الطاقة
كيف يمكن للذكاء الاصطناعي تسريع إنتاج الهيدروجين الأخضر
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الهيدروجين الأخضر هو الحجر الأساسي المفقود لمستقبل خالٍ من الوقود الأحفوري. السبب هو أن الكهرباء وحدها لا تستطيع تحقيق إزالة الكربون بالكامل للصناعات التي تعتمد على الوقود والمواد الخام الكيميائية. وهذا يشمل قطاعات هائلة من الاقتصاد، مثل النقل بالشاحنات الثقيلة، والشحن البحري، والسفر الجوي، وإنتاج المواد الكيميائية، وصناعة الصلب وغيرها من عمليات التعدين والمعادن، وغيرها.
بالنسبة لجميع هذه الأنشطة، يمكن للهيدروجين الأخضر، مباشرةً أو بعد تحويله إلى أمونيا أو وقود متجدد، أن يساعد في تشغيل الأنشطة التي تتطلب وقودًا سائلًا، دون الاعتماد على موارد الوقود الأحفوري.
تم تحليل إمكانات هذه التقنية مؤخرًا في دراسة أجراها باحثون في جامعة ماكغيل (كندا) والمعهد الهندي للتعليم والبحث العلمي (IISER) بوبال (الهند). وتناقش الدراسة المصادر المختلفة الممكنة للهيدروجين الأخضر، بالإضافة إلى الأساليب الكهروكيميائية التي يمكن استخدامها لإنتاج وقود سائل مستدام ومنتجات هيدروكربونية أخرى.
نشروا نتائجهم في مجلة Renewable and Sustainable Energy Reviews1 تحت عنوان “Electrochemical energy technologies: Current progress and future opportunities for sustainable energy transitions”.
لماذا الوقود الغازي والسائل مهم
السبب الرئيسي للسعي نحو إزالة الكربون هو تغير المناخ، الذي يغذيه الارتفاع في انبعاثات الغازات الدفيئة، وأهمها ثاني أكسيد الكربون (CO2)، يليه الميثان (CH4).
«الفشل في عكس تغير المناخ السلبي يفرض مخاطر تتعلق بعدم الاستقرار الاقتصادي، والظواهر الجوية المتطرفة، وتفاقم عدم المساواة الاجتماعية»
وبالتالي، فإن إصلاح نظام الطاقة القائم على الوقود الأحفوري أمر حاسم. ولسوء الحظ، لا يزال هذا بعيدًا عن الإنجاز، حتى مع الارتفاع الأخير في مصادر الطاقة المتجددة، حيث إن ذلك أثر أساسًا على إنتاج الكهرباء فقط. لكن الجزء الأكبر من استهلاك الطاقة الأساسي للبشرية لا يعتمد على الكهرباء. بل يُستخدم هذا الاستهلاك للتدفئة، والإنتاج الصناعي، والشحن، والطيران، والنقل بالشاحنات، وغيرها. وبالتالي، لا يزال الغالبية العظمى من مصادر الطاقة هي الوقود الأحفوري، حيث يشكل الفحم والنفط والغاز أكثر من 80٪ من مصادر الطاقة العالمية.
المصدر IEA
يمكن أن يكون إزالة الكربون من هذه الأنشطة صعبًا لعدة أسباب:
- النظم الحالية لا يمكن تشغيلها بالكهرباء، وسيستغرق استبدال أسطول الشاحنات والسفن والطائرات والمصانع والمصاهر الحالية ببدائل كهربائية عدة عقود على الأكثر.
- العديد من هذه الأنظمة لا تملك ببساطة بديلاً كهربائيًا للوقود السائل والاحتراق للحفاظ على كفاءتها التشغيلية.
- بدائل الوقود الأخضر حتى الآن كانت مكلفة جدًا لتنافس الوقود الأحفوري اقتصاديًا.
لذلك هناك حاجة إلى الهيدروكربونات الخضراء، وهي جزيئات تتكون أساسًا من ذرات الكربون والهيدروجين، وتكون كيميائيًا مطابقة للوقود الأحفوري، مما يسمح بديكربنة المرافق الطاقية واللوجستية والصناعية القائمة دون الحاجة إلى التحول السريع إلى الكهرباء، وهو أمر قد يكون صعبًا جدًا (في النقل بالشاحنات، والتدفئة) أو مستحيلًا تمامًا (في النقل الجوي) حسب الحالة.
الانتقال إلى نظام طاقة مستدام
أهمية الهيدروجين الأخضر
الهيدروجين عنصر وفير، خاصةً في شكل الماء (H2O)، لكنه لا يتواجد في صورته النقية (H2) في الطبيعة. لذا، لاستخدامه في إنتاج الهيدروجين الأخضر، يجب أولاً إنتاجه، وهو ما يستهلك طاقة.
لكي يساهم الهيدروجين بشكل فعّال في إزالة الكربون، يجب أن تكون عملية إنتاجه ذات بصمة كربونية منخفضة. التحليل الكهربائي المدعوم بالكهرباء المتجددة هو المسار الأكثر شيوعًا، بينما يمكن للتقنيات الناشئة استخراج الهيدروجين من جزيئات مشتقة من الكتلة الحيوية بجهود كهربائية أقل بكثير.
عند استخدام الكهرباء لإنتاج الهيدروجين لتصنيع هيدروكربونات خضراء مفيدة، يُشار عادةً إلى هذه الأساليب باسم “Power-to-X”، حيث يمكن استبدال “X” بالغاز أو النفط أو أي مادة كيميائية أخرى، وتقوم التحويلات الكهروكيميائية بتحويل الهيدروجين النقي وثاني أكسيد الكربون أو مصدر كربون آخر إلى منتجات مفيدة وسهلة الاستخدام والتخزين.
ميزة إضافية لتحويل الهيدروجين إلى مركبات أخرى هي أن الهيدروجين يصعب تخزينه ونقله بشكل كبير. بالمقارنة، فإن الميثان أو الوقود السائل أسهل بكثير.
أخيرًا، الطبيعة المتقطعة لإنتاج الكهرباء المتجددة تعني أنه في أحيانٍ ما يكون إنتاج الطاقة أعلى من الطلب، ويمكن لإنتاج الهيدروجين أن يمتص هذا الفائض الذي يُهدر حاليًا في معظم الأحيان.
«يمكن أن يكون الميثانول المنتج عبر الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون ناقل طاقة صديق للبيئة بكتلة طاقة أعلى مقارنةً بالهيدروجين، مما يقلل التكلفة والتحديات مثل التخزين والنقل. كما يمكن إنتاج الميثان من الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون ويمكن تخزينه في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي القائمة»
العديد من المسارات للوقود المستدام
حددت الدراسة ما لا يقل عن 16 مادة كيميائية ذات قيمة مضافة يمكن إنتاجها باستخدام الهيدروجين الأخضر، مثل أول أكسيد الكربون (المكون الرئيسي للغاز الصناعي)، وحمض الفورميك، والميثانول، والميثان، والإيثانول، والإيثيلين، والبروبانول. في كثير من الحالات، تكون العملية متعددة الخطوات مع منتجات وسيطة كيميائية مفيدة بالمثل.
إحدى الإمكانات الأخرى للهيدروجين الأخضر من خلال التحليل الكهربائي هي إنتاج الهيدروجين من الكتلة الحيوية. في البداية، تم تجربة بعض الاستراتيجيات التي تستخدم التحلل البكتيري، لكن العوائد كانت منخفضة جدًا.
تقنية واعدة جديدة هي توليد الهيدروجين الأنودي مباشرةً من جزيئات منصة الكتلة الحيوية. يمكن تنفيذ ذلك بجهد أقل بكثير من التقنيات المعتادة التي تعتمد على تفاعلات تطور الأكسجين (OER).
تُستخدم المحفزات القائمة على النحاس في الغالب لهذه الطريقة، لكن لا يزال هناك حاجة إلى تحسينها لتجنب تعطيل المحفز. يمكن أن يؤدي إضافة معادن أو عناصر أخرى، أو إضافة بنية نانوية متقدمة إلى النحاس السائب إلى تحسين الأداء بشكل جذري.
الذكاء الاصطناعي، المحللات الكهربائية، والهيدروجين
المحللات الكهربائية، التي تُستخدم لتفكيك الماء إلى هيدروجين أو لمعالجة الكتلة الحيوية إلى مركبات أكثر فائدة، تُعد مجالًا واعدًا للطاقة الخضراء وإنتاج الهيدروجين.
حتى الآن، تم تحقيق تحسين المحفزات لهذه العملية في الغالب من خلال تجربة العديد من التركيبات الجديدة لعناصر مختلفة، وأنواع المحفزات، والبنى النانوية، وانتقالات الشحنة. ومع ذلك، ينتج عن ذلك عدد شبه لا نهائي من التركيبات، دون وجود نموذج رياضي بسيط لتوقع سلوك تصميم محفز جديد في الواقع.
يمكن للذكاء الاصطناعي المساعدة في حل هذه المشكلة، حيث يُستخدم بالفعل بهذه الطريقة في مجالات أخرى من الطاقة الخضراء. على سبيل المثال، في تطوير الأجهزة الضوئية، تم استخدام الذكاء الاصطناعي لتوقع الفجوات الطيفية الصحيحة وطاقة العيوب في المواد الضوئية الإلكترونية، مما يساعد على تسريع اكتشاف مواد جديدة.
وبالمثل، نجح الذكاء الاصطناعي في اكتشاف إلكتروليتات أكسدة-اختزال جديدة لبطاريات التدفق من خلال عينة شاملة من الفضاء الكيميائي الواسع للجزيئات العضوية النشطة لتحديد الإلكتروليتات المناسبة، أو للمواد القاطعية الجديدة لبطاريات الصوديوم والليثيوم الصلبة.
بالنسبة لتقنيات الطاقة الكهروكيميائية، يمكن للذكاء الاصطناعي تبسيط الصورة المعقدة لتسهيل التعامل عليها للباحثين.
«يمكن للذكاء الاصطناعي توفير المعلومات حول النشاط السطحي، وموقع المواقع النشطة على السطح مع مسافات الروابط، وطاقة ربط المتفاعلات والمنتجات والأنواع الوسيطة للتفاعلات الكهروكيميائية بناءً على جودة البيانات المستخدمة لتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي»
يمكن لهذه الطريقة إزالة الكثير من التخمين وتوفير مواد مرشحة جديدة وأكثر وعدًا بسرعة يمكن اختبارها لاحقًا في المختبرات.
استخدام آخر للذكاء الاصطناعي هو تصميم العملية بحيث، بالإضافة إلى الهيدروجين الأخضر، توفر أيضًا تحسينًا كهروكيميائيًا للكتلة الحيوية، مما ينتج أحماضًا مفيدة، وألدهيدات، وفورانات، وكحوليات.
«يمكن توظيف نماذج الذكاء الاصطناعي القوية على كل من البيانات التجريبية والمحاكاة لالتقاط العلاقات بين البنية والخصائص لتصميم معقول لإعداد التفاعل الكهروكيميائي لتحقيق انتقائية جيدة، وتحكم، وكفاءة فاراداي عالية للمنتجات المطلوبة»
الوصول إلى التسويق التجاري ليس سهلًا أبدًا
على الرغم من أنها واعدة ومن المرجح أن تصبح أكثر ربحية وفائدة بفضل الذكاء الاصطناعي، لا يزال إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي عبر المحللات الكهربائية، سواء من الماء أو من الكتلة الحيوية، بحاجة إلى تحقيقه على نطاق واسع وبسعر منخفض جدًا لكل كيلوغرام. فقط عندها سيتنافس بفعالية مع الوقود الأحفوري.
هناك حاجة إلى مزيد من نشر هذه التقنية، وليس مجرد تحسين المفاهيم الواعدة في المختبرات.
ستحتاج المتانة، والانتقائية، وكثافة التيار، والاقتصاديات على مستوى التجريب إلى تحسين جميعها لتحويل الطريقة الواعدة على مستوى المختبر إلى شيء يمكن نشره على نطاق التيرواط المطلوب لبدء إزاحة الفحم والغاز والنفط بشكل كبير عن أنظمة الطاقة العالمية.
ومع ذلك، من المرجح أن يأتي ذلك قريبًا، خاصةً أن تحسين اقتصاديات المحللات الكهربائية والوقود الأخضر قد يكون أسهل إلى حد ما من إدارة كهربة معظم التقنيات والبنى التحتية التي بنتها الحضارة الحديثة خلال المئة عام الماضية.
بالنسبة للمستثمرين، لا تزال العديد من المسارات الكهروكيميائية التي نوقشت أعلاه في مرحلة مبكرة جدًا لتوفير تعرض مباشر في السوق العامة. نهج أكثر عملية هو النظر إلى الشركات التي تقوم بالفعل بتسويق البنية التحتية الأساسية اللازمة لإنتاج واستخدام الهيدروجين على نطاق واسع. أحد الخيارات المتداولة العامة الأكثر رسوخًا هو Bloom Energy، التي توفر تقنيتي محلل الأكسيد الصلب وخلايا الوقود تعرضًا لتوسيع أنظمة الطاقة الكهروكيميائية.
الاستثمار في الوقود المتجدد
Bloom Energy
BE مخطط السعر
Bloom Energy هي رائدة عالمية في تقنية المحللات الكهربائية وخلايا الوقود.
حاليًا، السوق الرئيسي للشركة يكمن في خلايا الوقود التي تحول الوقود إلى كهرباء عالية الكفاءة دون احتراق، وتنتج هواءً عالي الحرارة وتدفقًا عالي التركيز من ثاني أكسيد الكربون. التصميم معياري بطبيعته، حيث يتطلب الحصول على طاقة أكبر إضافة المزيد من الخلايا، حتى مستوى الميجاواط.
المصدر: Bloom Energy
منذ عام 2024 وحتى الآن، أعادت Bloom Energy تركيزها من سوقها الأولية التي تشمل المستشفيات والمواقع النائية وتوليد الطاقة الاحتياطية إلى مراكز البيانات، مما أدى إلى طفرة هائلة في كل من المبيعات وسعر سهمها.
يساعد ذلك أيضًا تحول مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي إلى بنية DC كاملة (بدلاً من المزيج الحالي AC/DC)، مما يوفر مساحة ومعدات لبنية تحتية لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.
بدأت Bloom شراكة لدمج تقنية خلايا الوقود مع تقنية التقاط الكربون، بحيث تكون الطاقة المنتجة محايدة كربونيًا أساسًا حتى عندما تُشغل بالغاز الطبيعي. ومنذ عام 2022، بدأت الشركة في إنتاج محللات هيدروجين صلبة الأكسيد ذات كفاءة عالية.
يمنح هذا Bloom خبرة ذات صلة في توسيع نطاق الأنظمة الكهروكيميائية، على الرغم من أن مسارات التحليل الكهربائي للكتلة الحيوية وتحويل ثاني أكسيد الكربون التي نوقشت في الدراسة لا تزال خارج عرضها التجاري الأساسي اليوم.
مع ذلك، ينبغي على المستثمرين أن يركزوا استثماراتهم في نجاح Bloom Energy المستقبلي في سوق مراكز البيانات، حيث سيحدد ذلك نجاحها الفوري أكثر من التوسع المحتمل في أسواق الهيدروجين والوقود الأخضر.
(يمكنك قراءة المزيد عن Bloom Energy في تقرير الاستثمار المخصص للشركة)
أحدث أخبار وتطورات سهم Bloom Energy (BE)
الدراسة المشار إليها
1. Ignacio Aguilar at al. Electrochemical energy technologies: Current progress and future opportunities for sustainable energy transitions. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 242, ديسمبر 2026, 117313. https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.117313
