الهيدروجين: المحرك الرئيسي لنقل خال من الانبعاثات الكربونية الضارة؟

هل يمكن أن يُحدث الهيدروجين طفرة كمصدر لوقود مستدام للمركبات في المستقبل؟

لطالما انعقدت الآمال والطموحات على الهيدروجين كمصدر مطلق للطاقة النظيفة، لكن أيًا منها لم يتحقق على أرض الواقع. بيد أن الخبراء في إحدى المؤسسات العالمية الرائدة في مجال الطاقة يؤكدون أن الأمور على وشك أن تتغير تمامًا.

وفي هذا الصدد، صرح فاتح بيرول، المدير التنفيذي لوكالة الطاقة الدولية (IEA) [1]، التي أطلقت تقريرها “مستقبل الهيدروجين” في مجموعة العشرين في كارويزاوا بمحافظة ناغانو في اليابان، قائلًا: “إن التحديات الهائلة المتمثلة في تغير المناخ، وكذلك صعود طاقة الرياح والطاقة الشمسية، تمنحنا قوة دفع جديدة وتجتذب اهتمامًا جديدًا من الحكومات والشركات لتحقيق ما هو أبعد من صناعة السيارات”.  

ويرى بيرول، الذي يرأس أيضًا الفريق الاستشاري للطاقة التابع للمنتدى الاقتصادي العالمي، أن تطوير تقنيات وعمليات جديدة يعني أن الهيدروجين بات قادراً الآن على إحداث ثورة في قطاع النقل في العقود المقبلة.

ويؤكد بيرول كذلك على الدور الحيوي الذي يجب أن تلعبه المركبات النظيفة في تقليص حجم الانبعاثات اليوم للوصول إلى مستقبل خال تمامًا من الانبعاثات، مشيرًا إلى أن تقنيات تخزين الهيدروجين – “كالتي تضمها منشأة تخزين هيدروجين ضخمة في تكساس … وتفوق قدرة المحطات الكهربائية بحوالي 1000 ضعف باعتبارها أكبر مجمع لبطاريات الليثيوم أيون في العالم” – يعني أن الهيدروجين يمكن أن يكون عنصرًا رئيسيًا في فتح الأفاق لتقدم كبير.

وفي ظل التوقعات التي تشير إلى أن الكهرباء ستشكل جزءًا كبيرًا من مستقبل وسائل النقل الشخصي، يعتقد بيرول أن الطاقة المحتمل توليدها من الهيدروجين، بالإضافة إلى توجهات القطاعات الصناعية الرئيسية، توفر فرصة لتطوير طرق جديدة للاعتماد على الكهرباء كمصدر للطاقة لكل شيء بدءًا من الشاحنات والسفن ومرورًا بمصافي التكرير والمصانع الكيماوية وحتى مصانع الصلب.

فإذا قدر لرؤية بيرول أن تتحقق على أرض الواقع، فإن صناعات اليوم الثقيلة والملوثة للبيئة سينتهي بها الأمر إلى لا شيء، وستختفي معها الغازات الدفيئة والانبعاثات الضارة، ليحل محلها مصادر أخرى للطاقة تنتج المياه فقط – والتي يمكن أن تستخدم هي نفسها لإنتاج المزيد من الطاقة.

وكل هذا يمكن أن يتحقق بفعل “ العنصر الأكثر وفرة في الكون “. وعلى حد تعبير بيرول: “ما الذي قد يحول دون استفادتنا منه؟”

ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات كبيرة تتطلب مواجهتها والتغلب عليها، أبرزها التكلفة المادية.  يقول بيرول: “ستحتاج الحكومات إلى تحديد ما إذا كان الهيدروجين سينجح أم لا. فوفقًا لتحليل الوكالة الدولية للطاقة، ما زالت معظم المشروعات الجارية، والتي يزيد عددها على 200 مشروع، تعتمد اعتمادًا كبيرًا على التمويل الحكومي المباشر، وهذا يستلزم وضع سياسات ذكية تشجع القطاع الخاص على تأمين إمدادات طويلة الأجل من الهيدروجين النظيف، ومنح المستثمرين حوافز إضافية لدعم الشركات بأفضل صورة ممكنة“.

وتابع بيرول قائلًا أن الشيء الأكثر أهمية هو أن ” العالم يجب ألا يفوت هذه الفرصة غير المسبوقة لجعل الهيدروجين جزءًا مهمًا من مستقبل الطاقة المستدامة “. ويأمل بيرول أن تتحقق أمنياته في ظل تزايد عدد الدول التي تنتهج سياسات تهدف إلى دعم وتشجيع الاستثمار في تقنيات الهيدروجين بشكل مباشر [2]

وثمة العديد من الأسباب المقنعة التي تجعل المركبات العاملة بخلايا وقود الهيدروجين قادرة على توفير بديل جذاب للمركبات الكهربائية الآخذة في الانتشار حاليًا على نطاق واسع. أول هذه الأسباب هو أن مدى المسافة التي يمكن أن تقطعها سيارة الهيدروجين في المرة الواحدة يتراوح ما بين 700 و800 كم، مقارنة بـ 300 كم إلى 400 كم فقط في أفضل السيارات الكهربائية أداءً [3]. ويمكن أن يتم إعادة تزويد المركبات العاملة بخلايا وقود الهيدروجين بالوقود بنفس السرعة التي تحتاجها المركبات العاملة بالبنزين، وهذا أسرع بكثير من عملية شحن السيارات الكهربائية. هذا إلى جانب أن الهيدروجين سيكون مصدرًا نظيفًا تمامًا للطاقة، حيث يتم تخليقه عن طريق استغلال الكهرباء الزائدة الناتجة عن مصادر الطاقة المتجددة لتكسير جزيئات المياه وإنتاج الهيدروجين اللازم لسير المركبات التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين [4].

وسيُسهم إنتاج الهيدروجين النظيف كذلك في التغلب على بعض التحديات التي ما زالت تعيق إحراز تقدم في هذه الصناعة.  فعلى سبيل المثال، يشكل الغاز الطبيعي المصدر الرئيسي حاليًا لإنتاج الهيدروجين، حيث تمثل تكلفة الوقود 45٪ إلى 75٪ من إجمالي تكاليف إنتاج الهيدروجين [5]. وهذا يعني أن إنتاج الهيدروجين لا يتم عبر عملية خالية تمامًا من التلوث. كما أن إنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري يعني أيضًا أن ارتفاع الطلب على الهيدروجين – والذي تضاعف ثلاث مرات منذ عام 1975 – سيصاحبه كذلك زيادة الانبعاثات الناتجة عن إنتاج الهيدروجين بالطرق التقليدية، والتي تصل حاليًا إلى 830 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا، وهي كمية تعادل تقريبًا كمية انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في كل من المملكة المتحدة وإندونيسيا مجتمعتيّن [6].

ولكن يبدو أن أخبارًا سارة تلوح بالأفق مع انخفاض تكلفة الطاقة المتجددة، وهو الأمر الذي يجعل من إنتاج الهيدروجين عبر المصادر المتجددة أكثر جدوى، فضلًا عن أنه يقلل من الانبعاثات إلى أدنى مستوى ممكن. وفي تقريرها الأخير الذي حمل عنوان “مستقبل الهيدروجين”، تتوقع وكالة الطاقة الدولية أن تنخفض تكلفة إنتاج الهيدروجين من الطاقة المتجددة بنسبة 30٪ بحلول عام 2030 نتيجة لانخفاض تكاليف إنتاج الطاقة من المصادر المتجددة وزيادة إنتاج الهيدروجين:

“يتزايد الاهتمام بإنتاج الكهرباء من الهيدروجين في ظل انخفاض تكاليف الطاقة المتجددة، خاصةً من الطاقة الشمسية الكهروضوئية والرياح، وهناك العديد من المشاريع التجريبية في السنوات الأخيرة … ومع انخفاض تكاليف الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتوليد الرياح، فقد يصبح بناء المحولات الكهربائية في مواقع ذات ظروف مواتية لإنتاج للطاقة المتجددة، خيارًا أقل تكلفة لإنتاج الهيدروجين. [7]“

هل حان وقت لإنتاج الوقود الهيدروجيني؟

على الرغم من الإشادة التي حظي بها الهيدروجين في العقود الماضية بوصفه “طاقة المستقبل”، إلا أن بيرول يرى مع غيره من الخبراء أن الأمور قد تكون مختلفة في عالم اليوم.

يقول تقرير وكالة الطاقة الدولية: ” هناك طريق جديد وموثوق به لإنتاج وقود هيدروجيني نظيف واستخدامه على نطاق واسع وبتكلفة معقولة في أنظمة الطاقة العالمية، شريطة أن تبادر الحكومات والشركات والجهات الفاعلة الأخرى إلى استغلال هذه الفرص على المدى القريب” [8].

ففي الصين مثلا، يعود الفضل إلى وان جانج، المدير التنفيذي السابق لشركة أودي – الذي شغل أيضًا منصب وزير العلوم والتكنولوجيا الصيني – في أن مبيعات السيارات الكهربائية في البلاد تمثل الآن واحدة من كل اثنتين من المركبات الكهربائية المباعة على مستوى العالم [9]. يرى جانج أن العالم على أعتاب ثورة جديدة في السيارات المعتمدة على خلايا الوقود، وأن استراتيجية الإعانات الوطنية، كتلك التي تتبناها الصين لدعم نمو السيارات الكهربائية، يمكن أن يكون لها تأثير كبير في هذا الصدد.

وقال جانج في مقال نُشر مؤخراً في صحيفة ساوث تشاينا مورنينج بوست: ” ينبغي أن ننظر في إقامة مجتمع قائم على الوقود الهيدروجيني.  نحن بحاجة إلى الاتجاه نحو خلايا الوقود الهيدروجيني.” وتحدث جانج كذلك عن ذات الموضوع في مقابلة له مع بلومبرج نيوز:

في حالة ارتفاع شعبية المركبات التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجيني وجعلها متاحة أمام الجمهور، فقد تكون هذه أخبارًا جيدة جدًا لقطاع الحافلات في الصين، فمن المعلوم أن حافلات الهيدروجين بمقدورها السير حاليًا لمسافة تفوق تلك التي يمكن للمركبات الكهربائية قطعها (500 كيلومتر مقابل 200 كيلومتر) [10]. ويشير جانج كذلك إلى حقيقة أن الحافلات التي تسافر لمسافات طويلة تفوق عدد الحافلات المستخدمة داخل المدينة بنسبة خمسة إلى واحد في جميع أنحاء الصين.

ويشير تقرير مجموعة ميتسوي كذلك إلى ضرورة تبني مصادر خالية من التلوث للحصول على الهيدروجين اللازم لإشعال ثورة في النقل. “تهدر الصين كميات كبيرة من الكهرباء الزائدة المتولدة من الرياح والطاقة الشمسية، وإذا ما تم تحويل كل هذه الكهرباء إلى هيدروجين، فسيتسنى لنا تلبية الطلب على وقود الهيدروجين لشحن حوالي مليوني سيارة ركاب شخصية [11]. “

تشييد البنية التحتية

تحتاج طموحات كهذه إلى أن تكون مصحوبة بتطورات هائلة في البنية التحتية إذا ما أريد لها أن تتحقق على أرض الواقع.  وبحسب التقديرات الحالية، تتراوح تكلفة بناء محطة هيدروجينية من 3.78 مليون دولار أمريكي إلى 4.73 مليون دولار أمريكي [12]، لكن تخفيف القيود في اللوائح المتعلقة ببناء وتشغيل محطات الهيدروجين – بما في ذلك السماح باستخدام ضواغط الهيدروجين منخفضة التكلفة – من شأنه أن يؤدي إلى خفض هذه التكلفة إلى النصف [13].

أما فيما يخص البنية التحتية اللازمة للتزود بالوقود الهيدروجيني، فمن المبكر القول أن الصين قد حققت المعدل المطلوب منها، لا سيما وأن هذا البلد الشاسع لا يتوفر به سوى 12 محطة للوقود الهيدروجيني [14]. وفي المقابل، تُعد اليابان واحدةً من الدول الرائدة على مستوى العالم في استخدام المركبات القائمة على خلايا الوقود الهيدروجينية، إذ أنها تستهدف تسيير 200,000 مركبة هيدروجينية على طرقها بحلول عام 2025 [15]، وزيادة هذا العدد إلى 800,000 بحلول عام 2030 [16]. وسيتم دعم هذه المركبات من خلال شبكة وطنية تضم 200 محطة للتزود بالوقود الهيدروجيني وتدخل الخدمة فعليًا بحلول نهاية عام 2020. وسيتزامن ذلك مع انطلاق أولمبياد طوكيو لعام 2020 التي ستشهد أيضًا انطلاق سباق “تسيير ملايين مركبات الهيدروجين على طرق اليابان” [17]. واستشرافًا للمستقبل، تسعى اليابان إلى تشغيل 320 محطة هيدروجينية بحلول عام 2025 [18] و900 محطة إضافية بحلول عام 2030 [19].

وبعيدًا عن اليابان، سنجد أن ما يقرب من نصف مركبات الوقود الهيدروجيني المستخدمة في العالم توجد في كاليفورنيا [20]، حيث تضم الولاية الأميركية حاليًا 34 محطة هيدروجينية تخدم أكثر من 4200 سيارة تعمل بخلايا الوقود الهيدروجيني [21]. وكانت لجنة الطاقة بكاليفورنيا قد خصصت مبلغ 92 مليون دولار أمريكي لتمويل إنشاء أكثر من 40 محطة للتزود بالوقود الهيدروجيني كجزء من تحديث خطة الاستثمار 2018-2019 [22]، وهي جهود تلقى ترحيبًا وإشادة واسعيّن من جانب أولئك الذين يشاركون عن كثب في تطوير المركبات العاملة بخلايا الوقود الهيدروجيني في جميع أنحاء ولاية كاليفورنيا.

إلى ذلك، قال كيث مالون، مسؤول الاتصال والتواصل التشريعي في شركة كاليفورنيا لخلايا الوقود: “إن شاغلنا الأساسي في هذه المرحلة هو تشييد البنية التحتية اللازمة، فإذا ما تسنى لنا فتح محطات للوقود الهيدروجيني، فستتمكن شركات السيارات بالنتيجة من بيع انتاجها من السيارات العاملة بهذا النوع من الوقود [23].”

إلى ذلك، قال كيث مالون، مسؤول الاتصال والتواصل التشريعي في شركة كاليفورنيا لخلايا الوقود: “إن شاغلنا الأساسي في هذه المرحلة هو تشييد البنية التحتية اللازمة، فإذا ما تسنى لنا فتح محطات للوقود الهيدروجيني، فستتمكن شركات السيارات بالنتيجة من بيع انتاجها من السيارات العاملة بهذا النوع من الوقود [23].”

وإلى جانب هيونداي ونيكولا وشركة تويوتا للسيارات، الشريك الطويل الأمد لشركة عبد اللطيف جميل، التي تعمل جميعها على تطوير صناعة السيارات الهيدروجينية [24]، قامت شركة مرسيدس بنز، بالفعل بطرح إنتاجها في السوق الأوروبية من سيارات “جي ال سي” (GLC) التي تستخدم خلايا الوقود الهيدروجيني [25]. كما تعتزم شركة “بي أم دبليو” الألمانية لصناعة السيارات دخول سوق خلايا الوقود الهيدروجيني [26] من خلال سياراتها الجديدة “اكس 5” (X5)، وكلها مؤشرات تنم عن مدى المصداقية الكبيرة لفكرة الطفرة المتوقعة في إنتاج الهيدروجين.

ولطالما أكدت شركة تويوتا أن تقنية خلايا الوقود الهيدروجيني يمكن أن توفر حلاً مستدامًا لانبعاثات خالية تمامًا من الكربون عبر مجموعة واسعة من أنواع السيارات، وأن مبيعات السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود ستشهد زيادة كبيرة بعد عام 2020 [27]. وتماشياً مع هذه التوقعات، تخطط الشركة لإنتاج أكثر من 30,000 سيارة كهربائية تعمل بخلايا الوقود سنويًا بعد عام 2020 [28] – وهو ارتفاع كبير مقارنة بإنتاجها من تلك السيارات والذي بلغ 3,000 سيارة سنويًا في عام 2018.

وعلى صعيد المملكة العربية السعودية، أنشأت شركة أرامكو السعودية، بالتعاون مع شركة إير برودكتس، مؤخراً أول محطة لتزويد خلايا الوقود الهيدروجينية بالوقود في وادي الظهران للتقنية.

وكانت شركة عبد اللطيف جميل للسيارات وشركة تويوتا قد تعهدتا بتمويل مرحلة الاختبار التجريبية لتزويد المركبات بالوقود الهيدروجيني بالمحطة، والتي استخدمت فيها سيارات من طراز تويوتا ميراي تعمل بخلايا الوقود.

وجدير بالذكر أن شركة تويوتا تستثمر في تقنية خلايا الوقود الهيدروجيني منذ أكثر من 20 عامًا، وقامت في عام 2014 بطرح كميات كبيرة من سياراتها ميراي كأول سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين. وتمتاز ميراي بخلوها التام من أي انبعاثات كونها تعمل بغاز الهيدروجين المضغوط ولا تنبعث منها أي عوادم بخلاف المياه. وتعمل السيارة من خلال خلية الوقود التي تولد الكهرباء عن طريق خلط الأكسجين من الهواء والهيدروجين من خزان الوقود.

وقال رعد السعدي من شركة عبد اللطيف جميل للسيارات: “نواصل من خلال تعاوننا الوثيق مع شركة تويوتا مشاركتنا طويلة الأمد في بناء مستقبل الطاقة المستدامة في المملكة من خلال طرح مركبات نقل تعمل بالهيدروجين. يعتبر الهيدروجين، الذي يتم إنتاجه في الغالب من النفط أو الغاز الطبيعي اليوم، وقودًا نظيفًا ومستدامًا فضلًا عن أنه يتيح للسائقين التزود بالوقود في غضون 5 دقائق كما هو الحال في محطات الوقود التقليدية، مع إمكانية السير لمسافات أطول بكثير مقارنة بالسيارات الكهربائية. “

وتتطلع شركة عبد اللطيف جميل إلى العمل مع شركة تويوتا للسيارات لسنوات عديدة من أجل مواصلة تطوير المركبات العاملة بخلايا الوقود الهيدروجيني ونشرها على أوسع نطاق في سبيل بناء مستقبل جديد للتنقل من خلال تقنيات أكثر أمانًا للبيئة.