الهيدروجين الأخضر يستعد لاستبدال الرمادي مع جعل الإنتاج فعالاً من حيث التكلفة بفضل المحفزات الكهربائية الجديدة

هيدروجين أرخص وأكثر خضرة

الهيدروجين الأخضر هو فكرة إنتاج الهيدروجين كوقود من مصادر الطاقة المتجددة، مما يجعله بديلاً للوقود الأحفوري. ومع ذلك، يتطلب إنتاج الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي معادن باهظة الثمن ونادرة من عائلة البلاتين.

اكتشف الباحثون الكوريون الأستاذ جونغكي ريو من كلية الطاقة والهندسة الكيميائية في UNIST والأستاذ دونغ-هوا سيو من قسم علوم المواد والهندسة في KAIST نوعًا جديدًا من المحفز، الروثينيوم، لتجنب استخدام البلاتين أو الإيريديوم.

على سبيكة أرخص بكثير وأقل ضررًا بيئيًا من الروثينيوم والسيليكون والتنغستن (RuSiW)

قوس هيدروجين

الهيدروجين هو أكثر الذرات وفرة في الكون لكنه لا يُوجد بسهولة كوقود على الأرض.

حاليًا، معظم الهيدروجين المُنتج هو ما يُسمى بـ«الهيدروجين الرمادي»، يُصنع باستخدام الميثان (الغاز الطبيعي)، مما يُطلق الكثير من الكربون في الغلاف الجوي. هذا مجرد أحد «ألوان» الهيدروجين الممكنة:

• الهيدروجين الرمادي/البني: يُنتج من الوقود الأحفوري.
• الهيدروجين الأزرق: يُنتج من الوقود الأحفوري، لكن مع احتجاز الكربون.
• الهيدروجين الوردي (يُطلق عليه أحيانًا الهيدروجين الأصفر): يُنتج من الطاقة النووية.
• الهيدروجين الفيروزي: يُنتج من التحلل الحراري للميثان. هذا يُحطم الميثان إلى هيدروجين وكربون صلب. يمكن تخزين الكربون الصلب أو استخدامه في تطبيقات مثل ألياف الكربون.
• الهيدروجين الأخضر: يُنتج من الطاقة المتجددة.

الهيدروجين الأخضر هو الوضع المثالي والهدف لمعظم الأشخاص المهتمين بالمناخ. إنتاجه يعتمد على عملية تُسمى التحليل الكهربائي، حيث تُكسر جزيئات الماء إلى هيدروجين غازي وأكسجين. هذه عملية تتطلب طاقة عالية، وتعتمد أيضًا على عناصر محفزة من مجموعة البلاتين.

السعي إلى الهيدروجين الأخضر

الهيدروجين الأخضر هو جزء مهم من اللغز لتقليل انبعاثات الكربون في الاقتصاد، حيث يمكنه تلبية تطبيقات لا تستطيع الكهرباء وحدها تغطيتها. يمكنه خفض انبعاثات الكربون من عمليات صناعة الصلب التقليدية بنسبة 95%. تشكل صناعة الصلب 11% من الانبعاثات العالمية. ويمكن أيضًا استخدامها في خلايا الوقود لتشغيل محركات السيارات والشاحنات والقوارب.

يمكن أيضًا استخدامها مباشرة لتخزين الطاقة أو لإنتاج الأمونيا، وهي مرشح جيد كوقود للشحن البحري لمسافات طويلة أو لتخزين الطاقة على المدى الطويل، وهو ما ناقشناه في مقالتنا الوقود الهيدروجيني الآخر – أفضل 5 أسهم أمونيا خضراء.

من المعروف منذ زمن طويل أن الروثينيوم يمكن أن يكون بديلاً للبلاتين، لكنه عانى من قيود:

• نشاط تحفيزي أقل مقارنةً بالبلاتين.
• استقرار أقل مقارنةً بالإيريديوم.

اكتشف هذا الاكتشاف الأخير أن وجود السيليكون حول ذرة الروثينيوم يعزز شدة امتصاص H+ على سطح المحفز.

يتم زيادة الاستقرار بواسطة طبقة رقيقة من التنغستن بسمك 5~10 نانومتر تحمي موقع التحفيز للروثينيوم. هذه نفس التقنية المستخدمة في إنتاج أشباه الموصلات، حيث يُرصّص التنغستن في شكل غازي بطبقة رقيقة جدًا على شريحة السيليكون.

القطاعات المستفيدة

من خلال جعل إنتاج الهيدروجين الأخضر أرخص وأكثر صداقة للبيئة، قد يُعَدّ هذا الاكتشاف دفعة للعديد من القطاعات:

• مصنّعي خلايا الوقود، الذين ستستفيد اقتصاديات محركاتهم من الوقود الأرخص.
• منتجي الهيدروجين الأخضر، قد يرون هوامش ربح أكبر ويشهدون زيادة حصة الهيدروجين في أسواق الطاقة.
• مصنّعي الأمونيا الخضراء. ليس فقط سيحصلون على هيدروجين أرخص لإنتاج الأمونيا، بل يتطلب الاعتماد الواسع للأمونيا محفزات لتقليل الغازات السامة و«غازات الدفيئة الفائقة» NOx. عادةً ما يتطلب ذلك البلاتين أيضًا، لكن ربما يستطيع RuSiW أداء المهمة هنا أيضًا؟
• قطاع الطاقة المتجددة، حيث سيوفر إنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع منفذًا للطاقة «الفائضة» خلال فترات الشمس أو الرياح القوية.

الشركات المستفيدة

1. Aker Horizons ASA

Aker Horizon هي الشركة التابعة لمجموعة Aker التي تركز على الطاقة الخضراء. تُعد المجموعة تكتلاً نرويجيًا مهمًا، مع تركيز على الطاقة المتجددة والأعمال البحرية/البحرية. Aker Horizon هي الشركة القابضة لعدة فروع تشمل احتجاز الكربون، والهيدروجين الأخضر، والطاقة المتجددة.

المصدر: Aker

تُظهر الشركة نشاطًا ملحوظًا في توليد الهيدروجين والأمونيا الخضراء، بهدف خفض انبعاثات شحن القطب الشمالي، واستبدال الوقود الأحفوري بوقود يعتمد على الهيدروجين.

المصدر: Aker

لذلك، تتمتع Aker بموقع مثالي للاستفادة من خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر. يمكنها التعامل مع التكامل الرأسي الكامل للأمونيا الخضراء، من توربينات الرياح البحرية إلى توليد الهيدروجين إلى إنتاج الأمونيا الخضراء.

كما تعمل على مشاريع مثل تحويل النفايات إلى طاقة في فرنسا، ومصنع حيوي في ألمانيا، واحتجاز الكربون في الشرق الأوسط (السعودية والإمارات).

يجعل هذا منها سهمًا جيدًا للمستثمرين الباحثين عن تعرض لقطاع الطاقة الخضراء بشكل عام، مع تمركز قوي في الهيدروجين الأخضر والأمونيا الخضراء، بالإضافة إلى طاقات خضراء أخرى، وبعض التنوع الجغرافي.

2. Plug Power Inc.

Plug Power (PLUG ) هي رائدة في مجال الهيدروجين الأخضر، مع تركيز على خلايا الوقود. ومن الجدير بالذكر أن خلايا الوقود لديها تشغّل أكثر من 40,000 رافعة شوكية، مع زيادة الإيرادات بمقدار 8 أضعاف منذ عام 2013. كما أنها نشطة في بناء بنية تحتية للهيدروجين مثل إنتاج الهيدروجين، واللوجستيات، وتوليد الطاقة على نطاق المرافق، والتسليمات.

تسعى الشركة إلى التوسع لتقليل تكاليف الإنتاج من 10 دولارات/كغ إلى 4 دولارات/كغ، مع مضاعفة الإنتاج 14 مرة بحلول عام 2027. وبالطبع، سيساعد أيضًا ظهور تقنيات جديدة تتجنب الحاجة إلى البلاتين في التحليل الكهربائي.

المصدر: Plug Power

بسبب الاستثمارات الضخمة لزيادة القدرة الإنتاجية 19 مرة منذ عام 2020، لا تزال الشركة غير مربحة حتى الآن. وقد أدى ذلك إلى تقريبًا مضاعفة الإيرادات من بداية إلى نهاية عام 2023.

من المتوقع أن يأتي معظم الأعمال الحالية والمتوقعة من أمريكا الشمالية. وقد عززت الاستحواذات الاستراتيجية للشركة، مثل استحواذها على United Hydrogen و Giner ELX، موقعها في اقتصاد الهيدروجين من خلال تحسين قدراتها في توليد الهيدروجين، وتسييله، وتوزيعه.

تعتبر الشركة حلها إما كوقود مباشر للتنقل، أو كتكملة للمركبات الكهربائية، حيث يسمح الهيدروجين بتقليل الضغط على شبكة شحن المركبات الكهربائية في أوقات الذروة التي لا تتطابق مع أوقات إنتاج الطاقة المتجددة خلال اليوم.

المصدر: Plug Power

بصفتها منتجًا رئيسيًا لخلايا الوقود، ستستفيد Plug Power بشكل كبير من التحول نحو اقتصاد يعتمد على الهيدروجين/الأمونيا. لذا فإن ذلك يجعل Plug Power سهمًا جيدًا للمراهنة على التحول نحو الهيدروجين بشكل عام، سواء مع الأمونيا أو بدونها. كما أن التركيز على التكاليف والحجم يستحق الثناء.

3. Ballard Power Systems Inc.

Ballard هي شركة أخرى لتصنيع خلايا الوقود، ورائدة في التقنية مع أول حافلة بخلية وقود لها في عام 1993.

تركز الشركة على أسواق المعدات الثقيلة: الحافلات، الشاحنات، القطارات/الترام، السفن، التعدين/البناء، والطاقة. بينما كانت الحافلات هي جوهر الأعمال، تتوقع الشركة أنه بحلول عام 2025 ستصبح الشاحنات قطاعًا تجاريًا رئيسيًا. كما تتوقع أن تظل أوروبا السوق الرئيسية لها (50-60٪)، تليها أمريكا الشمالية (25٪).

من المتوقع أن تستمر خلايا الوقود للشاحنات في النمو وتمثل سوقًا بقيمة 7.5 مليار دولار في عام 2030 (من إجمالي سوق بقيمة 195 مليار دولار)، وهو ما يقارب حجم جميع تطبيقات الهيدروجين/خلايا الوقود الأخرى مجتمعة. قد يتسارع هذا النمو إذا انخفضت أسعار إنتاج الهيدروجين بفضل التقنيات الجديدة.

المصدر: Ballard

نظرًا للقدرة العالية المطلوبة والحاجة إلى شحن سريع، كانت المركبات الثقيلة سوقًا جيدًا للهيدروجين وخلايا الوقود مقارنة بالمركبات الخفيفة مثل السيارات. كما يقلل ذلك من الحاجة إلى أسلاك القطر للسكك الحديدية والحافلات الكهربائية، ويتيح شحنًا سريعًا للنقل على مسافات طويلة.

المصدر: Ballard

ليس الشركة غريبة عن الأمونيا أيضًا، مع عقد حديث مع Amogy لتزويدها بخلايا وقود لمنصتها «ammonia-to-power» التي تعتمد على تقنية فريدة لتفكيك الأمونيا.

بينما تمتلك المركبات الكهربائية فرصة معقولة للسيطرة بسرعة على أسواق السيارات، فإن المركبات الأثقل أصعب في تقليل انبعاثاتها. ومع قيادتها الراسخة في القطاع، ستستفيد Ballard بشكل كبير من دفع السياسات نحو اقتصاد الهيدروجين.

4. Seaborg

Seaborg هي شركة دنماركية تطور مفاعلًا نوويًا مدمجًا من الملح المنصهر وهو أيضًا محطة طاقة عائمة بقدرة تصل إلى 800 ميجاواط.

المصدر: Seaborg

تصميم مفاعلات Seaborg النووية القائمة على البحر يجعلها مناسبة للدول الساحلية، مع مناقشات جارية مع إندونيسيا والنرويج.

تعمل Seaborg أيضًا مع الرائد العالمي في بناء السفن Samsung Heavy Industries لتطوير محطات طاقة نووية عائمة مدمجة مع محطات هيدروجين وأمونيا.

على الرغم من تفضيلها غالبًا من قبل السياسات الخضراء والنشطاء، لا يوجد شرط بأن يُنتج الهيدروجين بالكهرباء الخضراء لتقليل انبعاثات الكربون، بل فقط أن تكون الطاقة من مصدر منخفض الكربون. لذا فإن الطاقة النووية تُعد خيارًا أيضًا.

وبالتالي، قد تصبح Seaborg جزءًا أساسيًا من اقتصاد هيدروجين وأمونيا مدفوع بالنووية. وسهولة نشر ونقل المفاعلات النووية قد تكون خيارًا ممتازًا لتزويد الموانئ بالهيدروجين.

يمكنها حتى التناوب وفقًا للطلب الموسمي، على سبيل المثال، البقاء في نصف الكرة الشمالي خلال الشتاء (عندما يكون إنتاج الطاقة المتجددة منخفضًا) والانتقال إلى مواقع أخرى بقية السنة.

5. Bloom Energy

قام أحد مؤسسي Bloom ببناء أول خلية وقود هيدروجين في الستينيات لمشروع Gemini وكان أيضًا رائدًا في مجال التحليل الكهربائي في الثمانينيات.

نشرت الشركة حلول توليد الطاقة الأولية في الموقع بقدرة 1 جيجاواط لمئات العملاء، حيث أن 95٪ من جميع خلايا الوقود الثابتة المثبتة في الولايات المتحدة منذ عام 2018 هي خوادم Bloom Energy (BE ).

المصدر: Bloom Energy

تركز Bloom على المواقع الصناعية، ومراكز البيانات، والمستشفيات، ومراكز التجزئة، وغيرها من المرافق الكبيرة، إلى جانب نشر الشبكات الصغيرة. كما تعمل على تطوير خلايا الوقود للشحن البحري.

تحقق Bloom معظم إيراداتها من مبيعات خلايا الوقود والمحللات، حيث تمثل 75٪ من إجمالي الإيرادات، مع 2/3^rd من المبيعات في الولايات المتحدة.

تستخدم محللات الشركة تقنية الأكسيد الصلب، التي تنتج 20-25٪ أكثر من الهيدروجين لكل ميجاواط (MW) مقارنةً بالطرق القديمة مثل غشاء البروتون الكهربائي (PEM).

المصدر: Bloom Energy

بصفتها رائدة في أنظمة خلايا الوقود للمرافق الكبيرة، يجب أن تستفيد Bloom من إنتاج هيدروجين رخيص، حتى وإن كان ظهور محفزات تحليل كهربائي غير بلاتينية وأرخص قد يمثل تهديدًا للمحللات ذات الأكسيد الصلب التي تقدمها.