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 من أكثر العناصر انتشارا في الكون ولكنه بالرغم من ذلك لا يتواجد منفردًا أبدًا ولكن يتواجد دائمًا كجزء من مركب آخر كجزء من الماء في المحيطات وكتل الجليد والأنهار والبحيرات مثلًا ويتواجد أيضًا في الغلاف الجوي كجزء من مركبات الكربون التي لا حصر لها وتتواجد بكثرة ويوجد الهيدروجين في جميع الأنسجة الحيوانية والنباتية وفي البترول .[2]
طرق إنتاج الهيدروجين وشحنه كوقود
يمكن إنتاج الهيدروجين من مصادر محلية متنوعة بما في ذلك الوقود الأحفوري والكتلة الحيوية والتحليل الكهربائي للماء بالكهرباء ويعتمد التأثير البيئي وكفاءة الطاقة للهيدروجين على كيفية إنتاجه وهناك عدة طرق لإنتاج الهيدروجين منها :
الحصول على الهيدروجين من الغاز الطبيعي
هذه الطريقة من أرخص الطرق المستخدمة للحصول على الهيدروجين وتتم عن طريق تفاعل بخار عالي الحرارة مع الغاز الطبيعي فينتج عنه أول أكسيد الكربون مع كمية من ثاني أكسيد الكربون بالإضافة إلى الهيدروجين ففي هذه العملية يتفاعل الماء مع أول أكسيد الكربون فينتج عنه هيدروجين إضافي وهناك أيضًا طريقة أخرى لإنتاج الهيدروجين تدعى عملية التغويز وهي تعني إستخدام جهاز التغوير المضغوط في تفاعل البخار عالي الحرارة مع الكتلة الحيوية أو الفحم بالإضافة إلى الأكسجين فيتم تحويلهم إلى غازاو تحتوى على غاز أول أكسيد الكربون وبخار الماء اللذين يتفاعلان سويًا فيقوموا بإنتاج 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
وفي هذه الطريقة يتفاعل الوقود المتجدد على هيئته السائلة كمثال على ذلك غاز الإيثانول بالاضافة إلى بخارماء في درجة حرارة كبيرة سعيا لانتاج غاز الهيدروجين ويجب أن تتم هذه العملية بالقرب من المنطقة التي سوف يستخدم بها .
التخمير
وفي 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
في هذه الطريقة يتم إستخدام المفاعلات النووية أو المكثفات الشمسية في إنتاج درجات حرارة مرتفعة وتفاعلات كيميائية تقوم بفصل الماء وإنتاج الهيدروجين .
تقسيم الماء الضوئي البيولوجي
يمكن للميكروبات مثل البكتيريا والطحالب الدقيقة أو الخضراء إنتاج الهيدروجين من خلال التفاعلات البيولوجية باستخدام ضوء الشمس أو المواد العضوية وذلك بإستهلاك الماء مع ضوء الشمس ويتم إنتاج الهيدروجين كمنتج ثانوي .
تقسيم الماء الكهروكيميائي الضوئي
تنتج الأنظمة الكهروكيميائية الكهروضوئية الهيدروجين من الماء حيث تستخدم عمليات الانقسام المباشر للمياه بالطاقة الشمسية أو عمليات التحلل الضوئي الطاقة الضوئية لتقسيم الماء إلى كل من الهيدروجين وكذلك الأكسجين بإستخدام أشباه موصلات خاصة وطاقة من ضوء الشمس.[1] ، [3]
توزيع الهيدروجين
لم يتم حتى الآن وجود شبكة طرق مخصصة ومبنية لتوزيع الهيدروجين بشكل صحيح في معظم البلاد ولا تزال البنية التحتية اللازمة لتوزيع الهيدروجين على محطات الوقود الموجودة للسيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود بحاجة إلى التطوير والتحديث وكل هذا من
عوائق إستخدام الهيدروجين كوقود
لذا يتم إنتاج معظم الهيدروجين المستخدم في مكان إستخدامه أو بالقرب منه ويتم ذلك عادةً في المواقع الصناعية الكبيرة وتوجد عدة طرق تقليدية مستخدمة لتوزيع الهيدروجين على المحطات من هذه الطرق :
- خط الأنابيب : وهذا الأسلوب يعني مد خط أنبوبي بين المصدر والمستهلك وتقع معظم خطوط الأنابيب هذه في أمريكا بالقرب من المصانع الكيماوية الكبيرة ومصافي البترول العملاقة وتعتبر هذه الطريقة من أرخص الطرق المستخدمة لتوصيل 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 إستخدام الهيدروجين ولكن في صورة سائلة ويتم ذلك عند تبريد الهيدروجين إلى درجة الحرارة التي تجعله سائلًا ثم وضعة في حاويات إحتواء مخصصة لذلك وتسمى هذه العملية التسييل المبرد وعلى الرغم من أن هذه الطريقة من أغلى طرق النقل المستخدمة إلا أنها تعتبر الأكثر فاعلية وكفاءة مقارنة بإستخدام المقطورات ذات الأنابيب عالية الضغط حيث يمكنها الوصول إلى أماكن أبعد كثيرًا ولكن يجب أن يتم إستخدام هذا الهيدروجين المسال عند معدل مرتفع من درجة الحرارة فأن لم يستخدم في هذه الدرجة عند الإستهلاك فإنه يغلي ويتبخر من أوعية الإحتواء ويجب مطابقة معدلات توصيل واستهلاك الهيدروجين بعناية . [1]
سيارات تعمل باستخدام الهيدروجين
قامت صناعة السيارات في الآونه الأخيرة على إستخدام مصادر الطاقة المتجددة والتي لا تضر بالبيئة ومن هذه السيارات السيارات التي تعمل بخلايا الوقود أو السيارات الكهربائية القائمة على الهيدروجين لتشغيل المحرك بدلًا من الوقود التقليدي كالديزل مثلًا أو البنزين وتعمل هذه السيارة على إتحاد الأكسجين الموجود في الهواء مع الهيدروجين عبر خلايا الوقود الموجودة فينتج عن هذا الإتحاد الماء والكهرباء اللازمة لعمل السيارة وتقوم خلية الوقود هنا بدورها في إتحاد البروتونات مع الأكسجين لكي ينتج عنه جزيئات الماء بالإضافة إلى توليد التيار الكهربائي والحرارة . [4] ، [6]
شحن الهيدروجين في السيارات
لا تحتاج خلايا الوقود إلى إعادة شحنها بشكل دوري مثل البطاريات ولكنها بدلاً من ذلك تستمر في إنتاج الكهرباء طالما تم توفير مصدر للوقود حيث يباع الهيدروجين المضغوط في محطات التزود بالوقود بالهيدروجين وتعتبر خلايا الوقود من مصادر الطاقة النظيفة والفعالة .[6]
مميزات خلية وقود الهيدروجين
لإستخدام الهيدروجين في خلايا الوقود فوائد ومميزات عدة تجعله من أفضل المصادر للطاقة منها :
- يتم خروج إنبعاثات قليلة منها تكاد تكون منعدمة .
- تعمل بكفاءة عالية .
- تعمل بموثوقية وقدرة عالية .
- يعتبر الوقود هنا مرن وغير قايل للنفاذ
- تعتبر خلايا الوقود الهيدروجينية من أأمن مصادر الطاقة .
- تعتبر خلايا الوقود الهيدروجينية متينة .
- يتم عمل هذه الخلايا بهدوء حيث أنها لا تحتوي على أجزاء متحركة .[6]