تخزين الهيدروجين – هل وقود الطائرات النفاثة المستند إلى اللجنين هو الجواب؟

جعل الهيدروجين يعمل

قد لا تكون الكهرباء المعتمدة على البطاريات كافية لاستبدال الوقود الأحفوري في وسائل النقل، ولا سيما الشحن البحري والسفر الجوي. وينطبق الأمر نفسه على العمليات الصناعية التي تتطلب درجات حرارة شديدة الارتفاع. فرغم التحسينات الحديثة في تقنيات البطاريات، يصعب تخزين الكهرباء من دون بطاريات ثقيلة أو كبيرة جداً.

بديل تم النظر إليه منذ وقت طويل هو الهيدروجين. بما أن الهيدروجين الأخضر يمكن إنتاجه من الطاقة المتجددة، فهو طريقة جيدة لتحويل الطاقة الخضراء إلى وقود سائل كثيف.

مع ذلك، تأخر الهيدروجين الأخضر عن حلول خضراء أخرى لسببين: إنتاج الهيدروجين مكلف، وتخزينه صعب.

يتم معالجة مسألة الإنتاج من عدة زوايا بعيدًا عن التحليل الكهربائي المائي التقليدي، مثل، على سبيل المثال، التركيب الضوئي الاصطناعي, الميكروويف وأكسيد السيريوم, أو التحليل الكهربائي القائم على النيكل, باستخدام خردة المعادن.

التخزين مسألة أكثر تعقيدًا، حيث إن الهيدروجين متقلب جدًا، قابل للاشتعال، وصعب الاحتواء لأنه أصغر ذرة ممكنة. لهذا السبب من المهم أن العلماء قد حققوا اختراقًا في هذا المجال.

نشر الباحثون العاملون في جامعة ولاية واشنطن ومختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني وجامعة نيو هيفن ووزارة الموارد الطبيعية الكندية نتائجهم في International Journal of Hydrogen Energy تحت عنوان «إزالة الهيدروجين داخل الموقع من وقود الطائرات النفاثة المستند إلى اللجنين: حامل هيدروجين عضوي سائل جديد ومستدام»¹.

تخزين ونقل الهيدروجين

يُعد غاز الهيدروجين من أصغر جزيئات الكون، إذ يتكون من ذرتين فقط من أخف عناصر الجدول الدوري. ونتيجة لذلك، يمتلك عدداً من الخصائص غير المرغوبة في ناقل للطاقة:

• كثافة منخفضة.
• متقلب وقابل للاشتعال.
• صعب الاحتواء، حيث يتسرب بين الروابط الجزيئية لوعائه.

تجعل هذه الخصائص تخزين الهيدروجين ونقله مكلفين ومعقدين من الناحية التقنية.

الميول إلى التفاعل مع الصلب وجعله هشًا لا يساعد أيضًا، لأنه يستلزم وجود أنابيب هيدروجين متخصصة للنقل لمسافات طويلة، بدلاً من شبكة الأنابيب الأرخص المستخدمة للغاز الطبيعي.

تتمثل إحدى الأفكار لتجنب هذه المشكلات في تحويل الهيدروجين إلى أمونيا، وهي وقود سائل أسهل كثيراً في التعامل. ومع ذلك، يقلل ذلك من الكفاءة العامة للعملية، كما أن اقتصاد الأمونيا سيتطلب إنشاء بنية تحتية خاصة به من الصفر.

وقود مستند إلى اللجنين

اقترح الباحثون بديلاً جديداً يتمثل في استخدام وقود تجريبي قائم على اللجنين، وهو بوليمر عضوي موجود في النباتات. وطُوّر الوقود في مختبر الأستاذ Bin Yang، ثم حُلّل بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني.

المصدر: Washington State University

تم تطوير هذا مسبقًا وثبت أن نفايات النباتات من الزراعة يمكن تحويلها إلى وقود طيران مستدام. كما أن مزيج الوقود هذا كان أكثر كثافة طاقة من المنتجات القائمة على الوقود الأحفوري، وكان يقلل التلوث أيضًا عن طريق استبدال جزيئات العطرية (دورات الكربون) التي تُضاف عادةً إلى وقود الطيران.

المصدر: International Journal of Hydrogen Energy

وقود اللجنين الحامل للهيدروجين

أثبت البحث الجديد أن وقود الطيران المستدام القائم على اللجنين يمكن استخدامه ناقلاً للهيدروجين من دون التحولات الكيميائية المهدرة للطاقة اللازمة لإنتاج الأمونيا.

يعمل ذلك من خلال جعل وقود الطائرات النفاثة المستند إلى اللجنين (LJF) يطلق ذرات الهيدروجين المحتواة فيه (أحادي، ثنائي، وثلاثي سيكلوهيكسيل ألكانات) عند تعرضه لجسيمات نانوية من البلاتين على ألومينوسليكات بلوري.

سمى الباحثون هذه العملية بـ«حامل هيدروجين عضوي سائل قائم على وقود الطائرات النفاثة المستند إلى اللجنين (LJF-HyC)».

قدّر تحليل الرنين المغناطيسي النووي (NMR) أن الجزء الحامل للهيدروجين في وقود الطائرات القائم على اللجنين يمثل 18.5% من إجمالي الوقود.

«يمكن لهذه التقنية الجديدة القائمة على وقود الطائرات النفاثة المستند إلى اللجنين أن تمكّن من تخزين هيدروجين فعال وعالي الكثافة في وقود طيران مستدام سهل التعامل، مما يلغي الحاجة إلى خزانات مضغوطة للتخزين والنقل.»

Pr. Bin Yang – أستاذ في جامعة ولاية واشنطن

استخدام البنية التحتية الحالية

ما يجعل هذه العملية مثيرة للاهتمام هو وجود بنية تحتية ضخمة بالفعل لنقل وقود الطائرات وغيره من أنواع الوقود السائل المشابهة. لذا، بدلاً من محاولة تخزين الهيدروجين النقي ونقله، يمكن استخدام وقود الطائرات القائم على اللجنين (LJF) لنقل الهيدروجين من نقطة إلى أخرى.

ويمكن استخدامه بسهولة لتخزين الهيدروجين أيضاً، لأن تخزين وقود الطائرات شائع الاستخدام واقتصادي.

«توفر هذه الابتكار فرصًا واعدة للتوافق مع البنية التحتية الحالية والجدوى الاقتصادية للإنتاج القابل للتوسع.

يمكن أن يساعد في إنشاء نظام تآزري يعزز الكفاءة والسلامة والفوائد البيئية لكل من وقود الطيران المستدام وتقنيات الهيدروجين.

Pr. Bin Yang – أستاذ في جامعة ولاية واشنطن

الخطوة التالية للباحثين هي هدف تصميم محفز مدفوع بالذكاء الاصطناعي يعزز ويكمل تفاعلات الهدرجة، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.

شركة الهيدروجين

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

المصدر: Plug Power

تسعى الشركة إلى التوسع لتقليل تكاليف الإنتاج من 10 دولارات/كغ إلى 4 دولارات/كغ، مع مضاعفة الإنتاج 14 مرة بحلول عام 2027.

المصدر: Plug Power

بسبب الاستثمارات الضخمة لزيادة طاقة الإنتاج 19 مرة منذ عام 2020، لا تزال الشركة غير مربحة حتى الآن. أدى ذلك إلى تقريبًا مضاعفة الإيرادات من بداية إلى نهاية عام 2023. من المتوقع أن يأتي معظم الأعمال الحالية والمتوقعة من أمريكا الشمالية.

تعتبر الشركة حلولها إما وقود تنقل مباشر أو مكمل للمركبات الكهربائية، حيث يسمح الهيدروجين بتقليل الضغط على شبكة الشحن القصوى للمركبات الكهربائية التي لا تتطابق مع أوقات إنتاج الطاقة المتجددة خلال اليوم.

المصدر: Plug Power

كمنتج رئيسي لخلايا الوقود، ستستفيد Plug Power بشكل كبير من التحول نحو اقتصاد قائم على الهيدروجين. ظهور حامل هيدروجين رخيص وآمن سيحسن بشكل جذري اقتصاديات استخدام الهيدروجين كمصدر للوقود.

لذلك يجعل هذا Plug Power سهمًا جيدًا للمراهنة على التحول نحو الهيدروجين بشكل عام، مع نمو الطلب على خلايا الوقود الخاصة بها في كل مرة يتم فيها اختراع طريقة أرخص لإنتاج أو تخزين أو نقل الهيدروجين.

مرجع الدراسة:

^{1. Andrew S. Lipton وآخرون (2025) إزالة الهيدروجين داخل الموقع من وقود الطائرات النفاثة المستند إلى اللجنين: حامل هيدروجين عضوي سائل جديد ومستدام. International Journal of Hydrogen Energy المجلد 98, 13 يناير 2025, الصفحات 1275-1282}