الهيدروجين الأخضر حل مميز لتخزين الكهرباء والتغلب على تقطع الطاقة المتجددة (تقرير)

رغم التحديات التكنولوجية والجيوساسية والقيود المالية والمخاوف البيئية، يمكن للهيدروجين الأخضر أداء دور بارز في تحوُّل الطاقة، والمساعدة في تقليل انبعاثات القطاعات التي يصعب إزالة الكربون منها، على سبيل المثال الصناعات الثقيلة والصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة.

ويبرز دور الهيدروجين بصفته حلًا مهمًا لتخزين الكهرباء، ومعالجة قضايا التقطُّع في توليدها بطاقة الرياح ومن الطاقة الشمسية، وفقًا لمقال بعنوان "مستقبل الهيدروجين العالمي" لرئيس الأبحاث في المجموعة الأوروبية للمناخ والطاقة وأمن الموارد بجامعة بون الألمانية، فرانك أومباك.

وتبرز ضرورة تحويل استعمال الهيدروجين في التطبيقات الحالية إلى الوقود منخفض الانبعاثات وتوسيع استهلاكه، ليشمل تطبيقات جديدة في الصناعات الثقيلة أو النقل لمسافات طويلة، بهدف تحقيق الطموحات المناخية، وفقًا لما رصدته منصة الطاقة المتخصصة.

إمكانات الهيدروجين بصفته مصدرًا للطاقة النظيفة

في عام 2021، بلغ الطلب على الهيدروجين 94 مليون طن، وهو ما يمثّل نحو 2.5% من استهلاك الطاقة في العالم، وتوقعت وكالة الطاقة الدولية في عام 2022 أن ينمو هذا الطلب إلى 115 مليون طن فقط بحلول عام 2030، مع أقل من مليوني طن من التطبيقات الجديدة.

ويمكن أن ترتفع سوق الهيدروجين العالمية، بحلول عام 2050، لتصل إلى ما بين 600 و650 مليون طن، ما يحتمل أن تلبي أكثر من 20% من احتياجات الطاقة العالمية، حسبما نشره موقع جي آي إس ريبورتس أونلاين (gisreportsonline).

الإنفوغرافيك التالي من إعداد منصة الطاقة المتخصصة يستعرض توقعات إمدادات الهيدروجين مقارنة بالغاز الطبيعي وفق سيناريو الحياد الكربوني بحلول 2050:

وبحلول عام 2030، من المتوقع أن يشهد الطلب على الهيدروجين وإنتاجه نموًا معتدلًا، ما قد يعوّض استهلاك 14 مليار متر مكعب من الغاز الطبيعي سنويًا، و20 مليون طن من الفحم، و360 ألف برميل من النفط يوميًا.

• كيف يستفيد اقتصاد الهيدروجين من ازدهار سوق الغاز الطبيعي المسال؟

ويمكن تصدير ما يقرب من 12 مليون طن من الهيدروجين سنويًا، ولتحقيق إنتاج متوقع من الهيدروجين النظيف يبلغ 30 مليون طن مقارنة بالرقم الحالي الذي يقل عن مليون طن، يتطلب الأمر استثمار 170 مليار دولار في مشروعات التحليل الكهربائي ومشروعات احتجاز الكربون واستعماله وتخزينه.

في عام 2020، أشار بعض المحللين إلى مخاطر عدّ الهيدروجين علاجًا فوريًا، بسبب عدم الكفاءة الحالية للتحليل الكهربائي والعملية كثيفة الاستهلاك للطاقة لتحويل الهيدروجين إلى وقود صناعي.

ويؤدي إنتاج الهيدروجين إلى فقدان الطاقة بنسبة 45-60% في عملية سلسلة التوريد، إذ يتسبب تحويل الكهرباء إلى هيدروجين في فقدان الطاقة بنسبة 25%، وتُعدّ الطاقة الموجودة في الهيدروجين أقل كفاءة بنسبة 60% تقريبًا، مقارنة بالغاز المسال بسبب انخفاض كثافة الطاقة فيه.

إستراتيجيات الهيدروجين

بحلول عام 2020، أدركت كل من ألمانيا والاتحاد الأوروبي أن إستراتيجيات الهيدروجين لديهما سوف تتطلب واردات كبيرة.

وفي عام 2022، ضاعف الاتحاد الأوروبي هدف إنتاجه لعام 2030 من الهيدروجين المتجدد من 5 إلى 10 ملايين طن، ويخطط لاستيراد 10 ملايين طن أخرى بحلول عام 2030.

ويتطلب استيراد هذه الكمية ما يقرب من 500 تيراواط/ساعة من الكهرباء المتجددة، أي ما يعادل 14% من استهلاك الكهرباء في بلدان الاتحاد الأوروبي بالكامل.

في سيناريو الحياد الكربوني بحلول عام 2050، ترى وكالة الطاقة الدولية أن إمدادات الهيدروجين ستتجاوز الغاز الطبيعي في عام 2045.

خارج أوروبا، أظهرت دول مثل اليابان وأستراليا، في إطار مشروع سلسلة توريد الطاقة الهيدروجينية، تفضيلاتها، ليس الهيدروجين الأخضر فقط المشتق من مصادر الطاقة المتجددة والتحليل الكهربائي، وإنما للهيدروجين الأزرق "النظيف" الذي يتضمن احتجاز الكربون وتخزينه.

وما تزال الجدوى التجارية لهذه المشروعات وملاءمتها، نظرًا إلى ارتفاع تكاليف الشحن، غير واضحة في الوقت الحالي.

هل تستطيع خطوط أنابيب الغاز نقل الهيدروجين؟

تشير أبحاث صناعة الغاز الأوروبية إلى أنه يمكن إعادة استعمال شبكات خطوط أنابيب الغاز الحالية إلى حد كبير لنقل الهيدروجين.

ويمكن أن يؤدي استعمال خطوط الأنابيب الحالية إلى خفض تكاليف الاستثمار بنسبة 50-80% مقارنة ببناء خطوط جديدة.

وبحلول عام 2040، تتوقع أوروبا أن يكون لديها نحو 39 ألفًا و700 كيلومتر من البنية التحتية الموسعة لخطوط أنابيب الهيدروجين، التي تربط مناطق الإنتاج الفعالة من حيث التكلفة مع وجهات التصدير.

بالإضافة إلى ذلك، يخطط تحالف من شركات الغاز من ألمانيا والنمسا وإيطاليا لمدّ خط أنابيب هيدروجين بطول 3 آلاف و300 كيلومتر يربط شمال أفريقيا بإيطاليا والنمسا وألمانيا.

وتتطلع إسبانيا وفرنسا إلى مشروع إتش 2 ميد (هيدروجين المتوسط)، وهو عبارة عن خط أنابيب تحت الماء يمتد عبر بلديهما، ويهدف إلى نقل الهيدروجين من إسبانيا إلى فرنسا عبر البحر الأبيض المتوسط.

• نقل الهيدروجين في خطوط الغاز.. شركة أميركية تعزز أمال الجزائر والمغرب

وقيّمت دراسة ألمانية حديثة أكثر من 30 نوعًا من الفولاذ، ووجدت أن أداءها في نقل الهيدروجين في ظل ظروف التشغيل القياسية في شبكات إمدادات الغاز لا يختلف عن أداء الغاز الطبيعي، إذ يمكن أن تؤدي نسبة المزج البالغة 20% من الهيدروجين إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 6%.

وتطرّقت دراسة أميركية حديثة إلى مزج الهيدروجين مع الغاز الطبيعي، وأُخذت بعين الاعتبار عوامل مادية واقتصادية وتشغيلية مختلفة، تنصح بالحذر، وفقًا لمقال بعنوان "مستقبل الهيدروجين العالمي" لرئيس الأبحاث في المجموعة الأوروبية للمناخ والطاقة وأمن الموارد بجامعة بون الألمانية، فرانك أومباك.

وأشارت إلى المخاطر المحتملة، مشيرة إلى أن الهيدروجين يمكن أن يتخلل المعادن الصلبة بسهولة، ما يجعل فولاذ خطوط الأنابيب أكثر عرضة للتشقق.

تحديات نقل الهيدروجين السائل

عندما يتعلق الأمر بنقل الوقود منخفض الكربون، يمكن نقل الهيدروجين بصفته سائلًا (LH2) أو أمونيًا (NH3) أو بصفته ناقل هيدروجين عضويًا سائلًا (LOHC) عبر مسافات مختلفة.

وتشير تقديرات وود ماكنزي إلى أنه من بين 660 مليون طن المتوقعة المطلوبة بحلول عام 2050 لتحقيق أهداف المناخ في الاتحاد الأوروبي، فإن 400 مليون طن سوف تتطلب النقل لمسافات طويلة.

ويبرز دور النقل البحري بصفته الخيار الأكثر فاعلية من حيث التكلفة بالنسبة إلى الطرق التي تتجاوز 2000-2500 كيلومتر، وفقًا لما اطلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة.

وعند مقارنته بالغاز الطبيعي، فإن تخزين الهيدروجين السائل أسهل، ولكنه يمثل المزيد من التحديات التكنولوجية، بما في ذلك الحاجة إلى الحفاظ على درجة حرارة ناقص 253 درجة مئوية لمنع الغليان، وهي درجة حرارة أكثر برودة بصورة ملحوظة، مقارنة بالغاز المسال ناقص 162 درجة مئوية.

ويمكن أن يؤدي النقل لمسافات طويلة إلى فقدان ما يزيد على 30% من الطاقة، وفي بعض الحالات -على سبيل المثال على طريق شحن يبلغ طوله 9 آلاف كيلومتر- قد يُفقد ما يصل إلى 40% بسبب الغليان واستعمال الوقود للدفع، وهو رقم كبير جدًا ما يقرب من 9 مرات أعلى من شحن الغاز المسال.

• السعودية تكشف حجم إنفاقها على مصنع الهيدروجين الضخم

ويحدث فقدان إضافي للطاقة يبلغ نحو 5% في أثناء التوصيل وإعادة التغويز في محطات استيراد الهيدروجين، لذلك، تراهن دول مثل اليابان وأستراليا والمملكة العربية السعودية بصورة كبيرة على الأمونيا بصفتها وقودًا عمليًا منخفض الكربون بسبب متطلبات التبريد الأكثر اعتدالًا (-33 درجة مئوية) وخيارات النقل الحالية، حسبما نشره موقع جي آي إس ريبورتس أونلاين (gisreportsonline).

من ناحيتها، تعمل اليابان على تعزيز التحول في دول جنوب شرق آسيا من الفحم إلى الأمونيا لخفض انبعاثات الكربون دون إغلاق محطات الفحم القائمة. ومع ذلك، فإن التكاليف المرتفعة المرتبطة بمعدلات حرق الأمونيا الكبيرة تحد من جدواها الحالية.

الإنفوغرافيك التالي من إعداد منصة الطاقة المتخصصة يستعرض أطوال مشروعات خطوط أنابيب الهيدروجين المطلوبة وفق سيناريو الحياد الكربوني:

قيود وإستراتيجيات الاستثمار

تتطلب تطورات الهيدروجين الأخضر توسيع مرافق الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لعملية إنتاج الهيدروجين بالمحللات الكهربائية، ما ينطوي على نفقات كبيرة.

على سبيل المثال، يتطلب تحديث محطة للغاز االمسال للتعامل مع الأمونيا استثمارًا أعلى بنسبة 11-20%، مقارنة ببناء محطة جديدة، في حين أن خزان تخزين الهيدروجين يمكن أن يكلف 50% أكثر من نظيره للغاز المسال.

وتشكل الاستثمارات الأجنبية الكبيرة أهمية حيوية في أفريقيا، إذ تعاني معظم شركات الطاقة المحلية قيودًا مالية.

ويحتاج تحالف الهيدروجين الأخضر الأفريقي، الذي يضم دولًا مثل مصر وجنوب أفريقيا، إلى ما يقدر بنحو 450 إلى 900 مليار دولار لمشروعات الهيدروجين بحلول عام 2050.

وقد أدت الضبابية التكنولوجية إلى جعل المستثمرين حذرين، على الرغم من المبادرات الأخيرة مثل الإعفاءات الضريبية الجديدة التي قدمتها حكومة الولايات المتحدة إلى مشروعات الهيدروجين الأخضر ومشروعات الطاقة المتجددة.

ويسعى "بنك الهيدروجين" الذي اقترحته المفوضية الأوروبية إلى تعزيز ثقة المستثمرين وتشجيع تطوير الهيدروجين الأخضر.

وفي سيناريو وكالة الطاقة الدولية للحياد الكربوني بحلول عام 2050، تتوسع البنية التحتية لنقل الهيدروجين بسرعة، لتصل إلى 200 ألف كيلومتر في عام 2050، وتتطور من بضع شبكات صغيرة إلى خطوط رئيسة بين الأقاليم.

مخاوف ندرة المياه

في الاتحاد الأوروبي، تُعدّ المناطق المشمسة مثل إسبانيا وإيطاليا مثالية لإنتاج الهيدروجين الأخضر، كما هو الحال في شمال أفريقيا.

وقد وسع الاتحاد الأوروبي "شراكة الأنداد" الخاصة بالهيدروجين، لتشمل دولًا في أفريقيا وأميركا الجنوبية.

ويمكن أن يؤدي إنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع إلى تفاقم مشكلات ندرة المياه الحالية في أفريقيا والشرق الأوسط، ما قد يضر بالمحاصيل الزراعية، خصوصًا في المناطق غير الساحلية.

وتدمج الدول الساحلية محطات تحلية المياه في مشروعات الهيدروجين الأخضر لديها، ولكنها مكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة، وربما تسبب مشكلات بيئية إضافية في المياه القريبة.

ويقع أكثر من 70% من مشروعات الهيدروجين الأخضر المخطط لها في مناطق تعاني نقصًا في المياه، بما في ذلك الولايات المتحدة (33 مشروعًا لمراكز الهيدروجين المخطط لها)، والشرق الأوسط، وأفريقيا، ما يشكل تحديًا كبيرًا لإنتاج الهيدروجين الأخضر.

التطورات التكنولوجية

في السنوات الأخيرة، أدى التقدم التكنولوجي إلى جعل إنتاج الهيدروجين وتخزينه ونشره أكثر اقتصادًا. وتشير بعض التوقعات إلى أن الهيدروجين النظيف قد يلبي ما يقرب من ربع احتياجات الطاقة في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2050.

وبحلول عام 2030، من المتوقع أن يكون الهيدروجين الأخضر مساويًا من حيث التكلفة مع الهيدروجين الأزرق، مع احتمال انخفاض التكاليف بنسبة 60% عن أرقام عام 2020.

وستكون قدرة التحليل الكهربائي المتوقعة البالغة 134-240 غيغاواط بحلول عام 2030 محورية في دفع سلاسل التوريد الممتدة بعد عام 2030، وفقًا لمقال بعنوان "مستقبل الهيدروجين العالمي" لرئيس الأبحاث في المجموعة الأوروبية للمناخ والطاقة وأمن الموارد بجامعة بون الألمانية، فرانك أومباك.

وقد أصبحت علامات هذه الثورة الخضراء واضحة. على سبيل المثال، سُلمت أول شحنة هيدروجين سائل من أستراليا إلى اليابان في أوائل عام 2022.

وتشير الابتكارات في صناعة الطيران إلى أن الطائرات المعدلة بالهيدروجين قد تظهر بحلول عام 2025-2026، باستعمال محركات تعمل بالهيدروجين مباشرة.

وفي أستراليا، طُورت تقنية جديدة للتحليل الكهربائي يمكنها تعزيز الكفاءة من 75% إلى نسبة مذهلة تبلغ 95%. وهذا يمكن أن يجعل الهيدروجين الأخضر منافسًا اقتصاديًا للهيدروجين الأزرق في وقت أبكر من توقعات عام 2030.

وتشير العلامات الأولية إلى أن المصنع العملاق للتحليل الكهربائي قد يبدأ عملياته بحلول عام 2025، ما يشير إلى انخفاض أسعار قدرة التحليل الكهربائي.

إستراتيجية الصين

على الرغم من أن الاتحاد الأوروبي واليابان وأستراليا والولايات المتحدة يضغطون بطموح من أجل الهيدروجين، فإن توقعات الصين لتطوير الهيدروجين تبدو أكثر واقعية، ما يؤدي إلى تنويع خيارات الطاقة لديها.

وتشير توقعات بكين المستقبلية إلى 5% من الهيدروجين بحلول عام 2030، وترتفع إلى 10% بحلول عام 2050 من إجمالي استهلاكها للطاقة، وبحلول عام 2035، من المتوقع أن يكون لديها صناعة شاملة للطاقة الهيدروجينية.

وبحلول عام 2030، تتصور الصين مضاعفة قدراتها في مجال الطاقة الشمسية وطاقة الرياح 3 مرات تقريبًا، لتصل إلى 3.3 تيراواط/ساعة، وهو ما يمثل 30% من القدرة الشمسية المركَّبة عالميًا من خلال تخفيضات التكاليف الإستراتيجية والإعانات.

وعلى الرغم من أنه من المتوقع أن ينمو تطور الهيدروجين في الصين تدريجيًا بنحو 11% إلى 20% بحلول نهاية هذا العقد، فإن وتيرته قد تتسارع في ثلاثينيات القرن الـ21، ومن المحتمل أن ترتفع إلى 90 مليون طن بحلول عام 2060 للتوافق مع طموحها المتمثل في تحقيق الحياد الكربوني.

وعلى النقيض من الاتحاد الأوروبي، فإن النهج المرتقب الذي تتبناه الصين يتبنى مزيجًا عملياً من مشروعات الهيدروجين، ويستفيد من احتياطياتها من الفحم من خلال احتجاز واستعمال الكربون وتخزينه.

وبفضل سيطرتها على المواد الخام البالغة الأهمية التي تشكل أهمية بالغة للتحليل الكهربائي، مثل معادن مجموعة النيكل والبلاتين، فإن موقف الصين من الممكن أن يؤثر في التبعيات العالمية، وربطها بصورة أقرب إلى أهدافها الاقتصادية والسياسية.

العقبات التنظيمية

ما تزال العديد من مبادرات الهيدروجين الأوروبية غير مؤكدة، بسبب اللوائح التنظيمية غير الواضحة والمعايير المتباينة في جميع أنحاء أوروبا.

قد يكون الافتقار إلى توحيد المعايير في جميع أنحاء العالم بمثابة عائق أمام تجارة الهيدروجين الدولية. وتنصح وكالة الطاقة الدولية الحكومات بالتركيز على العمليات الموحدة، لمنع تجزئة السوق والتعجيل بإزالة الكربون من الصناعة.

في الوقت الحالي، جرى تشغيل 4% فقط من مشروعات الهيدروجين منخفض الانبعاثات المعلنة عالميًا أو حصلت على موافقة الاستثمار النهائية، ما يسلط الضوء على هذه العوائق.

اقرأ أيضًا..

• خريطة الطلب على الطاقة عالميًا.. ما أكبر مصدر بحلول 2045؟
• مصادر: انقطاع الكهرباء في مصر قد يتفاقم.. وسيناريو غير متوقع
• إنتاج الغاز المغربي يبشر بعوائد كبيرة في النصف الثاني من 2023