اقتصاد الهيدروجين هو مفهوم صناعة الطاقة التي تستخدم الهيدروجين بشكل أساسي أو حصري كحامل للطاقة. حتى الآن ، لم يتحقق اقتصاد الهيدروجين في أي بلد على وجه الأرض.
ومثل الكهرباء ، لا يشكل الهيدروجين مصدرًا للطاقة الأولية ، ولكن يجب الحصول عليه أولاً بشكل مصطنع وفقدان الطاقة من مصادر الطاقة الأخرى (الأحفوري أو الطاقة النووية أو الطاقة المتجددة). وبالتالي ، فإن اقتصاد الهيدروجين لا يكون مستدامًا تلقائيًا ، ولكنه مستدام فقط مثل الطاقة الأولية التي ينتج منها الهيدروجين. في الوقت الحاضر ، يتم هذا إلى حد كبير باستخدام الهيدروجين لاستخدامه في الصناعة الكيميائية على أساس الوقود الأحفوري ، من ناحية أخرى مفاهيم لاقتصاديات الهيدروجين المستقبلية ، في الغالب يتصور توليد الهيدروجين من الطاقات المتجددة ، والتي يمكن أن تجعل هذا الاقتصاد الهيدروجيني خالية من الانبعاثات.
على الرغم من عدم وجود اقتصاد هيدروجين حديث ومتطور في العديد من الدول ، إلا أن هناك خططًا لدمج الوقود المشتق من الهيدروجين أو الهيدروجين مثل الميثانول أو الميثانول في البنية التحتية الحالية للطاقة كجزء من انتقال الطاقة والتوسع. من الطاقات المتجددة. تلعب تقنية “الطاقة إلى الغاز” دورًا مهمًا ، حيث يتم تعيين دور هام لها كخزن طويل الأجل.
مستويات صناعة الطاقة
تستند الأفكار على تنفيذ الهيدروجين على جميع مستويات صناعة الطاقة:
تطوير مصادر الطاقة الأولية المطلوبة
انتاج الطاقة
تخزين الطاقة
استخدام الطاقة
تداول الطاقة وتوزيعها
المبيعات والفواتير
ضمان أمن التوريد
كل من هذه المستويات يتم بحثها تقنيًا وتحقق جزئيًا للهيدروجين.
الإنتاج والتخزين والبنية التحتية
يتم إنتاج الهيدروجين اليوم بشكل أساسي (> 90٪) من مصادر الحفريات. إن ربط إنتاجها المركزي بأسطول من مركبات خلايا الوقود الخفيفة سيتطلب تحديد مواقع وبناء بنية تحتية للتوزيع باستثمارات كبيرة لرأس المال. علاوة على ذلك ، يجب التغلب على التحدي التكنولوجي المتمثل في توفير تخزين آمن وكثيف الطاقة للهيدروجين على متن المركبة لتوفير نطاق كافٍ بين عمليات التعبئة.
طرق الانتاج
الهيدروجين الجزيئي غير متوفر على الأرض في خزانات طبيعية مريحة. ترتبط معظم الهيدروجين الموجود في الغلاف الصخري بالأكسجين في الماء. يتطلب تصنيع عنصر الهيدروجين استهلاكا لحاملة هيدروجين مثل الوقود الأحفوري أو الماء. يستهلك الناقل السابق المورد الأحفوري وينتج ثاني أكسيد الكربون ، ولكنه في كثير من الأحيان لا يحتاج إلى مدخلات طاقة إضافية تتجاوز الوقود الأحفوري. وتتطلب المياه المتحللة ، الناقل الأخير ، مدخلات كهربائية أو حرارية ، يتم توليدها من بعض مصادر الطاقة الأولية (الوقود الأحفوري ، الطاقة النووية أو الطاقة المتجددة). كما يمكن إنتاج الهيدروجين عن طريق تنقية النفايات السائلة من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية في الغلاف الصخري. ويشار إلى الهيدروجين الناتج من مصادر الطاقة ذات الانبعاثات المتجددة مثل التحليل الكهربي للمياه باستخدام طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية أو الطاقة المائية أو طاقة الأمواج أو طاقة المد والجزر باسم الهيدروجين الأخضر. قد يشار الهيدروجين التي تنتجها مصادر الطاقة غير المتجددة باسم الهيدروجين البني. ويشار أحيانًا إلى الهيدروجين الناتج كمنتج ثانوي للنفايات أو منتج ثانوي صناعي على أنه هيدروجين رمادي.
طرق الإنتاج الحالية
يتم إنتاج الهيدروجين صناعيًا من إصلاح البخار ، والذي يستخدم الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو النفط أو الفحم. إن محتوى الطاقة للهيدروجين المنتج أقل من محتوى الطاقة من الوقود الأصلي ، وبعضه يضيع كحرارة مفرطة أثناء الإنتاج. إصلاح البخار يؤدي إلى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، بنفس الطريقة التي يمكن أن يفعلها محرك السيارة.
يتم إنتاج جزء صغير (4٪ في عام 2006) بواسطة التحليل الكهربائي باستخدام الكهرباء والماء ، ويستهلك حوالي 50 كيلوواط / ساعة من الكهرباء لكل كيلوجرام من الهيدروجين المنتج.
KVAERNER عملية
عملية Kværner- أو عملية الكربون الأسود والهيدروجين Kvaerner (CB & H) هي طريقة ، طورتها في 1980s شركة نرويجية تحمل الاسم نفسه ، لإنتاج الهيدروجين من الهيدروكربونات (CnHm) ، مثل الميثان والغاز الطبيعي والغاز الحيوي . من الطاقة المتوفرة للعلف ، يوجد ما يقرب من 48٪ في الهيدروجين ، و 40٪ موجودة في الكربون المنشط و 10٪ في البخار المسخن.
التحليل الكهربائي للمياه
يمكن صنع الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي العالي الضغط ، أو التحليل الكهربائي ذي الضغط المنخفض للمياه ، أو مجموعة من العمليات الكهروكيميائية الناشئة الأخرى مثل التحليل الكهربائي ذي درجة الحرارة العالية أو التحليل الكهربي بمساعدة الكربون. ومع ذلك ، فإن أفضل العمليات الحالية لتحليل المياه لها كفاءة كهربائية فعالة تتراوح بين 70-80٪ ، بحيث يتطلب إنتاج 1 كيلوجرام من الهيدروجين (الذي يحتوي على طاقة محددة تبلغ 143 ميجا جول / كجم أو حوالي 40 كيلو وات / كيلو جرام) 50-55 كيلو وات ساعة من كهرباء. بتكلفة كهرباء قدرها 0.06 دولار / كيلووات ساعة ، كما هو محدد في أهداف إنتاج الهيدروجين لوزارة الطاقة لعام 2015 ، تبلغ تكلفة الهيدروجين 3 دولار / كجم. مع نطاق أسعار الغاز الطبيعي اعتبارًا من عام 2016 كما هو موضح في الرسم البياني (خارطة طريق فريق تكنولوجيا الهيدروجين ، نوفمبر 2017) مع وضع تكلفة الهيدروجين SMR بين 1.20 دولار و 1.50 دولار ، فإن سعر تكلفة الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي لا يزال أكثر من ضعف 2015 DOE hydrogen الأسعار المستهدفة. ويبلغ السعر المستهدف لوحدة الطاقة الأمريكية لهيدروجين في عام 2020 هو 2.30 دولار / كجم ، مما يتطلب تكلفة كهربائية قدرها 0.037 دولار / كيلووات ساعة ، وهو ما يمكن تحقيقه في ضوء مناقصات PPA الأخيرة للرياح والطاقة الشمسية في العديد من المناطق. هذا يضع الهدف H2 $ / gge $ 4 في متناول اليد ، وعلى مقربة من ارتفاع تكلفة إنتاج الغاز الطبيعي مرتفعة نسبيا ل SMR.
وفي أجزاء أخرى من العالم ، يتراوح معدل إصلاح الميثان البخاري ما بين 1-3 دولارات / كجم في المتوسط. وهذا يجعل إنتاج الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي يكلف منافسة في العديد من المناطق بالفعل ، على النحو الذي حدده Nel Hydrogen وغيرها ، بما في ذلك مقال من IEA يفحص الظروف التي يمكن أن تؤدي إلى ميزة تنافسية للتحليل الكهربائي.
طرق الإنتاج التجريبية
الإنتاج البيولوجي
إنتاج الهيدروجين التخمير هو التحويل التخميني للطبقة التحتية العضوية إلى الهيدروجين الحيوي الذي تتجلى فيه مجموعة متنوعة من البكتيريا باستخدام أنظمة أنزيمية متعددة تتضمن ثلاث خطوات شبيهة بالتحويل اللاهوائي. لا تتطلب تفاعلات التخمير المظلمة طاقة ضوئية ، لذلك فهي قادرة على إنتاج الهيدروجين باستمرار من المركبات العضوية طوال النهار والليل. يختلف Photofermentation عن التخمر المظلم لأنه لا يستمر إلا في وجود الضوء. على سبيل المثال ، يمكن استخدام التخمير الضوئي مع Rhodobacter sphaeroides SH2C لتحويل الأحماض الدهنية الجزيئية الصغيرة إلى هيدروجين. يستخدم الهيدروجين الكهربائي في خلايا الوقود الميكروبية حيث يتم إنتاج الهيدروجين من المواد العضوية (على سبيل المثال من مياه الصرف الصحي ، أو المواد الصلبة) في حين يتم تطبيق 0.2 – 0.8 V.
يمكن إنتاج الهيدروجين البيولوجي في مفاعل حيوي للطحالب. في أواخر التسعينات ، تم اكتشاف أنه إذا تم حرمان الطحالب من الكبريت فسوف يتحول من إنتاج الأكسجين ، أي عملية التمثيل الضوئي العادية ، إلى إنتاج الهيدروجين.
يمكن إنتاج الهيدروجين البيولوجي في المفاعلات الحيوية التي تستخدم المواد الأولية غير الطحالب ، وأكثر المواد وسيطة شيوعًا هي تيارات النفايات. تتضمن العملية تغذية البكتيريا على الهيدروكربونات وإفراز الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. يمكن احتجاز ثاني أكسيد الكربون بنجاح بواسطة عدة طرق ، تاركاً غاز الهيدروجين. في عام 2006-2007 ، عرضت NanoLogix لأول مرة نموذج مفاعل حيوي للهيدروجين يستخدم النفايات كمواد خام في مصنع Welch’s للعنب في شمال شرق ، بنسلفانيا (الولايات المتحدة).
التحليل الكهربائي الحيوي
إلى جانب التحليل الكهربائي المنتظم ، يعد التحليل الكهربائي باستخدام الميكروبات احتمالًا آخر. مع التحليل الكهربائي biocatalysed ، يتم إنشاء الهيدروجين بعد تشغيل عبر خلية الوقود الميكروبية ويمكن استخدام مجموعة متنوعة من النباتات المائية. وتشمل هذه القصب القصب الحلو ، والحديد ، والأرز ، والطماطم ، والترمس ، والطحالب
التحليل الكهربائي عالي الضغط
التحليل الكهربي العالي الضغط هو التحليل الكهربائي للماء عن طريق تحلل الماء (H2O) إلى أكسجين (O2) وغاز الهيدروجين (H2) عن طريق تيار كهربائي يمر عبر الماء. الفرق مع محلل كهربي قياسي هو ناتج الهيدروجين المضغوط حول 120-200 بار (1740-2900 رطل / بوصة ، 12-20 ميجا باسكال). من خلال الضغط على الهيدروجين في المحلل الكهربائي ، من خلال عملية تعرف باسم الضغط الكيميائي ، يتم التخلص من الحاجة إلى ضاغط هيدروجين خارجي ، ويبلغ متوسط استهلاك الطاقة للضغط الداخلي حوالي 3٪. أوروبي أكبر (1 400 000 كجم / أ ، التحليل الكهربائي عالي الضغط من الماء ، تكنولوجيا أكاليني) يعمل مصنع إنتاج الهيدروجين في كوكولا ، فنلندا.
تحليل كهربائي بدرجة حرارة عالية
يمكن توليد الهيدروجين من الطاقة التي يتم توفيرها على شكل حرارة وكهرباء من خلال التحليل الكهربائي عالي الحرارة (HTE). لأن بعض الطاقة في HTE يتم توفيرها في شكل حرارة ، يجب تحويل كمية أقل من الطاقة مرتين (من الحرارة إلى الكهرباء ، ومن ثم إلى شكل كيميائي) ، وبالتالي تكون الطاقة المطلوبة أقل بكثير لكل كيلوجرام من الهيدروجين المنتج.
في حين يمكن استخدام الكهرباء المولدة من الطاقة النووية للتحليل الكهربي ، إلا أنه يمكن تطبيق الحرارة النووية مباشرة على فصل الهيدروجين عن الماء. درجة الحرارة العالية (950-1000 درجة مئوية) من المفاعلات النووية المبردة بالغاز لديها القدرة على فصل الهيدروجين عن الماء بالوسائل الحرارية باستخدام الحرارة النووية. قد يؤدي البحث في المفاعلات النووية ذات درجة الحرارة العالية في النهاية إلى تزويد الهيدروجين بتكلفة تنافسية مع إصلاح بخار الغاز الطبيعي. وتتوقع General Atomics أن الهيدروجين المنتج في مفاعل تبريد بدرجة حرارة مرتفعة (HTGR) سيكلف 1.53 دولار / كجم. في عام 2003 ، أسفر إصلاح البخار في الغاز الطبيعي عن هيدروجين عند 1.40 دولار / كجم. في عام 2005 أسعار الغاز الطبيعي ، يكلف الهيدروجين 2.70 دولار / كجم.
تم إثبات التحليل الكهربي لدرجة الحرارة العالية في المختبر ، عند 108 ميجا جول (حراري) لكل كيلوجرام من الهيدروجين المنتج ، ولكن ليس على نطاق تجاري. بالإضافة إلى ذلك ، هذا الهيدروجين ذو درجة “تجارية” أقل جودة ، غير مناسب للاستخدام في خلايا الوقود.
تقسيم المياه الكهروضوئية
إن استخدام الكهرباء التي تنتجها الأنظمة الكهروضوئية يوفر أنظف طريقة لإنتاج الهيدروجين. ينقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي – وهي عملية الخلية الكهروكيميائية الضوئية (PEC) والتي تسمى أيضًا بعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. قام ويليام آيرز في شركة Energy Conversion Devices بإثبات أول نظام كهروضوئي عالي الكفاءة متعدد المهام للتقسيم المباشر للمياه في عام 1983. أظهرت هذه المجموعة انقسامًا مباشرًا للمياه يشار إليه الآن باسم “ورقة اصطناعية” أو “تقسيم مياه شمسي لاسلكي” بتكلفة منخفضة غشاء رقيق غير متبلور من السيليكون متعدد الطبقات مغمور مباشرة في الماء. تطورت الهيدروجين على سطح السيليكون غير المتبلور الأمامي مزينًا بالعديد من المحفزات بينما تطور الأكسجين من الركيزة المعدنية الخلفية. قدم غشاء نافون فوق الخلية متعددة الوصل مسارًا لنقل الأيونات. كما تسرد براءة اختراعهم مجموعة متنوعة من المواد متعددة التوصيل شبه الموصلات الأخرى لتقسيم الماء المباشر بالإضافة إلى السبائك غير المتبلورة وسبائك الجرمانيوم السليكونية. يستمر البحث نحو تطوير تكنولوجيا الخلايا متعددة الوصلات عالية الكفاءة في الجامعات والصناعة الضوئية. إذا تم مساعدة هذه العملية بواسطة المحفزات الضوئية المعلقة مباشرة في الماء بدلاً من استخدام النظام الكهروضوئي والنظام الكهربائي ، فإن التفاعل يكون في خطوة واحدة فقط ، والتي يمكن أن تحسن الكفاءة.
إنتاج الصور الكهروضوئية
تتكون الطريقة التي درسها توماس نان وفريقه في جامعة إيست أنجليا من قطب ذهبي مغطى بطبقات من جسيمات فوسفيد الإنديوم (InP) النانوية. لقد أدخلوا معقد الكبريت الحديدي في ترتيب الطبقات ، والذي عند غمره في الماء والإشعاع بالضوء تحت تيار كهربائي صغير ، ينتج الهيدروجين بكفاءة تصل إلى 60٪.
في عام 2015 ، أفيد بأن شركة باناسونيك قد طورت حفاز ضوئي مبني على نيتريد النيوبيوم الذي يمكنه امتصاص 57٪ من ضوء الشمس لدعم تحلل المياه لإنتاج غاز الهيدروجين. وتخطط الشركة لتحقيق التطبيق التجاري “في أقرب وقت ممكن” ، وليس قبل عام 2020.
التركيز الحراري الشمسي
مطلوب درجات حرارة عالية جدا لفصل الماء في الهيدروجين والأكسجين. مطلوب محفز لجعل العملية تعمل في درجات حرارة مجدية. يمكن أن يتحقق تسخين المياه من خلال استخدام الطاقة الشمسية المركزة. Hydrosol-2 هو مصنع تجريبي 100 كيلوواط في Plataforma Solar de Almería في إسبانيا والذي يستخدم ضوء الشمس للحصول على ما يلزم من 800 إلى 1200 درجة مئوية لتسخين المياه. تعمل Hydrosol II منذ عام 2008. يعتمد تصميم هذا المصنع التجريبي 100 كيلوواط على مفهوم معياري. ونتيجة لذلك ، قد يكون من الممكن توسيع نطاق هذه التقنية بسهولة إلى نطاق الميغاوات عن طريق مضاعفة وحدات المفاعل المتوفرة وعن طريق وصل المحطة إلى الحقول المروحية (حقول مرايا تتبع الشمس) ذات الحجم المناسب.
إنتاج حراري كيميائي
هناك أكثر من 352 دورة حرارية يمكن استخدامها لتقسيم المياه ، حوالي 12 من هذه الدورات مثل دورة أكسيد الحديد ، دورة أكسيد السيريوم (IV) أكسيد السيريوم (III) ، دورة أكسيد الزنك الزنك ، الكبريت-اليود دورة ، دورة الكلور النحاسية ودورة الكبريت الهجين هي قيد البحث وفي مرحلة الاختبار لإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء والحرارة دون استخدام الكهرباء. هذه العمليات يمكن أن تكون أكثر كفاءة من التحلل الكهربي ذي درجة الحرارة العالية ، في نطاق نموذجي من 35٪ إلى 49٪ كفاءة LHV. لا يُنظر عادة في إنتاج الهيدروكيميائيات للهيدروجين باستخدام الطاقة الكيميائية من الفحم أو الغاز الطبيعي ، لأن المسار الكيميائي المباشر أكثر كفاءة.
لم تظهر أي من عمليات إنتاج الهيدروجين الكيميائي الحراري عند مستويات الإنتاج ، على الرغم من أن العديد منها قد تم إثباته في المختبرات.
الهيدروجين كمنتج ثانوي لعمليات كيميائية أخرى
ينتج الإنتاج الصناعي للكلور والصودا الكاوية عن طريق التحليل الكهربائي كمية كبيرة من الهيدروجين كمنتج ثانوي. في ميناء أنتويرب ، يتم تشغيل محطة توليد طاقة تعمل بالوقود بقوة 1 ميجا واط من خلال هذا المنتج الثانوي. تم تشغيل هذه الوحدة منذ أواخر عام 2011. وغالباً ما تتم إدارة الهيدروجين الزائد باستخدام تحليل قرصة الهيدروجين.
تخزين
على الرغم من أن الهيدروجين الجزيئي له كثافة طاقة عالية جدًا على أساس الكتلة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى وزنه الجزيئي المنخفض ، كغاز في الظروف المحيطة ، إلا أنه يحتوي على كثافة طاقة منخفضة جدًا من حيث الحجم. إذا كان سيتم استخدامه كوقود مخزّن على متن المركبة ، يجب تخزين غاز الهيدروجين النقي في شكل كثيف الطاقة لتوفير نطاق قيادة كافٍ.
غاز الهيدروجين المضغوط
تعمل زيادة ضغط الغاز على تحسين كثافة الطاقة من حيث الحجم ، مما يجعل خزانات الحاويات أصغر حجمًا وليست أخف (انظر وعاء الضغط). يتطلب تحقيق ضغوط أعلى زيادة استخدام الطاقة الخارجية لتشغيل الانضغاط. إن كتلة خزانات الهيدروجين اللازمة للهيدروجين المضغوط تقلل من استهلاك الوقود في السيارة. ولأنه جزيء صغير ، يميل الهيدروجين إلى الانتشار من خلال أي مادة مبطنة تهدف إلى احتوائه ، مما يؤدي إلى التقصف ، أو الضعف ، لحاوياته. الطريقة الأكثر شيوعًا على متن تخزين الهيدروجين في مركبات عرض اليوم هي غاز مضغوط عند ضغوط تبلغ حوالي 700 بار (70 ميجا باسكال).
الهيدروجين السائل
وبدلاً من ذلك ، يمكن استخدام الهيدروجين السائل ذو الكثافة الأكبر أو الهيدروجين الذائب. ومع ذلك ، الهيدروجين السائل هو المبردة ويغلي عند 20.268 ك (-252.882 درجة مئوية أو -423.188 درجة فهرنهايت). يقلل التخزين المبرد من الوزن ولكنه يتطلب طاقات كبيرة للتسييل. عملية التميع ، التي تنطوي على خطوات الضغط والتبريد ، هي عملية مكثفة للطاقة. يحتوي الهيدروجين المسال على كثافة طاقة أقل من الحجم من البنزين بنسبة تقارب أربعة أضعاف ، وذلك بسبب كثافة الهيدروجين السائل – يوجد في الواقع كمية أكبر من الهيدروجين في لتر البنزين (116 جرام) من اللتر السائل النقي. الهيدروجين (71 جرام). يجب أن تكون خزانات تخزين الهيدروجين السائلة معزولة بشكل جيد لتقليل الغليان.
تمتلك اليابان مرفق تخزين هيدروجين سائل (LH2) في محطة في كوبي ، ومن المتوقع أن تتلقى أول شحنة من الهيدروجين السائل عن طريق الناقل LH2 في عام 2020. يتم تسييل الهيدروجين عن طريق خفض درجة حرارته إلى -253 درجة مئوية ، على غرار المواد الطبيعية المسالة الغاز (LNG) التي يتم تخزينها في -162 درجة مئوية. يمكن تحقيق خسارة كفاءة محتملة تبلغ 12.79٪ ، أو 4.26kWh / kg من 33.3kWh / kg.
التخزين كما هيدريد
يمكن تخزين الهيدروجين ، كممتاز من تخزين الهيدروجين الجزيئي ، على شكل هيدريد كيميائي أو في مركب آخر يحتوي على الهيدروجين. يتفاعل غاز الهيدروجين مع بعض المواد الأخرى لإنتاج مادة تخزين الهيدروجين ، والتي يمكن نقلها بسهولة نسبية. عند نقطة الاستخدام يمكن تصنيع مادة تخزين الهيدروجين للتحلل ، مما ينتج غاز الهيدروجين. بالإضافة إلى مشاكل كثافة وكثافة الحجم المرتبطة بتخزين الهيدروجين الجزيئي ، فإن العوائق الحالية في مخططات التخزين العملية تنبع من الضغط المرتفع وظروف درجة الحرارة اللازمة لتكوين الهيدريد وإطلاق الهيدروجين. بالنسبة للعديد من الأنظمة المحتملة ، فإن hydriding و dehydriding kinetics و heat management هما أيضاً من المسائل التي يجب التغلب عليها. تقوم شركة فرنسية McPhy Energy بتطوير أول منتج صناعي يعتمد على المغنيزيوم هيدرات ، الذي تم بيعه بالفعل لبعض العملاء الرئيسيين مثل Iwatani و ENEL.
الامتزاز
النهج الثالث هو امتصاص الهيدروجين الجزيئي على سطح مادة تخزين صلبة. بخلاف الهيدريدات المذكورة أعلاه ، لا يفصل الهيدروجين / يعاد تجميعه عند شحن / تفريغ نظام التخزين ، وبالتالي لا يعاني من القيود الحركية للعديد من أنظمة تخزين الهيدريد. يمكن تحقيق كثافة الهيدروجين المشابهة للهيدروجين السائل مع مواد ماصة مناسبة. وتشمل بعض الامتيازات المقترحة الكربون المنشط ، والكربون النانوي (بما في ذلك الأنابيب النانوية الكربونية) ، والألياف العضوية المتطايرة ، وهيدرات الكارتر الهيدروجين.
تخزين الهيدروجين تحت الأرض
تخزين الهيدروجين تحت الأرض هو ممارسة تخزين الهيدروجين في الكهوف تحت الأرض والقباب الملحية وحقول النفط والغاز المستنفدة. تم تخزين كميات كبيرة من الهيدروجين الغازي في كهوف تحت الأرض بواسطة ICI لسنوات عديدة دون أي صعوبات. إن تخزين كميات كبيرة من الهيدروجين تحت الأرض يمكن أن يعمل كمخزن طاقة للشبكة. تبلغ كفاءة الرحلة ذهابًا وإيابًا حوالي 40٪ (مقابل 75-80٪ في حالة ضخ المياه الهيدروجينية (PHES)) ، وتكون التكلفة أعلى قليلاً من الطاقة المائية التي يتم ضخها. ووجدت دراسة أخرى أشارت إليها ورقة عمل أوروبية أنه بالنسبة للتخزين على نطاق واسع ، فإن أرخص خيار هو الهيدروجين عند 140 يورو / ميغا وات ساعة لمدة 2000 ساعة من التخزين باستخدام المحلل الكهربائي ، وتخزين الكهف الملحي ومحطة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة. أشار المشروع الأوروبي Hyunder في عام 2013 إلى أنه من أجل تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية ، يلزم وجود 85 كهفًا إضافيًا حيث لا يمكن تغطية أنظمة PHES و CAES. وجدت دراسة حالة ألمانية حول تخزين الهيدروجين في كهوف الملح أنه إذا تم تحويل فائض الطاقة الألماني (7٪ من إجمالي المتجدد المتغير بحلول 2025 و 20٪ بحلول عام 2050) إلى هيدروجين وتم تخزينه تحت الأرض ، فإن هذه الكميات تتطلب 15 كهفًا من 500000 متر مكعب لكل 2025 وحوالي 60 كهف بحلول عام 2050 – أي ما يقارب ثلث عدد الكهوف الغازية تحت الأرض التي تعمل حالياً في ألمانيا. في الولايات المتحدة ، تجري شركة سانديا لابس أبحاثًا في مجال تخزين الهيدروجين في حقول النفط والغاز المنضب ، والتي يمكن أن تمتص كميات كبيرة من الهيدروجين المنتج بشكل متجدد ، حيث يوجد حوالي 2.7 مليون بئر مستنفدة.
القدرة على الغاز
الطاقة إلى الغاز هي التكنولوجيا التي تحول الطاقة الكهربائية إلى وقود الغاز. هناك طريقتان ، الأولى هي استخدام الكهرباء لتقسيم المياه وحقن الهيدروجين الناتج في شبكة الغاز الطبيعي. يتم استخدام الطريقة الثانية (الأقل كفاءة) لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى الميثان ، (انظر الغاز الطبيعي) باستخدام التحليل الكهربائي والتفاعل السباتي. ثم يتم استخدام الطاقة الزائدة أو خارج ذروة الطاقة المولدة من مولدات الرياح أو المصفوفات الشمسية لموازنة تحميل في شبكة الطاقة. اﺳﺗﺧدام ﻧظﺎم اﻟﻐﺎز اﻟطﺑﯾﻌﻲ اﻟﻣوﺟود ﻟﺻﻧﺎﻋﺔ اﻟﮭﯾدروﺟﯾن ﺗﺻﻧﻊ ھﯾدروﺟﻧﯾﮐس وﻣوزع اﻟﻐﺎز اﻟطﺑﯾﻌﻲ Enbridge ﻟﺗطوﯾر ﻣﺛل ھذه اﻟطﺎﻗﺔ إﻟﯽ ﻧظﺎم اﻟﻐﺎز ﻓﻲ ﮐﻧدا.
تخزين خط أنابيب
يمكن استخدام شبكة الغاز الطبيعي لتخزين الهيدروجين. قبل التحول إلى الغاز الطبيعي ، تم تشغيل شبكات الغاز الألمانية باستخدام towngas ، والتي تتكون في معظمها من الهيدروجين. تبلغ السعة التخزينية لشبكة الغاز الطبيعي الألمانية أكثر من 200،000 جيجاوات • وهو ما يكفي لعدة أشهر من متطلبات الطاقة. وبالمقارنة ، تبلغ سعة جميع محطات توليد الطاقة التي يتم ضخها في ألمانيا حوالي 40 جيجاوات فقط. ويتم نقل الطاقة من خلال شبكة الغاز مع خسارة أقل بكثير (<0.1 ٪) مما كانت عليه في شبكة الطاقة (8 ٪). تمت دراسة استخدام أنابيب الغاز الطبيعي الموجودة للهيدروجين بواسطة NaturalHy
بنية تحتية
تتكون البنية التحتية للهيدروجين بشكل رئيسي من خط أنابيب نقل الهيدروجين الصناعي ومحطات تعبئة مجهزة بالهيدروجين مثل تلك الموجودة على طريق رئيسي للهيدروجين. محطات الهيدروجين التي لم تكن موجودة بالقرب من خط أنابيب الهيدروجين ستحصل على إمدادات عبر صهاريج الهيدروجين ، ومقطورات أنابيب الهيدروجين المضغوطة ، ومقطورات الهيدروجين السائلة ، شاحنات صهريج الهيدروجين السائل أو إنتاج مخصص في الموقع.
بسبب التقصف الهيدروجيني للصلب ، وتتطلب أنابيب الغاز الطبيعي للتآكل الطلاء أو الاستبدال الداخلي من أجل نقل الهيدروجين. التقنيات معروفة. أكثر من 700 ميل من خط أنابيب الهيدروجين موجودة في الولايات المتحدة. على الرغم من كونها مكلفة ، فإن خطوط الأنابيب هي أرخص طريقة لنقل الهيدروجين. إن أنابيب غاز الهيدروجين روتينية في مصافي النفط الكبيرة ، لأن الهيدروجين يستخدم في وقود الهيدروكرب من النفط الخام.
من الناحية النظرية يمكن تجنب أنابيب الهيدروجين في النظم الموزعة لإنتاج الهيدروجين ، حيث يتم إجراء الهيدروجين بشكل روتيني في الموقع باستخدام مولدات متوسطة أو صغيرة الحجم والتي من شأنها إنتاج ما يكفي من الهيدروجين للاستخدام الشخصي أو ربما الحي. في النهاية ، قد تنجح مجموعة من خيارات توزيع غاز الهيدروجين.
في الوقت الذي يتم فيه توزيع ملايين الأطنان من الهيدروجين العنصري حول العالم كل عام بطرق مختلفة ، فإن إحضار الهيدروجين إلى المستهلكين الأفراد يتطلب تطوراً في البنية التحتية للوقود. على سبيل المثال ، وفقاً لشركة جنرال موتورز ، يعيش 70٪ من سكان الولايات المتحدة بالقرب من منشأة لتوليد الهيدروجين ولكنهم لا يتمتعون بوصول عام إلى هذا الهيدروجين. ومع ذلك ، تُظهر الدراسة نفسها أن بناء البنية التحتية بطريقة منظمة أكثر قابلية للتنفيذ وأكثر تكلفة مما يعتقد معظم الناس. على سبيل المثال ، لاحظت إحدى المقالات أن محطات الهيدروجين يمكن وضعها في كل 10 أميال في مترو لوس أنجلوس ، وعلى الطرق السريعة بين لوس أنجلوس والمدن المجاورة مثل بالم سبرينغز ، ولاس فيغاس ، وسان دييجو ، وسانتا باربرا ، مقابل تكلفة ستاربوك latte لكل واحد من 15 مليون شخص يعيشون في هذه المناطق.
مقايضة مفتاح: مركزي مقابل إنتاج موزعة
في اقتصاد الهيدروجين الكامل في المستقبل ، سيتم استخدام مصادر الطاقة الأولية والمواد الخام لإنتاج غاز الهيدروجين كطاقة مخزنة لاستخدامها في قطاعات اقتصادية مختلفة. وسيؤدي إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة الأولية بخلاف الفحم والنفط والغاز الطبيعي إلى انخفاض إنتاج غازات الاحتباس الحراري التي تميز احتراق موارد الطاقة الأحفورية هذه.
ومن السمات الرئيسية لاقتصاد الهيدروجين هو أنه في التطبيقات المتنقلة (النقل في المركبات في المقام الأول) يمكن فصل توليد الطاقة واستخدامها. لم يعد مصدر الطاقة الأساسي بحاجة إلى السفر مع السيارة ، كما هو الحال حاليًا مع الوقود الهيدروكربوني. فبدلاً من الأنابيب التي تخلق انبعاثات متفرقة ، يمكن توليد الطاقة (والتلوث) من مصادر نقطية مثل المرافق المركزية واسعة النطاق مع تحسين الكفاءة. وهذا من شأنه أن يتيح إمكانية تكنولوجيات مثل عزل الكربون ، والتي تكون مستحيلة للاستخدام في التطبيقات المتنقلة. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام مخططات توليد الطاقة الموزعة (مثل مصادر الطاقة المتجددة على نطاق صغير) ، وربما ترتبط بمحطات الهيدروجين.
وبصرف النظر عن توليد الطاقة ، يمكن أن يكون إنتاج الهيدروجين مركزيًا أو موزعًا أو مزيجًا من الاثنين. في حين أن توليد الهيدروجين في محطات الطاقة الأولية المركزية يعد بكفاءة أعلى لإنتاج الهيدروجين ، فإن الصعوبات في النقل الهيدروجيني طويل المدى (بسبب عوامل مثل تلف الهيدروجين وسهولة انتشار الهيدروجين من خلال المواد الصلبة) تجعل توزيع الطاقة الكهربائية جذابًا داخل الهيدروجين الاقتصاد. في مثل هذا السيناريو ، يمكن لمحطات إقليمية صغيرة أو حتى محطات تعبئة محلية توليد الهيدروجين باستخدام الطاقة المقدمة عبر شبكة التوزيع الكهربائية. في حين أنه من المرجح أن تكون كفاءة توليد الهيدروجين أقل من توليد الهيدروجين المركزي ، فإن الخسائر في نقل الهيدروجين يمكن أن تجعل مثل هذا المخطط أكثر كفاءة من حيث الطاقة الأولية المستخدمة لكل كيلوجرام من الهيدروجين الذي يتم توصيله إلى المستخدم النهائي.
التوازن الصحيح بين توزيع الهيدروجين والتوزيع الكهربائي للمسافات الطويلة هو أحد الأسئلة الأساسية التي تطرح حول اقتصاد الهيدروجين.
مرة أخرى ، يمكن الآن التغلب على معضلات مصادر الإنتاج ونقل الهيدروجين باستخدام الموقع (المنزل ، أو العمل ، أو محطة الوقود) توليد الهيدروجين من مصادر متجددة خارج الشبكة.
التحليل الكهربائي الموزع
سيتجاوز التحليل الكهربائي الموزع مشاكل توزيع الهيدروجين عن طريق توزيع الكهرباء بدلاً من ذلك. وستستخدم الشبكات الكهربائية الحالية لنقل الكهرباء إلى أجهزة التحليل الكهربية الصغيرة في الموقع الموجودة في محطات التعبئة. ومع ذلك ، فإن حساب الطاقة المستخدمة لإنتاج خسائر الكهرباء والإرسال من شأنه أن يقلل من الكفاءة الكلية.
تعمل محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة بالغاز الطبيعي ، والتي تمثل تقريبا جميع منشآت توليد الكهرباء الجديدة في الولايات المتحدة ، على توليد الكهرباء بكفاءة بنسبة 60٪ أو أكثر. إن زيادة الطلب على الكهرباء ، سواء بسبب سيارات الهيدروجين أو غيرها من الطلب ، سيكون لها تأثير هامشي على إضافة محطات توليد طاقة دورة مشتركة جديدة. على هذا الأساس ، سيكون الإنتاج الموزع للهيدروجين فعالًا بنسبة 40٪ تقريبًا. ومع ذلك ، إذا تم إحالة التأثير الهامشي إلى شبكة الطاقة الحالية ، مع كفاءة تقارب 40٪ بسبب مزيجها من الوقود وطرق التحويل ، فإن كفاءة إنتاج الهيدروجين الموزع ستكون 25٪ تقريبًا.
ومن المتوقع أن يؤدي إنتاج الهيدروجين الموزع بهذه الطريقة إلى توليد انبعاثات من الملوثات وثاني أكسيد الكربون في نقاط مختلفة في سلسلة التوريد ، مثل التحليل الكهربائي والنقل والتخزين. يجب موازنة العوامل الخارجية مثل التلوث مقابل المزايا المحتملة لاقتصاد الهيدروجين.
استخدام الطاقة من الهيدروجين
أهم عنصر في استخدام الهيدروجين هو خلية الوقود. إنه يحول الطاقة الموجودة في الهيدروجين إلى حرارة وكهرباء.
استخدم في المنزل
في توليد الطاقة المحلية بواسطة خلية الوقود ، كما هو الحال في معدات التوليد المشترك ، يمكن تحقيق التوليد المشترك ، مما يزيد من الكفاءة الكلية. نظرًا لأن طريقة التشغيل هذه تركز على إنتاج الحرارة ، يتم التحكم في هذه الأنظمة وفقًا لمتطلبات الحرارة ، مع تغذية التيار الكهربائي المتولد إلى شبكة الطاقة العامة.
لقد طور Vaillant سخان خلايا الوقود الذي يمكن أيضًا تشغيله بالغاز الطبيعي عن طريق المصلح.
الكفاءة ذات القيمة الحرارية القابلة للتحقيق من الناحية النظرية هي تقريبا. 83٪. إذا كانت الكفاءة ، كما هو الحال في محطات الطاقة الحرارية ومحركات الاحتراق الداخلي ، تعتمد عادة على القيمة الحرارية ، فإن هذا يؤدي إلى أقصى قدر من الكفاءة النظرية تقريبًا. 98٪. اعتمادا على نوع خلية الوقود ، تتراوح كفاءات النظام بين 40 ٪ و 65 ٪ ، على الرغم من أنه من غير الواضح ما إذا كانت هذه القيمة الحرارية أو القيم الحرارية.
استخدامها في حركة المرور
سيارة تعمل بالهيدروجين لديها ط. A. خزان الضغط (على سبيل المثال 700 بار) التي يمكن إعادة التزود بالوقود في محطة للتزود بالوقود الهيدروجين. كطرق توليد القوة إما محرك احتراق داخلي تقليدي إلى حد كبير ممكن ، يشبه القيادة مع الغاز الطبيعي ، أو "الاحتراق البارد" في خلية الوقود. في سيارة خلية الوقود ، يتم توليد الطاقة الكهربائية بخلية الوقود ، التي تقود محركًا كهربائيًا.
محرك الاحتراق الداخلي
كغاز قابل للاشتعال ، يمكن حرق الهيدروجين في محرك احتراق داخلي تقليدي إلى حد كبير ("محرك احتراق الهيدروجين") ، على غرار المركبات التي تعمل بالغاز الطبيعي ، إلى طاقة الدوران الميكانيكية (على سبيل المثال في BMW Hydrogen 7).
خلية الوقود
في سيارة خلية الوقود ، يتم توليد الطاقة الكهربائية بخلية الوقود ، التي تقود محركًا كهربائيًا.
كما يتم اختبار تكنولوجيا الهيدروجين في الواقع على الحافلات. يحقق الجيل الحالي من حافلات الهيدروجين (2009) نطاقًا يبلغ حوالي 250 كيلومترًا مع 35 كيلوجرامًا من الهيدروجين.
سيارات خلايا الوقود أغلى بكثير من السيارات الكهربائية. وفقا لفريتز هندرسون (الرئيس التنفيذي لشركة جنرال موتورز) ، فإن هذه السيارة تكلف حوالي 400،000 دولار (اعتبارا من عام 2009). أفادت تقارير أن مصنعي السيارات تويوتا ونيسان ومرسيدس-بنز وهوندا قاموا بتخفيض تكاليف إنتاج المركبات التي تعمل بالهيدروجين بشكل كبير. (إن تويوتا ميراي ، على سبيل المثال ، متوفرة في ألمانيا بسعر يقل قليلاً عن 80،000 يورو). وتنتج تويوتا سيارات H2 في مجموعات صغيرة وتضبط بطريقة كبيرة على خلية الوقود.
مع مرسيدس B-Class F-Cell ، تم الوصول إلى سيارتي ما قبل الإنتاج لهيونداي هيونداي ix35 ، التي تعمل بخلايا الوقود الكهربائية (FCEV) والتي تبلغ 500 كم ، بأقصى سرعة تبلغ 80 كم / ساعة. من أجل إثبات ملاءمتها للاستخدام اليومي لحملة الهيدروجين ، أكملت دايملر بنجاح "الطواف حول العالم" مع العديد من مركبات خلايا الوقود من الفئة ب. تم تسليم 200 سيارة من هذا النوع للعملاء في عام 2010.
هناك الآن بعض الحافلات ، ض. على سبيل المثال ، هجين Mercedes-Benz Citaro FuelCELL من العديد من الشركات المصنعة الذين يعملون مع خلايا الوقود.
بالإضافة إلى ذلك ، مع تكنولوجيا Hydrail منذ عام 2005 ، أصبحت عربات السكك الحديدية في منظور اقتصاد الهيدروجين. كما أخذت واحدة من الشركات الأولى إلى "شركة السكك الحديدية اليابانية الشرقية" لاختبار قاطرة هجينة في العملية. في نهاية عام 2017 ، تم طلب 14 قطارا مع محرك خلية الوقود من الشركة المصنعة ألستوم في ولاية سكسونيا السفلى.
تقوم شركة السكك الحديدية السويسرية الفيدرالية (SBB) بإدخال خلايا وقود الهيدروجين في ميني بارها المتداول منذ ربيع عام 2014 من أجل الحصول على طاقة كافية لآلة إسبرسو المدمجة على الطريق ، والتي يمكنها الآن تقديم الكابتشينو للركاب. والمراكب المعتادة المستخدمة حتى الآن كانت ثقيلة جدا على هذه المهمة التي تستهلك الطاقة.
سلامة الهيدروجين
يحتوي الهيدروجين على أكبر مجموعة من المزيج المتفجر / الاشتعال بالهواء من جميع الغازات مع بعض الاستثناءات القليلة مثل الأسيتيلين وسيلاني وأكسيد الإيثيلين. وهذا يعني أنه مهما كانت نسبة المزيج بين الهواء والهيدروجين ، فإن تسرب الهيدروجين سيؤدي على الأرجح إلى انفجار ، وليس مجرد شعلة ، عندما تشعل الشعلة أو الشرارة الخليط. وهذا يجعل استخدام الهيدروجين خطيرًا بشكل خاص في المناطق المغلقة مثل الأنفاق أو مواقف السيارات تحت الأرض. يحترق لهب الهيدروجين والأكسجين النقي في نطاق ألوان الأشعة فوق البنفسجية وغير مرئي تقريبا للعين المجردة ، لذلك هناك حاجة إلى كاشف اللهب لاكتشاف ما إذا كان تسرب الهيدروجين يحترق. الهيدروجين عديم الرائحة ولا يمكن اكتشاف التسربات بالرائحة.
شفرات الهيدروجين ومعاييره هي رموز ومعايير لمركبات خلايا وقود الهيدروجين ، تطبيقات خلايا الوقود الثابتة وتطبيقات خلايا الوقود المحمولة.هناك رموز ومعايير لمعالجة وتخزين الهيدروجين بشكل آمن ، على سبيل المثال المعيار لتركيب أنظمة طاقة خلايا الوقود الثابتة من الجمعية الوطنية للحماية من الحرائق.
لقد تم تحديد الأكواد والمعايير بشكل متكرر كحاجز مؤسسي رئيسي لنشر تقنيات الهيدروجين وتطوير اقتصاد الهيدروجين. ولتمكين تسويق الهيدروجين في المنتجات الاستهلاكية ، يتم تطوير مدونات ومعدات بناء النماذج الجديدة والمعايير الفنية الأخرى ومعترف بها من قبل الحكومات الفيدرالية والولائية والمحلية.
أحد التدابير على خريطة الطريق هو تطبيق معايير سلامة أعلى مثل الكشف المبكر عن التسرب باستخدام مستشعرات الهيدروجين. وخلص برنامج السلامة الهيدروجينية الكندي إلى أن وقود الهيدروجين آمن مثل ، أو أكثر أمانا ، من وقود الغاز الطبيعي المضغوط (CNG). وقد مولت المفوضية الأوروبية أول برنامج للتعليم العالي في العالم في هندسة السلامة الهيدروجينية في جامعة ألستر. ومن المتوقع أن يتمكن عامة الناس من استخدام تقنيات الهيدروجين في الحياة اليومية على الأقل بنفس مستوى السلامة والراحة كما هو الحال مع أنواع الوقود الأحفوري الحالية.