كيف يمكن استخدام الهيدروجين بدلا من الوقود الأحفوري بقطاع النقل؟

• 95 % من الهيدروجين المستهلك يأتي من عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي.. الذي يعد وقوداً أحفورياً
• 42 % من الهيدروجين بالسوق العالمي يستخدم لتقليل محتوى الكبريت بتكرير النفط لصناعة وقود الديزل

تنشر «الأنباء» دراسة خاصة أعدها م. أحمد طاهر، الباحث بمجال إدارة الطاقة والهندسة الكهربائية، حول الجدل المتزايد لمكانة الهيدروجين في اقتصاديات العالم المستقبلية، حيث يفترض البعض انه الحل الأمثل للانبعاثات الضارة، ويعتقد البعض الآخر انه من المنطقي أكثر تغيير كل المكائن والعمليات الصناعية إلى استخدام الكهرباء فقط وتجنب الاستثمار في الهيدروجين تماما.

وللمضي قدما، نحتاج لأن نكون واقعيين بشأن مكان الهيدروجين في الاقتصاد الخالي من الانبعاثات وأي من القطاعات ستحتاج فعليا إلى الهيدروجين، ففي عام 2018 تم استخدام 51% من الهيدروجين الموجود بالسوق كمادة وسيطة لصنع الأمونيا (التي تستخدم في صناعة الأسمدة، من بين استخدامات أخرى)، وتم استخدام 42% من الهيدروجين المتبقي لتقليل محتوى الكبريت في مراحل تكرير النفط لصناعة وقود الديزل.

والجزء المقلق هو أن 95% من الهيدروجين المستهلك يأتي من خلال عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي، الذي يعد وقودا أحفوريا، حيث يعتقد العديد انه يجب أن يحل الهيدروجين محل الوقود الأحفوري في كل المجالات، من النقل إلى التدفئة السكنية، ولكن دعونا نقسمها ونرى أين يمكن للهيدروجين أن يساهم بشكل واقعي في تقليل وإلغاء الانبعاثات الضارة.. وذلك فيما يلي:

قطاع النقل البري

تم النداء باستخدام الهيدروجين ليحل محل الوقود الأحفوري في قطاع النقل منذ أزمة النفط في السبعينيات وبعد كل أزمة نفطية، وتم بناء أول جرار هيدروجين يستخدم خلايا الوقود في عام 1959.

وتستخدم المركبات التي تعمل بالهيدروجين خلايا الوقود التي تتم تغذيتها بوقود الهيدروجين المضغوط والأكسجين (من الهواء) لإنتاج الكهرباء لتشغيل السيارة، فالمركبات الهيدروجينية أخف من المركبات الكهربائية وتستغرق وقتا أقل للتزود بالوقود.

كثافة الطاقة

وتحدثت الدراسة عن كثافة الطاقة، مبينة أن كثافة الطاقة لكل كيلو غرام تعني مقدار الطاقة (واط/ ساعة في حالتنا) المخزنة في كل كيلوغرام من شيء ما، ووفقا لوزارة الطاقة الأميركية، بلغت كثافة بطاريات EV المتاحة تجاريا 450 وات/ ساعة/ كجم في عام 2020.

والآن سعة خزان الهيدروجين في إحدى شركات السيارات اليابانية التي تعمل بالهيدروجين هي 122 ليترا (6. 5 كجم) مقسمة بين خزانين مع ضغط الغاز عند 700 بار (700 مرة من الضغط الجوي) وكثافة 1990وات/ ساعة لكل كيلوغرام، بافتراض خزان السيارة حجمه 87.5 كجم.

ويحتوي الديزل على كثافة طاقة أقل من الهيدروجين، ومع ذلك، يحتوي خزان الديزل على 388 كجم من الديزل فيما يحتوي خزان الهيدروجين 6. 5 كجم فقط، وتعد كثافة خزانات الهيدروجين أفضل بكثير من الجيل الحالي من بطاريات EV المتاحة تجاريا.

وهناك بطاريات ذات كثافة عالية، مثل كثافة بطارية ليثيوم أيون التي تنتجها شركة Amprius التي تم ذكرها والتي تبلغ 450 واط/ ساعة/ كجم والتي يتم استخدامها حاليا لتشغيل الأقمار الاصطناعية، مما يعني انها ليست بأسعار معقولة حتى الآن بالنسبة للسيارات الكهربائية السائدة.

هناك تطورات واعدة في مجال بطارية الليثيوم، وبطاريات الليثيوم – الكبريت لها كثافة نظرية تبلغ 2500 واط/ كجم، وهي أعلى بنسبة 66% من خزانات الهيدروجين الحالية. ومع ذلك، لاتزال البطاريات الليثيوم الكبريت قيد البحث ولديها قيودها الخاصة التي تتطلب المزيد من البحث والتطوير قبل ان تصبح جاهزة للسوق.

شاحنات النقل الثقيلة

ومن خلال زيادة حجم السيارة والوزن الذي تحتاجه للنقل، ستحتاج الى بطاريات أكبر، يقودنا هذا الى شاحنات المسافات الطويلة (أي الفئة 8)، يجب ان تحمل هذه الشاحنات أحمالا أثقل بكثير وأن تظل على الطريق بشكل مستمر لساعات أطول بكثير من الشاحنات والمركبات الأصغر.

وفي هذه المقالة، سيتم استخدام 3 شاحنات كهربائية مختلفة كمثال للمقارنة، وستتم مقارنة النماذج الثلاثة بالشاحنة الهيدروجينية من أحد المصنعين في كوريا الجنوبية، وكان سيتم ضم Tesla Semi لكن لم يتم الإفصاح حاليا عن أي معلومات حول وزن الشاحنة بدون أحمال.

والسبب الوحيد الذي يسمح للشاحنات الكهربائية بحد أعلى بالوزن من شاحنات الهيدروجين يرجع الى اللوائح المحلية، في الولايات المتحدة يسمح للشاحنات الكهربائية بأن تكون أثقل بـ 0.9 طن من شاحنات الديزل، بينما في الاتحاد الأوروبي تم تمديد الحد بمقدار 2 طن.

ويتضح ان شاحنات الهيدروجين هي خيار أفضل بكثير، إذا كانت محطات التزود بالوقود الهيدروجيني متاحة بسهولة على الطرق اللوجستية. يمكن لشاحنات الهيدروجين التزود بالوقود بشكل أسرع بكثير من نظيراتها الكهربائية وتحمل المزيد.

ومع ذلك، فإن أكبر مشكلة تمنع سوق مركبات الهيدروجين من التوسع هي مصدر الهيدروجين. تأتي غالبية الهيدروجين الموجود لدينا في السوق من الوقود الأحفوري والنقطة الرئيسية لاستخدام الشاحنات الهيدروجينية هي للابتعاد عن الوقود الأحفوري، لذلك يجب ان يكون الهيدروجين المستخدم أخضر ويتم إنتاجه عبر مصادر متجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

وهذا يقودنا الى حيث تكون المركبات الكهربائية أفضل وذات كفاءة، لقد أثبتت إحدى الشركات الألمانية لصناعة السيارات مؤخرا انه في حالة المركبات الكهربائية، تستخدم السيارة 76% من الكهرباء التي تنتجها مصادر الطاقة المتجددة.

وباستخدام الهيدروجين الأخضر، ستتم تغذية الطاقة المنتجة من مصدر الطاقة المتجددة في محلل كهربائي، ثم يتم بعد ذلك ضبط الهيدروجين المنتج لنقله إلى محطة التزود بالوقود، هذا بعد الأخذ في الاعتبار أن فقدان الطاقة داخل السيارة نفسها، سينتج عنه استخدام 30% فقط من الطاقة التي ينتجها المصدر المتجدد بالسيارة.

تكلفة الوقود

حاليا، يمكننا تخمين كم ستكون تكلفة إعادة شحن بطارية الشاحنة الكهربائية، ولكن الوضع يختلف للشاحنات الهيدروجينية، التسعير الوحيد الموثوق به لدينا للهيدروجين هو من التكلفة المطلوبة لاستخراجه من الغاز الطبيعي من خلال SMR (الهيدروجين الرمادي).

وذكرت وكالة الطاقة الدولية في تقريرها لعام 2021 أن التكلفة القياسية للهيدروجين الأخضر للكيلوغرام الواحد في دول مجموعة العشرين تتراوح بين 3$/ و8$/ كجم. الرجاء ملاحظة أن التكلفة الموضحة أعلاه لا تتضمن هامش ربح البائع.

وتراوحت تكلفة الكهرباء في الولايات المتحدة بين 0.118&/ كيلوواط ساعة و0.408$/ كيلوواط ساعة في عام 2022، في حين تراوحت تكلفة وقود الديزل لشاحنة نقل ثقيلة بمتوسط استهلاك 8 أميال للغالون في:

٭ الولايات المتحدة بين 0.21$/ كم و0.28$/ كم.

٭ كان البر الرئيسي للاتحاد الأوروبي بين 0.33 دولار/ كم و0.66 دولار/ كم.

وتشير البيانات الى أن النطاق المنخفض لتكلفة الهيدروجين بالكاد أرخص عند مقارنته بالديزل في الولايات المتحدة، وهو أرخص قليلا من تكلفة الديزل في الاتحاد الأوروبي.

ويعتقد مؤيدو السيارات الكهربائية أن المشكلة المتعلقة بحجم وتكلفة بطاريات المركبات الكهربائية ونقص أجهزة الشحن السريع سيتم حلها في المستقبل القريب ولا ينبغي أن تكون مشكلة في اعتماد المركبات الكهربائية في الوقت الحالي. ومع ذلك، يمكن تقديم الحجة نفسها بالنسبة للهيدروجين الأخضر المطلوب أو شاحنات النقل الثقيل الهيدروجينية.

وعلاوة على ذلك، ليس هناك ما يضمن أن الإلكترونات التي ستتدفق الى بطاريات المركبات الكهربائية ستكون خضراء بنسبة 100%، إذ يختلف مزيج الطاقة من منطقة ولاية ودولة الى أخرى اعتمادا على سياسات الطاقة الخاصة بهم.

ويدور جدل آخر حول استخدام الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين في المقام الأول، حيث يصفه الكثيرون بأنه غير مجد لاستخدام مصدر طاقة قابل للاستخدام لإنتاج ناقل طاقة مثل الهيدروجين ليقوم بالشيء نفسه الذي يمكن أن يفعله ناقل الطاقة الأصلي.

الآن، هذا يقودنا الى المقالة التالية. استخدام الهيدروجين مقابل الكهرباء في الصناعات الثقيلة.