اختراع سويسري ومشروعات عربية واعدة لإنتاج الهيدروجين الأخضر

يمكن للنموذج الأولي الذي تم تطويره في المعهد التقني الفدرالي العالي بلوزان إنتاج ما يصل إلى نصف كيلوغرام من الهيدروجين الأخضر يوميا. © Lionel Caloz 2022

سلسلة طاقة الهيدروجين, حلقة 6:

يَعِد مفاعل شمسيّ بالتغلّب على التكاليف المرتفعة وصعوبات النقل التي ينطوي عليها تطوير الهيدروجين الأخضر. سيبدأ تشغيل المصنع التجريبي الأول في سويسرا في فبراير 2024، لكنّ إنتاج الهيدروجين الأخضر بات يحظى باهتمام كبير أيضا في العديد من البلدان العربية، خاصة في منطقتيْ الخليج والمغرب العربي.

يمكن أن يؤدي تطوير وإدخال الهيدروجين المنخفض الكربون، سواء الأزرق أو الأخضر، في المنطقة العربية دورًا مهمّا كجزء من مجموعة أدوات حلول الطاقة النظيفة، وأن يستفيد من موارد الغاز الطبيعي في المنطقة وإمكانات الطاقة المتجددة الموسعة. وتتنزل هذه الجهود في إطار السعي إلى تحقيق أهداف انبعاثات غازات الدفيئة الصافية الصفرية بحلول عام 2050 .

وقد باشرت بعض الدول العربية بذل جهود تهدف إلى تطوير القدرات الإنتاجية للهيدروجين الأزرق والأخضر من أجل تحقيق الانتقال الطاقي بحلول عام 2050، غير أنها لا تزال في مرحلة مبكّرة، وتقتصر على عدد محدود من الدول في المنطقة.

ووفقًا لأحدث مؤشّر عربي لطاقة المستقبل، الصّادر عن المركز الإقليمي للطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة بالتعاون مع برنامج الأمم المتحدة الإنمائي، فإنّه يتوقّع أن تصل قدرة المنطقة العربية على إنتاج الطاقة المتجددة إلى حوالي 180 جيغاوات بحلول عام 2030. 

وتسلّط هذه الخريطة التفاعلية الضوء على التدابير والإجراءات التي اتّخذتها مجموعة من البلدان العربية على هذا الصعيد:

في سويسرا… مشروع فريد من نوعه

من جهتها، قطعت سويسرا شوطًا كبيرًا في هذا المجال بالفعل. الطَّبَقُ المكافئ المثبّت في حرم المعهد التقني الفدرالي العالي بلوزان (EPFL) شاهد على ذلك: بقُطْر سبعة أمتار، موجّه نحو السماء، يبدو كأنه تلسكوب. ومع ذلك، فهو ليس مصمّمًا لتلقّي الموجات الراديوية من الفضاء، ولكن لاستخدام ضوء الشمس والماء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين.

إنه أول عرض توضيحي لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية، وفقًا لصوفيا هاوسينر، رئيسة مختبر علوم وهندسة الطاقة المتجددة في هذا المعهد ذائع الصيت. هذا يعني أنه على عكس الأجهزة التجريبية في المختبر، يحتوي هذا النموذج الأولي على كل ما يحتاجه لإنتاج الهيدروجين باستمرار.

لماذا يمثّل الهيدروجين عنصرًا أساسيًا في الانتقال الطاقي؟ 

الهيدروجين هو وقود خالٍ من الكربون ويمكن استخدامه “كبطارية” لتخزين الطاقة المتجددة. يكمن التحدي في القدرة على استخراجه من الأرض بشكل مربح أو من خلال إنتاجه من مصادر متجددة بكميات كبيرة وبتكاليف مقبولة. وتمثل هذه الطاقة النظيفة أيضًا أحد المواضيع الرئيسيةرابط خارجي التي ستطرح خلال المؤتمر الدولي القادم حول التغير المناخي، والذي سيُعقد في دبي (COP28). ويشكّل هذا المقال جزءًا من سلسلة تستكشف الإمكانيات التي يوفّرها الهيدروجين وقيوده من خلال تسليط الضوء على دور العلم والصناعة في البحث عن وقود المستقبل الأخضر.

حصلت “سو إتش هايتك” (SoHHytec) وهي شركة ناشئة تابعة للمعهد التقني الفدرالي العالي بلوزان (EPFL) على براءة اختراع  للنظام المسمى “أرب” ( Arb) المشتق من الاسم اللاتيني للشجرة، ويتيح هذا النظام التغلب على مشكلتين رئيسيتين تعيقان تطوير الهيدروجين الأخضر: وهما ارتفاع تكلفة الإنتاج، وصعوبة نقل ما يعتبر ناقل الطاقة في المستقبل. 

ويمكن أن ينتج نظام “أرب” الهيدروجين بالقرب من مكان استخدامه وبتكلفة مماثلة، إن لم تكن أقل، مما يسمى الهيدروجين الرمادي الذي يتم توليده من الميثان والفحم. وحاليا، يأتي 96 % من الهيدروجين المنتج في العالم من مصادر أحفورية.

هذا التميّز الذي تتمتع به شركة “سو إتش هايتك” مكّنها من جمع أكثر من ثلاثة ملايين فرنك من التمويل. وتمكنت من إقناع الشركات العاملة في قطاعات المعادن والطاقة والخدمات اللوجستية، التي تعتمد على الهيدروجين المتجدد، بتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكاربون (CO2). وأصبحت “الشجرة الاصطناعية” بعد عشر سنوات من البحث والتطوير، جاهزة لتؤتي ثمارها.

كيف تعمل الشجرة الاصطناعية؟

ينعكس ضوء الشمس من مرآة القطع المكافئ ويتركز في مفاعل يقع في النقطة البؤرية. وفي المفاعل، يقسم التيار الكهربائي الناتج عن الشمس جزيئات الماء (H2O) إلى هيدروجين (H2) وأكسجين (O2) – في عملية مشابهة لعملية التركيب الضوئي في الأشجار والنباتات.

تتركز أشعة الشمس في مفاعل، حيث يتم إنتاج الهيدروجين. SoHHytec

يدور النظام حول نفسه، ويتبع موقع الشمس في السماء لزيادة الإنتاج (انظر الفيديو أدناه). ويمكن أن ينتج الهيدروجين حتى في الطقس الغائم أو في الليل عن طريق الاتصال بمصدر خارجي للكهرباء.

وتظل الميزة الفريدة لهذا النظام القدرة على استعادة الحرارة والأكسجين المتولدين أثناء العملية. ويمكن استخدام الحرارة لتدفئة المباني، أو لتشغيل  بعض الآلات الصناعية، بينما يمكن استخدام الأكسجين، الذي اعتبر غالبا من النفايات، في المستشفيات لعلاج المرضى الذين يعانون من فشل الجهاز التنفسي.

وتدعي شركة “سو إتش هايتك” أنه لدى نظام “أرب” كفاءة أعلى من محطات إنتاج الهيدروجين الأخضر التقليدية، والتي تعمل بالطاقة الشمسية، أو الطاقة الكهرومائية. وحتى مع أخذ استعادة الحرارة والأكسجين بعين الاعتبار، تقترب الكفاءة من 80 %، حسب الشركة الناشئة.

هيدروجين لتشغيل سيارة واحدة حاليا

يمكن استخدام الهيدروجين مباشرة من نظام “أرب”. وتبلغ درجة نقاوته أكثر من 99% ويتم ضغطه مسبقا في المفاعل، مما يجعله جاهزا للاستخدام، كما يقول المؤسس المشارك سوراب تيمبورن. ومع إنتاج حوالي نصف كيلوغرام من الهيدروجين يوميا، يمكن للنموذج الأولي تشغيل مركبة تعمل بخلية وقود تقطع مسافة 70 كيلومترا تقريبا.

إن استخدام التفاعل الكيميائي الضوئي لإنتاج الهيدروجين الأخضر، معروف منذ عقود، لكن واجه تطبيقه العملي تحديات حتى الآن. ويمثل النظام الذي تم تطويره في المعهد  التقني الفدرالي العالي بلوزان خطوة مهمة، في اتجاه حلول الطاقة المستدامة، كما كتبت كنان أكار من جامعة توينتي في هولندا في رسالة بريد إلكتروني، وجهتها إلى سويس إنفو (SWI Swissinfo.ch). وتقوم المهندسة الميكانيكية بالبحث عن الهيدروجين الأخضر منذ أكثر من 15 عاما. وقالت في رسالتها “تخفف قدرته الإنتاجية المحلية، الحاجة إلى لوجستيات نقل واسعة النطاق، وتعزز جانبه العملي، وقابليته لتوسيع استخدامه”. 

وتقدر فترة تشغيل نظام “أرب” بحوالي 20 عاما، ولزيادة الإنتاج، يكفي إما زيادة قطر طبق القطع المكافئ أو مضاعفة عدد “الأشجار الاصطناعية”، كما يعرض الشريط التوضيحي التالي:

الهيدروجين الأخضر في الشركات الصناعية

سيتم اعتبارا من فبراير 2024، تشغيل أول مصنع تجريبي بجوار مصنع للإنشاءات المعدنية في مدينة آغل (Aigle) الواقعة في جنوب غرب سويسرا. وستقوم شركة “زوهلن ومير” (Zwahlen &Mayr) بتركيب خمسة أطباق بقدرة 20 ميغاوات، وبقطر تسعة أمتار – وبعبارة أخرى، غابة صغيرة من أشجار نظام “أرب”. وستغطي حوالي 20 في المائة من احتياجاتها من الهيدروجين لتسخين المياه، وفقا لما قاله نائب مدير الشركة كريستيان شاربن.

وتخطط شركة “سو إتش هايتك” لتصدير ابتكاراتها. وتوجد خطط لإنشاء مصنع يضم ألف نظام “أرب” في كاليفورنيا، سينتج ما يصل إلى 2,400 طن من الهيدروجين سنويا. ويمكن لهذه المحطات، على سبيل المثال، توفير الوقود الأخضر للنقل الكثيف، وتشغيل 150 شاحنة تسافر لمسافة 500 كيلومتر في اليوم.

ويعتقد سوراب تيمبورن أنه باستخدام ضوء الشمس المركّز فقط، يمكن أن ينخفض سعر إنتاج الهيدروجين الأخضر في الولايات المتحدة إلى حوالي 2.5 دولار للكيلوغرام الواحد. بتكلفة مماثلة لتكلفة الهيدروجين الرمادي المصنوع من الميثان. (يتراوح السعر حاليا في سويسرا، بين 15 إلى 23 فرنكا للكيلو). وإذا كانت هناك أيضا مستشفيات في المنطقة المجاورة مستعدة لشراء الأكسجين من المشغلين، كما هو مخطط لشركة المعادن السويسرية، فإن تكلفة الهيدروجين ستنخفض بشكل أكبر.

وتجري شركة “سو إتش هايتك” أيضا مناقشات مع شركاء في الهند، بما في ذلك منتجي المواد الكيميائية، وشركات النقل التي ترغب في استبدال الديزل في الشاحنات والقطارات بالهيدروجين. 

الحاجة إلى المناخ المناسب

يرتبط نجاح هذه النوع من التكنولوجيا بالسياق الذي يتم نشرها فيه، كما تلاحظ كنان أكار. وتعتمد كفاءة وجدوى أنظمة الهيدروجين الشمسية بشكل كبير على سبيل المثال، على الظروف الجغرافية والمناخية. وتشير إلى أن “المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي ستستفيد أكثر من غيرها، لكن الجدوى قد تكون محدودة في المناطق التي يفتقر فيها ضوء الشمس للاتساق”.

وفي هذا المستوى تبدو منطقة شمال أفريقيا وغرب آسيا المناطق الجغرافية المناسبة لتطوير هذا النوع من الطاقة، بداية لتوفّر الإشعاع الشمسي العالي طيلة أشهر السنة تقريبا، وثانيا، لكونها بلدان منتجة لمصادر الطاقة الأحفورية، وبالتالي بالامكان تحويل البنيات التحتية لتلك الطاقة واستثمارها في انتاج ونقل الطاقات المتجددة.

*جهود عربية حثيثة لتكون في الموعد عام 2050

في ما يلي نسلط الضوء على الجهود التي تبذلها عدة دول عربية لتحقيق نقلتها من الطاقات الأحفورية إلى الطاقات النظيفة، خاصة عبر انتاج الهيدروجين الأخضر، طاقة المستقبل:

الإمارات العربية المتحدة: أطلقت دولة الإمارات العربية المتحدة في عام 2017 استراتيجية الطاقة لعام 2050، الهادفة إلى زيادة مساهمة الطاقة النظيفة في إجمالي مزيج الطاقة المستهلكة من 25% إلى 50% بحلول عام 2050، والحد من البصمة الكربونية بنسبة 70%. وفي 2021، بدأت دولة الإمارات العربية المتحدة في بناء أوّل مصنع للهيدروجين الأخضر. ومؤخرا أعلن عن مشروعين لإنتاج الهيدروجين المنخفض الكربون في البلاد بحجم مليون طن سنويا، للمشروع الأوّل، و0.2 مليون طن سنويا للمشروع الثاني. وقد أعلنت دولة الإمارات أنها تهدف إلى السيطرة على ربع السوق العالمي لوقود الهيدروجين بطاقة انتاج تبلغ 30 جيغاوات في السنة بحلول عام 2030.

المملكة العربية السعودية: تخطط المملكة العربية السعودية إلى توليد 50% من حاجتها من الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة المتجددة بحلول عام 2030. وتنفذ المملكة حاليا مشروعين للهيدروجين المنخفض الكربون الأزرق والأخضر. أكبرهما مشروع الهيدروجين الأخضر في منطقة نيوم، وهو أكبر مشروع للهيدروجين الأخضر في العالم، بتكلفة قدرها 5 مليار دولار. وسيدخل قيد التشغيل في عام 2025 بطاقة إنتاجية تزيد عن 4 جيغاوت من الطاقة المتجددة (650 طنا من الهيدروجين الأخضر و1.2 مليون طن من الأمونيا الخضراء يوميا). أما المشروع الثاني فيوجد في منطقة الجبيل حيث يتم انتاج الهيدروجين الأزرق والأمونيا. وتخطط المملكة لتصبح مصدرا عالميا للهيدروجين الأزرق والاخضر، وأنها سوف تنتج 4 ملايين طن من الهيدروجين المخفض الكربون بحلول عام 2030.

سلطة عمان: تبذل سلطنة عمان جهودا عديدة بهدف تطوير مصادر الطاقة المتجددة للحد من اعتمادها على الوقود الأحفوري، وبالفعل أعلنت في عام 2020 عن مبادرتيْن، تتمثل الأولى في إنشاء مركز عمان للهيدروجين، وتتمثل المبادرة الثانية في انشاء وحدة أعمال الطاقة البديلة لتطوير مشروع الهيدروجين الأخضر بقدرة إنتاجية أولية تتراوح بين 250 و500 ميغاوت. وفي أغسطس 2021، أنشأت، كجزء من رؤيتها 2040 لتحويل اقتصادها، تحالفا وطنيا للهيدروجين يتكوّن من 13 مؤسسة من القطاعين العام والخاص لإنتاج الهيدروجين المنخفض الكربون.

المغرب: يُعدّ المغرب اليوم بلدا رائدا في تطوير موارد الطاقة المتجددة، وهو مرشح لإنتاج الهيدروجين الأخضر والأمونيا الخضراء القائمة على الهيدروجين. كما يخطط ليصبح مُصدّرا لهذه الطاقة النظيفة إلى البلدان الأوروبية. ولتحقيق ذلك، أنشأت المغرب لجنة وطنية للهيدروجين، ووضعت خارطة طريق لإنتاج هذه الطاقة، وأطلقت مشروعا تجريبيا هو قيد التنفيذ لإنتاج الامونيا الخضراء. ورغم تزايد إستثمارات المملكة المغربية في الطاقة المتجددة، ظلت تعتمد حتى عام 2019 في انتاج حوالي 70% من طاقتها الكهربائية على محطات طاقة تعمل بالفحم الحجري.

مصر: وافقرابط خارجي مجلس الوزراء في أواخر العام 2022 على منح ثماني رخص لإنتاج الهيدروجين، بالاستفادة من مزايا البنية التحتيّة المتوفّرة أساسًا، في مجال إنتاج الغاز وتسييله. وشهدت مشاريع الهيدروجين الأخضر في مصر حضورًا إماراتيًا لافتًا، من خلال شركة “مصدر”، التي وقّعت اتفاقيّة مع مصر لتنفيذ مشاريع قادرة على إنتاج 480 ألف طن من الهيدروجين سنويًا. وفي الوقت الراهن، يمكن إحصاءرابط خارجي أكثر من 14 مشروعًا لإنتاج وتصدير الهيدروجين الأخضر في جميع المناطق المصريّة، حيث من المفترض أن تستفيد هذه المشاريع من سلاسل ومنشآت تصدير الغاز.

الجزائر: تعد الجزائر أيضا من المصادر المحتملة لإنتاج الهيدروجين المخفض الكربون بسبب إمكانياتها الكبيرة في مجال الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وتوافر مساحات شاسعة لتطوير الطاقات المتجددة، وهي إمكانات يمكن استخدامها لنقل الهيدروجين المنتج من شمال أفريقيا إلى أوروبا. ولتحقيق ذلك، وقعت شركة المحروقات الحكومية “سوناطراك” مذكرة تفاهم مع “إيني” الايطالية لتطوير الطاقات المتجددة بما فيها إنتاج الهيدروجين الأخضر في 2021. ونهاية العام الماضي وقعت “سوناطراك” مذكرة تفاهم مع شركة ألمانية لتنفيذ مشروع لإنتاج الهيدرجين الأخضر. وحسب وزير الطاقة والمناجم الجزائري، يتعلق بأول محطة في الجزائر لإنتاج الهيدروجين الأخضر، انطلاقا من الطاقة الشمسية، موضحا أن المشروع يعتبر نموذجيا وسينتج 50 ميغاوات من الكهرباء.

المصدر:

تقرير اللجنة الاقتصادية والاجتماعية لغربي آسيا (الإسكوا): الهيدروجين الأزرق والأخضر: تطوّرات محتملةرابط خارجي

مقال بموقع Fanack:  مشاريع الهيدروجين الأخضر تتوسّع في الدول العربيّةرابط خارجي

كذلك تحتاج الهياكل الصناعية القائمة إلى التكييف التقني من أجل دمج أنظمة “أرب”. ويتطلّب هذا اعتبارات اقتصادية، وتخطيطا دقيقا من جانب الشركات، كما تقول أكار.

وتركز شركة “سو إتش هايتك” على القطاع الصناعي في الوقت الحالي، حيث تتيح للشركات الاستثمار في بنيتها التحتية، أو الدخول في اتفاقية طويلة الأجل لشراء الهيدروجين بسعر محدد.

  لكن لا تستبعد الشركة الناشئة، إمكانية التطبيقات السكنية في المستقبل. حيث لا يزال استخدام الهيدروجين في الأماكن السكنية غير شائع، ويخضع للوائح قانونية محلية صارمة، كما يقول سوراب تيمبورن. ويضيف قائلا “مع ذلك، يمكننا أن نتخيل توفير أطباق مكافئة أصغر لمنازل الأسرة الواحدة، والتي سينتج  الناس من خلالها، الطاقة والحرارة في الفناء الخلفي لمنازلهم”.

بمساهمة: عبد الحفيظ العبدلي

ترجمة: مصطفى قنفودي

سلسلة طاقة الهيدروجين

• حلقة 1: 1. سويسرا كمختبر رائد للشاحنات التي تعمل بوقود الهيدروجين
• حلقة 2: 2. باحثون سويسريون يطورون تقنية لصنع الهيدروجين من الهواء
• حلقة 3: 3. “حلول سويسرية لتخزين طاقة الغد”
• حلقة 4: 4. الدولة المنتجة لأول مركبة هيدروجينية تتخلف في سباق الطاقة الخضراء
• حلقة 5: 5. سويسرا تدخل سباق الطيران المستخدم لوقود الهيدروجين
• حلقة 6: 6. اختراع سويسري ومشروعات عربية واعدة لإنتاج الهيدروجين الأخضر