الاتجاهات في تطوير طاقة الهيدروجين
طاقة الهيدروجينيعد الهيدروجين مصدرًا ثانويًا للطاقة وفيرًا وخضراء ومنخفض الكربون وقابل للتطبيق على نطاق واسع. أصبح تدريجيًا أحد أهم الناقلات في التحول العالمي للطاقة. تعد الصين أكبر منتج للهيدروجين في العالم، حيث أتقنت في البداية التقنيات والعمليات الرئيسية المتعلقة بإنتاج الهيدروجين وتخزينه ونقله وإعادة تزويده بالوقود، وبالتالي تشكيل سلسلة صناعية كاملة نسبيًا للطاقة الهيدروجينية. في السنوات الأخيرة، تطورت صناعة الطاقة الهيدروجينية في الصين بسرعة، وجذبت العديد من المشاركين وأنتجت عددًا من الشركات المعروفة ذات القدرة التنافسية القوية. حاليًا، أنشأت الشركات الرائدة في الصناعة مزايا تنافسية من خلال تعزيز البحث والتطوير التكنولوجي، وتبسيط روابط السلسلة الصناعية، وبناء شبكات المبيعات، وتنمية المواهب المهنية.
في المستقبل، ومع استمرار تطور صناعة طاقة الهيدروجين، سترتفع طلبات العملاء على إنتاج الهيدروجين بشكل متزايد، مما يؤدي إلى تعزيز توحيد الصناعة. وستزداد حصة الشركات الرائدة في السوق تدريجيًا، وستصبح الحواجز أمام الدخول في قطاع طاقة الهيدروجين أكثر وضوحًا. لتحقيق أهداف ذروة الكربون والحياد الكربوني، وضعت الصين طاقة الهيدروجين كجزء مهم من نظام الطاقة الوطني المستقبلي، ووسيلة رئيسية لتحقيق التحول الأخضر ومنخفض الكربون في محطات الاستخدام النهائي للطاقة، ونقطة محورية للصناعات الناشئة الاستراتيجية والتنمية الصناعية المستقبلية.
استجابة للسياسات الوطنية، تمارس الشركات بنشاط استراتيجية الكربون المزدوج، وتوظف التقنيات الناضجة لضمان التشغيل طويل الأمد والمستقر والموثوق. يعتمد التحليل الكهربائي للمياه القلوية لإنتاج الهيدروجين في المقام الأول على التكنولوجيا للاستحواذ على السوق، والجودة لتعزيزها، والخدمة لتوسيعها. مدفوعة بطلب السوق، بقيادة التكنولوجيا، والتركيز على الجودة للسمعة، مع الابتكار كمسار للتنمية، تهدف الصناعة إلى تحقيق انبعاثات صفرية وتلوث حقيقي، وعمر خدمة طويل، ومراقبة وتشغيل رقمي، وسلامة، وأوضاع تشغيل بدون طيار، مع جودة ممتازة، وإمدادات في الوقت المناسب، وتسعير معقول، وخدمة من الدرجة الأولى.
تتميز طاقة الهيدروجين بمزايا مثل التلوث الصفري والقيمة الحرارية العالية والتنوع في التخزين والتطبيق. يمكن لتحليل الماء بالكهرباء الاستفادة من الطاقة المتجددة والكهرباء المتقلبة الزائدة لإنتاج الهيدروجين، مما يجعلها واحدة من أكثر الطرق المثالية والصديقة للبيئة لإنتاج الهيدروجين. لذلك، فإن تطوير تحليل الماء بالكهرباء باستخدام الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين مهم لأمن الطاقة والحد من ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، يتم حاليًا إنتاج 4٪ فقط من الهيدروجين عالميًا من خلال تحليل الماء بالكهرباء، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى التكاليف المرتفعة المرتبطة بهذه الطريقة، حيث يعد استهلاك الكهرباء وتكاليف المحلل الكهربائي من القيود الرئيسية للتطبيق على نطاق واسع.
تحت زخم أهداف الكربون المزدوج، من المتوقع أن يؤدي التقدم في تقنيات توليد الطاقة المتجددة إلى خفض أسعار الكهرباء، مما يعمل كمحفز قوي لتطوير صناعة إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء. تكتسب تقنية التحليل الكهربائي القلوي اهتمامًا بسبب تكلفتها المنخفضة وعمرها الطويل ومصادر المواد الوفيرة، مما يجعلها مناسبة لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع. ومع ذلك، في تطبيقات إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع، لا يزال من الضروري تعزيز كثافة التيار وكفاءة الطاقة لتقنية التحليل الكهربائي القلوي بشكل أكبر لتحسين معداتها وتكلفة الكهرباء. تلعب مواد الغشاء والأقطاب الكهربائية دورًا حاسمًا لا يمكن الاستغناء عنه في هذه العملية.
التوقعات المستقبلية لتكنولوجيا إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للمياه
تعتمد تكلفة إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء بشكل أساسي على تكاليف الكهرباء وتكاليف الاستثمار في المحلل الكهربائي وأحمال التشغيل، حيث تؤثر تكاليف الكهرباء على حساسية إنتاج الهيدروجين بنسبة تصل إلى 60-70٪. ومع انخفاض تكاليف الكهرباء، ستزداد نسبة تكاليف الاستثمار في المعدات تدريجيًا. ستنبع محركات خفض التكاليف في المستقبل بشكل أساسي من انخفاض أسعار الكهرباء وزيادة معدلات استخدام المعدات والتقدم التكنولوجي لتقليل تكاليف المحلل الكهربائي. ومع ذلك، نظرًا لأن تكنولوجيا المحلل الكهربائي القلوي ناضجة للغاية بالفعل، فإن المدى الذي يمكن فيه خفض التكاليف من خلال الابتكار التكنولوجي محدود. ومع المزيد من التطور الصناعي، ستستمر سيناريوهات التطبيق المستقبلية في التوسع، ويتم الاعتراف بالاستهلاك واسع النطاق ومنخفض التكلفة ومنخفض الطاقة كإجماع للتنمية الصناعية.
تصنيف الطرق التكنولوجية لإنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء
هناك أربعة طرق تكنولوجية رئيسية لإنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء: التحليل الكهربائي للماء القلوي (ألك)، التحليل الكهربائي للماء بغشاء التبادل البروتوني (بيم)، التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (شركة كهرباء جنوب السودان)، والتحليل الكهربائي للماء بغشاء التبادل الأنيوني (إيم).
التحليل الكهربائي القلوي (ألك):يتم تنفيذ هذه العملية في محلول إلكتروليت قلوي (عادةً كوه)، حيث تمر أيونات أوه- عبر الغشاء إلى الأنود، وتفقد الإلكترونات لإنتاج O2، بينما يكتسب الماء عند الكاثود الإلكترونات لإنتاج H2 وOH-.
التحليل الكهربائي لغشاء التبادل البروتوني (بيم):تعتمد هذه الطريقة على تحليل الماء النقي كهربائيًا، حيث تتأكسد جزيئات H2O عند الأنود لتوليد الأكسجين وأيونات H+. تنتقل أيونات H+ عبر غشاء تبادل البروتون إلى الكاثود تحت تأثير المجال الكهربائي وتخضع لتفاعل اختزال لتوليد غاز الهيدروجين.
التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (شركة كهرباء جنوب السودان):تتضمن هذه العملية تأين بخار الماء لتوليد أيونات الهيدروجين والأكسجين عند درجات حرارة عالية، عادة أعلى من 600 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة لإنتاج بخار عالي الحرارة وعالي الضغط في أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية.
التحليل الكهربائي لغشاء التبادل الأنيوني (إيم):تستخدم هذه العملية عادةً الماء النقي أو المحلول القلوي منخفض التركيز كإلكتروليت، حيث تمر أيونات أوه- عبر غشاء التبادل للوصول إلى الأنود لتوليد الماء والأكسجين، بينما تنتج جزيئات الماء عند الكاثود أوه- وغاز الهيدروجين.
مقارنة طرق إنتاج الهيدروجين
كل طريقة لها نقاط القوة والضعف الخاصة بها:
التحليل الكهربائي القلوي (ألك)
المزايا:حاليا هي التكنولوجيا الأكثر نضجا مع تكاليف المعدات المنخفضة.
القيود:سائل تآكلي؛ تكاليف تشغيل وصيانة عالية؛ الكفاءة النظرية أقل من كفاءة بيم وSOEC؛ من الصعب تطبيقها في مصادر الطاقة المتقطعة.
التحليل الكهربائي لغشاء التبادل البروتوني (بيم)
المزايا:قدرة عالية على التكيف مع مصادر الطاقة المتقطعة، وسهولة التكامل مع الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية؛ وتكاليف تشغيل وصيانة منخفضة.
القيود:تكاليف المعدات العالية؛ تتطلب محفزات من المعادن الثمينة.
التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (شركة كهرباء جنوب السودان)
المزايا:كفاءة نظرية عالية؛ يمكن استخدام محفزات من معادن غير ثمينة.
القيود:بيئة تفاعل عالية الحرارة، سيناريوهات تطبيق محدودة؛ لا تزال في مرحلة البحث والتطوير في المختبر ولم يتم تسويقها بعد.
التحليل الكهربائي لغشاء التبادل الأنيوني (إيم)
المزايا:يجمع بين مزايا القلوية وPEM: تكاليف المواد المنخفضة؛ انخفاض تآكل المنحل بالكهرباء (محلول قلوي مخفف أو ماء)؛ لا يتطلب محفزات المعادن الثمينة.
القيود:صعوبات في الإنتاج الضخم لأغشية التبادل الأنيوني، والتي لا تزال في مرحلة البحث والتطوير.
إن طريق التحليل الكهربائي القلوي ناضج، ويُظهر بيم إمكانات نمو قوية، في حين أن شركة كهرباء جنوب السودان وAEM لديهما إمكانات مستقبلية واعدة.
