التحليل الكهربائي واسع النطاق ودوره في إزالة الكربون على مستوى العالم

تعد إزالة الكربون من الاقتصاد العالمي واحدة من أهم المهام في القرن الحادي والعشرين. ولكنها معقدة بشكل لا يصدق - فهي تنطوي على فسيفساء من التقنيات وأصحاب المصلحة واللوائح والاستثمارات التي تتطور باستمرار. ويتطلب الوصول إلى صافي الصفر بحلول عام 21 ما هو أكثر بكثير من التغيير على مستوى الأفراد أو الشركات. وهناك حاجة أيضًا إلى تغييرات واسعة النطاق في البنية التحتية التي تغذي كل جانب من جوانب الحياة اليومية تقريبًا. 

يعد الهيدروجين الأخضر الذي يتم إنتاجه من خلال التحليل الكهربائي على نطاق واسع باستخدام مصادر متجددة أمرًا حيويًا للغز العالمي لإزالة الكربون. إن الاهتمام المتزايد بتطوير ونشر حلول الهيدروجين الأخضر من الشركات والهيئات العامة والمستثمرين يدفع إلى ابتكارات كبيرة في قطاع التكنولوجيا النظيفة. 

ولكن ما هو التحليل الكهربائي ــ ولماذا يعتبر تطبيقه على نطاق واسع بالغ الأهمية لاقتصاد الهيدروجين الناشئ؟  

فهم التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي هو تفاعل كهروكيميائي فعال يستخدم الكهرباء لتحليل الماء (H2O) إلى عناصره الأساسية: الهيدروجين (H2) والأكسجين (O). يعتبر التحليل الكهربائي "أخضر" تمامًا - مما يعني أن العملية لا تنبعث منها غازات دفيئة (GHGs) - عندما تأتي الكهرباء المستخدمة لتقسيم المياه من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية أو الطاقة المائية أو طاقة الرياح. وفي المقابل، يُصنف الهيدروجين المنتج على أنه "أخضر" لأنه لا ينبعث منه أي غازات دفيئة عند استخدامه كوقود أو مصدر للطاقة. 

الطرق الأخرى لإنتاج الهيدروجين، مثل تغويز الكتلة الحيوية، وإصلاح الغاز الطبيعي وتقسيم الماء الكيميائي الحراري، كلها طرق مجربة وناضجة، ولكن كل منها يأتي مع تأثيرات بيئية أكثر قسوة تتعلق بغازات الدفيئة. نظرًا لأن التحليل الكهربائي الأخضر هو عملية خالية من الانبعاثات، فقد ارتفعت شعبية التحليل الكهربائي واسع النطاق بسرعة كطريق لإزالة الكربون.

التحليل الكهربائي على نطاق واسع

يشير الحجم الكبير إلى مستوى مدخلات الطاقة التي يمكن أن يستهلكها نظام التحليل الكهربائي. غالبًا ما تصنف الصناعة نظام بقدرة 1 ميجاوات (MW) على أنه نظام صغير الحجم مقابل نطاق 20 ميجاوات إلى 150 ميجاوات لنظام واسع النطاق. ويعتمد ذلك على الأنظمة المعمول بها في العالم، مع أكبر نظام محلل كهربائي PEM في العالم قيد التشغيل حاليًا ويتم تشغيله بواسطة Accelera™ من شركة Cummins في بيكانكور، كيبيك، كندا. وبقدرة 20 ميجاوات، يتكون النظام من محللات كهربائية Accelera HyLYZER® PEM ويمكنه إنتاج أكثر من 3,000 طن من الهيدروجين سنويًا باستخدام الطاقة الكهرومائية النظيفة.

يمكن للتحليل الكهربائي الكبير أن يسرع اعتماد الهيدروجين الخالي من الانبعاثات بأسعار معقولة، ويعتبر أيضًا حلاً جذابًا لتخزين الطاقة المتجددة الزائدة. عندما يتم إنتاج طاقة متجددة زائدة (على سبيل المثال، الشمس مشرقة، ولكن طلب الشبكة على الكهرباء أقل من العرض)، يمكن تغذية هذه الطاقة إلى محلل كهربائي وتخزينها كهيدروجين لفترات طويلة من الزمن. وبمجرد الحاجة إلى الطاقة، يمكن استخدام الهيدروجين بواسطة خلية وقود، حيث يمر عبر التحليل الكهربائي العكسي ويتحول إلى كهرباء قابلة للاستخدام.

تعمل شركة Accelera على تطوير نظام محلل كهربائي مزود بمكدسات إنتاج هيدروجين أعلى ووحدات بقدرة 25 ميجاوات، مما يجعله مناسبًا لمشاريع التحليل الكهربائي الأكبر حجمًا (> 200 ميجاوات). ستكون هذه التكنولوجيا حاسمة بالنسبة للمشاريع الأكبر وسيتم تصنيعها في مصانعنا منشأة تصنيع المحلل الكهربائي ومقرها الولايات المتحدة في فريدلي، مينيسوتا، وفي مصنعنا الجديد لتصنيع المحلل الكهربائي في غوادالاخارا، كاستيا لا مانشا، إسبانيا.

اقتصاد الهيدروجين الناشئ

وفقًا  مجلس الهيدروجينيوجد حاليًا أكثر من 1,000 مشروع هيدروجين قيد التنفيذ حول العالم. وبحلول عام 2030، سيتم نشر ما يقل قليلاً عن 800 منها بشكل كامل أو جزئي - مما يساهم في توفير إمدادات عالمية تبلغ 38 مليون طن متري من الهيدروجين الأخضر سنويًا. ويشكل هذا ارتفاعا كبيرا من أقل من مليون طن سيتم إنتاجه في عام 1. ويتحرك الزخم في الاتجاه الصحيح، ولكن عدد الاستثمارات والمشاريع المتعلقة بالهيدروجين الخالي من الانبعاثات يجب أن يرتفع بشكل كبير لتلبية متطلبات صافي الطاقة. الاقتصاد صفر. 

اليوم، يتم استخدام معظم الهيدروجين في العالم في العمليات الصناعية مثل تكرير النفط وإنتاج الأمونيا وإنتاج الميثانول وإنتاج الصلب. يتم إنتاج معظم هذا الهيدروجين باستخدام الوقود الأحفوري، مما يخلق فرصة كبيرة لتقليل الانبعاثات العالمية من خلال التحول إلى التحليل الكهربائي باستخدام الكهرباء المتجددة. وفي قطاع النقل، ستصبح مركبات الوقود الهيدروجيني أكثر قابلية للتطبيق مع إنشاء البنية التحتية واستمرار انخفاض تكلفة التكنولوجيا. ويمكن للوقود المعتمد على الهيدروجين أن يوفر لقطاعي الشحن والطيران المزيد من الخيارات عندما يتعلق الأمر بالبدائل منخفضة الكربون.  

ولا تزال جدوى الهيدروجين الخالي من الانبعاثات في مركبات خلايا الوقود والعمليات الصناعية تتوقف على التكلفة. ومن الناحية الاقتصادية، لا أحد مستعد للتحول الكامل اليوم لأنه لا يزال أكثر تكلفة من الهيدروجين المنتج بوسائل أخرى بسبب ارتفاع تكلفة التكنولوجيا الجديدة، والقدرة المتجددة الجديدة، والتوزيع. ومع ذلك، تقدم المزيد والمزيد من الحكومات حوافز وإعانات متزايدة للمساعدة في جعل التحول إلى الهيدروجين الأخضر أكثر قابلية للتحقيق بحلول عام 2030. 

تستثمر شركة Accelera بنشاط في قدرة المنتج لتحقيق إنتاج هيدروجين واسع النطاق بوحدات نمطية عالية وبأقل مساحة في السوق. ويتمثل المفهوم في تمكين إنتاج الهيدروجين بمرونة لتحقيق تكاليف تشغيل أقل وخفض تكلفة الهيدروجين لكل كيلوغرام مع إزالة الكربون من الشبكة. بمعنى آخر، توفير محلل كهربائي بالحجم الأمثل يمكنه ضبط سعته وفقًا لعامل حمل الطاقة النظيفة المتوفر وزيادة كفاءته عن طريق إنتاج المزيد من الهيدروجين.

قيادة التغيير الهيكلي

ومع ذلك، هناك بعض العوائق المهمة أمام اقتصاد الهيدروجين العالمي. وبصرف النظر عن التكلفة الحالية لإنتاج الهيدروجين النظيف، فربما يتمثل التحدي الأكبر في حجم البنية التحتية المطلوبة ــ بناء شبكة للحصول على الهيدروجين من مكان توليده إلى المكان الذي سيتم استخدامه فيه. 

أحد الخيارات هو إنشاء شبكة خطوط أنابيب الهيدروجين. إذا كان من الممكن إعادة استخدام خط الأنابيب الحالي، فقد يكون هذا أحد حلول التوزيع الأقل تكلفة. يمكن تكييف خطوط أنابيب الغاز الطبيعي الحالية والبنية التحتية المرتبطة بها في معظم البلدان لاستخدامها في إنتاج الهيدروجين، لكن إجراء هذا التحول سيكون معقدًا وسيظل يتطلب استثمارًا ووقتًا كبيرًا. 

والخيار الآخر هو نقل الهيدروجين من مكان توليده إلى حيث تكون هناك حاجة إليه. وللحفاظ على العملية خالية من الانبعاثات، ستحتاج شاحنات التوزيع هذه أيضًا إلى أن تكون مركبات خالية من الانبعاثات وستتطلب بنية تحتية خاصة بها للوقود لنقل الهيدروجين عبر البلاد، مما يديم سيناريو الدجاجة والبيضة.

ولحسن الحظ، فإننا نشهد شبكة ناشئة من الشراكات العامة والخاصة التي تتطلع إلى تقديم حلول لهذه المشكلة المعقدة. ولكن ستكون هناك حاجة إلى المزيد من التعاون بين الحكومات التي تستورد وتصدر الطاقة، ومقدمي الكهرباء المتجددة، وشركات تصنيع الغاز الصناعي، ومرافق الكهرباء والغاز، وشركات صناعة السيارات، وشركات النفط والغاز، والشركات الهندسية الكبرى، والمدن. تتمتع الاستثمارات في الهيدروجين بالقدرة على تحفيز النمو التكنولوجي والصناعي الجديد على مستوى العالم، مما يؤدي إلى خلق فرص عمل تتطلب مهارات.

ما أهمية التحليل الكهربائي على نطاق واسع؟

يعد توسيع نطاق مشاريع وقدرات التحليل الكهربائي أمرًا مهمًا لعدة أسباب: 

تقليل تكلفة الهيدروجين 

إن الهيدروجين الخالي من الانبعاثات باهظ الثمن اليوم، ويجب خفض تكلفته لتمكين اعتماده على نطاق واسع. وبفضل وفورات الحجم والابتكارات في مجال التكنولوجيا، مع انخفاض تكلفة الإنتاج، تنخفض التكلفة بالنسبة للعملاء، مما يمهد الطريق لاعتمادها في المزيد من الأسواق والمناطق. ومع تزايد انتشار استخدام الهيدروجين، فإن البنية التحتية سوف تحذو حذوها. 

توسيع نطاق إزالة الكربون 

وسيسمح الهيدروجين بأسعار معقولة لقطاعات أخرى، مثل النقل لمسافات متوسطة وطويلة والعمليات الصناعية، بإزالة الكربون. وهذا من شأنه أن يسهل اعتماد المركبات التي تعمل بخلايا الوقود على نطاق أوسع ويخفض مستويات الانبعاثات الصادرة عن القطاعات التي يصعب تخفيفها مثل المرافق والصلب وإنتاج الأمونيا والميثانول، وتخزين الطاقة الموسمية.

تحقيق أهداف المناخ العالمي 

في أعقاب اتفاق باريس للمناخ في عام 2015، وضعت العديد من البلدان والشركات أهدافا مناخية طموحة في الجهود الرامية إلى تحويل مزيج الطاقة العالمي والحفاظ على ظاهرة الاحتباس الحراري أقل من 1.5 درجة مئوية. ويلعب إنتاج الهيدروجين الخالي من الانبعاثات دورا رئيسيا في هذا التحول. 

وفي إطار الجهود الرامية إلى خفض تكلفة الإنتاج وإحداث تحول شامل ــ من السياسات والتنظيم إلى الاستثمارات والبحث والتطوير ــ يحصل المزيد من مشاريع التحليل الكهربائي على الضوء الأخضر في مختلف أنحاء العالم، وتسعى الشركات إلى إيجاد حلول قابلة للتطبيق لإزالة الكربون. ووفقا لمجلس الهيدروجين، تم الإعلان عن أكثر من 1,000 مقترح لمشروع هيدروجين على مستوى العالم في عام 2023، مع التخطيط للنشر الكامل أو الجزئي لـ 795 بحلول عام 2030. وتم الإعلان عن استثمارات مباشرة بقيمة 32 مليار دولار أمريكي حتى عام 2030. 

مع مشاريع مثل بيكانكور، مشروع المحلل الكهربائي بقدرة 35 ميجاوات مع شركة Linde و مشروع نظام التحليل الكهربائي بقدرة 90 ميجاوات مع شركة فارين لإعادة تدوير الكربونتلتزم شركة Accelera™ بالمساعدة في تسريع التحول إلى اقتصاد الهيدروجين الخالي من الانبعاثات ودعم الجهود العالمية لإزالة الكربون.