ما هي طاقة الهيدروجين وكيف تعمل؟

1.ما هي طاقة الهيدروجين؟

الهيدروجين، العنصر الأول في الجدول الدوري، يحتوي على أقل عدد من البروتونات، بروتون واحد فقط. كما أن ذرة الهيدروجين هي أصغر الذرات وأخفها وزناً. يوجد الهيدروجين على الأرض بشكل رئيسي في صورته المركبة، وأبرزها الماء، وهو المادة الأكثر انتشاراً في الكون.

يتمتع الهيدروجين بقيمة احتراق عالية جدًا. قارن كمية الحرارة المنبعثة من حرق نفس الكتلة من الغاز الطبيعي والبنزين والهيدروجين:

في ظل نفس الظروف،

حرق 1 غرام من الغاز الطبيعي، وفقًا للقياس، ينتج حوالي 55.81 كيلوجول من الحرارة؛

ينتج عن احتراق غرام واحد من البنزين حوالي 48.4 كيلوجول من الحرارة؛

ينتج عن احتراق غرام واحد من الهيدروجين حوالي 142.9 كيلوجول من الحرارة.

ينتج عن احتراق الهيدروجين حرارة تفوق حرارة الغاز الطبيعي بمقدار 2.56 مرة، وحرارة البنزين بمقدار 2.95 مرة. ومن الواضح من هذه البيانات أن الهيدروجين يمتلك الخصائص الأساسية للوقود المثالي، ألا وهي قيمة الاحتراق العالية!

تُصنّف طاقة الهيدروجين بشكل رئيسي ضمن الطاقة الثانوية، ويكمن جوهرها في مدى أهمية منطقها وتقنيتها واقتصادها في تحقيق التوازن البيئي، والحوكمة البيئية، ومواجهة تغير المناخ. تُعدّ الطاقة الثانوية حلقة وصل بين الطاقة الأولية ومستخدمي الطاقة، ويمكن تقسيمها إلى فئتين: الأولى هي "مصدر طاقة العمليات"، والثانية هي "طاقة الجسم". ولا شك أن الطاقة الكهربائية هي الأكثر استخدامًا ضمن "مصدر طاقة العمليات"، بينما يُعدّ البنزين والديزل والكيروسين الأكثر استخدامًا ضمن "مصدر طاقة الجسم".

من وجهة نظر منطقية، بما أن مصادر تحسين أداء العمليات يصعب تخزينها مباشرة بكميات كبيرة، فإن وسائل النقل الحديثة ذات القدرة العالية على الحركة، كالسيارات والسفن والطائرات، لا يمكنها استخدام كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية من محطات توليد الطاقة. وبدلاً من ذلك، لا يمكنها إلا استخدام كميات كبيرة من مصادر الطاقة الأخرى، مثل البنزين والديزل والكيروسين والغاز الطبيعي المسال.

مع ذلك، قد لا تدوم التقاليد إلى الأبد، وقد لا تكون منطقية دائمًا. فمع صعود وتطور السيارات الكهربائية والهجينة، يمكن أن يحل مصطلح "مصدر أداء العمليات" محل مصطلح "مصدر الطاقة المحتوي على الطاقة". وبحسب المنطق، مع استمرار استهلاك الطاقة الأحفورية، ستنفد الموارد في نهاية المطاف، وسيظهر حتمًا "مصدر طاقة جديد محتوي على الطاقة"، ومن أبرزها طاقة الهيدروجين.

يُعدّ الهيدروجين عنصراً وفيراً في الطبيعة، إذ يُشكّل ما يُقدّر بنحو 75% من كتلة الكون. وهو موجود بكثرة في الهواء والماء والوقود الأحفوري وجميع أنواع الكربوهيدرات.

يتميز الهيدروجين بأداء احتراق جيد، ونقطة اشتعال عالية، ونطاق احتراق واسع، وسرعة احتراق عالية. ومن منظور القيمة الحرارية والاحتراق، يُعد الهيدروجين بلا شك طاقة عالية الجودة وفعالة. إضافةً إلى ذلك، فإن الهيدروجين نفسه غير سام. فباستثناء إنتاج الماء وكمية ضئيلة من نتريد الهيدروجين بعد الاحتراق، فإنه لا يُنتج ملوثات ضارة بالبيئة، ولا ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون. لذلك، تُصنف طاقة الهيدروجين ضمن الطاقة النظيفة، وهو أمر ذو أهمية بالغة لإدارة البيئة والحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

2. دور طاقة الهيدروجين

تتمتع طاقة الهيدروجين بسلسلة صناعية ضخمة تغطي تحضير الهيدروجين وتخزينه ونقله وإعادة تزويده بالوقود، بالإضافة إلى خلايا الوقود والتطبيقات الطرفية.

في مجال توليد الطاقة، يمكن استخدام طاقة الهيدروجين لتوليد طاقة نظيفة لتحقيق التوازن بين الطلب على الطاقة وحل مشكلة نقص إمدادات الطاقة خلال ساعات الذروة.

في مجال التدفئة، يمكن خلط طاقة الهيدروجين مع الغاز الطبيعي، وهو أحد مصادر الطاقة القليلة منخفضة الكربون التي يمكنها منافسة الغاز الطبيعي في المستقبل.

في قطاع الطيران، الذي ينبعث منه أكثر من 900 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون كل عام، تعد طاقة الهيدروجين هي الطريقة الرئيسية لتطوير الطيران منخفض الكربون.

في المجال العسكري، يمكن استخدام خلية وقود الهيدروجين لما تتمتع به من مزايا مثل الهدوء، والقدرة على إنتاج تيار مستمر، وتحويل الطاقة العالي، وهو شرط مهم للتخفي في الغواصات.

تتميز مركبات الطاقة الهيدروجينية بأداء احتراق ممتاز، واشتعال سريع، وقيمة حرارية عالية، واحتياطيات وفيرة، وغيرها من المزايا. كما أن للطاقة الهيدروجينية مصادر وتطبيقات متعددة، مما يساهم بفعالية في تقليل الاعتماد على الطاقة الأحفورية.

يُعد تحسين مستوى التنمية النظيفة وتطوير طاقة الهيدروجين وسيلة مهمة لبناء نظام إمداد طاقة "متعددة ومتكاملة"، وقوة دافعة رئيسية لتحويل الطاقة وتحديثها.