العربية

اكتشف طرق تخزين الهيدروجين المتنوعة وتحدياتها والتقدم الذي يقود مستقبل طاقة مستدام. منظور عالمي.

فهم تخزين الهيدروجين: دليل عالمي شامل

يتم الاعتراف بالهيدروجين بشكل متزايد باعتباره ناقلًا رئيسيًا للطاقة في التحول العالمي نحو مستقبل مستدام. إن إمكاناته في إزالة الكربون من مختلف القطاعات، بما في ذلك النقل والصناعة وتوليد الطاقة، كبيرة. ومع ذلك، فإن الاعتماد الواسع النطاق على طاقة الهيدروجين يتوقف على تطوير حلول تخزين فعالة ومنخفضة التكلفة. يقدم هذا الدليل نظرة شاملة على الطرق المختلفة لتخزين الهيدروجين، وتحدياتها، وأحدث التطورات التي تقود الابتكار في هذا المجال الحيوي.

لماذا يعتبر تخزين الهيدروجين مهمًا

الهيدروجين، على الرغم من وفرته، يوجد بشكل أساسي في مركبات مثل الماء (H2O) أو الهيدروكربونات (مثل الميثان، CH4). يتطلب استخلاص الهيدروجين النقي طاقة، ويشكل تخزينه تحديات فريدة بسبب كثافته المنخفضة وقابليته العالية للاشتعال. يعد التخزين الفعال أمرًا بالغ الأهمية لعدة أسباب:

طرق تخزين الهيدروجين

يمكن تصنيف تقنيات تخزين الهيدروجين على نطاق واسع إلى طرق تخزين فيزيائية وكيميائية. لكل نهج مزاياه وعيوبه من حيث سعة التخزين، وكفاءة الطاقة، والتكلفة، والسلامة.

1. التخزين الفيزيائي

يشمل التخزين الفيزيائي تخزين الهيدروجين كغاز أو سائل تحت ظروف درجة حرارة وضغط محددة.

أ) غاز الهيدروجين المضغوط

يشمل تخزين غاز الهيدروجين المضغوط ضغط الهيدروجين إلى ضغوط عالية (عادةً 350-700 بار، وحتى 1000 بار في بعض التطبيقات) وتخزينه في أوعية ضغط قوية. هذه تقنية ناضجة نسبيًا ولها حلول متاحة تجاريًا.

المزايا:
العيوب:
أمثلة:

يستخدم الهيدروجين المضغوط على نطاق واسع في المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود. على سبيل المثال، تستخدم سيارة نيكسو من هيونداي التي تعمل بخلايا الوقود ثلاثة خزانات هيدروجين عالية الضغط بسعة تخزين تبلغ 6.33 كجم عند 700 بار، مما يوفر مدى يزيد عن 600 كم (معيار WLTP).

ب) الهيدروجين السائل

يشمل تخزين الهيدروجين السائل تبريد الهيدروجين إلى نقطة غليانه المبردة (-253 درجة مئوية) لتكثيفه إلى سائل. هذا يزيد بشكل كبير من كثافة الطاقة الحجمية مقارنة بالغاز المضغوط.

المزايا:
العيوب:
أمثلة:

يستخدم الهيدروجين السائل في برامج الفضاء (مثل مكوك الفضاء التابع لناسا) ويتم استكشافه لتطبيقات النقل لمسافات طويلة، مثل الطائرات والسفن. على سبيل المثال، تقوم شركة إيرباص بتطوير طائرات تعمل بالهيدروجين ستستخدم تخزين الهيدروجين السائل.

2. التخزين الكيميائي

يشمل التخزين الكيميائي تخزين الهيدروجين في مركبات كيميائية، والتي تطلق الهيدروجين عند التفاعل مع محفز، مثل الحرارة أو عامل مساعد.

أ) هيدريدات المعادن

هيدريدات المعادن هي مركبات تتكون من تفاعل الهيدروجين مع معادن أو سبائك معينة. يتم تخزين الهيدروجين داخل الشبكة المعدنية ويمكن إطلاقه عن طريق تسخين الهيدريد.

المزايا:
العيوب:
أمثلة:

يعد هيدريد اللانثانوم والنيكل (LaNi5H6) وهيدريد المغنيسيوم (MgH2) أمثلة على هيدريدات المعادن التي يتم التحقيق فيها لتخزين الهيدروجين. تركز الأبحاث على تحسين سعة تخزين الهيدروجين وحركيته من خلال السبائك والتصنيع النانوي. على سبيل المثال، يعمل الباحثون في اليابان بنشاط على أنظمة قائمة على MgH2 معدلة بمحفزات لتحسين أدائها.

ب) الهيدريدات الكيميائية

الهيدريدات الكيميائية هي مركبات تطلق الهيدروجين عند تفاعلها مع الماء أو كاشف آخر. تشمل الأمثلة بورهيدريد الصوديوم (NaBH4) وبوران الأمونيا (NH3BH3).

المزايا:
العيوب:
أمثلة:

تم استخدام بورهيدريد الصوديوم (NaBH4) في بعض تطبيقات خلايا الوقود. تركز الأبحاث على تطوير طرق فعالة لتجديد البورهيدريد المستهلك. يعد بوران الأمونيا (NH3BH3) هيدريدًا كيميائيًا واعدًا آخر، لكن تجديده لا يزال يمثل تحديًا. يستكشف الباحثون في ألمانيا والولايات المتحدة مسارات مختلفة للتجديد الفعال لهذه المواد.

ج) حاملات الهيدروجين العضوية السائلة (LOHCs)

حاملات الهيدروجين العضوية السائلة هي سوائل عضوية يمكنها ربط الهيدروجين بشكل عكسي من خلال تفاعلات الهدرجة ونزع الهيدروجين. تشمل الأمثلة التولوين/ميثيل سيكلوهكسان وديبنزيل تولوين/بيرهيدرو-ديبنزيل تولوين.

المزايا:
العيوب:
أمثلة:

يعد نظام التولوين/ميثيل سيكلوهكسان أحد أكثر أنظمة LOHC دراسة. يضاف الهيدروجين إلى التولوين لتكوين ميثيل سيكلوهكسان، الذي يمكن نقله وتخزينه. ثم يتم إطلاق الهيدروجين عن طريق نزع الهيدروجين من ميثيل سيكلوهكسان مرة أخرى إلى التولوين. تعمل الشركات في اليابان وألمانيا بنشاط على تطوير ونشر حلول تخزين ونقل الهيدروجين القائمة على LOHC. لقد أظهرت شركة شيودا في اليابان سلسلة إمداد عالمية للهيدروجين باستخدام تقنية SPERA Hydrogen™ الخاصة بها القائمة على نظام LOHC التولوين/ميثيل سيكلوهكسان، حيث تنقل الهيدروجين من بروناي إلى اليابان.

3. التخزين المعتمد على المواد (الامتزاز)

تستخدم هذه الطريقة مواد ذات مساحات سطحية عالية، مثل الكربون المنشط، والأطر المعدنية العضوية (MOFs)، وأنابيب الكربون النانوية، لامتزاز جزيئات الهيدروجين.

المزايا:
العيوب:
أمثلة:

يقوم الباحثون في جميع أنحاء العالم بتطوير وتوصيف أطر MOFs جديدة ومواد نانوية مسامية أخرى لتخزين الهيدروجين. على سبيل المثال، يقوم العلماء في الجامعات والمؤسسات البحثية في الولايات المتحدة وأوروبا وآسيا بتخليق أطر MOFs ذات خصائص امتزاز هيدروجين معززة، مثل زيادة مساحة السطح وتفاعلات أقوى مع جزيئات الهيدروجين. لا يزال البحث عن مواد يمكنها تخزين الهيدروجين بفعالية في درجات حرارة وضغوط شبه محيطة يمثل محور تركيز رئيسي.

التحديات والتوجهات المستقبلية في تخزين الهيدروجين

بينما تم إحراز تقدم كبير في تقنيات تخزين الهيدروجين، لا تزال هناك عدة تحديات:

تركز جهود البحث والتطوير المستقبلية على مواجهة هذه التحديات وتطوير حلول تخزين هيدروجين مبتكرة. تشمل بعض مجالات التركيز الرئيسية ما يلي:

المبادرات والاستثمارات العالمية

تستثمر الحكومات والصناعات في جميع أنحاء العالم بكثافة في أبحاث وتطوير تخزين الهيدروجين. تشمل الأمثلة ما يلي:

الخاتمة

يعد تخزين الهيدروجين تقنية تمكينية حاسمة للاعتماد الواسع النطاق لطاقة الهيدروجين. على الرغم من استمرار التحديات، فإن جهود البحث والتطوير المستمرة تدفع الابتكار في علم المواد والهندسة وتصميم الأنظمة. مع نضوج تقنيات الهيدروجين وانخفاض التكاليف، سيلعب تخزين الهيدروجين دورًا متزايد الأهمية في إزالة الكربون من مختلف القطاعات وخلق مستقبل طاقة مستدام للعالم. يكمن مفتاح إطلاق الإمكانات الكاملة للهيدروجين في السعي المستمر لإيجاد حلول تخزين فعالة وآمنة ومنخفضة التكلفة يمكنها تلبية الاحتياجات المتنوعة لاقتصاد الهيدروجين العالمي. يعد التعاون الدولي وتبادل المعرفة ضروريين لتسريع التقدم في هذا المجال الحيوي.