بيئياً. لحسن الحظ ، تعلم العالم اليوم كيفية الحصول على الطاقة بمساعدة الرياح والشمس وحتى الهيدروجين. قررنا تكريس المادة الجديدة لآخر المصادر والحديث عن ميزات طاقة الهيدروجين.
للوهلة الأولى ، يعتبر الهيدروجين وقودًا مثاليًا. أولاً ، هو العنصر الأكثر شيوعًا في الكون ، وثانيًا ، عند حرقه ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة ويتشكل الماء دون إطلاق أي غازات ضارة. لقد أدركت البشرية لفترة طويلة فوائد طاقة الهيدروجين ، لكنها ليست في عجلة من أمرها لاستخدامها على نطاق صناعي كبير.
خلايا وقود الهيدروجين
تم تصميم أول خلية وقود هيدروجين من قبل العالم الإنجليزي وليام جروف في الثلاثينيات من القرن التاسع عشر. حاول غروف ترسيب النحاس من محلول مائي لكبريتات النحاس على سطح حديد ولاحظ أنه تحت تأثير التيار الكهربائي ، يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. بعد هذا الاكتشاف ، أظهر جروف وكريستيان شونبين ، الذين عملوا بالتوازي معه ، إمكانية توليد الطاقة في خلية وقود الهيدروجين والأكسجين باستخدام المنحل بالكهرباء.
في وقت لاحق ، في عام 1959 ، أضاف فرانسيس تي بيكون من كامبريدج غشاء التبادل الأيوني إلى خلية وقود الهيدروجين لتسهيل نقل أيونات الهيدروكسيد. أصبحت حكومة الولايات المتحدة وناسا على الفور مهتمتين باختراع بيكون ، وتم استخدام خلية الوقود المحدثة في مركبة الفضاء أبولو كمصدر رئيسي للطاقة خلال رحلاتهم.
خلية وقود الهيدروجين من وحدة خدمة Apollon ، والتي تولد الكهرباء والحرارة والمياه لرواد الفضاء. المصدر: James Humphreys / Wikimedia Commonsتشبه خلية وقود الهيدروجين الآن خلية كلفانية تقليدية بفارق واحد فقط: لا يتم تخزين مادة التفاعل في الخلية ، ولكن يتم توفيرها باستمرار من الخارج. تسرب من خلال الأنود المسامي ، يفقد الهيدروجين الإلكترونات ، التي تدخل في الدائرة الكهربائية ، وتمر الكاتيونات الهيدروجينية عبر الغشاء. علاوة على ذلك ، في الكاثود ، يمسك الأكسجين بروتون وإلكترون خارجي ، ونتيجة لذلك يتشكل الماء.
مبدأ تشغيل خلية وقود الهيدروجين. المصدر: Geek.comتتم إزالة جهد حوالي 0.7 فولت من خلية وقود واحدة ، وبالتالي ، يتم دمج الخلايا في خلايا وقود ضخمة ذات جهد خرج وتيار مقبول. يمكن أن يصل الجهد النظري من عنصر الهيدروجين إلى 1.23 فولت ، ولكن
جزءًا من الطاقة يذهب إلى الحرارة .
من وجهة نظر الطاقة الخضراء ، تتمتع خلايا وقود الهيدروجين بكفاءة عالية للغاية تبلغ 60٪. للمقارنة: تبلغ كفاءة أفضل محركات الاحتراق الداخلي 35-40٪. بالنسبة لمحطات الطاقة الشمسية ، يكون المعامل 15-20 ٪ فقط ، لكنه يعتمد بشكل كبير على الظروف الجوية. تصل كفاءة أفضل مزارع الرياح الريشة إلى 40 ٪ ، وهو ما يمكن مقارنته بمولدات البخار ، ولكن توربينات الرياح تتطلب أيضًا ظروفًا جوية مناسبة وصيانة مكلفة.
كما نرى ، في هذه المعلمة ، طاقة الهيدروجين هي المصدر الأكثر جاذبية للطاقة ، ولكن مع ذلك هناك عدد من المشاكل التي تعوق تطبيقه الشامل. أهمها عملية إنتاج الهيدروجين.
مشاكل التعدين
طاقة الهيدروجين صديقة للبيئة ، ولكنها ليست مستقلة. للتشغيل ، تحتاج خلية الوقود إلى هيدروجين غير موجود على الأرض في أنقى صوره. يجب الحصول على الهيدروجين ، ولكن جميع الطرق الحالية إما باهظة الثمن أو غير فعالة.
الطريقة الأكثر فعالية من حيث كمية الهيدروجين المتلقاة لكل وحدة طاقة يتم إنفاقها هي
التحويل البخاري للغاز الطبيعي . يتم دمج الميثان مع بخار الماء عند ضغط 2 ميجا باسكال (حوالي 19 غلاف جوي ، أي ضغط على عمق حوالي 190 م) ودرجة حرارة حوالي 800 درجة ، مما يؤدي إلى تحويل الغاز مع محتوى هيدروجين 55-75٪. هناك حاجة إلى مصانع ضخمة لتحويل البخار ، والتي يمكن تطبيقها فقط في الإنتاج.
فرن الأنبوب لتحويل الميثان بالبخار ليس الطريقة الأكثر راحة لإنتاج الهيدروجين. المصدر: CTK-Euroطريقة أكثر سهولة وبساطة هي التحليل الكهربائي للماء. عندما يمر التيار الكهربائي عبر المياه المعالجة ، تحدث سلسلة من التفاعلات الكهروكيميائية ، ونتيجة لذلك يتكون الهيدروجين. العيب الكبير لهذه الطريقة هو استهلاك الطاقة الكبير المطلوب للتفاعل. أي ، اتضح أنه موقف غريب إلى حد ما: للحصول على طاقة الهيدروجين ، تحتاج إلى ... الطاقة. من أجل تجنب التكاليف غير الضرورية أثناء التحليل الكهربائي وتوفير موارد قيمة ، تسعى بعض الشركات إلى تطوير أنظمة الدورة الكاملة "الكهرباء - الهيدروجين - الكهرباء" التي يمكن الحصول على الطاقة فيها دون إعادة الشحن الخارجي. مثال على هذا النظام هو تطوير توشيبا H2One.
محطة توشيبا H2One المتنقلة للطاقة
لقد طورنا محطة الطاقة الصغيرة المحمولة H2One ، التي تحول الماء إلى هيدروجين ، والهيدروجين إلى طاقة. للحفاظ على التحليل الكهربائي ، يتم استخدام البطاريات الشمسية فيه ، ويتم تراكم الطاقة الزائدة في البطاريات وضمان عمل النظام في حالة عدم وجود ضوء الشمس. يتم تغذية الهيدروجين الناتج إما مباشرة إلى خلايا الوقود ، أو يتم إرساله للتخزين إلى خزان متكامل. في ساعة واحدة ، يولد المحلل الكهربائي H2One ما يصل إلى 2 م
3 من الهيدروجين ، وعند الإخراج يوفر طاقة تصل إلى 55 كيلو واط. مطلوب ما يصل إلى 2.5 م
3 من الماء لإنتاج 1 م
3 من الهيدروجين.
حتى الآن ، محطة H2One غير قادرة على توفير الكهرباء لمؤسسة كبيرة أو المدينة بأكملها ، ولكن طاقتها ستكون كافية لتشغيل المناطق أو المنظمات الصغيرة. نظرًا لحركته ، يمكن استخدامه بالإضافة إلى حل مؤقت في حالات الكوارث الطبيعية أو انقطاع التيار الكهربائي في حالات الطوارئ. بالإضافة إلى ذلك ، على عكس مولدات الديزل ، التي تتطلب الوقود للتشغيل العادي ، تحتاج محطة توليد الطاقة الهيدروجينية فقط إلى الماء.
الآن يتم استخدام Toshiba H2One في عدد قليل من المدن في اليابان - على سبيل المثال ، تقوم بتزويد الكهرباء والمياه الساخنة
لمحطة للسكك الحديدية في مدينة كاواساكي.
تركيب H2One في كاواساكيمستقبل الهيدروجين
في الوقت الحاضر ، توفر خلايا وقود الهيدروجين الطاقة لبنوك الطاقة المحمولة ، وحافلات المدينة بالسيارات ، والنقل بالسكك الحديدية
(سنتحدث أكثر عن استخدام الهيدروجين في صناعة السيارات في منشورنا التالي). تحولت خلايا وقود الهيدروجين بشكل غير متوقع إلى حل ممتاز للمركبات الرباعية - مع كتلة مشابهة للبطارية ، يوفر إمداد الهيدروجين وقت طيران أطول بخمس مرات. في هذه الحالة ، لا يؤثر الصقيع على الكفاءة بأي شكل من الأشكال. تم استخدام الطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود المصنعة من قبل شركة AT Energy الروسية للتصوير في أولمبياد سوتشي.
أصبح من المعروف أنه في الألعاب الأولمبية القادمة في طوكيو ، سيتم استخدام الهيدروجين في السيارات ، في إنتاج الكهرباء والحرارة ، وسيصبح أيضًا المصدر الرئيسي للطاقة للقرية الأولمبية. لهذا ، بتكليف من شركة Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. في مدينة نامي اليابانية ، يتم بناء واحدة من أكبر محطات إنتاج الهيدروجين في العالم. ستستهلك المحطة ما يصل إلى 10 ميجاوات من الطاقة المستلمة من مصادر "خضراء" ، وتنتج ما يصل إلى 900 طن من الهيدروجين سنويًا عن طريق التحليل الكهربائي.
طاقة الهيدروجين هي "احتياطينا للمستقبل" ، عندما يتعين علينا التخلي تمامًا عن الوقود الأحفوري ، ولن تكون مصادر الطاقة المتجددة قادرة على تغطية احتياجات البشرية. وفقًا لتوقعات Markets & Markets ، سينمو إنتاج الهيدروجين العالمي ، الذي يبلغ الآن 115 مليار دولار ، إلى 154 مليار دولار بحلول عام 2022. ولكن في المستقبل القريب ، من غير المحتمل أن يحدث إدخال التكنولوجيا الشامل ، لا يزال من الضروري حل عدد من المشاكل المرتبطة بإنتاج وتشغيل محطات الطاقة الخاصة ، وخفض تكلفتها . عندما يتم التغلب على الحواجز التكنولوجية ، ستصل طاقة الهيدروجين إلى مستوى جديد ، وربما ستنتشر على نطاق واسع مثل الطاقة التقليدية أو الطاقة الكهرومائية اليوم.