الطاقة
هل يمكن للبيوشار تقليل تكلفة الهيدروجين الأخضر؟
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
البحث عن الحفاز المناسب للهيدروجين
يمكن أن يكون الهيدروجين، نظريًا، وقودًا مثاليًا لتخزين الطاقة وتطبيقات الطاقة التي يصعب كهرباؤها. ذلك لأنه يتمتع ببعض الخصائص شبه المثالية:
– تولد خلايا الوقود الكهرباء دون إنتاج ثاني أكسيد الكربون في نقطة الاستخدام.
– يمكن للهيدروجين توفير درجات الحرارة العالية المطلوبة في صناعة المعادن وغيرها من العمليات الصناعية التي يصعب كهرباؤها.
– يمكن للتحليل الكهربائي إنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام الكهرباء المتجددة.
– لا يحتوي الهيدروجين على الكربون، رغم أن تأثيره البيئي العام يعتمد على طريقة إنتاجه واستخدامه.
مع ذلك، تعرقل صعوبة إنتاج الهيدروجين بطريقة ذات تكلفة فعالة صعود اقتصاد يعتمد على الهيدروجين. وذلك لأن الهيدروجين الأخضر يُنتج عادةً عبر التحليل الكهربائي، وهي عملية تعتمد تكلفتها وكفاءتها جزئيًا على مواد أقطابها. تعتمد محلات التحليل الكهربائي PEM على معادن مجموعة البلاتين النادرة والمكلفة، لا سيما البلاتين والإيريديوم، بينما يمكن للأنظمة القلوية استخدام محفزات أكثر وفرة تعتمد على النيكل.
لذا طالما لا توجد طريقة إنتاج أفضل للهيدروجين، فمن غير المرجح أن نتمكن من رؤيته يحل محل الوقود الأحفوري على نطاق واسع.
ولهذا السبب يستكشف العلماء العديد من البدائل لمواد الحفاز، مثل قضبان حديدية نانوية، كربيد السيليكون، أو كوبالت-تنغستن.
خيار آخر لإنتاج الهيدروجين الأخضر قد يكون المواد الحفازة القائمة على الكربون، والتي قد تثبت بشكل مفارقة أنها حل قوي للحد من انبعاثات الكربون.
أجرى باحثون هنديون في جامعة سوامي راما هيمالايان وجرافيك إيرا (جامعة معترف بها) مراجعة جديدة فحصت استخدام مواد الكربون النانوية المستخلصة من البيوشار لهذا الغرض. يُنتج البيوشار من خلال التحلل الحراري للكتلة الحيوية تحت ظروف محدودة الأكسجين عبر عمليات مثل التحلل الحراري. ذلك لأن مواد الكربون النانوية المستخلصة من البيوشار، بما في ذلك أنابيب الكربون النانوية (CNTs) والجرامين والنقاط الكمية الكربونية، والأوراق النانوية، والرقائق النانوية، توفر مساحة سطحية عالية، وهياكل قابلة للتعديل، وتوصيل كهربائي ممتاز، وخصائص إلكترونية تحفيزية مواتية.
نشروا نتائجهم في Next Energy1، تحت العنوان “مواد الكربون النانوية المستخلصة من البيوشار لإنتاج هيدروجين مستدام: التركيب، الأداء التحفيزي الكهربي، وآفاق المستقبل.”
تحسين إنتاج الهيدروجين
إذا كانت ذرات الهيدروجين هي العنصر الأكثر وفرة في الكون، فإنها على الأرض عادةً ما تكون مرتبطة بعناصر أخرى. لذا يجب إنتاج غاز H2 النقي، وغالبًا ما يُفضَّل الحصول عليه من التحليل الكهربائي للماء (H2O). إلا أن ذلك يحده الجهد العالي المطلوب لتجاوز الحواجز الحركية المرتبطة بانقسام الماء.
تجاوز هذا القيد المتعلق بالجهد هو الدور الأساسي لمواد التحفيز الكهربي.
يتطلب حجم الإنتاج اللازم لاقتصاد هيدروجين فعال أن تُصنع هذه الحفازات من عناصر وفيرة ورخيصة. من هذا المنظور، تُعد مواد الكربون النانوية المستخلصة من الكتلة الحيوية مرشحات واعدة لأنها يمكن أن تجمع بين المواد الأولية الوفيرة والمساحة السطحية العالية، والتوصيل الكهربائي، والثبات الكيميائي، والخصائص الكهروكيميائية القابلة للتعديل.
ومع ذلك، ليست هذه عملية بسيطة، فتحويل الكتلة الحيوية إلى بيوشار قابل للاستخدام ثم إلى حفازات ليس مجرد مسألة استخدام التحلل الحراري، بل يتطلب أيضًا معالجات ميكانيكية، حرارية، وكيميائية واسعة.
المصدر: Next Energy
للأسف، رغم التقدم، لا يزال فهم كيفية تحويل الكتلة الحيوية الخام إلى مواد كربونية نانوية بشكل ثابت وعلى نطاق صناعي غير مكتمل.
«على الرغم من تزايد الاهتمام، لا يزال هناك نقص في الفهم المنهجي لكيفية هندسة وتحسين الهياكل الكربونية النانوية القائمة على البيوشار كحفازات كهروميكانيكية فعّالة وميسورة التكلفة لإنتاج الهيدروجين.»
فهم أبحاث البيوشار
مراجعة الأدبيات
إن نقص التحليل المنهجي في هذا الموضوع هو السبب في جمع الباحثين الأدبيات العلمية المنشورة من يناير 2020 إلى فبراير 2026، مع التركيز على عدة موضوعات:
- إنتاج البيوشار وخصائص المواد الأولية.
- التصنيع والمعالجة النانوية للمواد الكربونية المستندة إلى البيوشار.
- الخصائص الفيزيائية والكيميائية والهيكلية.
- الدمج/التهجين مع محفزات معدنية/مواد محفزة أخرى.
- عملية التحفيز الكهربي لتفاعل تطور الهيدروجين (HER) وتفاعل تطور الأكسجين (OER).
- الأداء الكهروكيميائي.
- الاستقرار، القابلية للتوسع، وآفاق المستقبل لإنتاج هيدروجين صديق للبيئة.
إنتاج البيوشار
الفحم الحيوي هو مادة غنية بالكربون تُنتج بتسخين الكتلة الحيوية، بما في ذلك مخلفات الزراعة، نفايات الخشب، والروث، تحت ظروف محدودة الأكسجين. تتفاوت درجة حرارة التحلل الحراري بحسب نوع المادة الأولية والخصائص المطلوبة، وتصف المراجعة ظروف المعالجة التي تتجاوز نطاق درجة حرارة واحد.
بالإضافة إلى التحلل الحراري، يمكن استخدام العملية أيضاً لتحويل الكتلة الحيوية النباتية إلى فحم حيوي، مثلًا عبر الغازنة والكربنة المائية الحرارية.
إلى جانب تطبيقاتها الصناعية المحتملة، يُستخدم الفحم الحيوي بشكل متزايد لت تحسين التربة للزراعة ولالتقاط الكربون.
المصدر: Discover Soil
يمكن معالجة الفحم الحيوي إلى مواد نانوية كربونية مناسبة لأبحاث إنتاج الهيدروجين. بعض المحفزات المقترحة خالية من المعادن، بينما يجمع البعض الآخر بين الكربون المستخرج من الفحم الحيوي مع الكوبالت أو الحديد أو الموليبدينوم أو مواد محفزة أخرى. يمكن لهذا النهج تحويل الكتلة الحيوية منخفضة القيمة إلى مواد ذات قيمة أعلى، رغم أن الفائدة الكربونية الإجمالية تعتمد على مصدر المادة الأولية، طاقة المعالجة، المعالجات الكيميائية، ودورة حياة المادة النهائية.
المصدر: Next Energy
التفعيل لإنتاج الهيدروجين
الخطوة الأولى في معالجة الفحم الحيوي هي الطرق الفيزيائية. وهذا ضروري لتقليل أبعاد الجسيمات مع توسيع حجم المسام والسطح. يمكن الاعتماد على طرق متعددة مثل الميكروويف، الطرق فوق الصوتية، والتحطيم الميكانيكي (الضغط، الطحن، السحق، التقطيع، والتوريفاكشن).
بعد ذلك، يُستخدم بخار عالي الضغط عند درجات حرارة مرتفعة للغاية لتفكيك المصفوفة النباتية الليغوسيلولوزية المعقدة إلى بنية أبسط.
تُعد المواد الكيميائية جزءًا من العملية أيضًا. يمكن استخدام المعالجة الحمضية لتعزيز فائدة السليلوز. تشمل الأحماض المستخدمة حمض الكبريتيك، حمض الهيدروكلوريك، حمض النيتريك، حمض الخليك، حمض الأكساليك، وحمض الفوسفوريك، حيث يؤثر نوع المادة وتركيزها على الخصائص الناتجة. وعلى الطرف الآخر من طيف الـ pH، تُستعمل مركبات قاعدية مثل هيدروكسيد الأمونيوم (NH4OH)، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وهيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH)2) لإذابة الروابط الكيميائية بين البوليمرات واللجنين.
يمكن أيضًا ربط هذه العمليات بتعديل التركيب الكيميائي للفحم الحيوي أو إضافة عناصر أخرى لت “تدوين” الإمكانات الكهروكيميائية.
«المجموعات الوظيفية السطحية المحتوية على الأكسجين مثل مجموعات الهيدروكسيل، الكربونيل، والكاربوكسيلي تحسن من قابلية الماء، وتزيد من التلامس السطحي مع الإلكتروليتات، وتزيد من تفاعل السطح. يمكن لهذه المجموعات أيضًا المشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال وتسهيل عمليات نقل الشحنة».
المصدر: Next Energy
تعزيز إنتاج الهيدروجين
تُجرى الخطوات السابقة لتعديل البنية النانوية للفحم الحيوي بحيث يحتوي على بنية كربونية نانوية أكثر: ألياف كربونية نانوية، جرافين، أنابيب كربونية نانوية، نقاط كربونية، وألواح كربونية نانوية.
بهذه الطريقة، يتم تحسينه لعدة ميزات رئيسية:
- موصلية كهربائية عالية، تسمح بتدفق الإلكترونات الحرة
- استقرار كيميائي ومساحة سطحية مسامية عالية
- خصائص امتصاص وإطلاق هيدروجين مناسبة، تؤثر على تفاعل تطور الهيدروجين.
المصدر: Next Energy
جعل الفحم الحيوي مربحًا لإنتاج الهيدروجين
العقبة التي أوقفت انتشار الهيدروجين كوقود شائع هي التكلفة. جزئيًا، يعود ذلك إلى ارتفاع تكلفة المحفزات التي تستخدم معادن نادرة وثمينة.
في حالة المحفزات القائمة على الكربون، هناك تكاليف أخرى تؤثر على الجدوى الاقتصادية المستقبلية لهذه العملية:
- زراعة الكتلة الحيوية، جمعها، نقلها، وتخزينها
- التحلل الحراري ومعالجة البخار، التي تتطلب طاقة عالية جدًا.
- تحسين الفحم الحيوي بالعمليات الكيميائية والميكانيكية، مع مراعاة تكلفة المعدات والتلوث المحتمل.
قضية أخرى لا يتناولها الأدب العلمي الحالي، الذي يركز على النتائج التي تم الحصول عليها في بيئة مختبرية، هي متانة الفحم الحيوي وقدرته على التجديد.
على الرغم من أن بعض الدراسات المختبرية تشير إلى استقرار كهروكيميائي واعد، فإن المراجعة وجدت أن المتانة على المدى الطويل، ومقاومة التلوث، وإمكانية التجديد، والأداء تحت ظروف صناعية واقعية لا تزال غير مدروسة بشكل كافٍ.
مشكلة أخرى غير محلولة هي عدم تجانس خصائص الفحم الحيوي. توجد تقريبًا لا حصر لها من الاختلافات، ناتجة عن اختلاف مصادر المادة الأولية، ظروف التحلل الحراري، والمعالجة اللاحقة للفحم الحيوي.
لذلك، رغم أن بعض الصيغ واعدة، لا يزال هناك نقص في طريقة اختبار واضحة أو عملية اعتماد تضمن جودة المنتج النهائي، وستكون ضرورية لتطبيقات صناعية على نطاق واسع.
“تجاوز هذه الصعوبات يتطلب مبادرات تعاونية تشمل التشريعات الحكومية والاستثمارات الصناعية والبحث الأكاديمي. يجب على صانعي السياسات توفير أطر داعمة تعزز الابتكار والتسويق والاستخدام طويل الأمد للفحم الحيوي في قطاعات الطاقة والبيئة والزراعة.”
مع ذلك، فإن القدرة على ترقية الكتلة الحيوية منخفضة القيمة دفعة واحدة، واحتجاز الكربون، وخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر، دون الحاجة إلى أي عناصر نادرة، تجعل هذه التقنية جذابة للغاية.
أظهرت الدراسات المخبرية الإمكانات التقنية للمواد النانوية الكربونية المستخرجة من الفحم الحيوي، لكن لا يمكن دائمًا مقارنة نتائجها مباشرةً لأن ظروف الاختبار وطرق الإبلاغ تختلف. الخطوات التالية هي توحيد الإنتاج واختبار الأداء، والتحقق من المتانة على المدى الطويل، وإكمال تقييمات دورة الحياة والاقتصاد التقني، وتطوير أقوى المرشحين إلى مشاريع تجريبية صناعية.
الاستثمار في الهيدروجين الأخضر
Plug Power
Plug Power (PLUG ) توفر الشركة خلايا الوقود، وأجهزة التحليل الكهربائي، ومعدات تخزين الهيدروجين، وبنية تحتية للتعبئة، وخدمات إنتاج الهيدروجين. وتقول الشركة إنها نشرت أكثر من 74,000 نظام خلايا وقود وأكثر من 280 محطة تعبئة، بينما تم نشر أجهزتها التحليلية عبر ست قارات.
تظل Plug أيضًا استثمارًا مضاربيًا. فقد وسعت عمليات إنتاج الهيدروجين وأجهزة التحليل الكهربائي لكنها لا تزال تواجه مخاطر مالية وتنفيذية وتمويلية وتسويقية. قد تدعم التطورات التي تقلل من تكاليف إنتاج الهيدروجين سوقها القابلة للوصول، لكنها لن تحل بمفردها التحديات المالية للشركة.
المصدر: Plug Power
تأتي أهميته لهذا البحث أساسًا من أعماله في مجال التحليل الكهربائي. تصنع Plug محلات التحليل الكهربائي ذات الأغشية المبدلة للبروتون، وهي تقنية تعتمد حاليًا على محفزات معادن مجموعة البلاتين. إذا أدت المواد المستخرجة من الفحم الحيوي أو الهجائن الكربونية-المعدنية ذات الصلة في النهاية إلى تقليل متطلبات المحفز، أو تحسين أداء الأقطاب، أو خفض تكاليف النظام، فقد يستفيد مصنعو التحليل الكهربائي من هذه التحسينات.
مع ذلك، لا تزال المواد المستعرضة من الفحم الحيوي في مرحلة المختبر، ولا توجد إشارة إلى أن Plug Power تستخدمها حاليًا أو تخطط لاستخدامها. لذا يجب اعتبار الشركة تعرضًا لاحقًا للتوسع الأوسع في الهيدروجين الأخضر بدلاً من تعرض مباشر لمحفزات مستخرجة من الفحم الحيوي.
المصدر: Plug Power
PLUG مخطط السعر
(يمكنك قراءة المزيد عن Plug Power في تقريرنا الاستثماري المخصص للشركة.)
آخر أخبار وتطورات سهم Plug Power (PLUG)
الدراسة المشار إليها
1. فيشال راجبت. مواد كربونية نانوية مشتقة من الفحم الحيوي لإنتاج الهيدروجين المستدام: التركيب، الأداء التحفيلي الكهربي، وآفاق المستقبل. Next Energy. المجلد 13، أكتوبر 2026، 100995. https://doi.org/10.1016/j.nxener.2026.100995
