طرق مختلفة لإنتاج وقود الهيدروجين

يُطلق على الهيدروجين غالبًا وقود المستقبل، لأنه أنظف أنواع الوقود احتراقًا — فعند استخدامه، ينتج فقط الماء.
لكن الهيدروجين لا يوجد في الطبيعة بكميات كبيرة على شكل حرّ، لذلك يجب إنتاجه عن طريق استخراجه من مركّبات أخرى مثل الماء أو الغاز الطبيعي أو الكتلة الحيوية (البايوماس) لاستخدامه كوقود.

هناك عدة طرق لإنتاج وقود الهيدروجين، ويؤثر كل منها على تكلفته وإمكانية توسيعه وتأثيره البيئي.
يعمل العلماء والباحثون باستمرار على تطوير هذه العمليات لإنتاج هيدروجين نظيف ومنخفض التكلفة.

فيما يلي نستعرض الطرق الرئيسية لإنتاج الهيدروجين:

• إصلاح الميثان بالبخار (Steam Methane Reforming - SMR)
  
  
• التحليل الكهربائي للماء (Electrolysis of Water)
  
  
• تغويز الفحم والكتلة الحيوية (Coal and Biomass Gasification)
  
  
• الأكسدة الجزئية والإصلاح الحراري الذاتي (Partial Oxidation & Autothermal Reforming)
  
  
• التحلل الحراري للميثان (Methane Pyrolysis - Turquoise Hydrogen)
  
  
• الإنتاج الكهروضوئي والبيولوجي للهيدروجين (Photoelectrochemical & Biological Production)
  
  
• الانشطار الحراري الكيميائي للماء (Thermochemical Water Splitting)

إصلاح الميثان بالبخار (Steam Methane Reforming - SMR)

يُعد هذا الأسلوب الصناعي الأكثر شيوعًا لإنتاج الهيدروجين.
تتم العملية بمزج الغاز الطبيعي (المكوَّن أساسًا من الميثان) مع البخار عند درجات حرارة عالية (بين 700 و1000 درجة مئوية) وبوجود عامل حفاز (Catalyst).
ينتج عن التفاعل هيدروجين وأول أكسيد الكربون، يلي ذلك تفاعل “تحويل غاز الماء” الذي يُحوّل CO إلى مزيد من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.

المعادلات الكيميائية:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

CO + H₂O → CO₂ + H₂

المزايا:

• فعال من حيث التكلفة، وناضج تقنيًا، وكفء.
  
  

العيوب:

• يسبب انبعاثات كربونية عالية إذا لم تُستخدم تقنية احتجاز الكربون (CCS).
  
  

حل انتقالي:
بحسب الأستاذة جوان أوغدن من جامعة كاليفورنيا – ديفيس، يمكن أن يكون إصلاح الميثان بالبخار مع احتجاز الكربون (SMR + CCS) تقنية انتقالية حتى تتوسع تقنيات إنتاج الهيدروجين المتجددة.

التحليل الكهربائي للماء (Electrolysis of Water)

يُعد هذا أنظف الطرق لإنتاج الهيدروجين.
تستخدم الكهرباء لتفكيك الماء (H₂O) إلى هيدروجين وأكسجين عبر التفاعل:

2H₂O → 2H₂ + O₂

وعندما تُستخدم الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة مثل الشمس أو الرياح، يُسمّى الناتج الهيدروجين الأخضر.

أنواع أنظمة التحليل الكهربائي:

• التحليل القلوي (Alkaline): الأكثر انتشارًا والأقل تكلفة، لكن استجابته بطيئة.
  
  
• غشاء تبادل البروتون (PEM): صغير الحجم وفعّال ومثالي للطاقة المتجددة، لكنه مكلف.
  
  
• الأكسيد الصلب (SOEC): يعمل في درجات حرارة مرتفعة وبكفاءة عالية، لكنه لا يزال في مراحل التطوير.
  
  

المزايا:

• انبعاثات كربونية صفرية إذا تم تشغيله بالطاقة المتجددة.
  
  

العيوب:

• تكاليف أولية مرتفعة واعتماد كبير على الكهرباء النظيفة.
  
  

التطورات الحديثة:
بحسب الدكتور فنغ جياو من جامعة ديلاوير، فإن التقدّم في مواد التحليل الكهربائي وخاصة المحفّزات يقلّل التكاليف ويزيد الكفاءة بسرعة.

تغويز الفحم والكتلة الحيوية (Coal and Biomass Gasification)

تعمل هذه العملية على تحويل المواد الكربونية مثل الفحم أو الكتلة الحيوية أو النفايات العضوية إلى مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون يُعرف باسم الغاز الصناعي (Syngas).
يتم ذلك عن طريق تسخين المواد بكمية محدودة من الأكسجين:

C + H₂O → CO + H₂

إذا استُخدم الفحم، يُنتج ما يُعرف بـ الهيدروجين البني أو الأسود مع انبعاثات كربونية مرتفعة.
أما استخدام الكتلة الحيوية (مثل النفايات الزراعية) فيجعل العملية أكثر استدامة لأن الكربون المنبعث جزء من الدورة الطبيعية للكربون.

المزايا:

• يمكن استخدام النفايات، والتقنية قابلة للتوسع الصناعي.
  
  

العيوب:

• انبعاثات كربونية عالية (ما لم تُستخدم الكتلة الحيوية أو تقنيات احتجاز الكربون).
  
  

فرص الاستدامة:
أظهرت أبحاث المعهد الهندي للتكنولوجيا (IIT Delhi) أن تغويز الكتلة الحيوية مع احتجاز CO₂ يمكن أن يُنتج هيدروجين شبه خالٍ من الكربون مع إدارة فعّالة للنفايات الزراعية.

الأكسدة الجزئية والإصلاح الحراري الذاتي

الأكسدة الجزئية (POX):
يُفاعل الميثان أو غيره من الهيدروكربونات مع كمية محدودة من الأكسجين، لينتج الهيدروجين وأول أكسيد الكربون بتفاعل طارد للحرارة.

الإصلاح الحراري الذاتي (ATR):
يجمع بين مبادئ إصلاح الميثان بالبخار والأكسدة الجزئية في نظام واحد، حيث يوازن بين الحرارة المنتجة والمستهلكة مما يزيد الكفاءة الطاقوية.

المزايا:

• نظام مدمج ذاتي التسخين، ويتطلب طاقة أقل.
  
  

العيوب:

• يعتمد على الوقود الأحفوري.
  
  

التطبيقات:
بحسب الدكتور ديفيد كيث من جامعة هارفارد، يمكن لتقنية ATR أن تلعب دورًا أساسيًا في مصانع الهيدروجين الضخمة عند دمجها مع أنظمة احتجاز الكربون.

التحلل الحراري للميثان (Methane Pyrolysis - Turquoise Hydrogen)

يُعد هذا أسلوبًا جديدًا واعدًا يُفكك الميثان إلى هيدروجين وكربون صلب بدلاً من ثاني أكسيد الكربون:

CH₄ → C (صلب) + 2H₂

يمكن إعادة استخدام الكربون الصلب الناتج في صناعات مختلفة مثل البطاريات أو مواد البناء.
وعند تشغيل العملية بالطاقة المتجددة، تُنتج انبعاثات شبه معدومة، ويُطلق على الهيدروجين الناتج الهيدروجين الفيروزي.

المزايا:

• انبعاثات CO₂ شبه معدومة، ومنتج جانبي ذو قيمة عالية.
  
  

العيوب:

• يحتاج إلى درجات حرارة مرتفعة، ولا يزال محدود التطبيق على نطاق واسع.
  
  

الأبحاث:
قاد البروفيسور ماركوس أنطونييتي من معهد ماكس بلانك (ألمانيا) أبحاثًا مهمة حول هذا الأسلوب كحل منخفض الكربون لإنتاج الهيدروجين.

الإنتاج الكهروضوئي والبيولوجي للهيدروجين

يبحث العلماء في طرق مبتكرة لإنتاج الهيدروجين مباشرة من ضوء الشمس أو الكائنات الحية الدقيقة.

الانشطار الكهروضوئي للماء (PEC):
يستخدم ضوء الشمس ونصف النواقل لتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
على سبيل المثال، طوّر الأستاذ ناثان لويس في معهد كاليفورنيا للتقنية (Caltech) أقطابًا ضوئية فعالة لإنتاج الهيدروجين الشمسي.

الإنتاج البيولوجي:
بعض الطحالب والبكتيريا يمكنها إنتاج الهيدروجين طبيعيًا عبر تفاعلات حيوية.
يعمل باحثون في جامعة كامبريدج على أنظمة هجينة تجمع بين الكائنات الدقيقة والمواد النانوية لزيادة إنتاج الهيدروجين.

المزايا:

• مصادر متجددة ومستدامة ومبتكرة.
  
  

العيوب:

ما زالت في مراحل تجريبية، بكفاءة منخفضة وتكاليف مرتفعة.

الانشطار الحراري الكيميائي للماء

هذه الطريقة عالية الحرارة تستخدم الطاقة الحرارية — غالبًا من الطاقة الشمسية المركّزة أو المفاعلات النووية — لتفكيك الماء عبر سلسلة من التفاعلات الكيميائية.
قام الدكتور ماساهيرو واتانابي من جامعة توهوكو (اليابان) بتطوير دورات حرارية مثل دورة الكبريت–اليود لإنتاج الهيدروجين بكفاءة باستخدام الحرارة الشمسية.

المزايا:

• تعتمد على مصادر طاقة وفيرة كالشمس أو الطاقة النووية، وقابلة للتوسع.
  
  

العيوب:

معقدة كيميائيًا وتحتاج إلى بنية تحتية مكلفة.