توربين هيدروجين بدون ضاغط يتجاوز رقمًا قياسيًا لـ NASA

عندما يتعلق الأمر بإنتاج الطاقة، لدينا اليوم رؤية للمستقبل مع الألواح الشمسية على الأرض، أو ربما حتى في المدار، التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء، مع وجود حديقة بطاريات لتخزين الطاقة في المساء.

لكن في الواقع، لا يزال معظم الكهرباء يُنتج بواسطة توربينات ضخمة دوارة، تُشغل بحرق الوقود الأحفوري (الغاز، الفحم) أو بواسطة البخار الناتج عن حرارة التفاعلات النووية، أو تدفق المياه في محطات الطاقة الكهرومائية. وعلى الرغم من أنه قد يصبح قديمًا يومًا ما، فإن هذا النوع من المنشآت لا يزال جوهر أنظمتنا الطاقية.

أحد الأسباب هو أن هذه التوربينات، إلى جانب كونها تقنية مفهومة جيدًا، لديها ميزة تثبيت تردد شبكة الطاقة. ذلك لأن التوربينات الدوارة تنتج التيار المتناوب بطبيعتها، المستخدم في النقل لمسافات طويلة، وتوفر كتلة التوربين العطالة لتردد الشبكة. بالمقابل، الألواح الشمسية تنتج طاقة مستمرة (DC) ولا تملك القدرة على تثبيت شبكة الطاقة.

هذا الموضوع يزداد أهمية، كما يتضح من تراجع استقرار تردد شبكة الكهرباء، مع استبدال المولدات الدوارة الكبيرة القديمة بالألواح الشمسية، ومشكلة كانت في صميم الانهيار الضخم لشبكة الطاقة الإيبيرية في 2025 (إسبانيا + البرتغال).

مع ذلك، لا يزال النووي مثار جدل وبطيء التنفيذ، بينما مواقع محطات الطاقة الكهرومائية مستنفذة في كثير من البلدان. لذا إذا أردنا توربينات موثوقة يمكن تشغيلها في أي وقت وتساعد شبكة الطاقة، كنا نظن أننا مضطرون لاستخدام الغاز الطبيعي لعدة عقود.

قد لا يكون ذلك صحيحًا لفترة أطول، حيث سجل باحثون في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) الألماني زمن تشغيل قياسي لتوربين جديد بدون ضاغط يعمل بالهيدروجين. وبما أن الهيدروجين الأخضر يمكن إنتاجه من الطاقة المتجددة، فإن ذلك يفتح الطريق لشبكة طاقة تعمل بالهيدروجين الأخضر، خاصة في الفترات التي لا تشرق فيها الشمس ولا تهب الرياح بما يكفي لتزويد الشبكة.

قدموا نتائجهم في معرض هانوفر ميسي 2026.

كيفية استخدام الهيدروجين

عندما يتعلق الأمر بجعل الهيدروجين جزءًا مركزيًا من أنظمتنا الطاقية، يواجه الباحثون مشكلتين مختلفتين لحلهما.

الأولى هي إنتاج هيدروجين أخضر رخيصًا بما يكفي ليكون منافسًا للوقود الأحفوري والبدائل المتجددة الأخرى + البطاريات. هذا مجال يشهد تقدمًا سريعًا، حيث يمكن استخدام محفزات أرخص مثل كربيد السيليكون، الكوبالت، النيكل، أو سبيكة من الروثينيوم، السيليكون، والتنغستن، أو حتى إنتاج هيدروجين أخضر ومياه صالحة للشرب معًا.

السؤال الآخر هو كيفية تحويل الهيدروجين المنتج مرة أخرى إلى طاقة. إحدى الطرق هي خلايا الوقود، التي تحول الهيدروجين إلى كهرباء مباشرة عبر تفاعل كيميائي كهربائي، مثل تلك التي تنتجها شركة Plug Power (PLUG ). هذه فكرة واعدة، لكنها غالبًا ما تتطلب محفزات مكلفة وتصميم خلايا معقد.

خيار آخر، وأبسط إلى حد ما، هو حرق الهيدروجين كما نحرق الغاز الطبيعي. يمكن تنفيذ ذلك للمركبات في محرك احتراق داخلي مشابه لمحرك الغاز، وهو موضوع يمكنك استكشافه أكثر في مقالتنا “خمسة محركات احتراق هيدروجين ستكسر القالب“.

الآن، بالنسبة للاحتراق الأكبر وإنتاج الكهرباء على نطاق واسع، تصبح توربينات الهيدروجين أيضًا تقنية أكثر نضجًا وخيارًا ثالثًا لاستخدام الهيدروجين.

الجيل التالي من التوربينات

عدم كفاءة التوربينات التقليدية

التقنية التي استخدمها الباحثون في هذه الدراسة قد تكون مفيدة بشكل خاص لتوربينات الهيدروجين، لكنها لا تقتصر على هذا الوقود فقط.

المفهوم الأساسي هو أن التوربينات الغازية التقليدية تحتاج إلى حوالي نصف طاقتها لضغط الهواء لتعمل. هذا يعني أنها تصل فقط إلى كفاءة حرارية تتراوح بين 35% إلى 40%، و55%–64% إذا تم استخدام حرارة العادم لتشغيل توربين بخاري ثانوي.

“تستهلك توربينات الغاز التقليدية، مثل تلك المستخدمة في محطات الطاقة أو تحت أجنحة الطائرات، حوالي 50 بالمئة من طاقتها لضغط الهواء إلى الضغط العالي المطلوب للاحتراق الفعال — طاقة لا تكون متاحة بعد ذلك لتوليد الكهرباء”،

الأستاذ دانيال بانوتي، مدير معهد تكنولوجيا الطاقة الحرارية والسلامة (ITES).

السبب في ضرورة الضغط هو أنه يُستخدم لخلق الضغط العالي اللازم لإشعال الوقود.

الانفجارات لتحل محل الضغط

في هذا التصميم، استبدل الباحثون الضغط بأمواج الانفجار داخل غرفة الاحتراق.

تنشأ هذه الأمواج من عدم استقرار ميكانيكي سائل يخلق نمطًا من الأمواج والدوامات في تدفق الغاز. بهذه الطريقة، يتم تجاوز الحاجة إلى الضواغط الميكانيكية المستهلكة للطاقة تمامًا. هذا يوفر الطاقة، يقلل عدد الأجزاء المتحركة، ويزيد الكفاءة.

ميزة أخرى هي أن هذه الطريقة تقلل عدد الأجزاء المتحركة، مما يساهم دائمًا في تبسيط التصميم وعمليات الصيانة.

يمكن تشغيل هذا التصميم بوقود غير الهيدروجين، لكن الهيدروجين مناسب بشكل خاص لتوربينات الانفجار؛ فهو يتفاعل بسرعة كبيرة ويمكنه إنتاج زيادات مستقرة في الضغط.

تعقيد توربينات الانفجار

الصعوبة في توربينات الانفجار تكمن في الاسم: بدلاً من عملية احتراق عادية، الغاز المُحقن في التوربين ينفجر فعليًا. لذا قد يكون من الصعب الحفاظ على تشغيل التوربين دون إتلافه.

في هذه التجربة، تمكن الباحثون من إبقائه يعمل دون إحداث ضرر لمدة قياسية بلغت 303 ثوانٍ. رغم أن هذا قد يبدو قصيرًا، فإن 5 دقائق كاملة من التشغيل أطول بكثير من الاختبارات السابقة التي استمرت فقط أجزاء من الثانية. كما أنه أطول من الرقم القياسي السابق لـ NASA البالغ 250 ثانية، والذي لم يستخدم الهيدروجين.

تحدٍ آخر هو تحويل الاحتراق/الانفجارات إلى كهرباء، حيث تجعل التفاعلات السريعة والقوية داخل الغرفة من الصعب نقل الطاقة إلى التوربين بطريقة مستقرة. وبدون نقل مستقر، لا يمكن تحقيق دوران ثابت مطلوب لتوليد الطاقة.

“هذا صعب للغاية لأن عمليات الاحتراق السريعة والشديدة داخل الغرفة تجعل نقل الطاقة إلى التوربين مستقرًا أمرًا صعبًا. نحن أول من نجح في تشغيل مثل هذا التوربين وتوليد الكهرباء في العملية.”

الأستاذ دانيال بانوتي، مدير معهد تكنولوجيا الطاقة الحرارية والسلامة (ITES).

التطبيقات المحتملة

الجزء الرئيسي في هذا النموذج الأولي هو أنه أظهر ثلاث مفاهيم تجريبية في آن واحد:

• تشغيل توربين انفجار بنجاح لعدة دقائق.
• استخدام الهيدروجين لتشغيله، مما يثبت أن الخصائص الكيميائية الفريدة للهيدروجين مناسبة لهذا التصميم.
• ربط الانفجارات بإنتاج الكهرباء، مما يبرهن على التطبيق العملي للنموذج.

من خلال الاستفادة من الهيدروجين، يضع هذا التصميم لتوربين الانفجار نفسه في فئة خاصة، بدلاً من مقارنته بالتوربينات الغازية الناضجة والاقتصادية. وهذا يحول نقاط الضعف المحتملة لتوربينات الانفجار، لا سيما الحاجة إلى ضغط عالي وتفاعل شديد للوقود، إلى قوة.

في الوقت نفسه، يضع هذه التقنية كفكرة مستقبلية، لأنها ليست نوعًا من التوربينات سيصبح قديمًا مع إلغاء الوقود الأحفوري.

على المدى الطويل، قد يكون لهذا تطبيقات تتجاوز توليد الكهرباء. على وجه الخصوص، قد تستخدم الطيران توربينات مشابهة، حيث تُختبر بالفعل توربينات انفجار تعمل بالوقود الأحفوري، وخاصة محركات الانفجار الدوار (RRDE)، والتي قد تصبح الجيل الثالث من دفع الطائرات بعد محركات التوربو جيت والرام جيت.

الاستثمار في توربينات الطاقة

GE Vernova

عندما يتعلق الأمر بالتوربينات المستخدمة لتوليد الطاقة، هناك شركة كانت موجودة منذ أولى نشرات هذه التقنية ولا تزال رائدة عالمية اليوم: شركة جنرال إلكتريك.

بعد تفكك المجموعة الصناعية الضخمة إلى ثلاث شركات منفصلة، الجزء الذي ورث تقنية التوربين وتوليد الطاقة يُعرف الآن باسم GE Vernova.

اليوم، لا تزال الشركة خبيرة في كل ما يدور، حيث تدير 55,000 توربين رياح من GE و7,000 توربين غاز من GE. إلى جانب العديد من محطات الطاقة الكهرومائية والنووية المجهزة أيضًا بتوربينات GE، ينتجون ما يقرب من 25% من إجمالي الكهرباء في العالم.

المصدر: GE Vernova

هذا يجعل GE مرجعًا لتوربينات الطاقة، ليس فقط للغاز، بل لأي وقود أو مصدر طاقة يجعلها تدور، بما في ذلك الغاز، البخار، والماء.

ذلك لأن خبرة GE لا تقتصر على التعامل مع الوقود أو الاحتراق فقط، بل تشمل أيضًا علم المواد لصنع التوربين بأعلى مقاومة وكفاءة ممكنة مع خفض التكلفة والوزن، بفضل براءات اختراع فريدة ونماذج افتراضية تشكل حصنًا تنافسيًا دائمًا.

وبالتالي، تُعد توربينات GE Vernova الخيار الأساسي لمعظم أكبر شركات المرافق في العالم.

المصدر: GE Vernova

لذا فإن التحول إلى الهيدروجين متوقع، والشركة تنمو بالفعل في قطاعات مثل ضواغط الهيدروجين وتصاميمها الخاصة لتوربينات الهيدروجين مع تسجيل بالفعل 10 ملايين ساعة تشغيل، مما يبرهن على مهارتها في التعامل مع هذا الغاز الخطير والصعب الاستفادة منه.

“نظرًا لأن توربينات الغاز مرنة fuel-flexible، يمكن تكوينها للعمل بالهيدروجين الأخضر أو الوقود المشابه كوحدة جديدة، أو يمكن ترقيتها حتى بعد فترة خدمة طويلة على الوقود التقليدي. خبرة GE Vernova الواسعة في الميدان تمكن مهندسينا من فهم تأثير استخدام الهيدروجين كوقود لتوربين الغاز.”

يجب على المستثمرين في GE التركيز على المدى القصير على توربينات الرياح والغاز الحالية، بالإضافة إلى توربينات الطاقة الكهرومائية والنووية، التي تشكل الجزء الأكبر من أعمال الشركة خلال العشر سنوات القادمة.

لكن إمكانية ترقية المنشآت القائمة إلى الهيدروجين على المدى الطويل تجعل الأعمال ذات مرونة جوهرية، إلى جانب تقنيات أخرى تستثمر فيها GE Vernova كثيرًا في البحث والتطوير، مثل التقاط الكربون، المفاعلات الصغيرة (SMRs)، التيار المباشر عالي الجهد (HVDC)، تخزين الطاقة، الأفران الكهربائية، مضخات الحرارة الصناعية، وغيرها.

آخر أخبار وتطورات أسهم GE Vernova (GEV)