كيفية إنتاج الهيدروجين وشحنه واستعماله وقوداً للسيارات

عنصر الهيدروجين واهميته

الهيدروجين يرمز له بحرف (H)  وتم اشتقاق إسمه من الكلمات اليونانية التي تعني “صانع الماء ” وهو عبارة عن مادة غازية عديمة اللون والرائحة والمذاق ويعتبر أبسط عضو في عائلة العناصر الكيميائية وتحتوي ذرة الهيدروجين على نواة تتكون من بروتون يحتوي على وحدة واحدة فقط من الشحنة الكهربائية الموجبة ويرتبط مع الإلكترون الذي يحمل وحدة واحدة من الشحنة الكهربائية السالبة وغاز الهيدروجين عبارة عن تجمع لجزيئات الهيدروجين يتكون كل منها من زوج من الذرات أي جزيء ثنائي الذرة (H2) ومن الخواص الكيميائية المهمة المعروفة للهيدروجين هي أنه يرتبط بالأكسجين لتكوين الماء  (H2O) .

الهيدروجين هو واحد من أكثر العناصر انتشارا في الكون، ومع ذلك فإنه لا يتواجد أبدا بمفرده، بل دائما كجزء من مركب آخر، مثل جزء من الماء في المحيطات والجليد والأنهار والبحيرات، وهو موجود أيضا في الغلاف الجوي كجزء من مركبات الكربون التي لا تحصى، ويتواجد الهيدروجين بكثافة في جميع الأنسجة الحيوانية والنباتية وفي البترول .

طرق إنتاج الهيدروجين وشحنه كوقود

يمكن إنتاج الهيدروجين من مصادر متنوعة محلية، بما في ذلك الوقود الأحفوري والكتلة الحيوية، وتحليل الماء بالكهرباء. ويتوقف التأثير البيئي وكفاءة الطاقة للهيدروجين على طريقة إنتاجه، وهناك عدة طرق مختلفة لإنتاج الهيدروجين، بما فيذلك:

الحصول على الهيدروجين من الغاز الطبيعي 

إن هذه الطريقة هي أحد الطرق الأرخص المستخدمة لإنتاج الهيدروجين، حيث يتم تفاعل بخار عالي الحرارة مع الغاز الطبيعي لإنتاج أول أكسيد الكربون وكمية من ثاني أكسيد الكربون، بالإضافة إلى الهيدروجين. وفي هذه العملية، يتفاعل الماء مع أول أكسيد الكربون لإنتاج هيدروجين إضافي. وهناك طريقة أخرى لإنتاج الهيدروجين تسمى عملية التغويز، والتي تستخدم جهاز التغوير المضغوط لتفاعل البخار عالي الحرارة مع الكتلة الحيوية أو الفحم والأكسجين لتحويلهما إلى غاز يحتوي على غاز أول أكسيد الكربون وبخار الماء، واللذان يتفاعلان معا لإنتاج الهيدروجين .

التحليل الكهربائي

وهو يعني إستخدام تيار كهربائي يقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين ويتم إنتاج الكهرباء من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية أو الرياح وهو ما يجعل الهيدروجين الناتج متجددًا أيضًا وله العديد من فوائد الانبعاثات وبدأت مشاريع الطاقة في التوجه إلى الهيدروجين حيث يتم إستخدام الكهرباء المتجددة الزائدة لإنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي.

إعادة تشكيل السوائل المتجددة

في هذه الطريقة، يتفاعل الوقود المتجدد بصورته السائلة، مثل غاز الإيثانول، مع بخار الماء عند درجة حرارة عالية، من أجل إنتاج غاز الهيدروجين. يتوجب إجراء هذه العملية بالقرب من المنطقة التي سيتم فيها استخدام الوقود .

التخمير

في هذه الطريقة يتم تحويل الكتلة الحيوية إلى مواد أولية غنية بالسكر يمكن تخميرها لإنتاج الهيدروجين .

تقنيات متطورة لانتاج الهيدروجين وشحنه لاستعماله كوقود

وهناك العديد من الطرق التي تحاول إنتاج الهيدروجين وتقليل تكلفة تقنيات الإنتاج لجعل تكلفة الهيدروجين الناتجة تنافسية مع وقود النقل التقليدي وتعمل مشاريع البحث والتطوير الحكومية والصناعية على تقليل التكلفة وكذلك الآثار البيئية لتقنيات إنتاج الهيدروجين ومن هذه الطرق التي مازالت قيد التطوير  :

تقسيم الماء بدرجة حرارة عالية

تعتمد هذه الطريقة على استخدام المفاعلات النووية أو المكثفات الشمسية لإنتاج درجات حرارة مرتفعة وتفاعلات كيميائية تقوم بفصل الماء وإنتاج الهيدروجين .

تقسيم الماء الضوئي البيولوجي

تستطيع الميكروبات مثل البكتيريا والطحالب الدقيقة أو الخضراء إنتاج الهيدروجين باستخدام التفاعلات البيولوجية، سواء بإستخدام ضوء الشمس أو المواد العضوية، وذلك عن طريق استهلاك الماء وضوء الشمس لإنتاج الهيدروجين كمنتج ثانوي .

تقسيم الماء الكهروكيميائي الضوئي

تنتج الأنظمة الكهروكيميائية الهيدروجين من الماء باستخدام الطاقة الشمسية من خلال عمليات انقسام الماء مباشرةً أو التحلل الضوئي للطاقة الضوئية لتقسيم الماء إلى الهيدروجين والأكسجين باستخدام أشباه الموصلات الخاصة وطاقة الشمس

توزيع الهيدروجين

حتى الآن لم تتم إنشاء شبكة طرق مخصصة لتوزيع الهيدروجين بشكل صحيح في معظم البلاد، ولا تزال البنية التحتية اللازمة لتوزيع الهيدروجين على محطات الوقود التي تعمل بخلايا الوقود للسيارات الكهربائية بحاجة إلى التطوير والتحديث. هذه العوائق هي سبب عدم استخدام الهيدروجين كوقود بشكل شائع. وبالتالي، يتم إنتاج معظم الهيدروجين المستخدم في مكان استخدامه أو بالقرب منه، وعادة ما يتم ذلك في المواقع الصناعية الكبيرة. وهناك عدة طرق تقليدية مستخدمة لتوزيع الهيدروجين على المحطات، وتشمل

• خط الأنابيب : يتم استخدام هذه الطريقة عند توصيل كميات كبيرة من الهيدروجين، حيث يتم تمديد خط أنابيب بين المصدر والمستهلك، وتقع معظم هذه الأنابيب في أمريكا بالقرب من المصانع الكيميائية الكبيرة ومصافي البترول العملاقة، ويعتبر هذا الأسلوب من أرخص الطرق المستخدمة لنقل كميات كبيرة من الهيدروجين .
• المقطورات ذات الأنبوب العالي الضغط : وهذه الطريقة تعني إستخدام المقطورات بإختلاف أشكالها من مقطورة سفينة أو سكك حديدية أو حتى الشاحنة التقليدية وتكون هذه المقطورات مخصصة لذلك وذات أنبوب عالي الضغط وهو شيء مكلف جدًا وباهظ الثمن ولا يصل إلى مسافات كبيرة وإنما يستخدم فقط في المسافات القصيرة التي لا تتعدى ال 200 ميل تقريبًا .
• ناقلات الهيدروجين المسال : هذه الطريقة تعني استخدام الهيدروجين في صورة سائلة، ويتم ذلك عند تبريد الهيدروجين إلى درجة الحرارة التي تجعله سائلا. ثم يوضع في حاويات خاصة لهذا الغرض، وتسمى هذه العملية تسييل المبرد. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة من أغلى طرق النقل المستخدمة، إلا أنها الأكثر فاعلية وكفاءة مقارنة بإستخدام المقطورات ذات الأنابيب عالية الضغط، حيث يمكنها الوصول إلى أماكن أبعد بكثير. ولكن يجب استخدام الهيدروجين المسال عند درجة حرارة مرتفعة عند الاستهلاك، إذ أنه إذا لم يستخدم في هذه الدرجة فإنه يغلي ويتبخر من الحاويات. ويجب مطابقة معدلات نقل الهيدروجين واستهلاكه بعناية .

سيارات تعمل باستخدام الهيدروجين 

في الآونة الأخيرة، بدأت صناعة السيارات في استخدام مصادر الطاقة المتجددة التي لا تلحق ضررا بالبيئة. وتشمل هذه المصادر سيارات تعمل بخلايا الوقود أو السيارات الكهربائية التي تعتمد على الهيدروجين كوقود لتشغيل المحرك بدلا من الوقود التقليدي مثل الديزل أو البنزين. تعتمد هذه السيارات على اتحاد الأكسجين الموجود في الهواء مع الهيدروجين من خلال خلايا الوقود الموجودة، مما يؤدي إلى إنتاج الماء والكهرباء اللازمة لتشغيل السيارة. تقوم خلايا الوقود بدورها في اتحاد البروتونات مع الأكسجين لإنتاج جزيئات الماء، بالإضافة إلى توليد التيار الكهربائي والحرارة

شحن الهيدروجين في السيارات

لا تحتاج خلايا الوقود إلى إعادة شحنها بشكل دوري، كما يحدث في البطاريات، ولكنها بدلاً من ذلك تستمر في إنتاج الكهرباء طالما توفر مصدرًا للوقود، ويتم بيع الهيدروجين المضغوط الذي يحتاجه هذا النوع من الخلايا في محطات التزود بالوقود بالهيدروجين، وتعتبر خلايا الوقود من بين مصادر الطاقة النظيفة والفعالة .

مميزات خلية وقود الهيدروجين

يتميز استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود بالعديد من الفوائد والمميزات التي تجعلها من أفضل مصادر الطاقة، ومن بينها:

• تنبعث منها إنبعاثات قليلة تكاد تكون منعدمة .
• تعمل بكفاءة عالية .
• تعمل بموثوقية وقدرة عالية .
• يعتبر الوقود هنا مرنًا وغير قابل للنفاذ
• تُعَدُّ خلايا الوقود الهيدروجينية من بين أكثر مصادر الطاقة أمانًا .
• تعتبر خلايا الوقود الهيدروجينية متينة .
• تتم عملية صناعة هذه الخلايا بصورة هادئة، نظراً لعدم وجود أجزاء متحركة فيها .