اقتصاد الهيدروجين هو نظام مقترح لتوصيل الطاقة باستخدام الهيدروجين. مصطلح “الاقتصاد الهيدروجيني” صاغه جون بوكريس خلال حديث ألقاه عام 1970 في مركز جنرال موتورز التقني. واقترح هذا المفهوم في وقت سابق من قبل JBS Haldane علم الوراثة.

ويدافع أنصار اقتصاد الهيدروجين عن الهيدروجين كوقود محتمل للقوة المحركة (بما في ذلك السيارات والقوارب) والطاقة الإضافية على متن السفن ، وتوليد الطاقة الثابتة (على سبيل المثال ، لاحتياجات الطاقة في المباني) ، وكوسيط لتخزين الطاقة (على سبيل المثال ، للتبادل من الطاقة الكهربائية الزائدة المتولدة خارج الذروة). لا يحدث الهيدروجين الجزيئي من النوع الذي يمكن استخدامه كوقود بشكل طبيعي في مكامن مريحة ؛ ومع ذلك ، يمكن توليده عن طريق إعادة تشكيل البخار للهيدروكربونات ، أو تحليل المياه بالكهرباء أو بوسائل أخرى.

وقد وصفت بعض الانتقادات من قبل بعض النقاد ومؤيدي التكنولوجيات البديلة زيادة الاهتمام بالمفهوم خلال العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ويجري الآن تجديد نشاط ناقل الطاقة ، ولا سيما عن طريق تشكيل مجلس الهيدروجين في عام 2017. وقد أصدرت العديد من الشركات المصنعة الآن سيارات خلايا وقود الهيدروجين تجاريا ، مع شركات تصنيع مثل تويوتا ومجموعات الصناعة في الصين تخطط لزيادة عدد السيارات في مئات الآلاف على مدى العقد المقبل.

المنطق
واقترحت جامعة ميشيغان اقتصاد الهيدروجين لحل بعض الآثار السلبية لاستخدام الوقود الهيدروكربوني حيث يتم إطلاق الكربون في الغلاف الجوي (مثل ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحروقة ، وما إلى ذلك). عموما يمكن أن يعزى الاهتمام الحديث في اقتصاد الهيدروجين إلى تقرير فني لعام 1970 من قبل لورانس دبليو جونز من جامعة ميشيغان.

في الاقتصاد الهيدروكربوني الحالي ، يتم تشغيل النقل بالدرجة الأولى عن طريق البترول. يحرق حرق الوقود الهيدروكربوني ثاني أكسيد الكربون والملوثات الأخرى. إن إمدادات الموارد الهيدروكربونية القابلة للاستخدام من الناحية الاقتصادية في العالم محدودة ، ويزداد الطلب على الوقود الهيدروكربوني ، لا سيما في الصين والهند وغيرها من البلدان النامية.

يجادل مؤيدو اقتصاد الهيدروجين على نطاق عالمي بأن الهيدروجين يمكن أن يكون مصدر طاقة أنظف بيئيًا للمستخدمين النهائيين ، خاصة في تطبيقات النقل ، دون إطلاق الملوثات (مثل الجسيمات) أو ثاني أكسيد الكربون عند نقطة الاستخدام النهائي. وقد أكد تحليل عام 2004 أن “معظم مسارات سلسلة إمدادات الهيدروجين من شأنها أن تنبعث كمية أقل بكثير من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مقارنة مع الغازولين المستخدم في المركبات الكهربائية الهجينة” وأن التخفيضات الكبيرة في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ستكون ممكنة إذا كانت طرق احتجاز الكربون أو عزل الكربون تستخدم في موقع إنتاج الطاقة أو الهيدروجين.

يحتوي الهيدروجين على كثافة طاقة عالية من حيث الوزن ولكن لديه كثافة طاقة منخفضة من حيث الحجم. حتى عندما تكون مضغوطة أو مبللة للغاية ، تكون كثافة الطاقة بالحجم 1/4 فقط من البنزين ، على الرغم من أن كثافة الطاقة بالوزن تقارب ثلاثة أضعاف الغازولين أو الغاز الطبيعي. ويقال إن محرك الاحتراق الداخلي لدورة أوتو الذي يعمل على الهيدروجين لديه كفاءة قصوى تصل إلى حوالي 38٪ ، أي أعلى بنسبة 8٪ من محرك احتراق داخلي للبنزين.

مزيج من خلية الوقود والمحرك الكهربائي هو أكثر من 2-3 مرات أكثر كفاءة من محرك الاحتراق الداخلي. خفضت التكاليف الرأسمالية لخلايا الوقود انخفاضا كبيرا خلال السنوات الأخيرة ، مع تكلفة نموذجية قدرها 50 دولار / كيلوواط ذكرتها وزارة الطاقة.

وشملت العقبات التقنية السابقة مشاكل تخزين الهيدروجين ومتطلبات النقاء الهيدروجين المستخدمة في خلايا الوقود ، كما هو الحال مع التكنولوجيا الحالية ، تتطلب خلية وقود التشغيل أن يصل مستوى نقاء الهيدروجين إلى 99.999٪. يمكن اعتبار تكنولوجيا تحويل محرك الهيدروجين أكثر اقتصادا من خلايا الوقود.

سوق الهيدروجين الحالي
يعتبر إنتاج الهيدروجين من الصناعات الكبيرة والمتنامية ، حتى عام 2004. على الصعيد العالمي ، تم إنتاج حوالي 57 مليون طن متري من الهيدروجين ، أي ما يعادل حوالي 170 مليون طن من النفط المكافئ ، في عام 2004. يبلغ معدل النمو حوالي 10٪ سنوياً. داخل الولايات المتحدة ، كان الإنتاج في عام 2004 حوالي 11 مليون طن متري ، وهو متوسط ​​تدفق طاقة يبلغ 48 جيجاوات. (للمقارنة ، كان متوسط ​​الإنتاج الكهربائي في عام 2003 يبلغ نحو 442 جيجاوات.) حتى عام 2005 ، بلغت القيمة الاقتصادية لجميع الهيدروجين المنتج في جميع أنحاء العالم نحو 135 مليار دولار سنوياً.

هناك استخدامين رئيسيين للهيدروجين اليوم. يتم استخدام حوالي نصف في عملية هابر لإنتاج الأمونيا (NH3) ، والذي يستخدم بعد ذلك بشكل مباشر أو غير مباشر كسماد. نظرًا لتزايد عدد سكان العالم والزراعة المكثفة التي تدعمها ، يتزايد الطلب على الأمونيا. يمكن استخدام الأمونيا كأسلوب غير مباشر أكثر أمانًا لنقل الهيدروجين. يمكن تحويل الأمونيا المنقولة مرة أخرى إلى الهيدروجين في العربة بواسطة تقنية الغشاء.

يستخدم النصف الآخر من إنتاج الهيدروجين الحالي لتحويل مصادر النفط الثقيلة إلى أجزاء أخف مناسبة للاستخدام كوقود. وتعرف هذه العملية الأخيرة بالتكسير بالهيدروجين. وتمثل عملية التكسير الهيدروجيني مجالًا أكبر للنمو ، حيث أن ارتفاع أسعار النفط يشجع شركات النفط على استخراج مواد المصدر الأكثر فقرا ، مثل الرمال القطنية والصخر الزيتي. إن حجم الاقتصادات المتأصلة في عمليات تكرير النفط وتصنيع الأسمدة على نطاق واسع يجعل من الممكن إنتاج الموقع والاستخدام “الأسير”. يتم تصنيع كميات أصغر من الهيدروجين “التاجر” وتسليمها إلى المستخدمين النهائيين أيضًا.

إذا كانت الطاقة لإنتاج الهيدروجين متوفرة (من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية أو الانشطار أو الطاقة النووية الخ) ، فإن استخدام المادة لإنتاج الوقود الهيدروكربوني يمكن أن يزيد من الاستخدام الأسير للهيدروجين بعامل من 5 إلى 10. الاستخدام الحالي للولايات المتحدة للهيدروجين التكسير بالهيدروجين هو تقريبا 4 مليون طن سنويا. وتشير التقديرات إلى أن 37.7 طن متري سنوياً من الهيدروجين ستكون كافية لتحويل الفحم المحلي الكافي إلى وقود سائل لإنهاء اعتماد الولايات المتحدة على استيراد النفط الأجنبي ، وأقل من نصف هذا الرقم لإنهاء الاعتماد على نفط الشرق الأوسط. سيوفر تسييل الفحم انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أسوأ بكثير من النظام الحالي لحرق البترول الأحفوري ، لكنه سيزيل الضعف السياسي والاقتصادي المتأصل في استيراد النفط الأمريكي قبل تسويق النفط الضيق في أمريكا الشمالية.

اعتبارا من 2004 و 2016 ، 96 ٪ من إنتاج الهيدروجين العالمي من الوقود الأحفوري (48 ٪ من الغاز الطبيعي ، 30 ٪ من النفط ، و 18 ٪ من الفحم) ؛ حسابات المياه الكهربائية لمدة 4 ٪ فقط. يعكس توزيع الإنتاج آثار القيود الديناميكية الحرارية على الخيارات الاقتصادية: من الطرق الأربعة للحصول على الهيدروجين ، والاحتراق الجزئي للغاز الطبيعي في محطة لتوليد الطاقة من الغاز الطبيعي المركب (NGCC) يوفر المسار الكيميائي الأكثر فعالية والأكثر فاعلية. من الطاقة الحرارية القابلة للاستخدام. (يحتاج إلى مرجع)

كما حفزت السوق الكبيرة والأسعار المرتفعة بشكل حاد في الوقود الأحفوري اهتمامًا كبيرًا بالوسائل البديلة والأرخص لإنتاج الهيدروجين. اعتبارا من عام 2002 ، يتم إنتاج معظم الهيدروجين في الموقع وتكلفة ما يقرب من 0.70 دولار / كجم ، وإذا لم تنتج في الموقع ، فإن تكلفة الهيدروجين السائل حوالي 2.20 دولار / كجم إلى 3.08 دولار / كجم.

خلايا الوقود كبديل للاحتراق الداخلي
أحد العروض الرئيسية لاقتصاد الهيدروجين هو أن الوقود يمكن أن يحل محل الوقود الأحفوري المحترق في محركات الاحتراق الداخلي والتوربينات كطريقة رئيسية لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حركية أو كهربائية ؛ بموجب هذا القضاء على انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتلوث من هذا المحرك. على الرغم من أنه يمكن استخدام الهيدروجين في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية ، فإن لخلايا الوقود ، كالكهربائية الكهروكيميائية ، ميزة كفاءة نظرية على المحركات الحرارية. تكون خلايا الوقود أكثر تكلفة لإنتاجها من محركات الاحتراق الداخلي الشائعة.

تعمل بعض أنواع خلايا الوقود مع وقود هيدروكربوني ، في حين يمكن تشغيل جميعها على الهيدروجين النقي. في حال أصبحت خلايا الوقود قادرة على المنافسة بأسعار تنافسية مع محركات الاحتراق الداخلي والتوربينات ، يمكن لمحطات الطاقة الكبيرة التي تعمل بالغاز اعتماد هذه التقنية.

يجب تمييز غاز الهيدروجين بأنه “درجة تقنية” (خمسة نقية ، 99.999٪) ، وهو مناسب للتطبيقات مثل خلايا الوقود ، و “درجة تجارية” ، والتي تحتوي على شوائب تحتوي على الكربون والكبريت ، ولكن يمكن تنتج من عملية الإصلاح البخاري الأرخص بكثير. تتطلب خلايا الوقود الهيدروجين عالي النقاء ، لأن الشوائب ستؤدي بسرعة إلى تدهور حياة مكدس خلايا الوقود.

يركز الكثير من الاهتمام بمفهوم اقتصاد الهيدروجين على استخدام خلايا الوقود لتشغيل السيارات الكهربائية. خلايا الوقود الهيدروجينية الحالية تعاني من انخفاض نسبة الطاقة إلى الوزن. تكون خلايا الوقود أكثر كفاءة من محركات الاحتراق الداخلي ، ولا تنتج أي انبعاثات ضارة. إذا تم إدخال طريقة عملية لتخزين الهيدروجين ، وخلايا الوقود تصبح أرخص ، فإنها يمكن أن تكون مجدية اقتصاديًا لتشغيل مركبات خلايا الوقود والبطاريات الهجين ، أو الوقود الذي يحركها الخلايا بحتة. سوف تتحسن الجدوى الاقتصادية للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود لأن الوقود الهيدروكربوني المستخدم في محركات الاحتراق الداخلي يصبح أكثر تكلفة ، بسبب استنزاف احتياطيات يمكن الوصول إليها بسهولة أو محاسبة اقتصادية للتأثير البيئي من خلال تدابير مثل ضرائب الكربون.

تقنيات خلايا الوقود الأخرى التي تعتمد على تبادل أيونات المعادن (مثل خلايا وقود الهواء الزنك) عادة ما تكون أكثر كفاءة في تحويل الطاقة من خلايا الوقود الهيدروجيني ، ولكن الاستخدام الواسع النطاق لأي طاقة كهربائية chemical الطاقة الكيميائية → سيستلزم نظام الطاقة الكهربائية الإنتاج من الكهرباء.

منذ خطاب حالة الاتحاد لعام 2003 ، عندما جاء مفهوم اقتصاد الهيدروجين إلى البروز الوطني في الولايات المتحدة ، كان هناك جوقة ثابتة من الرافضين. ومؤخرًا ، أصدرت شركة “لوكس ريسيرتش” في عام 2013 تقريراً جاء فيه: “إن حلم اقتصاد الهيدروجين … ليس أقرب إلى الحدوث”. وخلصت إلى أن “التكلفة الرأسمالية ، وليس إمدادات الهيدروجين ، ستحد من الاعتماد إلى مجرد 5.9 غيغاواط” بحلول عام 2030 ، مما يوفر “حاجزًا لا يمكن التغلب عليه تقريبًا أمام التبني ، إلا في التطبيقات المتخصصة”. تكهن تحليل لوكس أنه بحلول عام 2030 ، سوف تصل سوق PEM الثابتة إلى مليار دولار ، في حين أن سوق المركبات ، بما في ذلك الرافعات الشوكية ، ستصل إلى ما مجموعه 2 مليار دولار.

تستخدم كوقود السيارات وكفاءة النظام
يمكن تطبيق محاسبة الطاقة المستخدمة خلال عملية الديناميكا الحرارية ، والمعروفة باسم توازن الطاقة ، على وقود السيارات. مع تكنولوجيا اليوم ، يمكن تصنيع الهيدروجين عبر إصلاح البخار بكفاءة حرارية تتراوح بين 75 و 80 بالمائة. ستكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية لتسييل أو ضغط الهيدروجين ، ونقله إلى محطة التعبئة عبر شاحنة أو خط أنابيب. إن الطاقة التي يجب استخدامها لكل كيلوغرام لإنتاج ونقل وتوصيل الهيدروجين (أي استخدام الطاقة من الصهارة إلى الخزان) هي حوالي 50 ميجا جول باستخدام التكنولوجيا المتاحة في عام 2004. طرح هذه الطاقة من المحتوى الحراري من كيلوغرام واحد من الهيدروجين ، هو 141 MJ ، وتقسم بالمغناطيس الحراري ، وتنتج كفاءة الطاقة الحرارية بنسبة 60 ٪ تقريبًا. وعلى سبيل المقارنة ، يحتاج البنزين إلى مدخلات طاقة أقل لكل جالون في المصفاة ، وهناك حاجة إلى طاقة قليلة نسبيا لنقلها وتخزينها بسبب كثافتها العالية من الطاقة للغالون الواحد في درجات الحرارة المحيطة. كما أن سلسلة التوريد للبنزين ذات كفاءة جيدة تصل إلى 80٪ (Wang، 2002). وهناك طريقة أخرى تعتمد على الشبكة لتزويد الهيدروجين تتمثل في استخدام الكهرباء لتشغيل المحولات الكهربائية. يتم فقدان ما يقرب من 6٪ من الكهرباء أثناء النقل على طول خطوط الكهرباء ، وتبلغ عملية تحويل الوقود الأحفوري إلى الكهرباء في المقام الأول كفاءة تبلغ 33٪ تقريبًا. وهكذا إذا كانت الكفاءة هي العامل الأساسي المحدد ، فمن المرجح أن تكون مركبات الهيدروجين مدعومة بمثل هذه الطريقة ، وبالفعل بهذه الطريقة ، قد تبدو السيارات الكهربائية خيارًا أفضل. ومع ذلك ، وكما لوحظ أعلاه ، يمكن إنتاج الهيدروجين من عدد من المواد الأولية ، بطريقة مركزية أو موزعة ، وهذه توفر مسارات أكثر كفاءة لإنتاج وتوزيع الوقود.

تشير دراسة كفاءة مركبات الهدروجين إلى العجلات مقارنة بالمركبات الأخرى في نظام الطاقة النرويجي إلى أن مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية (FCV) تميل إلى أن تكون حوالي الثلث بكفاءة مثل EVs عند استخدام التحليل الكهربائي ، مع الهيدروجين الداخلي محركات الاحتراق (ICE) بالكاد سادس كفاءة. حتى في حالة حصول خلايا الوقود الهيدروجينية على الهيدروجين من إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بدلاً من التحلل الكهربي ، وحصول الطاقة الكهربائية على الطاقة من محطة توليد الطاقة بالغاز الطبيعي ، فإن EVs لا تزال تخرج من 35٪ إلى 25٪ (و 13٪ فقط لـ H2 جليد). ويقارن هذا بـ 14٪ بالنسبة لـ ICE للبنزين ، و 27٪ لـ ICE hybrid بالبنزين ، و 17٪ لـ ICE للديزل ، وأيضاً على العجلات بشكل جيد.

وقد أطلق على الهيدروجين واحدة من أقل البدائل الممكنة كفاءة وأكثر تكلفة للبنزين (البنزين) من حيث الحد من غازات الدفيئة. قد تكون التقنيات الأخرى أقل تكلفة وأكثر سرعة التنفيذ. وقد وجدت دراسة شاملة للهيدروجين في تطبيقات النقل أن “هناك عقبات رئيسية على الطريق نحو تحقيق رؤية اقتصاد الهيدروجين ؛ ولن يكون المسار بسيطا أو مباشرا”. على الرغم من أن شركة فورد للسيارات وشركة رينو-نيسان الفرنسية قد ألغتا جهود البحث والتطوير الخاصة بهيدروجين السيارة في عامي 2008 و 2009 ، على التوالي ، فقد وقعتا خطاب نوايا لعام 2009 مع المصنعين الآخرين وشركة Now GMBH في سبتمبر 2009 لدعم الإنتاج التجاري لمقاهي FCV بحلول عام 2015. يقترح كربون تراست لإدارة الطاقة وتغير المناخ في المملكة المتحدة أن تقنيات الهيدروجين لديها القدرة على نقل المملكة المتحدة بانبعاثات تقترب من الصفر مع تقليل الاعتماد على النفط المستورد وتقليص توليد الطاقة المتجددة. ومع ذلك ، فإن التقنيات تواجه تحديات صعبة للغاية ، من حيث التكلفة والأداء والسياسة.

مخاوف بيئية
هناك العديد من المخاوف بشأن الآثار البيئية لتصنيع الهيدروجين. يتم صنع الهيدروجين إما عن طريق التحليل الكهربي للمياه ، أو عن طريق إصلاح الوقود الأحفوري. إصلاح الوقود الأحفوري يؤدي إلى ارتفاع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مقارنة بالاستخدام المباشر للوقود الأحفوري في محرك الاحتراق الداخلي. وبالمثل ، إذا تم إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي من المولدات التي تعمل بالوقود الأحفوري ، ينبعث من ثاني أكسيد الكربون المتزايد مقارنة بالاستخدام المباشر للوقود الأحفوري.

يتطلب استخدام مصادر الطاقة المتجددة لتوليد الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربي مدخلات طاقة أكبر من الاستخدام المباشر للطاقة المتجددة لتشغيل المركبات الكهربائية ، بسبب مراحل التحويل الإضافية والخسائر في التوزيع. ومع ذلك ، يستخدم الهيدروجين كوقود للنقل بشكل أساسي لخلايا الوقود التي لا تنتج انبعاثات غازات الدفيئة ، ولكن المياه.

كانت هناك أيضا بعض المخاوف من المشاكل المحتملة المتعلقة تسرب غاز الهيدروجين. يتسرب الهيدروجين الجزيئي ببطء من معظم حاويات الاحتواء. لقد تم الافتراض أنه إذا هربت كميات كبيرة من غاز الهيدروجين (H2) ، فإن غاز الهيدروجين قد يكون ، بسبب الإشعاع فوق البنفسجي ، من الجذور الحرة (H) في الستراتوسفير. عندئذ يمكن لهذه الجذور الحرة أن تكون بمثابة محفزات لاستنفاد طبقة الأوزون. يمكن زيادة كبيرة بما فيه الكفاية في الهيدروجين الستراتوسفير من H2 تسربت تفاقم عملية الاستنزاف. ومع ذلك ، فإن تأثير مشاكل التسرب هذه قد لا يكون كبيرا. كمية الهيدروجين التي تتسرب اليوم أقل بكثير (بعامل من 10 إلى 100) من الرقم المقدر بـ 10-20٪ الذي يخمنه بعض الباحثين. على سبيل المثال ، في ألمانيا ، يبلغ معدل التسرب 0.1٪ فقط (أقل من معدل تسرب الغاز الطبيعي بنسبة 0.7٪). على الأكثر ، فإن مثل هذا التسرب من المحتمل ألا يكون أكثر من 1-2٪ حتى مع استخدام الهيدروجين على نطاق واسع ، باستخدام التكنولوجيا الحالية.

التكاليف
في عام 2004 ، كان إنتاج وحدة وقود الهيدروجين عن طريق إصلاح البخار أو التحليل الكهربائي أكثر تكلفة بما يقرب من 3 إلى 6 مرات من إنتاج وحدة معادلة من الوقود من الغاز الطبيعي. عند تقييم التكاليف ، يتم استخدام الوقود الأحفوري بشكل عام كمرجع. إن محتوى الطاقة في هذه الأنواع من الوقود ليس نتاجًا لجهد إنساني ، وبالتالي ليس له تكلفة مكلف بها. يتم النظر فقط في تكاليف الاستخراج والتكرير والنقل والإنتاج. من ناحية أخرى ، يجب تصنيع محتوى الطاقة لوحدة وقود الهيدروجين ، وبالتالي تكلفة كبيرة ، بالإضافة إلى جميع تكاليف التكرير والنقل والتوزيع. إن الأنظمة التي تستخدم الكهرباء المولدة بشكل متجدد بشكل أكثر مباشرة ، على سبيل المثال في ترولي باصات ، أو في المركبات الكهربائية للبطاريات ، قد يكون لها ميزة اقتصادية كبيرة بسبب وجود عدد أقل من عمليات التحويل المطلوبة بين مصدر الطاقة الأساسي ونقطة الاستخدام.

والحاجز إلى خفض سعر الهيدروجين عالي النقاء هو تكلفة أكثر من 35 كيلووات ساعة من الكهرباء المستخدمة لتوليد كل كيلوغرام من غاز الهيدروجين. تكلف الهيدروجين الناتج عن إصلاح البخار حوالي ثلاثة أضعاف تكلفة الغاز الطبيعي لكل وحدة طاقة منتجة. وهذا يعني أنه إذا كان الغاز الطبيعي يكلف 6 مليون دولار أمريكي ، فإن الهيدروجين سيكون 18 مليون دولار أمريكي. أيضا ، سوف ينتج إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي بالكهرباء بسعر 5 سنتات / كيلو واط ساعة تكلفته 28 مليون وحدة حرارية بريطانية – حوالي 1.5 ضعف تكلفة الهيدروجين من الغاز الطبيعي. لاحظ أن تكلفة إنتاج الهيدروجين من الكهرباء هي دالة خطية لتكاليف الكهرباء ، لذا فإن الكهرباء عند 10 سنتات / كيلوواط ساعي تعني أن الهيدروجين سيكلف 56 مليون وحدة حرارية بريطانية.

يُزعم أن التقدم الذي أحرز في تكنولوجيا الكهارل وتكنولوجيا خلايا الوقود من قبل ITM Power أدى إلى جعل الطرق مهمة في معالجة تكلفة الماء الكهربائي لصنع الهيدروجين. خفض التكلفة من شأنه أن يجعل الهيدروجين من مصادر متجددة خارج الشبكة الاقتصادية لمركبات التزود بالوقود.

خطوط أنابيب الهيدروجين هي أكثر تكلفة من خطوط الكهرباء لمسافات طويلة. يبلغ حجم الهيدروجين ثلاثة أضعاف حجم الغاز الطبيعي في نفس المحتوى الحراري. يسرع الهيدروجين تكسير الفولاذ (التقصف الهيدروجيني) ، مما يزيد من تكاليف الصيانة ، ومعدلات التسرب ، وتكاليف المواد. من المرجح أن يتوسع الفرق في التكلفة مع التكنولوجيا الأحدث: يمكن أن تستخدم الأسلاك المعلقة في الهواء جهدًا أعلى مع زيادة تكاليف المواد بشكل هامشي فقط ، ولكن أنابيب الضغط الأعلى تتطلب مواد أكثر تناسبيًا.

إن وضع اقتصاد هيدروجين يتطلب استثمارات ضخمة في البنية التحتية لتخزين وتوزيع الهيدروجين على المركبات. وعلى النقيض من ذلك ، فإن المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات ، والمتاحة بالفعل للجمهور ، لا تستلزم التوسع الفوري للبنية التحتية القائمة لنقل وتوزيع الكهرباء. يمكن استخدام قدرة محطة توليد الطاقة التي يتم استخدامها الآن ليلاً لإعادة شحن السيارات الكهربائية. وقد توصلت دراسة أجراها مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني لوزارة الطاقة الأمريكية في ديسمبر / كانون الأول 2006 إلى أن طاقة الشبكة غير المستخدمة في الولايات المتحدة ستكون كافية لتشغيل 84٪ من جميع المركبات في الولايات المتحدة إذا تم استبدالها جميعًا على الفور سيارة كهربائية.

تختلف طرق الإنتاج المختلفة لكل منها عن الاستثمارات المرتبطة والتكاليف الهامشية. يمكن أن تنتج الطاقة والمواد الأولية من العديد من المصادر ، مثل الغاز الطبيعي ، والطاقة النووية ، والطاقة الشمسية ، والرياح ، والكتلة الحيوية ، والفحم ، وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى ، والطاقة الحرارية الأرضية.

الغاز الطبيعي على نطاق صغير
يستخدم إصلاح البخار. يتطلب 15.9 مليون قدم مكعبة (450.000 م 3) من الغاز ، والتي إذا ما تم إنتاجها بواسطة 500 كغم / يوم من الإصلاحيين عند نقطة الاستغناء (أي محطة التعبئة) ، فسوف تساوي 777 ألف مصلح بتكلفة 1 تريليون دولار وتنتج 150 مليون طن من الغاز. غاز الهيدروجين سنويا. يغني عن الحاجة إلى بنية تحتية للتوزيع مكرسة للهيدروجين. 3.00 دولار لكل GGE (جالون من المكافئ البنزين)

نووي
يوفر الطاقة للتحليل الكهربائي للمياه. سوف يتطلب 240،000 طن من اليورانيوم غير المخصب – هذا هو 2000 محطة طاقة بقدرة 600 ميجاوات ، والتي سوف تكلف 840 مليار دولار ، أو حوالي 2.50 $ لكل GGE.

شمسي
يوفر الطاقة للتحليل الكهربائي للمياه. سوف يتطلب 2500 كيلوواط / ساعة من الشمس لكل متر مربع ، و 113 مليون نظام 40 كيلو واط ، والتي قد تكلف 22 تريليون دولار ، أو حوالي 9.50 دولار لكل فرد.

ينفخ
يوفر الطاقة للتحليل الكهربائي للمياه. وعند سرعة متوسطة تبلغ 7 أمتار في الثانية ، فإنها تتطلب 1 مليون توربين هوائي بقدرة 2 ميجاواط ، والتي قد تكلف 3 تريليون دولار ، أو حوالي 3.00 دولار لكل فرد.

الكتلة الحيوية
وستنتج محطات التغويز الغاز مع إعادة تشكيل البخار. 1.5 مليار طن من الكتلة الحيوية الجافة ، و 3،300 محطة تحتاج إلى 113.4 مليون فدان (460،000 كيلومتر مربع) من المزرعة لإنتاج الكتلة الحيوية. 565 مليار دولار في التكلفة ، أو حوالي 1.90 دولار لكل GGE

فحم
تستخدم مصانع FutureGen تغويز الفحم ثم إعادة تشكيل البخار. يتطلب 1 مليار طن من الفحم أو حوالي 1،000 محطة 275 ميغاوات بتكلفة حوالي 500 مليار دولار ، أو حوالي 1 دولار لكل GGE.
أهداف التكلفة

أمثلة والبرامج التجريبية
تعهدت العديد من شركات تصنيع السيارات الأمريكية المحلية بتطوير مركبات تستخدم الهيدروجين. ويجري حالياً اختبار توزيع الهيدروجين لأغراض النقل في جميع أنحاء العالم ، لا سيما في البرتغال وأيسلندا والنرويج والدنمارك وألمانيا وكاليفورنيا واليابان وكندا ، ولكن التكلفة مرتفعة للغاية.

وقد قامت بعض المستشفيات بتركيب وحدات خلايا وقود كهرمائية مشتركة لتخزين طاقة الطوارئ المحلية. هذه هي مفيدة للاستخدام في حالات الطوارئ بسبب متطلبات الصيانة المنخفضة وسهولة الموقع مقارنة مع المولدات التي تعمل بالاحتراق الداخلي.

تعهدت أيسلندا بأن تصبح أول اقتصاد هيدروجين في العالم بحلول عام 2050. أيسلندا في وضع فريد. في الوقت الحاضر ، تستورد جميع المنتجات البترولية اللازمة لتشغيل سياراتها وأسطول الصيد. لدى آيسلندا موارد كبيرة من الطاقة الحرارية الأرضية ، لدرجة أن السعر المحلي للكهرباء هو في الواقع أقل من سعر الهيدروكربونات التي يمكن استخدامها لإنتاج تلك الكهرباء.

وتحول أيسلندا بالفعل فائض الكهرباء إلى سلع قابلة للتصدير واستبدالها بالهيدروكربون. في عام 2002 ، أنتجت 2000 طن من غاز الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي ، في المقام الأول لإنتاج الأمونيا (NH3) للأسمدة. يتم إنتاج الأمونيا ونقلها واستخدامها في جميع أنحاء العالم ، و 90 ٪ من تكلفة الأمونيا هي تكلفة الطاقة اللازمة لإنتاجها. تقوم آيسلندا أيضًا بتطوير صناعة لصهر الألمنيوم. تكاليف الألمنيوم مدفوعة في المقام الأول بتكلفة الكهرباء لتشغيل المصاهر. يمكن لأي من هذه الصناعات تصدير جميع الطاقة الحرارية الجوفية في آيسلندا.

لا تحل أي صناعة محل الهيدروكربونات مباشرة. كان لدى ريكيافيك ، بأيسلندا ، أسطول صغير من حافلات المدن يعمل على هيدروجين مضغوط ، ويجري البحث في تشغيل أسطول الصيد في البلاد باستخدام الهيدروجين. ولأغراض أكثر عملية ، قد تقوم آيسلندا بمعالجة الزيت المستورد بالهيدروجين لتمديده بدلاً من استبداله كلياً.

حافلات ريكيافيك هي جزء من برنامج أكبر ، HyFLEET: CUTE ، تعمل الحافلات التي تعمل بالوقود الهيدروجيني في ثماني مدن أوروبية. HyFLEET: تم تشغيل حافلات CUTE أيضًا في بكين ، الصين وبيرث ، أستراليا (انظر أدناه). مشروع تجريبي يوضح اقتصاد الهيدروجين يعمل في جزيرة أوتسيرا النرويجية. يجمع التركيب بين طاقة الرياح والطاقة الهيدروجينية. في الفترات التي يكون فيها طاقة الرياح الفائضة ، يتم استخدام الطاقة الزائدة لتوليد الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي. يتم تخزين الهيدروجين ، وهو متاح لتوليد الطاقة في فترات الرياح الصغيرة.

الولايات المتحدة لديها سياسة الهيدروجين مع عدة أمثلة. مشروع مشترك بين NREL و Xcel Energy يجمع بين طاقة الرياح والطاقة الهيدروجينية بنفس الطريقة في كولورادو. تقوم شركة هايدرو في نيوفاوندلاند ولابرادور بتحويل نظام الطاقة الحالي الذي يعمل بالديزل والرياح في جزيرة راميا النائية إلى منشأة طاقة هيدروجين تعمل بالرياح. يستخدم مشروع تجريبي مماثل في جزيرة ستيوارت الطاقة الشمسية ، بدلا من طاقة الرياح ، لتوليد الكهرباء. عندما تتوافر فائض الكهرباء بعد أن تكون البطاريات ممتلئة ، يتم توليد الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربي وتخزينه للإنتاج المتأخر للكهرباء بواسطة خلية الوقود.

بدأت المملكة المتحدة برنامجا تجريبيا لخلية الوقود في يناير 2004 ، وأدار البرنامج حافلتين لخلية الوقود على الطريق 25 في لندن حتى ديسمبر 2005 ، وتحولتا إلى الطريق RV1 حتى يناير 2007. تعمل رحلة الهيدروجين حاليا على إنشاء خلية وقود الهيدروجين سفينة تعمل بالطاقة واستخدامها لأبحر حول العالم ، كوسيلة لإثبات قدرة خلايا وقود الهيدروجين.

قامت دائرة التخطيط والبنية التحتية في أستراليا الغربية بتشغيل ثلاث حافلات لخلية وقود دايملر كرايسلر سيتارو كجزء من محطة النقل المستدام للطاقة لمحطة حافلات وقود بيرث في بيرث. تم تشغيل الحافلات بواسطة Path Transit على خطوط الحافلات العامة Transperth العادية. بدأت التجربة في سبتمبر 2004 واختتمت في سبتمبر 2007. استخدمت خلايا الوقود الخاصة بالأتوبيسات نظام غشاء لتبادل البروتونات وتم تزويدها بهيدروجين خام من مصفاة BP في كوينانا ، جنوب بيرث. كان الهيدروجين نتيجة ثانوية لعملية المصفاة الصناعية. تم تزويد الباصات بالوقود في محطة في ضاحية ملقة شمال بيرث.

وقعت منظمة الأمم المتحدة للتنمية الصناعية (اليونيدو) ووزارة الطاقة والموارد الطبيعية التركية في عام 2003 اتفاق صندوق استئماني بقيمة 40 مليون دولار لإنشاء المركز الدولي لتكنولوجيات الطاقة الهيدروجينية (اليونيدو – ICHET) في اسطنبول ، الذي بدأ تشغيله في عام 2004. يتم عرض رافعة شوكية هيدروجينية وعربة هيدروجينية ومنزل متنقل مدعوم بالطاقات المتجددة في مقر اليونيدو – ICHET. يعمل نظام الإمداد بالطاقة غير المنقطعة منذ أبريل 2009 في مقر شركة اسطنبول للحافلات البحرية.

البدائل التي تستخدم الهيدروجين لاقتصاد الهيدروجين التوزيع بالكامل
الهيدروجين هو ببساطة وسيلة لتخزين ونقل الطاقة. مختلف سيناريوهات نقل وتخزين الطاقة البديلة التي تبدأ بإنتاج الهيدروجين ، ولكنها لا تستخدمها في جميع أجزاء البنية التحتية للمخزن والنقل ، قد تكون أكثر اقتصادية ، على المدى القريب والبعيد. وتشمل هذه:

اقتصاد الأمونيا
إن بديلاً عن الهيدروجين الغازي كحامل طاقة هو ربطه بالنيتروجين من الهواء لإنتاج الأمونيا ، التي يمكن بسهولة تسييلها ونقلها واستخدامها (بشكل مباشر أو غير مباشر) كوقود نظيف ومتجدد. على سبيل المثال ، قام باحثون في CSIRO في أستراليا في عام 2018 بتزويد تويوتا ميراي وهيونداي نيكسو بهيدروجين منفصل عن الأمونيا باستخدام تقنية الغشاء.

إنتاج الهيدروجين للكحول المحمي من الصوبات
ﻳﻌﺘﺒﺮ اﻗﺘﺼﺎد اﻟﻤﯿﺜﺎﻧﻮل ﺧﻄﺔ ﻟﻄﺎﻗﺔ اﻹﻧﺘﺎج ﺗﺴﺘﺨﺪم ﻓﻲ إﻧﺘﺎج اﻟﮭﯿﺪروﺟﯿﻦ. واقترح في البداية الهيدروجين في “اقتصاد الهيدروجين” الكامل كوسيلة لجعل الطاقة المتجددة ، في شكل غير ملوثة ، متاحة للسيارات. ومع ذلك ، فإن البديل النظري لمعالجة نفس المشكلة هو إنتاج الهيدروجين مركزيًا واستخدامه على الفور لإنتاج الوقود السائل من مصدر CO2. هذا من شأنه القضاء على متطلبات نقل وتخزين الهيدروجين. يمكن أن يكون المصدر هو ثاني أكسيد الكربون الذي يتم إنتاجه بواسطة محطات توليد الطاقة العاملة بالوقود. ولكي يكون مصدر غاز ثاني أكسيد الكربون محايدة ، يجب أن يكون مصدر ثاني أكسيد الكربون في مثل هذه الخطة من الهواء أو الكتلة الحيوية أو أي مصدر آخر لثاني أكسيد الكربون موجود بالفعل في الهواء أو يتم إطلاقه في الهواء. ﺗﺳﺗﺧدم ﺧﻼﯾﺎ وﻗود اﻟﻣﯾﺛﺎﻧول اﻟﻣﺑﺎﺷرة ﻓﻲ اﻻﺳﺗﺧدام اﻟﺗﺟﺎري ، وﻟﮐن ﺣﺗﯽ آب / أﻏﺳطس 2011 ﻟم ﺗﮐن ﻓﻌﺎﻟﺔ.

الشبكة الكهربائية بالإضافة إلى خلايا وقود الميثانول الاصطناعية
قد يكون العديد من الاستراتيجيات المختلطة المذكورة أعلاه ، باستخدام الهيدروجين الأسير لتوليد أنواع أخرى من الوقود يمكن استخدامه بسهولة أكبر ، أكثر فعالية من إنتاج الهيدروجين وحده. قد يكون من الأفضل تخزين الطاقة على المدى القصير (بمعنى استخدام الطاقة بعد فترة طويلة من التقاطها) باستخدام البطارية أو حتى التخزين الفائق. قد يكون من الأفضل تخزين الطاقة على المدى الأطول (بمعنى استخدام الطاقة أسابيع أو أشهر بعد الالتقاط) باستخدام الميثان أو الكحولات الاصطناعية ، والتي يمكن تخزينها لأجل غير مسمى بتكلفة منخفضة نسبيًا ، وحتى استخدامها بشكل مباشر في بعض أنواع خلايا الوقود ، للمركبات الكهربائية . تتوافق هذه الاستراتيجيات بشكل جيد مع الاهتمام الأخير بالمركبات الكهربائية الهجينة Plug-in ، أو PHEVs ، التي تستخدم استراتيجية هجينة للتخزين الكهربائي والوقود لتلبية احتياجاتها من الطاقة. اقترح البعض أن تخزين الهيدروجين هو الأفضل في نطاق ضيق من وقت تخزين الطاقة ، ربما في مكان ما بين بضعة أيام وبضعة أسابيع. يخضع هذا النطاق لمزيد من الضيق مع أي تحسينات في تكنولوجيا البطاريات. من الممكن دائمًا حدوث نوع ما من الاختراق في تخزين أو توليد الهيدروجين ، ولكن هذا أمر مستبعد نظرًا لأن القيود الفيزيائية والكيميائية للخيارات الفنية مفهومة تمامًا.

إنتاج الميثان الاصطناعي المركب من الهيدروجين (الغاز الطبيعي الاصطناعي SNG)
بطريقة مماثلة مع إنتاج الكحول الاصطناعي ، يمكن استخدام الهيدروجين في الموقع مباشرة (غير بيولوجيًا) لإنتاج وقود غازي محمي من غازات الدفيئة. وهكذا ، تم اقتراح إنتاج غاز الميثان من غازات الاحتباس الحراري المحفوظة بوساطة الهيدروجين (لاحظ أن هذا هو عكس الأسلوب الحالي لاكتساب الهيدروجين من الميثان الطبيعي ، ولكن ذلك لا يتطلب حرقًا نهائيًا وإطلاق غاز كربون أحفوري). يمكن استخدام الهيدروجين الأسير (وثاني أكسيد الكربون من ، على سبيل المثال ، CCS (Carbon Capture & Storage)) في الموقع لتركيب الميثان ، باستخدام تفاعل Sabatier. هذا حوالي 60 ٪ كفاءة ، ومع ذهابا وإيابا خفضت إلى 20 إلى 36 ٪ اعتمادا على طريقة استخدام الوقود. وهذا أقل من الهيدروجين ، ولكن تكاليف التخزين تنخفض بمقدار 3 على الأقل ، بسبب نقطة الغليان الأعلى لغاز الميثان وارتفاع كثافة الطاقة. الميثان السائل يحتوي على 3.2 أضعاف كثافة الطاقة للهيدروجين السائل ، وهو أسهل في التخزين. بالإضافة إلى ذلك ، البنية التحتية للأنابيب (خطوط أنابيب الغاز الطبيعي) موجودة بالفعل. توجد بالفعل سيارات تعمل بالغاز الطبيعي ، ومن المعروف أنها أسهل للتكيف مع تقنية المحرك الداخلي الحالية ، من السيارات الاحتراق الداخلي التي تعمل مباشرة على الهيدروجين. وتبين التجربة مع المركبات التي تعمل بالغاز الطبيعي أن تخزين الميثان غير مكلف ، ما أن يقبل الشخص تكلفة التحويل لتخزين الوقود. ومع ذلك ، فإن تكلفة تخزين الكحول أقل من ذلك ، لذا ستحتاج هذه التكنولوجيا إلى إنتاج غاز الميثان مقابل وفورات كبيرة فيما يتعلق بإنتاج الكحول. إن أسعار الوقود المطلقة في نهاية المطاف في التكنولوجيات المتنافسة ليست معروفة في الوقت الحاضر ، ولكن من المتوقع أن يقدم كلاهما وفورات كبيرة في البنية التحتية على محاولات نقل واستخدام الهيدروجين مباشرة.

وقد تم اقتراحه في نظام الطاقة الافتراضي للطاقة المتجددة والمسيطر عليه لاستخدام الطاقة الفائضة المولدة من الرياح ، والطاقة الشمسية الكهروضوئية ، والطاقة المائية ، والتيارات البحرية وغيرها لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربي للمياه ثم دمجها مع غاز ثاني أكسيد الكربون لجعل الميثان (الغاز الطبيعي). يمكن استخدام الهيدروجين أولاً في الموقع في خلايا الوقود (CHP) أو للنقل بسبب كفاءته الأكبر في الإنتاج ومن ثم يتم إنشاء الميثان الذي يمكن حقنه بعد ذلك في شبكة الغاز الحالية لتوليد الكهرباء والحرارة عند الطلب للتغلب على نقاط منخفضة من الطاقة المتجددة إنتاج. تتمثل العملية الموضحة في إنشاء الهيدروجين (الذي يمكن استخدامه جزئيًا في خلايا الوقود) وإضافة ثاني أكسيد الكربون CO2 من BECCS (الطاقة الحيوية مع التقاط الكربون وتخزينه) عبر تفاعل (Sabatier) لإنشاء الميثان كما يلي : CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.