ما المقصود بإنتاج الهيدروجين الأخضر؟ أساسيات العملية والمنظومة

ما المقصود بإنتاج الهيدروجين الأخضر؟ أساسيات العملية والمنظومة

السوق عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر تستخدم كهرباء متجددة لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. تبدو هذه العبارة بسيطة، لكن المشروع التشغيلي هو نظام طاقة منسق: يجب أن تعمل إمدادات الطاقة ومعالجة المياه والمحلل الكهربائي وتنقية الغاز وأنظمة التحكم، وغالبًا التخزين، معًا بشكل متكامل. وللفِرق الصناعية التي تقيّم استخدام الهيدروجين في مجال الطاقة النظيفة، فإن السؤال المفيد لا يقتصر على «ما هي عملية التحليل الكهربائي؟»، بل يشمل أيضًا كيفية تأثير كل جزء من النظام عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر في الإنتاج والتكلفة والموثوقية.

في شركة هايتُو للطاقة المحدودة، ننظر إلى أنظمة الهيدروجين من خلال هذا الحد العملي للنظام. فقد يكون وحدة الإنتاج قادرة تقنيًّا على إنتاج الهيدروجين، لكن النتيجة الفعلية لها في العالم الحقيقي ما زالت تعتمد على توافر الطاقة المتجددة وجودة المياه ونمط التشغيل والتفاعل مع عمليات الضغط أو التخزين. وتوضّح هذه المقالة المبادئ الأساسية دون اعتبار مواصفات أي جهاز واحد وعدًا ينطبق على كل المواقع.

ما الذي يجعل الهيدروجين «أخضرًا»؟

يُوصَف الهيدروجين عمومًا وفقًا لمصدر الطاقة وطريقة إنتاجه. وفي حالة عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر ، تُستخدم كهرباءٌ مستمدةٌ من مصادر متجددة مثل الرياح أو الطاقة الشمسية أو الطاقة الكهرومائية أو أي مصدر آخر منخفض الكربون ومُوثَّقٌ لتشغيل عملية التحليل الكهربائي للماء. ويقوم جهاز التحليل الكهربائي بفصل جزيء الماء (H₂O) إلى هيدروجين وأكسجين، بدلًا من الاعتماد على إعادة تشكيل الوقود الأحفوري.

وهذا التعريف ذو أهمية بالغة، لأن وجود جهاز التحليل الكهربائي وحده لا يجعل الهيدروجين «أخضر». بل إن مصدر الكهرباء وقابلية تتبعها وطريقة جدولة تشغيل المنشأة كلها عوامل تؤثر في البصمة الكربونية. وللمشاريع في مرحلة التوعية، يساعد التفكير في عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر كسلسلة تحويل من الكهرباء إلى جزيء، وليس كجهاز منفصل بذاته.

عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر خطوةً بخطوة

١. إيصال الكهرباء المتجددة إلى النظام

المدخل الأول هو الطاقة الكهربائية. ويمكن أن يتفاوت إنتاج الطاقة الشمسية والرياح من ساعة إلى أخرى ومن فصل إلى آخر، لذا يجب أن تحافظ طبقات تحويل الطاقة والتحكم على جهاز التحليل الكهربائي ضمن نطاق التشغيل المسموح به. وقد تدمج المشاريع المتصلة بالشبكة الكهربائية بين توليد الطاقة المتجددة والطاقة المستمدة من الشبكة، في حين تحتاج المشاريع غير المتصلة بالشبكة إلى استراتيجية مُصمَّمة بعناية لتوليد الطاقة وتخزينها وتوزيعها. وتحدد هذه الخيارات مدى انتظام تشغيل عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر الجهاز.

٢. إعداد الماء للتحليل الكهربائي

يمر الماء عبر معدات المعالجة قبل وصوله إلى المجموعة الخلوية. ويعتمد مستوى المعالجة المطلوب على تقنية جهاز التحليل الكهربائي ومتطلبات المورِّد. وينبغي أن تأخذ الفرق المعنية في الاعتبار مصدر الماء ومعالجته الأولية وتنقيته ورصده ومعالجة التيارات المرفوضة الناتجة عنه. وباعتبار جودة الماء قراراً هندسياً مبكراً، تقلّ الانقطاعات غير الضرورية لاحقاً في عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر .

٣. تحليل الماء في جهاز التحليل الكهربائي

داخل جهاز التحليل الكهربائي، تُحفِّز الطاقة الكهربائية تفاعلًا كهروكيميائيًّا يُنتج الهيدروجين عند أحد الأقطاب والأكسجين عند القطب الآخر. وتشمل العائلات التكنولوجية الشائعة التحليل الكهربائي القاعدي، والتحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتون (PEM)، والتحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل الأنيون (AEM). ولكلٍّ منها مفاضلات تصميمية مختلفة تتعلَّق بالضغط التشغيلي، والاستجابة الديناميكية، والمواد المستخدمة، واحتياجات نظام التوازن المحيط بالوحدة. أما الاختيار الأمثل فيعتمد على الموقع المحدَّد لا على ترتيب عالمي ثابت.

وكمعيار إرشادي، فإن أقل طاقة نظريًّا لإنتاج كيلوغرام واحد من الهيدروجين تبلغ نحو ٣٩,٤ كيلوواط ساعة. أما الأنظمة التجارية الفعلية فهي تتطلب غالبًا ما بين ٥٠ و٥٥ كيلوواط ساعة لكل كيلوغرام بسبب مقاومة التيار الكهربائي، وخسائر التفاعل، والأحمال المساعدة، والظروف التشغيلية. وهذه القيمة مفيدة في مراحل التخطيط الأولية للطاقة، لكنها لا تُعوِّض الضمان الخاص بكل مشروع لأداء معين.

٤. فحص الهيدروجين والتحقق من حالته

قد يحتوي الهيدروجين الخارج من المجموعة على بخار ماء ويجب تبريده وفصله وجفافه وقياسه قبل استخدامه في المراحل اللاحقة. وحسب نوع التطبيق، قد تتضمن المحطة عمليات تنقية والتحكم في الضغط وتحليل الجودة وأجهزة السلامة. أما الأكسجين فيمكن تصريفه أو جمعه أو تقييمه كمنتج ثانوي في حال وجود حالة استخدام موثوقة. وتُعَد هذه المرحلة التحضيرية جزءًا أساسيًّا من عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر وليس فكرةً لاحقة.

٥. ضغط المنتج أو تخزينه أو توصيله

نادرًا ما تحدث عملية الإنتاج والاستخدام في الوقت نفسه بالضبط. ولذلك فإن معدات التخزين والتوصيل قد تكون بنفس أهمية جهاز التحليل الكهربائي نفسه. وقد تستخدم المشاريع غازًا مضغوطًا أو واجهات أنابيب نقل أو حاويات نقل أو أي طريقٍ آخر مُعتمدٍ لتخزين الهيدروجين. وفي الحالات التي يشكّل فيها التخزين طويل الأمد للطاقة هدفًا رئيسيًّا، يجب أن يمتلك نظام الإنتاج واجهةً مُعرَّفةً مع أنظمة التعامل مع الهيدروجين في المراحل اللاحقة.

للمقارنة بين مقاييس الأنظمة، 1MW-5MW يمكن أن تُعتبر صفحة المنتج نقطة انطلاق لمناقشة سعة النظام مع المورِّد. ولا يكفي وجود العنوان والرابط وحدهما لإثبات الأداء المحدَّد لموقع معين؛ بل يجب أن تشمل مناقشة التصميم ملفّ الحمل، ومعالجة المياه، وضغط الغاز، وأنظمة التحكُّم، ومتطلبات التخزين.

المعدات الأساسية في نظام الهيدروجين الأخضر

نظام كامل عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر تشمل عادةً أكثر من الوحدة الأساسية (ستاك). وتتكوَّن الكتل النموذجية عادةً من الربط بالطاقة المتجددة، والمحوِّلات والمُصحِّحات، ومعدات معالجة المياه، ووحدات التحليل الكهربائي، وفصل الغاز عن السائل، ومعدات التجفيف والتنقية، وتحليل الهيدروجين، وأنظمة التحكُّم، وأنظمة السلامة، والضغط أو التخزين اللاحق. وغالبًا ما تُقرِّر مكوِّنات المحطة المتبقية ما إذا كان بالإمكان تشغيل الفكرة بسلاسة في موقع فعلي.

تُعَدُّ وحدات التحكُّم بالغة الأهمية عندما يكون إمداد الطاقة متغيِّرًا. فهي تنسِّق عمليات التشغيل والإيقاف، والتدرُّج في التحميل، والتنبيهات، وإدارة درجة الحرارة، وفحص جودة الغاز. وينبغي على المشترين أن يستفسروا عن سلوك النظام عند التحميل الجزئي وأثناء الدورات التشغيلية المُخطَّط لها، بدلًا من الاقتصار على مراجعة القدرة الاسمية المُعلَّقة على اللوحة التعريفية.

كيف تؤثِّر طاقة المتجدِّدات في تصميم النظام

طاقة المتجدِّدات هي المدخل الحاسم في عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر ، وهي تطرح تحدِّيًا تصميميًّا يتمثَّل في احتمال عدم تطابق إنتاج الكهرباء مع الجدول الزمني المرغوب لإنتاج الهيدروجين. فقد يوفِّر موقعٌ تعتمد محطته على الطاقة الشمسية إنتاجًا كهربائيًّا قويًّا نهارًا؛ بينما قد يتَّسم موقعٌ آخر يعتمد على طاقة الرياح بأنماط مختلفة. ولذلك، يقوم المهندسون بتقييم الطاقة المتاحة، وفرص التخفيف من الإنتاج الزائد، والحدود القصوى للربط بالشبكة، وجودة الطاقة، والنافذة الزمنية التشغيلية لوحدة التحليل الكهربائي.

لهذا السبب تربط دراسة الجدوى المفيدة بيانات الطاقة بطلب الهيدروجين. وينبغي أن تُنمِّذ توفر الكهرباء، وكيفية استجابة جهاز التحليل الكهربائي، وما تستهلكه الأحمال المساعدة، ومقدار التخزين اللازم لسد الفجوة بين الإنتاج والاستخدام. والنتيجة هي تكوين النظام، وليس مجرد اختيار جهاز تحليل كهربائي.

أسئلة عملية يجب طرحها قبل تحديد المعدات

• ما مصدر الطاقة المتجددة الذي سيزوِّد عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر وكيف سيتم توثيق منشأ هذا المصدر؟
• ما إنتاج الهيدروجين المطلوب، والضغط المطلوب، والنقاء المطلوب، وجدول التسليم بالنسبة للتطبيق اللاحق؟
• ما مصدر المياه المتاح، وما سلسلة المعالجة اللازمة؟
• كم مرة سيبدأ تشغيل جهاز التحليل الكهربائي أو يتوقف أو يعمل عند حمل جزئي؟
• ما أنظمة التخزين والضغط والتبريد والكشف والسلامة التي يجب أن تكون داخل حدود المشروع؟
• أي الأرقام المتعلقة بالأداء تُقاس في ظروف مُعرَّفة، وأيها يتطلب التحقق الميداني؟

الإجابة عن هذه الأسئلة في مرحلة مبكرة تمنع خطأً تخطيطيًّا شائعًا: تحديد حجم المجموعة أولًا، ثم اكتشاف لاحقًا أن الطاقة أو الماء أو معالجة الغاز أو أنظمة التحكم هي العوامل المحدِّدة الفعلية.

لماذا تهم هذه العملية في تخطيط المشاريع بين الشركات

لصناع القرار بين الشركات، فإن عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر ليست مجرد مسار تقني فحسب، بل هي أيضًا تمرينٌ على دمج المشروع ككل. والهدف هو إنشاء سلسلة شفافة من الكهرباء المتجددة إلى الهيدروجين القابل للاستخدام، مع وضوح الافتراضات عند كل واجهة. ويُسهِّل هذا النهج مقارنة الخيارات المختلفة، وتحديد البنية التحتية المفقودة، وإعداد نطاق مشتريات واقعي.

يمكن للهيدروجين الأخضر دعم استراتيجيات الطاقة النظيفة والتخزين عندما يُصمَّم النظام الكامل وفقًا لموقع المشروع. ابدأ بملف الطاقة المتجددة وحالة استخدام الهيدروجين، ثم صمِّم نطاق أجهزة التحليل الكهربائي ومعالجة الهيدروجين والتخزين استنادًا إلى تلك الحقائق. وهذا يحافظ على عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر ارتباط المشروع بالقرارات الهندسية التي يمكن التحقق منها وتحسينها.

الأسئلة المتكررة

هل التحليل الكهربائي هي العملية الوحيدة لإنتاج الهيدروجين الأخضر؟

التحليل الكهربائي للماء المدعوم بالكهرباء المتجددة هو المعنى الشائع لهذا المصطلح. وتوجد طرق أخرى لإنتاج الهيدروجين، لكن تصنيفها يعتمد على المادة الأولية ومصدر الطاقة المستخدم.

كم كمية الكهرباء التي تستهلكها عملية إنتاج الهيدروجين الأخضر؟

الحد الأدنى النظري يبلغ نحو ٣٩,٤ كيلوواط ساعة لكل كيلوغرام من الهيدروجين. أما الاستهلاك الفعلي للنظام فهو أعلى ويتفاوت تبعًا للتكنولوجيا والمرافق المساعدة وظروف التشغيل وتصميم المشروع؛ إذ تستخدم التقديرات الأولية غالبًا نطاقًا قدره ٥٠–٥٥ كيلوواط ساعة/كغ كمرجع هندسي.

هل يمكن إدارة تقلبات الطاقة المتجددة؟

نعم، لكن لا بد من مراعاتها في مرحلة التصميم. فالأنظمة التحكمية واستراتيجية التشغيل وبُنية التحتية الكهربائية وتخزين الهيدروجين كلها عوامل تؤثر في كيفية تعامل النظام مع إمدادات الطاقة المتجددة المتغيرة.