ابتكار نظام لنقل الهيدروجين وتخزينه.. قد ينقذ العالم (صور)

توصل مبتكر بولندي إلى اختراع نظام لنقل الهيدروجين وتخزينه من شأنه تغيير معادلة ثورة الوقود النظيف، وحصل الابتكار على براءة اختراع محلية في طريقها إلى اكتساب صبغة عالمية.

وكان نظام نقل الهيدروجين وتخزينه وتوزيعه بصورة آمنة من مواقع إنتاجه إلى المستهلكين والموردين هو ثالث الابتكارات التي توصل إليها "ييرزي يوراش"، بعدما كان له إسهام قوي في تعزيز المياه بالمعادن والحفاظ على الأغذية بإضافات تضمن صلاحية تناولها لمدد أطول.

ويعتمد الابتكار على الاستفادة من فوائض مصادر إنتاج الهيدروجين في مواقعها، دون الحاجة إلى نقل الإمدادات والتعرض لمخاطر الانفجار أو الاحتراق، وربما تزيد عوامل الأمان التي توصل إليها الابتكار من اتساع رقعة نشره في الاستعمالات والتطبيقات المختلفة، وفق ما تابعته منصة الطاقة المتخصصة.

ويمكن لابتكار يوراش الخاص بنقل الهيدروجين وتخزينه أن يُطبق في الاستعمالات المنزلية والصناعية، إذ يمتد لينشر مفهوم "المرافق ذاتية الطاقة"، سواء على صعيد المنشآت العامة الصناعية والخاصة أو مواقع إنتاج الطاقة المتجددة، حسب ما شرحه المبتكر البولندي خلال مقابله له مع مجلة إنرجي نيوز (Energy News) المهتمة بأخبار الهيدروجين.

تفاصيل الاختراع

يهدف الاختراع إلى تطوير هيكل نظام نقل الهيدروجين وتخزينه، بما يتضمن تخزين الكهرباء المنتجة عبر مصادر الطاقة المتجددة وفائض الشبكات ومحطات الطاقة النووية، تمهيدًا لإنتاج الهيدروجين الأخضر منخفض الانبعاثات.

ويشمل النظام المُطور توزيع الهيدروجين على المستهلكين ومحطات التزود بوقوده، مع التخطيط لتطويره في صورة شبكات منتشرة عالميًا ومحليًا في بولندا تعد مركزًا لقيادة عمليات الهيدروجين بدءًا من الإنتاج حتى التوزيع على المستهلكين.

• الساعدي: نقل الهيدروجين إلى أوروبا سيكون أفضلية لدول المغرب العربي.. وهذه أبرز المخاطر (حوار)

ويمكن ربط هذه الشبكات المتفرقة، ما يفتح الباب أمام انتشار الهيدروجين عالميًا دون التقيد ببلدان مُنتجة أو تحديات النقل والتخزين، في مرحلة لاحقة لإنتاجه، سواء عبر مصادر الطاقة المتجددة زهيدة التكلفة "هيدروجين أخضر"، أو من بعض موارد الوقود الأحفوري وثاني أكسيد الكربون "هيدروجين أزرق".

ويمكن أن يُوصف نظام النقل والتخزين المُبتكر بكونه "آمنًا" حتى مع التخزين طويل الأمد وبتركيزات مرتفعة، إذ إنه يحمي الهيدروجين من التسرب في الهواء، ويصلح للتعامل معه في صورته الغازية والسائلة، لأنه قابل للتعديل وفقًا لطول أنبوب النقل وقطره.

وطُرح النظام أمام الهيئة المعنية بمنح براءات الاختراع في بولندا في أكتوبر/تشرين الأول عام 2021، وبعد أن لاقى استحسانًا بدأ المبتكر ييرزي يوراش وفريقه تطوير النظام إلى أن تقدموا بمقترح لتوسعة نطاقه دوليًا في أكتوبر/تشرين الأول عام 2022 الماضي.

ويبدو في التصميم التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- نموذج لكيفية توفير إمدادات الكهرباء لنظام نقل الهيدروجين وتخزينه:

شرح التقنية

يقوم نظام نقل الهيدروجين وتخزينه "هيدروجين بار سيستم" على توصيل أنبوبين بشكل حرف يو (U)، عبر صمام يضمن منع التدفق العكسي لضخ الوقود النظيف أو مزيجه، لينتهي طرف أحد الأنابيب لدى المستهلك.

ومن المُخطط تثبيت الأنابيب العمودية تحت سطح الأرض، ما يوفّر في مساحة المشروعات، ويسهّل خريطة انتشارها، لتزود المنازل والمرافق ومحطات الوقود بإمدادات الهيدروجين منخفضة الانبعاثات.

ويمكن تطبيق نظام نقل الهيدروجين وتخزينه الأنبوبي على الاتجاه الذي ظهر مؤخرًا، بوصفه مرحلة انتقالية عن طريق مزج الهيدروجين بالغاز الطبيعي في أنابيب وخطوط النقل، لتُنقل بسلاسة تحت الأرض من مواقع الموردين إلى منافذ المستهلكين.

وتسمح تقنية "هيدروجين بار سيستم" بإنشاء شبكة لإمداد المستهلكين بالهيدروجين وتخزين التدفقات الفائضة عن الاستهلاك تحت الأرض، بصورة آمنة تتجنب الحرائق والانفجارات ومخاطر النقل.

ويُتيح أنبوب على شكل حرف يو (U)، يصل طوله إلى 11 كيلومترًا ويبلغ قطره 30 سنتيمترًا، تشغيل ما يصل إلى 100 منزل لعام كامل باستعمال معدل قياسي للضغط بنحو 700 بار.

(البار = وحدة لقياس الضغط وتعادل 100 ألف باسكال)

وتشكل وحدات خطوط أنابيب نظام نقل الهيدروجين وتخزينه الممتدة تحت سطح الأرض أداة لتخزين الكهرباء أيضًا، للاستفادة من الإمدادات الفائضة من إنتاج الطاقة الشمسية خاصة أشهر فصل الصيف، ما يعزّز سعة التخزين والقدرة على تلبية الطلب.

ويبدو في التصميم التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- نموذج لإحدى شبكات النظام البولندي لنقل الهيدروجين وتخزينه:

 

الربط بمواقع الإنتاج

يكتسب نظام المبتكر البولندي لنقل الهيدروجين وتخزينه مرونة في اتصال وحداته، مُشكلًا شبكة متكاملة رغم المسافات، إذ تقع هذه الوحدات تحت مظلة نظام واحد كبير يملك القدرة على نقل الهيدروجين وتخزينه بكميات كبيرة للربط بين مواقع المنتجين والمستهلكين.

وربما تكون الفائدة أكبر وأوسع نطاقًا إذ ما دُمجت أنظمة "هيدروجين بار سيستم" في مواقع مصادر الطاقة المتجددة، مثل مزارع الرياح والطاقة الشمسية وغيرها، طبقًا لما أكده المبتكر البولندي ييرزي يوراش.

ويتواصل إنتاج الهيدروجين داخل مواقع مصادر الطاقة المتجددة بصورة منتظمة، حال رغبة المُنتجين والمورّدين في إنتاج إمدادات خضراء ونظيفة، إذ تُعد الأنابيب الممتدة تحت سطح الأرض بديلًا عن الخزانات التقليدية التي يجري دمجها في محطات إنتاج الهيدروجين كبيرة الحجم.

• وقود الهيدروجين.. مستقبل الطاقة العالمية أم زوبعة في فنجان؟

وبذلك، تُخزن الطاقة النظيفة بأمان وسهولة وتُنقل إلى المستهلك على المنوال ذاته، لتعد الأنابيب ذات الشكل يو (U) بمثابة "تركيب مزدوج المنفعة".

ومن شأن نظام نقل الهيدروجين وتخزينه المُبتكر أن يُغيّر طبيعة البنية التحتية للإنتاج، ويكسبها مزيدًا من البساطة، ما يسمح بنشرها بصورة أكبر على صعيد عالمي.

ويُسهم الابتكار في تعزيز العامل البيئي والمناخي طبقًا للأهداف العالمية، إذ تتوسع معدلات إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة الموجودة في محيط تركيب النظام، لتزود المدن والتجمعات السكنية بالإمدادات النظيفة.

مزايا الابتكار

يكتسب نظام نقل الهيدروجين وتخزينه عبر أنابيب ممتدة تحت سطح الأرض ميزات عدة، ويقدم حلولًا لتحديات التوسع في إنتاج الوقود النظيف ونشره، خاصة إذ ما أُخدت عناصر الطاقة النظيفة بالكامل بعين الحسبان.

وفيما يلي نرصد أبرز مميزات أنابيب شكل حرف يو (U) ونظام "هيدروجين بار سيستم"، وفق ما ورد في المقابلة ونُشر بالموقع الإلكتروني للمشروع (HBS) أيضًا:

1) توفير المساحات:

يتطلب استعمال نظام نقل الهيدروجين وتخزينه مساحة ونطاقًا أصغر من الأنظمة التقليدية، وبالتبعية تحتاج محطات تزويد السيارات والحافلات بوقود الهيدروجين إلى مساحة صغيرة وآمنة، بعدما تتقلص مساحة الخزانات، خاصة أن الوقود يتدفق حينها إلى الموردين والموزعين عبر الأنابيب الممتدة تحت سطح الأرض.

2) خفض التكلفة:

يُشترط توافر 9 لترات من المياه الخالية من المعادن لإنتاج كيلوغرام واحد فقط من الهيدروجين، وتبلغ تكلفة اللتر الواحد من هذه المياه ما يُقدر بنحو 0.25 دولارًا، لكن حال تطبيق نظام "هيدروجين بار سيستم" يمكن تطبيق نظام "الدورة المغلقة" عبر إعادة استعمال الماء المنتج من عملية التحليل الكهربائي.

ويمكن لهذه الخطوة خفض تكلفة الكيلوغرام الواحد من الهيدروجين بنحو 1.25 دولارًا، بجانب توفير كميات المياه والحفاظ على تدفقاتها.

ولم يقتصر خفض التكلفة على توفير المياه فقط، وإنما يمتد إلى شعور المستهلك النهائي بانخفاض السعر مع تجنب تكلفة النقل بريًا وكذا تكلفة البنية التحتية للمحطات كبيرة الحجم ومتطلبات التشغيل.

3) الأمان والسلامة:

تُعد أنظمة النقل والتخزين المعتمدة على مد الأنابيب تحت سطح الأرض عناصر آمنة، بتجنبها احتكاك الهيدروجين والغاز الطبيعي خلال عملية النقل من مواقع الإنتاج إلى المستهلك.

ومن شأن ذلك أن يجنّب الصناعة خسائر طويلة الأمد، وتوفير تدفقات بكميات كبيرة وبتركيز عالٍ.

• الهيدروجين والأمونيا.. مساران لانتقال الطاقة أم قنبلة موقوتة تهدد الحياة؟

وحتى وقت قريب، كانت أبرز تقنيات نقل الهيدروجين وتخزينه تعتمد على وسائل تقليدية، مثل التخزين في (خطوط الأنابيب فوق سطح الأرض، أو الخطوط المائية، أو الخزانات والمستودعات، أو كهوف الملح)، وكذا النقل عبر إعادة تحميله للنقل بريًا باستعمال الشاحنات أو السكك الحديدية.

وتُعد هذه الوسائل كافة غير آمنة بيئيًا واجتماعيًا واقتصاديًا، وحتى إذا أُتيح تخزينه فلن تكون عملية نقله سهلة ويسيرة، سواء كان في صورة غاز أو سائل، ما يعرّض حياة البشر في المناطق المحيطة أو العاملين بالصناعة إلى الخطر.

4) الاستفادة من الموارد المتجددة:

يُفسّر المبتكر البولندي "ييرزي يوراش" إحدى أبرز ميزات ابتكاره نظام نقل الهيدروجين وتخزينه "هيدروجين بار سيستم"، كاشفًا عن إمكان نشر وحداته تحت سطح الأرض في المناطق التي تشتهر بمواردها المتجددة غير المستغلة.

وضرب الموقع الإلكتروني للنظام مثالًا حول إمكانات بولندا، إذ أشار إلى أن متوسط درجات الحرارة يتراوح بين 6 و8 درجات، في حين يصل متوسط الإشعاع الشمسي السنوي إلى 1600 ساعة (بما يعادل 30 إلى 40% من اليوم)، بما يوفر 4 آلاف و500 كيلوواط/ساعة سنويًا.

وأوضح يوراش أنه مع تركيب أنبوب بشكل حرف يو (U) تحت سطح الأرض بطول 1200 كيلومتر وعرض 30 سنتيمترًا يعمل بضغط قدره 700 بار، يمكن توليد كهرباء يومية تعادل إنتاج أكبر المحطات العاملة بالفحم في بولندا التي تؤمّن 20% من إجمالي الطلب في البلاد.

ومع نشر شبكات لوصلات أنابيب نقل الهيدروجين وتخزينه وربطها بمسافة 12 كيلومترًا، فإنه يمكن الحصول على "خزان" كهرباء ينشر الإمدادات بصورة مجانية للمستهلكين في نطاقه.

5) تخزين الكهرباء:

يشكّل نشر خطوط أنابيب نقل الهيدروجين وتخزينه تحت سطح الأرض، حجر الأساس لإطلاق محطات كهرباء تعتمد على طاقة الهيدروجين، ويمكن استعمال الخطوط ذاتها لنقل تدفقات الكهرباء المُنتجة دون تحمل تكلفة إنشاء خطوط أرضية لنقل الكهرباء.

ومن زاوية أخرى، تتعطش الصناعات كثيفة الاستهلاك إلى توفير إمدادات كهرباء لازمة للتشغيل، وهو أمر يمكن لشبكات أنابيب نظام "هيدروجين بار سيستم" أن تؤديه بسهولة وربطها بالمصانع الضخمة مثل مصانع إنتاج الأسمدة والأمونيا.

ويستفيد الابتكار -أيضًا- من فائض إنتاج الكهرباء في المحطات غير المتجددة، كالعاملة بالطاقة النووية والفحم والغاز وغيرها، ويعمل بوصفه "خزانًا" للكهرباء الفائضة يمكن السحب منه في ساعات الذروة.

6) دعم نشر السيارات النظيفة:

ربما كان أحد أبرز التحديات أمام التوسع في استعمال السيارات العاملة بخلايا وقود الهيدروجين إنشاء محطات للتزود بالوقود وتحمل تكلفتها، وكذا تكلفة وصعوبة نقل الإمدادات إلى المحطات.

• السيارات الهيدروجينية.. تكلفة أكبر ونطاق أقل مقارنة بمنافستها الكهربائية

ويبدو أن الابتكار البولندي الجديد المعتمد على مد خطوط أنابيب تحت سطح الأرض لنقل الهيدروجين وتخزينه من شأنه التغلب على هذه المعضلة، إذ يمكن إنشاء نقاط شحن أعلى أنابيب الهيدروجين الأرضية.

7) حماية مناخية:

ينعكس نظام نقل الهيدروجين وتخزينه المُبتكر على الأهداف المناخية العالمية، إذ إنه يتغلب على معوقات توسعات الوقود النظيف، ويسهم بصورة أكبر في نشر مصادر الطاقة المتجددة.

ومع نشر الطاقات النظيفة يُزاح الوقود الأحفوري من مزيج الطاقة بنسبة أكبر مرة تلو الأخرى، إذ يمكن عبر خطوط الأنابيب الممتدة تحت سطح الأرض إنتاج الهيدروجين داخل مواقع الطاقة المتجددة وتخزينه أو نقله في شبكات الخطوط حتى تصل إلى المستهلك.

وقد يتجه البعض إلى استعماله وقودًا للسيارات أو تحويله إلى كهرباء نظيفة مرة أخرى، ما يصب في نهاية الأمر في صالح خفض الانبعاثات وتضييق الخناق على الوقود الأحفوري.

ويشكّل النظام خطوة مهمة على مسار انتقال الطاقة، إذ يمكن اعتبار إمداداته جزءًا من محطات الوقود المعتمدة على مزيج الطاقات (البنزين والديزل، والشحن الكهربائي لبطاريات السيارات، والتزود بوقود الهيدروجين).

8) المباني ذاتية الطاقة:

أحد الأوجه الإيجابية لنظام نقل الهيدروجين وتخزينه أنه يشكل خطوة مهمة في الطريق نحو مبانٍ صديقة للبيئة، وقدرتها على توفير إمدادات الكهرباء اللازمة لاحتياجات الأسرة بالكامل.

ومع تطوير القدرة على الاحتفاظ بالكهرباء المنتجة عبر مصادر الطاقة المتجددة، وتخزينها في صورة هيدروجين، يمكن لشبكات "هيدروجين بار سيستم" المستقرة تحت سطح الأرض أن تشكل مصدرًا متكاملًا لتلبية الطلب.

• المضخات الحرارية والهيدروجين يتصدران مصادر التدفئة النظيفة عالميًا (تقرير)

ويبدو أن الدول الإسكندنافية أدركت هذه الميزة مبكرًا، وخصصت الاستثمارات لبناء هذه المباني، مستفيدة من إمكانات الرياح والطاقة الشمسية ولتوديع الاعتماد على مصادر الوقود الأحفوري.

ومن ضمن إستراتيجية بناء هذه المباني، توفير الإمكانات اللازمة لتزويد السيارات الكهربائية أو العاملة بخلايا وقود الهيدروجين بالإمدادات اللازمة.

ومن زاوية إضافية، يتجنب نظام نقل الهيدروجين وتخزينه عيوب استعمال البطاريات بالمنازل في تخزين الكهرباء الفائضة، إذ إن تكلفة البطاريات تعد هائلة مقابل أدائها الضعيف خلال فصل الشتاء.

ويُرجح ذلك كفة الاعتماد على الهيدروجين وأنظمته، سواء في المنازل السكنية أو المرافق العامة، خاصة أن السكان لن يتكلفوا سوى مد خطوط على شكل حرف يو (U)، مع ربطها بدائرة مغلقة من مصادر الطاقة المتجددة، وتوفير المياه.

ويبدو في التصميم التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- نموج شبكة ضمن نظام الابتكار البولندي لنقل الهيدروجين وتخزينه:

ثورة الهيدروجين وأوروبا

قال المبتكر البولندي "ييرزي يوراش"، خلال المقابلة، إن حقبة الوقود الأحفوري -حتى وإن امتدت قليلًا- ستنتهي لصالح الطاقة النووية والحرارية ومصادر الطاقة المتجددة والهيدروجين، مشيرًا إلى أن تطور سلاسل توريد الهيدروجين كان غير متلائم، إذ تركزت الجهود على الإنتاج عبر مصادر نظيفة دون تطوير سبل نقله وتخزينه.

وأضاق يوراش أن "ثورة الهيدروجين" العالمية من الطبيعي أن تصبح مهددة، إذا ما استمرت جهود إنتاج أجهزة التحليل الكهربائي وخلايا الهيدروجين بوتيرة سريعة لا تتواءم مع جهود تطوير نقل الهيدروجين وتخزينه المتباطئة.

وأوضح أن نقل الوقود النظيف وتخزينه جزء لا يتجزأ من سلسلة توريد الهيدروجين وعملية انتقال الطاقة بأكملها، بل قد يمتد الأمر إلى عدها الجانب الأبرز نظرًا إلى ما يشكله من تهديد ومخاوف للسلامة.

ولفت يوراش إلى أن نظامه لنقل الهيدروجين وتخزينه يتوافق مع أهداف أوروبا ضمن الحزمة التشريعية "فيت فور 55"، متضمنة توسعة الاعتماد على الوقود النظيف سواء على النطاق السكني أو الصناعي.

وأضاف أن نظام "هيدروجين بار سيستم" يضمن لأوروبا شتاءً هادئًا، وقدرة على التوازن بين معدل إنتاج الكهرباء واستهلاكها طوال العام.

وأوضح أن مزج الهيدروجين بالغاز الطبيعي أو بالأمونيا إحدى أدوات "ثورة الهيدروجين" العالمية، وهو مزيج يمكن نقله بسهولة عبر أنابيب نظامه المبتكر.

اقرأ أيضًا..

• انقطاع الكهرباء في مصر بشكل غير مسبوق.. هل الغاز السبب؟
• احتياطيات النفط العالمية ترتفع إلى 1.56 تريليون برميل.. و5 دول عربية بقائمة الكبار (تقرير)
• مسؤول عراقي: نتفاوض مع أكوا باور السعودية على 4 بنود.. وهذه شروطنا لمشاركتهم مع توتال (حوار)