التقنيات المستخدمة في توليد الكهرباء من الهيدروجين
مقدمة
طاقة الهيدروجين تعتبر من المصادر الثانوية للطاقة، اي انه لكي يتم الاستفادة من طاقة الهيدروجين يتطلب اولا الحصول على غاز الهيدروجين منفصلا وذلك باستخدام تقنيات او عمليات مختلفة، ثم بعد ذلك استخدام غاز الهيدروجين الناتج في عدة استخدامات. وهذا ما سيتم توضيحه من خلال العناوين التالية:
تعريف غاز الهيدروجين
غاز الهيدروجين لا يوجد منفصلا في الطبعة وانما يكون متحدا مع عناصر أخرى، يوجد مع الغاز في حالته الغازية ومع الماء والنفط في حالته السائلة ومع الفحم في حالته الصلبة، حيث يوجد الهيدروجين في الماء متحدا مع الاكسجين، وكذلك يوجد الهيدروجين متحدا مع عناصر اخرى في الوقود الاحفوري (الفحم والنفط والغاز الطبيعي) والكتلة الحيوية مكونا مركبات مختلفة تعرف (بالهيدروكربونات).
استخدامات الهيدروجين
الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه يتم استخدامه في عدد من المجالات والقطاعات مثل توليد الكهرباء و التدفئة وسائل النقل المختلفه وانتاج الامونيا وغيرها، وبالامكان تصنيف هذه الاستخدامات الى ثلاث فئات على النحو التالي:
1. استخدام الهيدروجين في توليد الطاقة والحرارة مثل:
توليد الطاقة الكهربائية في شبكات الكهرباء
في التخزين المؤقت للطاقة
إضافة الهيدروجين إلى الغاز الطبيعي لانتاج الطاقة
استخدامه كمصدر للحرارة/الطاقة في المباني
استخدامه كمصدر للحرارة/الطاقة في المصانع
2. استخدام الهيدروجين في صناعة المواد الخام مثل:
إنتاج الأمونيا
إنتاج الصلب
الغاز التخليقي
التكسير الهيدروجيني
الهدرجة
3. استخدام الهيدروجين في نقل الركاب و البضائع مثل:
الرافعات الشوكية التي تعمل بخلايا الوقود
المركبات التي تعمل بطاقة الهيدروجين
قطارات تعمل بطاقة الهيدروجين
الطائرات التي تعمل بطاقة الهيدروجين
السفن التي تعمل بطاقة الهيدروجين
طريقة الحصول على الهيدروجين منفصلا
كما ذكرنا بان غاز الهيدروجين لا يوجد منفردا في الطبيعة وانما يكون متحدا مع عناصر أخرى، لهذا فان الحصول عليه يتطلب فصله عن العناصر الأخرى.حيث توجد عدة طرق تستخدم للحصول على الهيدروجين. لذلك نجد ان هناك عدة مسميات للهيدروجين نتيجة للطريقة التي يتم استخدامها لفصله عن العناصر الأخرى وبالتالي جرى تسمية الهيدروجين باسماء الالوان على حسب الطريقة المتبعة في الحصول عليه. فيما يلي اسماء بعض انواع الهيدروجين المنتجة واسم الطريقة المستخدمة في انتاجه: –
1. الهيدروجين الرمادي: يتم الحصول على الهيدروجين الرمادي من الغاز عن طريق اعادة تشكيل الميثان بالبخار ويتم إطلاق CO2 المنتج في الغلاف الجوي.
2. الهيدروجين الازرق: يتم الحصول على الهيدروجين الأزرق من الفحم والغاز عن طريق إعادة تشكيل الميثان بالبخار ولكن يتم التقاط ثاني اكسيد الكربون (CO2) وتخزينه في نظام احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS).
3. الهيدروجين الوردي: يتم الحصول على الهيدروجين الوردي عن طريق التحليل الكهربائي للماء حيث يتم انتاج الكهرباء من الطاقة النووية.
4. الهيدروجين الاسود او البني: يتم الحصول على الهيدروجين الأسود / البني من الفحم من خلال التغويز ، لكنها عملية ملوثة للغاية حيث يتم إطلاق CO2 في الغلاف الجوي.
5. الهيدروجين الاخضر: يتم الحصول على الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي للماء (أو البخار) باستخدام الكهرباء التي يتم الحصول عليها من مصادر الطاقة المتجدد مثل الرياح أو الطاقة الشمسية.
الهيدروجين الاخضر
ذكرنا بان هناك عدة طرق تستخدم في الحصول على الهيدروجين، وبالتالي يتم تسمية غاز الهيدروجين الناتج باسماء الالوان على حسب الطريقة المستخدمة، ولكن الهيدروجين الاخضر هو الاكثر تفضيلا واهمية.
تكمن أهمية وفائدة الهيدروجين الأخضر في عدة أمور، من أبرزها ما يأتي:
يُعتبر مصدرًا نظيفًا للطاقة؛ حيث لا ينبعث منه سوى بخار الماء ولا يترك أي بقايا في الهواء.
يحتوي على نسبة منخفضة جدًا من الكربون الذي يعد أحد أبرز العناصر الضارة المنتشرة في الغلاف الجوي.
يُعتبر بديلًا جيدًا عن الوقود الأحفوري في إنتاج الطاقة.
يُوفر إمكانية إزالة الكربون من الطاقة التي تستخدم في عدة قطاعا ت.
انظمة طاقة الهيدروجين الاخضر
المقصود بانظمة الطاقة بشكل عام هي العلمليات او الوسائل المستخدمة في طرق الحصول على الطاقة بداية من اماكن الحصول على الطاقة وصولا الى اماكن استخدامها. لذلك، على سبيل المثال، نجد ان انظمة طاقة الوقود الاحفوري تشمل (نظام الشق العلوي، نظم الشق المتوسط، نظام الشق السفلي)، وكذلك انظة الطاق الكهربائية تشمل(نظام التوليد، نظام النقل، نظام التوزيع، نظام التزويد).
لذلك، بالامكان تسمية انظمة طاقة الهيدروجين الاخضر على النحو التالي:
نظام انتاج الهيدروجين: ويقصد به هو الاماكن التي يتم فيها انتاج الهيدروجين وتخزينه ويشمل الاتي:
وحدات مصدر الطاقة الكهربائية: وتشمل مصادر الطاقة المتجدة والتي عادة تكون اما الواح شمسية او توربينات الريح.
وحدات انتاج الهيدروجين: وتشمل الوحدات التي يتم من خلالها فصل عناصر الماء ( الهيدروجين عن الاوكسجين) باستخدام التحليل الكهربائي.
وحدات تخزين الهيدروجين: توجد عدة طرق لتخزين الهيدروجين، الاكثر شيوعا هي (تخزين الهيدروجين المضغوط، تخزين الهيدروجين المسال، تخزين الهيدروجين تحت الارض)
نظام نقل الهيدروجين: ويقصد به هو الطرق التي يتم من خلالها نقل الهيدروجين من اماكن الانتاج الى اماكن الاستهلاك، سواء كانت هذه الاماكن داخل البلد المنتجة للهيدروجين او كانت في بلد اخر على مئات او الاف الكيلومترات. عادة يتم تحديد طريقة نقل الهيدروجين الى حد كبير الطريقة التي بها تخزين الهين في اماكن التخزين. وفي حالة الطرق التي تم ذكرها في تخزين الهيدروجين، تكون طرق نقل الهيدروجين على النحو التالي:
نقل الهيدروجين المضغوط: ويتم نقل الهيدروجين عبر صهاريج التخزين والتي توجد باشكال وانواع مختلفة.
نقل الهيدروجين المسال: ويتم عن طريق الناقلات المخصصة للهيدروجين المسال.
نقل الهيدروجين المخزن تحت الارض: نظرا لطبيعة اماكن التخزين، يتم نقل الهيدروجين عبر خطوط الانابيب ليتم اولا ضغطه ا و تسييله ومن ثم نقله الى اماكن الاستخدام.
التقنيات المستخدمة في توليد الكهرباء من الهيدروجين
التقنيات المستخدمة في توليد الكهرباء من الهيدروجين: – توجد اكثر من تقنية مستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية من الهيدروجين منها ما هو مستخدم ومنها مازال قيد البحث والتطوير: –
تقنية خلايا وقود الهيدروجين: – وهي تقنية التي تتم من خلال التفاعل الكهروكيميائي وهي الطريقة الأكثر شيوعا ونجاحا في وقتنا الحاضر، وقد تم شرح هذه التقنية عندما تم التحدث عن خلايا وقود الهيدروجين كما كان موضحا في الشكل رقم.
تقنية الاحتراق الداخلي باستخدام خليط الهيدروجين: – وهي التقنية التي يستخدم فيها الهيدروجين وقود للتوربينات الغازية مباشرة لتوليد الطاقة الكهربائية عندما يتم استخدام خليط الهيدروجين مع الغاز الطبيعي، هذه التقنية مستخدمة يشكل تجاري.
تقنية الاحتراق الداخلي باستخدام الهيدروجين النقي: – وهي التقنية الواعدة التي يستخدم فيها غاز الهيدروجين النقي 100% كوقود للتوربينات الغازية (الهيدروجينية). هذه التقنية ما زالت قيد التطوير حيث تسعى الشركات المصنعة للتوربينات في تطوير هذه النوعية من التوربينات ومن المتوقع ان تدخل هذه التقنية عملية التطبيق التجاري بحلول عام 2030م.
بالامكان ارسال هذه المقاله من خلال قنوات التواصل التالية
المقصود بانظمة الطاقة بشكل عام هي العلمليات او الوسائل المستخدمة في طرق الحصول على الطاقة بداية من اماكن الحصول على الطاقة وصولا الى اماكن استخدامها. لذلك، على سبيل المثال، نجد ان انظمة طاقة الوقود الاحفوري تشمل (نظام الشق العلوي، نظم الشق المتوسط، نظام الشق السفلي)، وكذلك انظة الطاق الكهربائية تشمل(نظام التوليد، نظام النقل، نظام التوزيع، نظام التزويد).