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:

• تمكين النقل المعتمد على الهيدروجين: يعد تخزين كمية كافية من الهيدروجين على متن المركبات أمرًا ضروريًا لتحقيق نطاقات قيادة عملية للمركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs).
• دمج مصادر الطاقة المتجددة: يمكن أن يعمل الهيدروجين كمنظم للطاقة، حيث يخزن الطاقة المتجددة الفائضة (مثل الطاقة الشمسية والرياح) خلال فترات الإنتاج العالي ويطلقها عندما يكون الطلب مرتفعًا، مما يساهم في استقرار الشبكة.
• إزالة الكربون من العمليات الصناعية: تتطلب العديد من العمليات الصناعية الهيدروجين كمادة أولية. يتيح التخزين الفعال توفير إمدادات موثوقة من الهيدروجين المنتج من مصادر متجددة، مما يقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري.
• إنشاء اقتصاد هيدروجين عالمي: تعد حلول التخزين الفعالة حيوية لتسهيل التجارة الدولية للهيدروجين، مما يمكّن البلدان التي لديها موارد طاقة متجددة وفيرة من تصدير الهيدروجين إلى تلك التي لديها طلبات طاقة أعلى.

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:

• تقنية بسيطة نسبيًا.
• أوقات تعبئة سريعة.
• بنية تحتية راسخة للتعامل مع الغاز.

العيوب:

• كثافة طاقة حجمية منخفضة (مقارنة بالوقود السائل).
• استهلاك طاقة مرتفع للضغط.
• مخاوف تتعلق بالسلامة مرتبطة بالتخزين تحت ضغط مرتفع.
• خزانات تخزين ثقيلة وضخمة.

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:

• كثافة طاقة حجمية أعلى من الغاز المضغوط.
• ضغط تخزين أقل.

العيوب:

• استهلاك طاقة مرتفع للإسالة.
• خسائر التبخر (تبخر الهيدروجين بسبب تسرب الحرارة إلى الخزان).
• بنية تحتية مبردة معقدة ومكلفة.

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:

• كثافة طاقة حجمية أعلى من الغاز المضغوط.
• تخزين آمن نسبيًا.
• إمكانية التخزين القابل للعكس (إعادة الشحن بالهيدروجين).

العيوب:

• وزن عالٍ لمادة هيدريد المعدن.
• حركية إطلاق هيدروجين بطيئة نسبيًا.
• تكلفة عالية لبعض مواد هيدريد المعادن.
• تحديات إدارة الحرارة أثناء الشحن والتفريغ.

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:

• سعة تخزين هيدروجين عالية.
• مستقرة في درجات الحرارة المحيطة.

العيوب:

• إطلاق هيدروجين غير قابل للعكس لبعض الهيدريدات الكيميائية (يتطلب تجديدًا).
• تعقيد التفاعل وإدارة المنتجات الثانوية.
• تكلفة عالية لبعض الهيدريدات الكيميائية.

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:

• كثافة طاقة حجمية عالية.
• سهولة النقل والتخزين باستخدام البنية التحتية الحالية.
• آمنة ومستقرة نسبيًا في الظروف المحيطة.

العيوب:

• استهلاك طاقة مرتفع للهدرجة ونزع الهيدروجين.
• تكلفة المحفزات ومواد LOHC.
• احتمالية تعطيل المحفز.
• تدهور جزئي لـ LOHC على مدى دورات متعددة.

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:

• ضغط تخزين منخفض نسبيًا مقارنة بالغاز المضغوط.
• إمكانية تحقيق سعة تخزين هيدروجين عالية في درجات حرارة منخفضة.

العيوب:

• سعة تخزين هيدروجين منخفضة في درجات الحرارة المحيطة.
• تكلفة عالية لبعض المواد المتقدمة (مثل MOFs).
• تحديات في تخليق المواد وتوسيع نطاقها.

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:

• التكلفة: يعد خفض تكلفة أنظمة تخزين الهيدروجين أمرًا بالغ الأهمية لجعل طاقة الهيدروجين قادرة على المنافسة مع الوقود التقليدي. ويشمل ذلك خفض تكلفة المواد والتصنيع والبنية التحتية.
• كفاءة الطاقة: يعد تحسين كفاءة الطاقة لعمليات تخزين الهيدروجين، مثل الضغط والإسالة والهدرجة/نزع الهيدروجين، أمرًا ضروريًا لزيادة كفاءة الطاقة الإجمالية لسلسلة قيمة الهيدروجين.
• سعة التخزين: تعد زيادة سعة تخزين الهيدروجين الوزنية (القائمة على الوزن) والحجمية (القائمة على الحجم) لأنظمة التخزين أمرًا حيويًا للتطبيقات التي تكون فيها المساحة والوزن من العوامل الحاسمة، مثل النقل.
• السلامة: يعد ضمان التخزين والتعامل الآمن مع الهيدروجين أمرًا بالغ الأهمية. ويشمل ذلك تطوير بروتوكولات وتقنيات سلامة قوية لمنع التسربات والانفجارات.
• المتانة: يعد تعزيز متانة وعمر أنظمة تخزين الهيدروجين أمرًا مهمًا لخفض تكاليف الصيانة وضمان الموثوقية على المدى الطويل.
• البنية التحتية: يعد تطوير بنية تحتية واسعة النطاق للهيدروجين، بما في ذلك محطات التزود بالوقود وخطوط الأنابيب، أمرًا ضروريًا للاعتماد الواسع النطاق لطاقة الهيدروجين.
• استقرار المواد: يعد تعزيز الاستقرار طويل الأمد للمواد المستخدمة في التخزين الكيميائي أمرًا مهمًا لمنع التدهور والحفاظ على الأداء على مدى فترات طويلة.

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

• المواد المتقدمة: تطوير مواد جديدة ذات خصائص تخزين هيدروجين معززة، مثل الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، والأطر العضوية التساهمية (COFs)، والسبائك عالية الإنتروبي.
• تكنولوجيا النانو: استخدام تكنولوجيا النانو لتحسين أداء مواد التخزين الحالية وإنشاء مفاهيم تخزين جديدة.
• الضغط المبرد: الجمع بين التبريد المبرد والضغط لتحقيق كثافة هيدروجين عالية عند ضغوط معتدلة.
• التخزين الكهروكيميائي: استكشاف الطرق الكهروكيميائية لتخزين الهيدروجين، مثل بطاريات الهيدروجين.
• المواد متعددة الوظائف: تطوير مواد يمكنها أداء وظائف متعددة، مثل تخزين الهيدروجين وتوليد الكهرباء.
• عمليات تجديد محسنة: تطوير طرق أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة لتجديد الهيدريدات الكيميائية المستهلكة.
• أنظمة LOHC المحسنة: تصميم أنظمة LOHC بدرجات حرارة هدرجة/نزع هيدروجين أقل ومحفزات أكثر استقرارًا.

المبادرات والاستثمارات العالمية

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

• برنامج الهيدروجين التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE): يدعم مشاريع البحث والتطوير والعرض التي تهدف إلى تطوير تقنيات الهيدروجين وخلايا الوقود، بما في ذلك تخزين الهيدروجين.
• استراتيجية الهيدروجين للاتحاد الأوروبي: تهدف إلى تسريع تطوير ونشر تقنيات الهيدروجين في جميع أنحاء أوروبا، بما في ذلك تخزين الهيدروجين.
• مجلس الهيدروجين: مبادرة عالمية يقودها الرؤساء التنفيذيون لشركات رائدة في مجالات الطاقة والنقل والصناعة والاستثمار برؤية موحدة وطموح طويل الأجل للهيدروجين لتعزيز تحول الطاقة.
• الاستراتيجيات الوطنية للهيدروجين: طورت العديد من البلدان، بما في ذلك أستراليا وكندا وألمانيا واليابان وكوريا الجنوبية، استراتيجيات وطنية للهيدروجين تتضمن أهدافًا وتمويلًا لأبحاث ونشر تخزين الهيدروجين.

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.