تعد بطاريات الطاقة عنصرًا مهمًا في التكنولوجيا الحديثة التي تخزن الطاقة وتطلقها ، مما يجعلها ضرورية للهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وحتى المركبات الكهربائية.
شهدت بطاريات الطاقة تطورًا حديثًا من حيث الأداء والكفاءة. أحد هذه التطورات هو بداية خلية وقود الهيدروجين التكنولوجيا التي تكتسب شعبية بسبب قدرتها على توفير الطاقة المستدامة. على عكس الوقود الأحفوري التقليدي ، فإن طاقة الهيدروجين هي وقود نقل بديل لا ينتج عنه أي انبعاثات وهو قابل للتجديد.
هذه التكنولوجيا أحدث نسبيًا من السيارات الكهربائية القياسية ، التي اكتسبت قوة دفع مؤخرًا. منذ عام 2015 ، باعت ثلاث شركات سيارات فقط سيارات تعمل بالهيدروجين ، مع أعلى مبيعات تجاوزت 10,700 بقليل عبر جيلين. شركات السيارات الثلاث هذه هي هيونداي وهوندا وتويوتا.
والجدير بالذكر أن شركات الإعلام الشهيرة مثل CNN قد قدمت تقارير تتعلق بالهيدروجين. على سبيل المثال ، أحدهم المقالات الأخيرة كشفت الخطط بين RWE ، أحد منتجي الطاقة في ألمانيا ، وشركة الطاقة النرويجية Equinox لبناء محطات طاقة تعمل بالوقود الهيدروجين في ألمانيا على مدى السنوات القليلة المقبلة ، بما في ذلك خط أنابيب لنقلهم.
مرة أخرى، تقرير آخر يغطي بيانًا صادرًا عن شركة طيران ، إيرباص ، أعلن علنًا عن تطويرها لمحرك يعمل بخلية وقود تعمل بالهيدروجين كجزء من مبادرتها لإطلاق طائرة عديمة الانبعاثات بحلول عام 2035. كل هذه جهود لدفع النمو التكنولوجي.
جدول المحتويات
ما هي تقنية خلايا وقود الهيدروجين؟
ما هي المركبات التي يمكنها استخدام تكنولوجيا الطاقة الهيدروجينية؟
ما هو مستقبل تكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين؟
الأفكار النهائية
ما هي تقنية خلايا وقود الهيدروجين؟
تستخدم تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية عملية كهروكيميائية تحول الطاقة الكيميائية للهيدروجين والأكسجين إلى طاقة كهربائية.
يتم إنجازه باستخدام مكدس خلايا الوقود ، وهو عبارة عن سلسلة من خلايا الوقود الفردية التي تنتج كميات صغيرة من الكهرباء التي يتم تجميعها لتعزيز الطاقة الكهربائية.
يعتمد مبدأ توليد الطاقة على تفاعل الأكسدة والاختزال للهيدروجين والأكسجين. يتم إدخال غاز الهيدروجين في الأنود بينما يدخل الأكسجين من خلال جانب الكاثود لخلية الوقود. يتم فصل كلا الغازين بواسطة إلكتروليت ، والذي يسمح بمرور الأيونات موجبة الشحنة دون اختلاط الغازات.
بعد ذلك ، يتلامس الهيدروجين مع محفز موضوع عند الأنود ويتأكسد لإنتاج البروتونات (أيونات الهيدروجين موجبة الشحنة) والإلكترونات (أيونات الهيدروجين سالبة الشحنة). تمر البروتونات عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب ، بينما تُجبر الإلكترونات التي لا يمكنها المرور عبر الإلكتروليت على التحرك حول الدائرة إلى القطب السالب. هذا التدفق من الأيونات هو ما يخلق تيارًا كهربائيًا.
عند الكاثود ، يحدث الاختزال مع الأكسجين ، حيث يتفاعل مع البروتونات والإلكترونات المتلقاة لإنتاج الماء. يعطي التفاعل الكلي طاقة كهربائية من خلال تدفق هذه الأيونات ، إما تستخدم لتشغيل المحرك الكهربائي الذي يقود السيارة أو لشحن كمية صغيرة بطارية ليثيوم أيون يوفر الطاقة لاستخدامها لاحقًا.
تلتقط هذه البطارية أيضًا الطاقة من نظام الكبح الإصلاحي في السيارة وتخزن الطاقة الزائدة المنبعثة من مجموعة الوقود أثناء القيادة منخفضة الطاقة.
ما هي المركبات التي يمكنها استخدام تكنولوجيا الطاقة الهيدروجينية؟
تستخدم تكنولوجيا الطاقة الهيدروجينية بشكل أساسي في الحافلات والشاحنات على مستوى التطبيق الحالي. ومع ذلك ، فإن النشر منخفض للغاية لأن العديد من العوامل ، مثل التكلفة العالية والبنية التحتية المحدودة ، تعيق توسع هذه التكنولوجيا.
ومع ذلك ، فإن المركبات التي تعمل بالهيدروجين لها فوائد معينة غريبة عن نظيراتها في الاحتراق. أولاً ، الحافلات التي تعمل بوقود الهيدروجين لا تنبعث منها ملوثات ضارة أو غازات دفيئة كما تفعل المركبات التقليدية. ذلك لأن العملية الكيميائية للخلايا تطلق بخار الماء والحرارة فقط كمنتجات ثانوية ، مما يجعلها بديلاً نظيفًا للوقود الأحفوري.
أيضًا ، تعمل الحافلات التي تعمل بالهيدروجين بسلاسة وهدوء دون اهتزاز أو ضوضاء ، وهو أمر شائع في المركبات التقليدية. تتميز بطاريات HFC هذه أيضًا بكثافة أعلى ، لذا يمكنها أن تدوم لفترة أطول وتوفر أداءً أفضل للمركبة.
في وقت هذا المنشور ، يمكن لمركبات الطاقة الهيدروجينية النموذجية أن تدوم لمسافة 300-400 ميل قبل إعادة التزود بالوقود ، في حين أن متوسط المركبات الكهربائية يدوم 250 ميلاً فقط. علاوة على ذلك ، فإن وقت إعادة التزود بالوقود يستغرق بضع دقائق فقط وهو منخفض بشكل ملحوظ مقارنة بالمركبات الكهربائية المتوسطة ، والتي قد تستغرق عدة ساعات لإعادة شحنها.
لسوء الحظ ، فإن تكنولوجيا الطاقة الهيدروجينية لها بعض الانتكاسات. نظرًا لاستدامة وقود الهيدروجين ، فإن إنتاج وتخزين الهيدروجين نفسه أغلى من الديزل والبنزين التقليديين. على الرغم من كون الهيدروجين أكثر العناصر وفرة في الكون ، إلا أنه لم يتم العثور عليه نقيًا أبدًا.
نظرًا لطبيعته الذرية ، يتم دمجه دائمًا مع عناصر أخرى ، والتي يصعب فصلها. على سبيل المثال ، يتطلب الحصول على طاقة الهيدروجين من الغاز الطبيعي (CH4) قدرة هائلة على "التكسير" وإطلاق ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي.
وبالتالي ، فإن كفاءة عملية التصنيع الصناعي منخفضة نسبيًا ، مما يعني أن هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة لإنتاج وشحن الوقود أكثر من الطاقة التي ستوفرها. هذا يؤدي إلى السؤال عما إذا كان مستدامًا بالفعل.
علاوة على ذلك ، هناك عدد قليل جدًا من محطات التزود بالوقود بالهيدروجين ، مما يثني السائقين عن الانطلاق في رحلات طويلة. على سبيل المثال ، الإحصائيات تبين أن عدد محطات التزود بالوقود بالهيدروجين في ولاية كاليفورنيا لا يتجاوز 60 محطة. وفي الوقت نفسه ، يوجد بالغاز التقليدي أكثر من 100,000 محطة لإعادة التزود بالوقود متطورة على مستوى البلاد.
كما أن تكلفة وقود الهيدروجين مرتفعة أيضًا من 10 دولارات أمريكية إلى 17 دولارًا أمريكيًا مقارنة بمحطات البنزين التي تتراوح من 5 دولارات أمريكية إلى 8.50 دولارات أمريكية للغالون الواحد. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مخاوف تتعلق بالسلامة بشأن ما إذا كانت محطات التزود بالوقود بالهيدروجين معقولة لأن الهيدروجين يمكن أن يكون شديد الاشتعال إذا لم يتم التعامل معه بشكل مناسب.
ما هو مستقبل تكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين؟
على الرغم من عيوبها ، قد يزداد الطلب على المركبات التي تعمل بالهيدروجين خلال السنوات القليلة المقبلة مع استمرار تزايد مخاوف تلوث الهواء وتغير المناخ. ترجع هذه الزيادة إلى حالة الانبعاثات الصفرية التي تلبي احتياجات الانتقال إلى خيارات النقل الأنظف.
وبالمثل ، من المتوقع أن تؤدي التطورات التكنولوجية إلى تحسين كفاءة خلايا وقود الهيدروجين وفعالية التكلفة والموثوقية ، مما يجعل المركبات التي تعمل بالهيدروجين أكثر جاذبية وبأسعار معقولة للمستهلكين.
تستثمر الحكومة والشركات الخاصة أيضًا في بناء المزيد من البنية التحتية ، مثل محطات التزود بالوقود. وبالتالي ، من المرجح أن يتبنى الناس المركبات التي تعمل بالهيدروجين في السنوات اللاحقة.
لكن هذا ليس كل شيء. مع أزمة الطاقة الحالية التي تلوح في الأفق في جميع أنحاء العالم ، تتبع الحكومات بسرعة استراتيجيات واقية من المستقبل. ونتيجة لذلك ، فإنهم يستثمرون في الغاز الطبيعي المسال والبنى التحتية الجديدة للغاز الطبيعي ، مما يفسح المجال للتنفيذ المستقبلي لطاقة الهيدروجين النظيفة.
إذا تم إطلاق جميع المشاريع الحالية بنجاح بحلول عام 2030 ، يمكن أن يزيد الهيدروجين منخفض الكربون ما يصل إلى 16-24 مليون طن سنويًا. بناءً على هذه التوقعات ، فإن الهيدروجين الأخضر الناتج عن المحلل الكهربائي سوف يمثل 9-14 مليون طن ، بينما يمثل الهيدروجين الأزرق 7-10 مليون طن.
ومع ذلك ، يعاني قطاع طاقة الهيدروجين باستمرار من عدم اتساق الأطر التنظيمية ، وعدم اليقين بشأن الطلبات المستقبلية ، ونقص المعدات اللازمة لنقل خلايا وقود الهيدروجين. للأسف ، 4٪ فقط من المشاريع الجديدة وصلت إلى القرار الاستثماري النهائي أو هي قيد التنفيذ.
على الرغم من أن سعة المحلل الكهربائي السنوي لعام 2022 ستتحسن إلى 8 جيجاوات ، إلا أنها قد تصل إلى 60 جيجاوات سنويًا بحلول عام 2030 إذا أحرزت جميع المشاريع الجديدة تقدمًا. والأهم من ذلك ، يمكن أن يكون هناك انخفاض محتمل في الأسعار بنسبة 70٪ بحلول عام 2030 إذا زادت القدرات التصنيعية - ستكون آثاره مماثلة لانخفاض الأسعار غير المتوقع الذي ساعد على تعزيز نمو الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
بينما يبدو المستقبل واعدًا ، من الضروري ملاحظة أن إنتاج الهيدروجين النظيف لا يتحرك بالسرعة الكافية للوصول إلى صافي الانبعاثات الصفرية لوكالة الطاقة الدولية بحلول عام 2050. ولهذا السبب ، يحتاج القطاع إلى إجراءات عاجلة لتشجيع المزيد من الحوافز والاستثمار لزيادة العرض والطلب على الأقساط - السعر ، طاقة الهيدروجين منخفضة الكربون.
الأفكار النهائية
المركبات التي تعمل بالهيدروجين هي بالتأكيد اختراعات واعدة. على الرغم من أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مهدها ، إلا أنها بلا شك لديها القدرة على إيجاد حل قابل للتطبيق ومستدام لأزمة تغير المناخ.
قدمت هذه المقالة نظرة ثاقبة لهذا المجال الجديد والملهم ، وحتى مع وجود العديد من العقبات ، يمكن أن تكون صناعة النقل متفائلة بشأن تأثير هذه التكنولوجيا في المستقبل القريب.
