حققت تقنيات الهيدروجين تطورًا واضحًا في عام 2019، مما أثار الاهتمام الشديد بين صانعي السياسات في العالم. لقد كان عامًا قياسيًا في تطوير تقنية التحليل الكهربائي واستخدامها في إنتاج الهيدروجين، وتم الإعلان عن العديد من المبادرات الدولية ذات الصلة، وتضاعف سوق السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية بسبب التوسع المتميز في الصين واليابان وكوريا، وجاء عام 2020 ليثبت الدور الذي يمكن أن يلعبه الهيدروجين في خطة التعافي الاقتصادي جراء فيروس كورونا، وكذلك تحقيق أهداف الحياد المناخي 2050، ومع هذا فما زالت هناك حاجة إلى مزيدٍ من الجهود من أجل العمل على تقليل التكاليف، واستخدام الهيدروجين في تطبيقات جديدة، واستبدال الهيدروجين عالي الكربون بهيدروجين منخفض الكربون (الهيدروجين الأخضر)، في التطبيقات الحالية.
أولًا: طرق إنتاج الهيدروجين
يتم إنتاج الهيدروجين حاليًا بشكل رئيسي من خلال عملية إعادة تشكيل الميثان Steam Methane Reforming (SMR)، وهي الطريقة المستخدمة لإنتاج أكثر من 96% من الهيدروجين الحالي. وفقًا لهذه الطريقة فإنه يتم إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي، وينتج عن عملية إنتاجه كمية كبيرة من الانبعاثات الكربونية، ويطلق عليه في هذه الحالة “الهيدروجين الرمادي”. ومن الممكن إضافة وحدة لالتقاط الانبعاثات الكربونية، وبالتالي ينتج عن عملية الإنتاج كمية أقل من انبعاثات الكربون، ويُسمى في هذه الحالة “الهيدروجين الأزرق”. ومن الممكن إنتاج غاز الهيدروجين من خلال طرق أخرى كالتحليل الكهربائي للماء الذي يؤدي إلى كسر الروابط الكيميائية بين الأوكسجين والهيدروجين، وبالتالي فصل الهيدروجين، ويطلق عليه في هذه الحالة “الهيدروجين الأخضر”، لأن إنتاجه بهذه الطريقة لا يطلق أي انبعاثات ملوثة.
تكلفة إنتاج الهيدروجين من المصادر غير المتجددة، مثل النفط والغاز الطبيعي، أقل من تكلفة إنتاجه بطرق أخرى، ولكن المشكلة هي أن هذه الطريقة تستنزف موارد الوقود الأحفوري، فضلًا عما يترتب عليها من كمية كبيرة جدًا من الانبعاثات الكربونية الضارة للبيئة ولصحة الإنسان. وبالتالي فإن طريقة إنتاج الهيدروجين هي التي سوف تحدد مدى قدرتنا على الاعتماد عليه في عملية التحول إلى الطاقة المتجدّدة؛ والتحدي الذي يواجه العلماء هو التوصل إلى إنتاج الهيدروجين من مصادر متجدّدة بتكلفة منخفضة
جدول (1) الأنواع المختلفة للهيدروجين طبقًا لطريقة إنتاجه
ثانيًا: أسباب تصاعد الاهتمام بالهيدروجين
للهيدروجين استخدامات كثيرة في الصناعة، لكن إمكانيات استخدامه لإنتاج الطاقة هو أكثر ما يثير اهتمام العلماء وكذلك الحكومات حاليًا:
١. الهيدروجين في النقل والمواصلات: يستخدم الهيدروجين كوقود للطائرات والسيارات والقطارات، تلك التي تعمل من خلال خلايا الوقود الهيدروجينية، والتي تعتمد فكرة عملها على تفاعل كهروكيميائي يتم داخل الخلية لإنتاج طاقة تستخدم في وسائل المواصلات تلك مع عدم وجود أي انبعاثات، وتبقى المنافسة بين شركات إنتاج خلايا الوقود بأنواعها في تقليل التكلفة وزيادة الكفاءة، وتقليل الحجم مع زيادة القدرة وكذا سرعة الانتشار، كما يعد الهيدروجين كوقود أحد الخيارات الواعدة في نقل الشاحنات نظرًا لكثافته الضئيلة التي تجعل وزنه منخفضًا، والزمن القصير اللازم لتعبئته، مقارنة بزمن شحن البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية.
٢. الهيدروجين كمصدر مباشر للطاقة: يمكن مزج الهيدروجين في شبكات الغاز الطبيعي القائمة، ولا سيما في المدن ذات الكثافة السكانية العالية، وقد أثبتت العديد من الدراسات أنه يمكن استخدام الهيدروجين مباشرة ومزجه مع الغاز الطبيعي بنسبة تصل إلى 20% دون تغيير في البنية التحتية وشبكات الغاز الحالية.
٣. أهمية الهيدروجين في تخزين الطاقة: في المناطق الغنية بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والتي يعد توليد الكهرباء فيها أرخص كثيرًا من الكهرباء القائمة على الوقود الأحفوري وتقترب أسعار الهيدروجين الأخضر الناتج عن التحليل الكهربائي كثيرًا من أسعار الهيدروجين الرمادي؛ فيمكن تحقيق أقصى استفادة من المصادر المتجددة التي يعتمد إنتاجها على عوامل مناخية متغيرة، مثل: سرعة الرياح أو سطوع الشمس، وزيادة تكلفة تخزينها بالطرق الأخرى مثل البطاريات، في استخدام هذه الطاقة في توليد الهيدروجين واستخدامه لاحقًا كمصدر للطاقة. ويمكن للهيدروجين أيضًا أن يعمل كناقل للطاقة التي يتم إنتاجها من المصادر المتجددة، حيث يتم إسالة الهيدروجين وتخزينه في خزانات معينه ونقله أو تصديره إلى مسافات بعيدة.
ويمكن أن يلعب الهيدروجين الأخضر دورًا مهمًا في استراتيجيات إزالة الكربون، خاصةً عندما تكون الكهرباء المباشرة صعبة في القطاعات كثيفة الاستهلاك، مثل الحديد والصلب والكيماويات، والنقل لمسافات طويلة، والشحن والطيران وغيرها، كما يمكن أن يساعدنا الهيدروجين الأخضر في بناء نظام طاقة مرن يقوم على التقنيات الحديثة، ويتبنى الحلول المبتكرة، ويعد المصدر الأقوى لتخزين الطاقة وخاصة تلك المنتجة من المصادر المتجددة، والتي يصعب تخزينها أو يتطلب تخزينها بطاريات بتكلفة عالية تعوق استخدامها.
ثالثًا: تكاليف إنتاج الهيدروجين
تتفاوت تكاليف إنتاج الهيدروجين من التقنيات المختلفة على حسب توافر مصادر الطاقة، حيث تمثل تكلفة توفير الطاقة اللازمة لإنتاج الهيدروجين نسبة تتراوح بين 45-75% في تكنولوجيات الإنتاج المختلفة. وبحسب تقرير الوكالة الدولية للطاقة “IEA” فإن تكاليف إنتاج الهيدروجين، طبقًا لمصدر الطاقة المستخدمة، تبلغ أدناها مع الفحم والغاز الطبيعي، مع ما يترتب على هذه التكنولوجيات من انبعاثات. وتبلغ أقصى مستوى لها عند استخدام الطاقات المتجددة، مع أنها طريقة نظيفة تمامًا. وكلما أمكن تخفيض تكلفة إنتاج الهيدروجين من الطاقات المتجددة، أصبح ممكنًا الاستفادة من الهيدروجين في بدائل الطاقة، وهو التطور الحادث سريعًا في هذه المرحلة.
جدول (2) يوضح تكلفة إنتاج الهيدروجين من المصادر المختلفة طبقًا للوكالة الدولية للطاقة
تبلغ حصة الهيدروجين الأخضر الناتج من المصادر المتجددة 1% فقط من إجمالي الهيدروجين المستخدم حاليًا، وذلك نظرًا لارتفاع تكلفة إنتاجه. وتتوقع الوكالة الدولية للطاقة في تقرير صدر منتصف 2019 أن تنخفض تكلفة إنتاج الهيدروجين من الطاقة المتجددة بنسبة 30% بحلول سنة 2030، ومن المتوقع أن يؤدي انخفاض تكلفة إنتاج الطاقة المتجددة وتراجع تكلفة تكنولوجيا التحليل الكهربائي، إلى تخفيض تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر إلى أسعار تقل عن دولارين، وربما تصل إلى دولار واحد لكل كيلو جرام في سنة 2050، مما يجعل منه وقود المستقبل.
الهيدروجين الأخضر
تأتي الطفرة التي بتنا على أبوابها من ظهور ما هو معروف “بالهيدروجين الأخضر”، والذي يتم إنتاجه من أجهزة التحليل الكهربي باستخدام مصادر الطاقة المتجددة (شمس، رياح…) والتي أصبحت تكلفتها تنافس بشكل واضح تكلفة المصادر التقليدية. وتقدر وكالة بلومبرج للطاقة أن الهيدروجين الأخضر سيكون مستخدمًا على نطاق واسع بحلول عام 2030، ليصبح قادرًا على إنقاذ العالم من الوقود الأحفوري، مع خفض تكاليف إنتاجه والتقدم التكنولوجي السريع لتقنياته، إذ إن الطاقة التي ينتجها كيلوجرام واحد من الهيدروجين الأخضر تساوي الطاقة الناتجة عن 2.8 كيلوجرام من وقود الجازولين الأحفوري الملوِّث للبيئة.
يحتاج إنتاج الهيدروجين بالإضافة إلى الكهرباء، كميات قليلة نسبيًا من المياه، فإنتاج كيلوجرام واحد من الهيدروجين يحتاج إلى 9 لترات من المياه، في حين يصل محتوى الطاقة في كيلوجرام واحد من الهيدروجين إلى 39.4 كيلووات/ الساعة. ويعتمد إنتاج الهيدروجين الأخضر على كفاءة أنواع وحدات التحليل الكهربية المستخدمة، حيث يتم العمل حاليًا على زيادة حجم الوحدة من 1 ميجاوات (الحجم النموذجي حاليًا) إلى 20 ميجاوات، وبالتالي يتم خفض التكاليف بأكثر من الثلث.
رابعًا: خطوات دولية نحو استخدام الهيدروجين
أعلنت العديد من الدول، مثل ألمانيا وبريطانيا وأستراليا واليابان وكوريا الجنوبية والنرويج وهولندا، خلال العام الماضي عن خططها لإنتاج الهيدروجين. وخلال الفترة الماضية تسارعت وتيرة تطبيق هذه الخطط رغم انتشار جائحة “كورونا”. فقد خصصت أستراليا، على سبيل المثال، نحو 191 مليون دولار أمريكي لبدء مشروعات في قطاع الهيدروجين. وتخطط البرتغال لبناء محطة هيدروجين جديدة تعتمد على الطاقة الشمسية والتحليل الكهربائي بحلول سنة 2023، كما كشفت هولندا عن استراتيجيتها الخاصة بالهيدروجين في أواخر مارس 2020، حيث تسعى لإنتاج الهيدروجين الأخضر من محطات بقدرة 500 ميجاوات بحلول سنة 2025، ومن بين هذه الأطراف تظل ألمانيا والاتحاد الأوروبي واليابان هي الأبرز.
١. ريادة ألمانية في تكنولوجيا الهيدروجين:
تهدف ألمانيا لأن تصبح رائدة العالم في تكنولوجيا الهيدروجين، وترغب في تعزيز الإنتاج الصناعي له، كما أنها تدعم بقوة التحول الطاقي. ولهذه الغاية قرر مجلس الوزراء “الاستراتيجية الوطنية الألمانية للهيدروجين” في يونيو 2020، وذلك ضمن حزمة اقتصادية كبيرة لمجابهة التداعيات السلبية لفيروس كورونا المستجد على الاقتصاد الألماني بلغت 130 مليار يورو سيتم إنفاقها خلال عامي 2020/2021، وقد تضمنت تلك الحزمة تخصيص 9 مليارات يورو لدعم التحول نحو الهيدروجين، وتشمل عددًا من الأنشطة الهامة منها:
- تطوير مصانع إنتاج الهيدروجين ودعم استفادة جميع مناطق ألمانيا من القيمة المضافة للاقتصاد القائم على الهيدروجين، وسيتم دعم ذلك بقيمة 7 مليارات يورو.
- بناء شراكات مع البلدان التي يمكن فيها إنتاج الهيدروجين بكفاءة اعتمادًا على الطاقات المتجددة وباستخدام التقنيات الألمانية، وبالتالي بناء مصانع كبيرة لإنتاج الهيدروجين في هذه البلاد وتصدير الهيدروجين لألمانيا لسد احتياجاتها، وتطوير عمليات التخزين والقدرات الإنتاجية والبنية التحتية من خلال تخصيص دعم إضافي قدره 2 مليار يورو. ولقد وضعت ألمانيا الخطة التنفيذية لاستراتيجية الاستثمار في الهيدروجين ونقله وتخزينه وتطوير تقنياته ونشر استخدامه وجعله اقتصادًا مستدامًا من خلال مرحلتين، الأولى في الفترة 2020-2023، والثانية في الفترة التالية حتى عام 2030.
٢. الاستراتيجية الأوروبية للهيدروجين:
عقب الإعلان عن الاستراتيجية الألمانية للهيدروجين قامت المفوضية الأوروبية بالإعلان عن الاستراتيجية الأوروبية للهيدروجين والتي تحدد الانتقال التدريجي لاستخدام الهيدروجين وفقًا لمراحل زمنية محددة، وتم إنشاء اتحاد أوروبي للهيدروجين ليكون مسئولًا عن تنفيذ هذه الاستراتيجية، وفقًا للمراحل التالية:
- الفترة 2020-2024: مستهدف إنتاج ما لا يقل عن 6 جيجاوات من الطاقات الجديدة والمتجددة لاستخدامها في التحليل الكهربي لإنتاج الهيدروجين، وإنتاج مليون طن من الهيدروجين الأخضر.
- الفترة 2025-2030: تستهدف أن يصبح الهيدروجين مكونًا رئيسيًا في نظام الطاقة المتكامل في الاتحاد الأوروبي، وإنتاج ما لا يقل عن 10 ملايين طن من الهيدروجين من الطاقات المتجددة.
- الفترة 2030-2050: عندها تصل تقنيات الهيدروجين إلى النضج، ويتم نشرها على نطاق واسع واستخدامه في كافة القطاعات وتحقيق الحياد المناخي والتخلص من الكربون.
٣. الاستراتيجية اليابانية لتسويق إنتاج الهيدروجين:
تهدف الاستراتيجية اليابانية إلى تسويق إنتاج الهيدروجين بحلول عام 2030، والوصول للاعتماد الكامل عليه بحلول 2050. وتركز جهود البحث والتطوير حاليًا على إنشاء ما يُعرف بـ”مجتمع الهيدروجين”، والذي يهدف إلى تقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين وتطوير تقنياته وتوسيع التطبيقات التي ترفع من مستويات الطلب عليه.
وتستهدف اليابان تقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين لتوليد الطاقة والذي يبلغ حاليًا 100 ين ياباني /م3، وذلك للمنافسة مع أسعار الغاز الطبيعي (مصدر الطاقة الأهم في اليابان)، والذي يتم استيراده بسعر يتجاوز 8 دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية، وذلك وفقًا لتقارير منظمة الدول العربية المصدرة للنفط لعام 2020 والوصول بها إلى 20 ينًا يابانيًا / م3 وصولًا إلى 2050 كما في الجدول التالي:
التكلفة المستهدفة لإنتاج الهيدروجين
وتتوقع اليابان أن يصل إنتاج الهيدروجين في التطبيقات المختلفة للطاقة بحلول عام 2030 إلى 300 ألف طن سنويًا، وهو لا يزيد حاليًا عن حوالي 200 طن مكافئ من الهيدروجين، فضلًا عن زيادة استخدامات السيارات الكهربية وخلايا الوقود.
خامسًا: تجارب عربية
بدأت بعض الدول العربية في الدخول إلى مجال طاقة الهيدروجين، خاصة الإمارات والمغرب، حيث اعتمدت دولة الإمارات مشروع الهيدروجين الأخضر في مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية لإنتاج هيدروجين من حقل مركزات شمسي CSP بقدرة 1.25 ميجاوات، وستصل القدرة الإجمالية إلى 5000 ميجاوات بحلول عام 2030 باستثمارات تصل إلى 13.6 مليار دولار، كما يتم التعاون بين المغرب وألمانيا حاليًا، حيث تم توقيع اتفاقية إنتاج الهيدروجين الأخضر بهدف إجراء مشروعات بحثية واستثمارية، حيث إن الموقع المميز للمغرب يؤهلها للربط بين إفريقيا وأوروبا والشرق الأوسط، من خلال توافر شبكات وأنابيب النقل والبنية التحتية اللازمة، حيث تم الإعلان عن مشروعين:
- مشروع إنتاج الهيدروجين الأخضر للقطاع الصناعي.
- مشروع منصة أبحاث الهيدروجين الأخضر.
سادسًا: مصر واستراتيجية الهيدروجين
أدركت مصر الدور الهام الذي يمكن أن يلعبه الهيدروجين في قطاع الطاقة المصري، وكذلك دوره في تحقيق المكانة الدولية لمصر من خلال كونها مركزًا إقليميًا للطاقة بكافة أشكالها، لذا شكلت مصر لجنة خاصة بمشاركة الجهات المعنية والأطراف الفاعلة الوطنية والدولية لوضع استراتيجية وطنية للهيدروجين، وبحث كافة أشكال التعاون لتحقيق الاستفادة القصوى من الإمكانات المصرية في إنتاج وتخزين ونقل وتصدير الهيدروجين، خاصة مع أوروبا.
وتوفر البنية التحتية الحالية، مثل شبكات الغاز الطبيعي، فرصًا كبيرة لإنشاء وتوسيع الطلب على الهيدروجين، وخاصة الهيدروجين الأخضر، والذي من خلاله يتم الاستفادة من مصادر الطاقة المتجددة الأقل تكلفة وتقليل الانبعاثات، كما يمكن تطوير السياسات واللوائح التي تدعم مزج الهيدروجين في شبكات الغاز، مع مراعاة معايير حدود المزج في شبكات الغاز الطبيعي، وأمان استخدام التطبيقات الجديدة، خاصة في القطاعات المنزلية والصناعية. وفي شهر يناير الماضي وقع الدكتور محمد شاكر، وزير الكهرباء والطاقة المتجددة، والسيد جو كيزر، الرئيس التنفيذي لشركة سيمنس، اتفاق نوايا للبدء في المناقشات والدراسات لتنفيذ مشروع تجريبي لإنتاج الهيدروجين الأخضر بقدرة 100 ميجاوات في مصر كخطوة أولى نحو التوسع في هذا المجال وصولًا إلى إمكانية التصدير.