الهيدروجين أصبح أكثر جاذبية كمصدر للطاقة بفضل اختراق في الاحتواء

الهيدروجين، أخف عنصر في الكون، يُرمز له بالرمز H. له عدد ذري 1 وهو العنصر الأكثر شيوعًا. إنه أبسط عنصر كيميائي، يحتوي على بروتون واحد وإلكترون واحد فقط، وهو عديم اللون، لا طعم له، ولا رائحة. 

من المثير للاهتمام، يساهم الهيدروجين بنحو 75٪ من كتلة الكون. ومع ذلك، يشكل فقط حوالي 0.14٪ من قشرة الأرض من حيث الوزن. يتواجد طبيعيًا في شكل مركب مع عناصر أخرى في الصلب والسائل والغاز. وعند دمجه مع الأكسجين، ينتج هذا المادة القابلة للاشتعال ماء (H2O)، وعند دمجه مع الكربون، يتشكل الهيدروكربون الموجود في البترول والفحم. وبالتالي، يمكن إنتاج الهيدروجين من عدد من الموارد، بما في ذلك الطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح، والطاقة النووية، والغاز الطبيعي. 

ومن الجدير بالذكر، تم إجراء اكتشافات متعددة لجيوب طبيعية من غاز الهيدروجين في دول مثل أستراليا، نيوزيلندا، كندا، فرنسا، ألمانيا، اليابان، وروسيا. حاليًا، يستكشف العلماء مدى هذه الاحتياطيات في هذه الدول، بالإضافة إلى أصولها والآثار المحتملة على البيئة المحيطة إذا تم استخراجها.

الهيدروجين كمصدر للطاقة

أكثر الطرق شيوعًا لإنتاج وقود الهيدروجين تشمل الطرق الحرارية، التحليل الكهربائي، التحليل الكهربائي المدفوع بالفوتوفولتية، الطرق المدفوعة بالطاقة الشمسية، والعمليات الحيوية. 

الحرارية

في العملية الحرارية، يتفاعل البخار مع وقود هيدروكربوني مثل الديزل، الغاز الطبيعي، الفحم الغازي، أو الكتلة الحيوية الغازية لإنتاج الهيدروجين. ومن الجدير بالذكر أن الغالبية (حوالي 95٪) من جميع الهيدروجين تُنتج من إعادة تشكيل البخار للغاز الطبيعي. 

التحليل الكهربائي

أما التحليل الكهربائي، فيتضمن فصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. تتم هذه العملية في جهاز التحليل الكهربائي وتنتج الهيدروجين من جزيئات الماء.

البيولوجية

تستفيد العمليات البيولوجية من الميكروبات التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، مثل البكتيريا، لإنتاج الهيدروجين. 

الشمسية

العملية المدفوعة بالطاقة الشمسية، كما يشير الاسم، تستخدم الضوء لإنتاج الهيدروجين بطرق مختلفة مثل الفوتوإلكتروكيميائية (تستخدم أشباه موصلات متخصصة لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين)، الفوتوبيولوجية (تستفيد من النشاط الضوئي الطبيعي للبكتيريا والطحالب الخضراء)، والحرارية الشمسية (تستخدم الطاقة الشمسية المركزة لتشغيل تفاعلات انقسام الماء).

بالإضافة إلى جميع خصائصه، يُعد الهيدروجين أيضًا وقودًا نظيفًا، مما يعني أنه ينتج فقط ماءً وحرارة وكهرباء عند استهلاكه في خلية الوقود. وهذا يجعله خيارًا جذابًا لتوليد الكهرباء والنقل، بما في ذلك السيارات والصواريخ. المادة ذات الكثافة الطاقية العالية والقابلة للتخزين والتي لا تنتج غازات الدفيئة كانت تُستخدم فعليًا لتشغيل محركات الاحتراق الداخلي قبل أكثر من قرنين. 

تُظهر هذه النقاط أن الهيدروجين يُعد أحد الخيارات الرائدة لتخزين الطاقة المتجددة ويُستخدم أيضًا في العديد من الصناعات. ومع ذلك، لا يزال إمكاناته الحقيقية غير مُستغل بالكامل. لتحقيق ذلك، يجب إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع وبشكل اقتصادي. كما أن البنية التحتية الحالية تحتاج إلى التكيف مع الهيدروجين، رغم أنه يمكن نقله عبر خطوط أنابيب الغاز.

على الرغم من أننا لم نستغل بالكامل إمكانات استخدام الهيدروجين كوقود، فإن الإنفاق العالمي على البحث والتطوير لاستكشاف الإمكانات الكاملة للهيدروجين كمصدر للطاقة قد ارتفع على مر السنين. في الواقع، أظهرت دراسة حديثة اختراقًا كبيرًا في هذا الصدد، مما يتيح تخزينًا عالي الكثافة للهيدروجين للأنظمة الطاقية المستقبلية.

إطار لتخزين الهيدروجين المعبأ بكثافة

نُشرت الدراسة في مجلة Nature Chemistry الشهر الماضي، الدراسة بعنوان “أطر هيدريدية ذات مسام صغيرة تخزن هيدروجينًا معبأً بكثافة”، وقد تم تمويلها جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للبحث في كوريا (NRF) والمؤسسة الألمانية للبحث (DFG).

في حين حظيت المواد النانوية المسامية باهتمام كبير لتخزين الغازات، أشارت الدراسة إلى أن تحقيق سعة تخزين حجمية عالية لا يزال تحديًا. لذا، اجتمع عدة باحثين من جامعات مختلفة لمعالجة هذه المشكلة.

قامت مايكل هيرشر، من المعهد المتقدم للمواد في اليابان (WPI-AIMR) بجامعة توهوكو ومعهد ماكس بلانك للأنظمة الذكية في ألمانيا، بوضع الأفكار الأصلية والإشراف على المشروع. وفي الوقت نفسه، قاد هيونتشول أوه من معهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST) هذا المشروع.

ومن المثير للاهتمام، في عام 2022، أظهر فريق من العلماء من معهد ماكس بلانك للأنظمة الذكية، ومختبر أوك ريدج الوطني للطاقة (ORNL) التابع لوزارة الطاقة، والجامعة التقنية في دريسدن، وجامعة فريدريش-ألكسندر إرلنجن-نورنبرغ أن الهيدروجين يتكثف على سطح عند درجة حرارة منخفضة جدًا بالقرب من نقطة غليان H2. تُشكل هذه العملية طبقة أحادية كثيفة للغاية، تتجاوز كثافة الهيدروجين السائل بمقدار 3 أضعاف، مما يقلل الحجم إلى 5 لترات فقط لكل كيلوغرام من H2.

الآن، درست الدراسة الأخيرة إطار بوروهيدريد المغنيسيوم باستخدام حيود مسحوق النيوترونات، وتشتت النيوترونات غير المرن، وامتصاص الغاز الحجمي، وحسابات أولية. يحتوي الإطار على مسام صغيرة وداخلية غير مسطحة مشحونة جزئيًا سالبًا لامتصاص الهيدروجين (H) والنيتروجين (N).

يشغل كل من النيتروجين والهيدروجين مواقع امتصاص مختلفة بوضوح داخل المسام. كما أن لهما سعات حدية مختلفة جدًا: 0.66 N2 و2.33 H2 لكل Mg(BH4)2. يُعرف Mg(BH4)2، الذي اكتُشف لأول مرة في عام 1950، بأنه مادة تخزين هيدروجين ذات سعة عالية توجد بأشكال بلورية متعددة تشمل هياكل شبيهة بـ MOF مسامية نانوية وكذلك أشكال كثيفة جدًا ذات كثافة حجمية هيدروجين قصوى وسعة جرامية عالية.

لذا، عندما يتعلق الأمر بالهيدروجين الجزيئي، فإنه يُعبأ بكثافة شديدة، حيث تبلغ كثافته حوالي ضعف كثافة الهيدروجين السائل. 

بعد ذلك، استخدم الفريق حيود مسحوق النيوترونات (NPD) لتحديد موضع ذرات الهيدروجين في البنية إلى جانب مواقع امتصاص الجزيئات.

أشارت الدراسة إلى أن مجموعة خماسي-ثنائي الهيدروجين (يتكون الثنائي الهيدروجين من ذرتين هيدروجين مرتبطتين برابطة واحدة) وُجدت حيث تمتلك جزيئات H2 في موقع واحد حرية دوران. في المقابل، تمتلك جزيئات H2 في موقع آخر توجيهًا محددًا وتفاعلًا اتجاهيًا مع الإطار. يكشف هذا أن الهيدروجين المعبأ بكثافة يمكن تثبيته فعليًا في مواد ذات مسام صغيرة تحت ضغوط جوية عادية.

مع هذا الاكتشاف، نجح الفريق في معالجة تحدي سعة التخزين المحدودة للهيدروجين باستخدام تقنية امتصاص عالية الكثافة متقدمة.

تم الإبلاغ عن هذا التطور الرائد من قبل الأستاذ أوه في قسم الكيمياء بجامعة UNIST. يمثل هذا البحث المبتكر خطوة مهمة في أنظمة الطاقة المستقبلية. 

تمكين تخزين الهيدروجين على نطاق واسع

عندما يتعلق الأمر باستخدام الهيدروجين في النقل، الطاقة الثابتة، والطاقة المحمولة، يلعب التخزين دورًا أساسيًا. بينما يمتلك العنصر أعلى طاقة لكل وحدة كتلة، فإن كثافته المنخفضة في درجة الحرارة المحيطة تؤدي إلى طاقة أقل لكل وحدة حجم. لذلك، تُحتاج طرق تخزين متقدمة لتحقيق كثافة طاقة أعلى.

حاليًا، تركز تقنية التخزين أساسًا على تخزين الهيدروجين الجزيئي إما في شكل سائل أو غاز. ولكن، بالطبع، هناك حدود لهذه التقنية الحالية من حيث كثافة التخزين الحجمية والجرامية (كمية الطاقة التي يمكن تخزينها لكل غرام أو كيلوغرام).

يتطلب تخزين الهيدروجين كغاز خزانات ضغط عالي، بينما يتطلب تخزينه كسائل درجات حرارة منخفضة (تحتية). يمكن أيضًا تخزينه على السطح أو داخل صلب عبر الامتصاص.

كجزيء، يمكن امتصاص الهيدروجين فيزيائيًا في مادة تحتوي على مسام (فراغات) عبر تفاعلات فان دير فالس الضعيفة (التي هي ضعيفة نسبيًا وغير أيونية) من خلال الامتصاص الفيزيائي. يشير ذلك إلى عملية يلصق فيها جزيئات الغاز بسطح صلب. ومع ذلك، بينما توفر المواد عالية المسامية امتصاصًا جراميًا عاليًا للهيدروجين، لا تزال هناك حاجة لتحسين سعة التخزين الحجمية.

هنا يأتي دور بوروهيدريد المغنيسيوم المكعب النانومسام، γ-Mg(BH4)2، حيث يقدم نتائج ممتازة. يمتلك كثافة ρ = 0.550 غ/سم³ وحجم مسام حر بنسبة 33٪. يسمح قطر المسام تقريبًا 9 أنغستروم لهذا المركب بامتصاص جزيئات صغيرة مثل الهيدروجين أو النيتروجين. من خلال السطح الداخلي المشحون جزئيًا سالبًا لهذا الهيدريد المسامي تُعرض ذرات الهيدريد للمسام.

تم تحقيق ذلك بفضل برنامج البحث المتوسط المستوى من قبل NFR ووزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (MSIT)، حيث قامت الدراسة بتصنيع هذا الهيدريد المعقد النانومسام الذي يتألف من أيون مغنيسيوم (Mg+) وهيدريد المغنيسيوم، وهيدريد البورون الصلب (BH4)2.

يُمكّن المادة الناتجة من تخزين خمس جزيئات هيدروجين في ترتيب ثلاثي الأبعاد، محققًا تخزينًا عالي الكثافة للهيدروجين بشكل ملحوظ. كما تُظهر سعة تخزين هيدروجين تبلغ 144 غ/لتر لكل حجم مسام، متفوقة بشكل كبير على الطرق التقليدية. ومن المثير للإعجاب أن كثافة جزيئات الهيدروجين داخل المادة تتجاوز حتى كثافة الحالة الصلبة.

وصف المادة بأنها “تحول جذري” في عالم تخزين الهيدروجين، صرح الأستاذ أوه بأنها تقدم “بديلًا مقنعًا للنهج التقليدية”. 

هذا التطور يحسن بشكل كبير من الإنتاجية والكفاءة الاقتصادية لاستخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة. كما يواجه تحديات تخزين الهيدروجين على نطاق واسع للاستخدام الواسع في تطبيقات النقل العامة والشخصية.

الشركات التي ستستفيد من هذا التطور 

إذا تحدثنا عن الصناعات التي يمكن أن تستفيد من مثل هذا البحث، الذي يُحوِّل تخزين الهيدروجين، فإن مجموعة واسعة من القطاعات تتبادر إلى الذهن، بما في ذلك الكيمياء، الطاقة، السيارات، الهندسة، والبناء. لذا، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي يمكن أن تستفيد من ذلك: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

الشركة اليابانية لصناعة السيارات وعدت بتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتدعي أنها واحدة من أولى الشركات التي تركز على إمكانات طاقة الهيدروجين. 

لتحقيق هذه الأهداف، تقوم شركة هوندا موتور بالبحث في تقنيات خلايا الوقود منذ الثمانينات لتطبيقات متعددة. 

في وقت سابق من هذا العام، أعلنت الشركة أنها بدأت إنتاج حلول طاقة خلايا الوقود الهيدروجينية بالتعاون مع جنرال موتورز (GM) لتطبيقات منتجات مختلفة وما يطلقون عليه “بداية عصر الهيدروجين”.

بقيمة سوقية تبلغ 64.85 مليار دولار، تُتداول أسهم الشركة عند 36.93 دولار، بارتفاع 19.22٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت هوندا موتور إيرادات (TTM) قدرها 128.49 مليار دولار، وحققت ربحية السهم (EPS) (TTM) 7.73، ومعدل السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 4.77. كما تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 2.77٪.

#2. Dow Chemical Company

تشارك شركة داو كيميكال في قطاعات متعددة، بما في ذلك الهيدروكربونات والطاقة. مؤخرًا، دخلت في شراكة مع ليندي (NYSE: LIN) لتوريد الهيدروجين النظيف والنيتروجين لموقعها المتكامل لتكسير الإيثيلين ومشتقاته بصافي انبعاثات كربونية صفرية في كندا. تم إتمام الصفقة في أواخر العام الماضي لمشروع بقيمة 6.5 مليار دولار. كجزء من الصفقة، ستستخدم تقنية فصل الهواء ومُعيد التشكيل الأوتو-حراري من ليندي لتحويل غاز المخرجات من المفاعل إلى هيدروجين.

بقيمة سوقية تزيد عن 39.9 مليار دولار، تُتداول أسهم داو كيميكال عند 56.76 دولار، بارتفاع 3.5٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت داو كيميكال إيرادات (TTM) قدرها 44.62 مليار دولار، وربحية السهم (EPS) (TTM) 0.81، ومعدل السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 69.67. كما تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 4.93٪.

#3. McPhy Energy SA

الشركة الفرنسية تطور حلول إنتاج وتخزين الهيدروجين. في العام الماضي، وسعت شركة McPhy اتفاقها التجاري مع Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS)، حيث ستوفر الأخيرة عمليات ومعدات متعلقة بالهيدروجين لضغط الهيدروجين وتسييله.

مؤخرًا، فازت الشركة الرائدة في تكنولوجيا وتصنيع أجهزة التحليل الكهربائي بعقد من شركة AAK AB السويدية لتوريد جهاز التحليل الكهربائي 800-30 بسعة 4 ميغاواط وقطع غيار ذات صلة، مما سيمكن الشركة السويدية من استخدام هيدروجين منخفض الكربون كغاز عملية.

بقيمة سوقية تبلغ 47.18 مليار، تُتداول أسهم الشركة (MCPHY-FR: Euronext Paris) عند 1.69 يورو، بانخفاض 49.97٪ منذ بداية العام (YTD). لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) -0.69 ومعدل السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) -1. في الشهر الماضي، أبلغت McPhy عن نتائج السنة المالية 2023، حيث شهدت نموًا في الإيرادات السنوية بنسبة +17٪ لتصل إلى 18.8 مليون يورو ونموًا أعلى بنسبة +25٪ لأعمال التحليل الكهربائي. كما أبلغت عن موقف نقدي حوالي 62 مليون يورو في نهاية ديسمبر.

الخلاصة 

سوق تخزين طاقة الهيدروجين مستعد للنمو السريع، من المتوقع أن يتجاوز تقييمه 17.6 مليار دولار خلال السنوات الثماني القادمة مع استثمارات حكومات ضخمة في البنية التحتية القائمة على الهيدروجين، وفقًا لتقارير Global Market Insights. ومن الجدير بالذكر أن قطاع النقل من المتوقع أن يقود نموًا كبيرًا، مع معدل نمو سنوي مركب متوقع 10٪، مدفوعًا بدور الهيدروجين في تقليل الانبعاثات الكربونية بشكل كبير داخل الصناعة. 

نظرًا لإمكانات الهيدروجين كمصدر طاقة أنظف وأكثر كفاءة، سيستمر اعتماده ليس فقط في النقل ولكن أيضًا في صناعات أخرى. مع استمرار البحث والاكتشافات الجديدة، سنتمكن أخيرًا من رؤية تبني أوسع بكثير، مما سيساعدنا على تحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل خمس أسهم الأمونيا الخضراء (الهيدروجين الآخر).