ما هو الهيدروجين الأخضر ولماذا نحتاج إليه

لقد حان الوقت للاستفادة من إمكانات الهيدروجين للعب دور رئيسي في مواجهة تحديات الطاقة الحرجة. أظهرت النجاحات الأخيرة لتقنيات الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية أن ابتكار السياسات والتكنولوجيا لهما القدرة على بناء صناعات عالمية للطاقة النظيفة.

يظهر الهيدروجين كأحد الخيارات الرائدة لتخزين الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة مع الوقود القائم على الهيدروجين الذي يحتمل أن ينقل الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة لمسافات طويلة - من المناطق ذات موارد الطاقة الوفيرة إلى المناطق المتعطشة للطاقة على بعد آلاف الكيلومترات.

ظهر الهيدروجين الأخضر في عدد من تعهدات خفض الانبعاثات في مؤتمر الأمم المتحدة للمناخ ، COP26 ، كوسيلة لإزالة الكربون من الصناعة الثقيلة ، والشحن لمسافات طويلة ، والشحن ، والطيران. أقرت الحكومات والصناعة على حد سواء بأن الهيدروجين ركيزة مهمة لاقتصاد صافي الصفر.

أعلنت مبادرة Green Hydrogen Catapult ، وهي مبادرة للأمم المتحدة لخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر ، أنها تضاعف تقريبًا هدفها الخاص بالمحللات الكهربائية الخضراء من 25 جيجاوات التي تم تحديدها العام الماضي ، إلى 45 جيجاوات بحلول عام 2027. وقد تبنت المفوضية الأوروبية مجموعة من التشريعات مقترحات لإزالة الكربون من سوق الغاز في الاتحاد الأوروبي من خلال تسهيل امتصاص الغازات المتجددة والمنخفضة الكربون ، بما في ذلك الهيدروجين ، وضمان أمن الطاقة لجميع المواطنين في أوروبا. كما تعمل الإمارات العربية المتحدة على زيادة الطموح ، حيث تهدف إستراتيجية الهيدروجين الجديدة للدولة إلى الاحتفاظ بربع سوق الهيدروجين العالمي منخفض الكربون بحلول عام 2030 ، وأعلنت اليابان مؤخرًا أنها ستستثمر 3.4 مليار دولار من صندوق الابتكار الأخضر لتسريع البحث والتطوير و الترويج لاستخدام الهيدروجين على مدى السنوات العشر القادمة.

قد تصادف المصطلحات "رمادي" و "أزرق" و "أخضر" مرتبطة عند وصف تقنيات الهيدروجين. كل ذلك يعود إلى طريقة إنتاجه. ينبعث الهيدروجين الماء فقط عند الاحتراق ، لكن صنعه يمكن أن يكون كثيف الكربون. اعتمادًا على طرق الإنتاج ، يمكن أن يكون الهيدروجين رماديًا أو أزرقًا أو أخضر - وأحيانًا يكون لونه ورديًا أو أصفر أو فيروزيًا. ومع ذلك ، فإن الهيدروجين الأخضر هو النوع الوحيد الذي يتم إنتاجه بطريقة محايدة مناخياً مما يجعل الوصول إلى الصفر الصافي بحلول عام 2050 أمرًا بالغ الأهمية.

طلبنا من الدكتور إيمانويل طيبي ، رئيس استراتيجيات تحويل قطاع الطاقة ، الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) شرح ماهية الهيدروجين الأخضر وكيف يمكن أن يمهد الطريق نحو صافي انبعاثات صفرية. يعمل حاليًا في مركز IRENA للابتكار والتكنولوجيا في بون ، ألمانيا ، حيث يتولى مسؤولية مساعدة الدول الأعضاء في وضع استراتيجيات لتحويل قطاع الطاقة ، ويدير حاليًا العمل على مرونة نظام الطاقة ، والهيدروجين والتخزين كمفتاح عوامل التمكين لانتقال الطاقة. الدكتور طيبي هو أيضًا أمين مشارك لمنصة الاستخبارات الاستراتيجية للمنتدى الاقتصادي العالمي ، حيث طور فريقه خريطة التحول على الهيدروجين.

تقنيات الهيدروجين الخضراء

ما الذي دفعك إلى تطوير خبرتك في تقنيات الطاقة وكيف يساهم عملك في IRENA في ذلك؟

كان ذلك خلال رسالة الماجستير الخاصة بي. لقد أجريت تدريبًا داخليًا في الوكالة الوطنية الإيطالية للطاقة والبيئة (ENEA) ، حيث تعرفت على التنمية المستدامة والطاقة ، والعلاقة بين الاثنين. كتبت أطروحتي في الهندسة الإدارية حول هذا الموضوع وقررت أن هذا هو المجال الذي أريد أن أركز فيه حياتي العملية. تقدم سريعًا ما يقرب من 20 عامًا من الخبرة في مجال الطاقة والتعاون الدولي ، ودكتوراه في تكنولوجيا الطاقة والوقت الذي أمضيته في القطاع الخاص والوكالات البحثية والحكومية الدولية ، أقود حاليًا فريق تحويل قطاع الطاقة في IRENA منذ عام 2017.

يتمثل عملي في IRENA في المساهمة ، مع فريقي وبالتعاون الوثيق مع الزملاء عبر الوكالة والشركاء الخارجيين مثل المنتدى الاقتصادي العالمي ، في دعم 166 دولة عضو في تحول الطاقة ، مع التركيز على إمدادات الكهرباء المتجددة و تستخدم لإزالة الكربون من قطاع الطاقة من خلال الإلكترونات الخضراء وكذلك الجزيئات الخضراء مثل الهيدروجين ومشتقاته.

ما هو الهيدروجين الأخضر؟ كيف يختلف عن الهيدروجين "الرمادي" التقليدي كثيف الانبعاثات والهيدروجين الأزرق؟

الهيدروجين هو أبسط وأصغر عنصر في الجدول الدوري. بغض النظر عن كيفية إنتاجه ، فإنه ينتهي بنفس الجزيء الخالي من الكربون. ومع ذلك ، فإن مسارات إنتاجه متنوعة للغاية ، وكذلك انبعاثات غازات الاحتباس الحراري مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2) والميثان (CH4).

يُعرَّف الهيدروجين الأخضر بأنه هيدروجين ينتج عن طريق تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء المتجددة. هذا مسار مختلف تمامًا مقارنة بكل من الرمادي والأزرق.

يتم إنتاج الهيدروجين الرمادي تقليديًا من الميثان (CH4) ، وينقسم بالبخار إلى CO2 - السبب الرئيسي لتغير المناخ - و H2 ، الهيدروجين. تم إنتاج الهيدروجين الرمادي أيضًا بشكل متزايد من الفحم ، مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أعلى بكثير لكل وحدة من الهيدروجين المنتجة ، كثيرًا ما يسمى الهيدروجين البني أو الأسود بدلاً من الرمادي. يتم إنتاجه على نطاق صناعي اليوم ، مع انبعاثات مرتبطة به مماثلة للانبعاثات المشتركة في المملكة المتحدة وإندونيسيا. ليس لها قيمة لانتقال الطاقة ، بل على العكس تمامًا.

يتبع الهيدروجين الأزرق نفس العملية مثل اللون الرمادي ، مع التقنيات الإضافية اللازمة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون الناتج عندما ينفصل الهيدروجين عن الميثان (أو من الفحم) وتخزينه على المدى الطويل. إنه ليس لونًا واحدًا بل هو تدرج واسع جدًا ، حيث لا يمكن التقاط 100 في المائة من ثاني أكسيد الكربون المنتج ، وليست جميع وسائل تخزينه فعالة بنفس القدر على المدى الطويل. النقطة الرئيسية هي أنه يمكن تقليل التأثير المناخي لإنتاج الهيدروجين بشكل كبير من خلال التقاط جزء كبير من ثاني أكسيد الكربون.

هناك تقنيات (مثل الانحلال الحراري للميثان) تبشر بمعدلات التقاط عالية (90-95 في المائة) وتخزين فعال على المدى الطويل لثاني أكسيد الكربون في صورة صلبة ، ومن المحتمل أن تكون أفضل بكثير من اللون الأزرق لدرجة أنها تستحق لونها الخاص في " قوس قزح لتصنيف الهيدروجين "، الهيدروجين الفيروزي. ومع ذلك ، لا يزال الانحلال الحراري للميثان في مرحلة تجريبية ، بينما يرتفع الهيدروجين الأخضر بسرعة استنادًا إلى تقنيتين رئيسيتين - الطاقة المتجددة (خاصة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح ، ولكن ليس فقط) والتحليل الكهربائي.

على عكس الطاقة المتجددة ، وهي أرخص مصدر للكهرباء في معظم البلدان والمناطق اليوم ، يحتاج التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر إلى زيادة كبيرة وتقليل تكلفته ثلاث مرات على الأقل خلال العقد أو العقدين المقبلين. ومع ذلك ، على عكس CCS والانحلال الحراري للميثان ، فإن التحليل الكهربائي متاح تجارياً اليوم ويمكن شراؤه منالعديد من الموردين الدوليين في الوقت الحالي.

حلول طاقة الهيدروجين الخضراء

ما هي مزايا حلول انتقال الطاقة نحو اقتصاد الهيدروجين "الأخضر"؟ كيف يمكننا الانتقال إلى اقتصاد الهيدروجين الأخضر من حيث نحن حاليًا مع الهيدروجين الرمادي؟

يعتبر الهيدروجين الأخضر جزءًا مهمًا من انتقال الطاقة. إنها ليست الخطوة الفورية التالية ، حيث نحتاج أولاً إلى زيادة تسريع نشر الكهرباء المتجددة لإزالة الكربون من أنظمة الطاقة الحالية ، وتسريع كهربة قطاع الطاقة للاستفادة من الكهرباء المتجددة منخفضة التكلفة ، قبل إزالة الكربون في النهاية من القطاعات التي يصعب كهرتها - مثل الصناعات الثقيلة والشحن والطيران - من خلال الهيدروجين الأخضر.

من المهم أن نلاحظ أننا ننتج اليوم كمية كبيرة من الهيدروجين الرمادي ، مع ارتفاع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (والميثان): ستكون الأولوية لبدء إزالة الكربون من الطلب الحالي على الهيدروجين ، على سبيل المثال عن طريق استبدال الأمونيا من الغاز الطبيعي بالأمونيا الخضراء.

أثارت الدراسات الحديثة جدلاً حول مفهوم الهيدروجين الأزرق كوقود انتقالي حتى يصبح الهيدروجين الأخضر منافسًا من حيث التكلفة. كيف يمكن أن تصبح تكلفة الهيدروجين الأخضر تنافسية مقابل الهيدروجين الأزرق؟ ما نوع الاستثمارات الاستراتيجية التي يجب أن تحدث في عملية تطوير التكنولوجيا؟

تتمثل الخطوة الأولى في توفير إشارة لاستبدال الهيدروجين الأزرق باللون الرمادي ، فبدون سعر لانبعاث ثاني أكسيد الكربون ، لا توجد حالة عمل للشركات للاستثمار في نظام احتجاز الكربون المعقد والمكلف (CCS) والتخزين الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون. بمجرد أن يصبح إطار العمل هكذا يصبح الهيدروجين منخفض الكربون (أزرق ، أخضر ، فيروزي) منافسًا للهيدروجين الرمادي ، عندها يصبح السؤال: هل يجب أن نستثمر في احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه إذا كان الخطر يتمثل في امتلاك أصول عالقة ، ومتى سيصبح اللون الأخضر أرخص من أزرق.

ستختلف الإجابة بالطبع حسب المنطقة. في عالم خالٍ من الصفر ، وهو هدف تلتزم به المزيد والمزيد من البلدان ، يجب تعويض الانبعاثات المتبقية من الهيدروجين الأزرق بالانبعاثات السلبية. هذا سيأتي بتكلفة. في موازاة ذلك ، كانت أسعار الغاز متقلبة للغاية مؤخرًا ، مما ترك سعر الهيدروجين الأزرق مرتبطًا بشكل كبير بسعر الغاز ، ولا يتعرض فقط لعدم اليقين بشأن أسعار ثاني أكسيد الكربون ، ولكن أيضًا لتقلب أسعار الغاز الطبيعي.

ومع ذلك ، بالنسبة للهيدروجين الأخضر ، قد نشهد قصة مماثلة لقصة الكهروضوئية الشمسية. إنها كثيفة رأس المال ، لذلك نحن بحاجة إلى تقليل تكلفة الاستثمار وكذلك تكلفة الاستثمار ، من خلال توسيع نطاق تصنيع التقنيات المتجددة والمحللات الكهربائية ، مع إنشاء اقتطاع منخفض المخاطر لتقليل تكلفة رأس المال لاستثمارات الهيدروجين الخضراء. سيؤدي ذلك إلى تكلفة مستقرة ومتناقصة للهيدروجين الأخضر ، على عكس التكلفة المتقلبة والمحتملة للزيادة في الهيدروجين الأزرق.

وصلت تقنيات الطاقة المتجددة إلى مستوى من النضج بالفعل اليوم يسمح بتوليد طاقة كهربائية متجددة تنافسية في جميع أنحاء العالم ، وهو شرط أساسي لإنتاج الهيدروجين الأخضر التنافسي. على الرغم من أن المحلل الكهربائي لا يزال منتشرًا على نطاق صغير جدًا ، مما يتطلب زيادة في الحجم بمقدار ثلاثة أوامر من حيث الحجم في العقود الثلاثة القادمة لتقليل تكلفتها بمقدار ثلاثة أضعاف.

اليوم ، يسير خط أنابيب مشاريع الهيدروجين الأخضر على المسار الصحيح لخفض تكلفة المحلل الكهربائي إلى النصف قبل عام 2030. ويمكن أن يؤدي هذا ، جنبًا إلى جنب مع المشاريع الكبيرة الموجودة في أفضل الموارد المتجددة ، إلى توفير الهيدروجين الأخضر التنافسي على نطاق واسع في {{1 التالية }} سنوات. هذا لا يترك الكثير من الوقت للهيدروجين الأزرق - الذي لا يزال في المرحلة التجريبية اليوم - للتوسع من النطاق التجريبي إلى النطاق التجاري ، ونشر المشاريع المعقدة (مثل التخزين الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون على المدى الطويل) على نطاق تجاري وتكلفة تنافسية ، واستعادة الاستثمارات التي تم إجراؤها في السنوات الـ 10-15 القادمة.

أدرجت العديد من الحكومات الآن تقنيات وقود الهيدروجين في استراتيجياتها الوطنية. نظرًا للطلبات المتزايدة للانتقال نحو إزالة الكربون من الاقتصاد وتمكين التقنيات ذات معدلات احتجاز الكربون الأعلى ، ما هي نصيحتك لواضعي السياسات وصناع القرار الذين يقومون بتقييم إيجابيات وسلبيات الهيدروجين الأخضر؟

سنحتاج إلى الهيدروجين الأخضر للوصول إلى صافي انبعاثات صفرية ، لا سيما في الصناعة والشحن والطيران. ومع ذلك ، فإن ما نحتاجه بشكل عاجل هو:

1) كفاءة الطاقة ؛

2) الكهرباء.

3) النمو المتسارع لتوليد الطاقة المتجددة.

بمجرد أن يتحقق هذا ، فإننا نترك كاليفورنيا. 40 في المائة من الطلب لإزالة الكربون ، وهذا هو المكان الذي نحتاج فيه إلى الهيدروجين الأخضر والطاقة الحيوية الحديثة والاستخدام المباشر لمصادر الطاقة المتجددة. بمجرد زيادة الطاقة المتجددة لإزالة الكربون من الكهرباء ، سنكون في وضع يسمح لنا بتوسيع قدرة الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين الأخضر القادر على المنافسة وإزالة الكربون من القطاعات التي يصعب تخفيفها بأقل تكلفة إضافية.

أين ترى تطور تقنيات الطاقة المتعلقة بالهيدروجين بحلول عام 2030؟ هل يمكننا توقع المركبات التجارية التي تعمل بالهيدروجين؟

نرى فرصة لامتصاص سريع للهيدروجين الأخضر في العقد المقبل حيث يوجد طلب على الهيدروجين بالفعل: إزالة الكربون من الأمونيا والحديد والسلع الأخرى الموجودة. يمكن للعديد من العمليات الصناعية التي تستخدم الهيدروجين استبدال اللون الرمادي باللون الأخضر أو ​​الأزرق ، بشرط أن يتم تسعير ثاني أكسيد الكربون بشكل مناسب أو وضع آليات أخرى لإزالة الكربون من تلك القطاعات.

بالنسبة للشحن والطيران ، يختلف الوضع قليلاً. يمكن استخدام الوقود المتسرب ، الذي يعتمد على الهيدروجين الأخضر ولكنه مطابق بشكل أساسي لوقود الطائرات والميثانول المنتج من النفط ، في الطائرات والسفن الحالية ، مع الحد الأدنى من التعديلات أو عدم إجراء أي تعديلات. ومع ذلك ، فإن هذه الأنواع من الوقود تحتوي على ثاني أكسيد الكربون ، والذي يجب التقاطه من مكان ما وإضافته إلى الهيدروجين ، ليتم إطلاقه مرة أخرى أثناء الاحتراق: هذا يقلل ولكن لا يحل مشكلة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يمكن نشر الوقود الاصطناعي قبل عام 2030 ، إذا كانت الحوافز المناسبة موجودة لتبرير التكلفة الإضافية للانبعاثات المخفضة (التي لم يتم التخلص منها).

في السنوات القادمة ، يمكن للسفن التحول إلى الأمونيا الخضراء ، وهي وقود يتم إنتاجه من الهيدروجين الأخضر والنيتروجين من الهواء ، والذي لا يحتوي على ثاني أكسيد الكربون ، ولكن ستكون هناك حاجة لاستثمارات لاستبدال المحركات والخزانات ، والأمونيا الخضراء حاليًا أغلى بكثير من زيت الوقود.

طائرات الهيدروجين (أو الأمونيا) بعيدة ، وستكون هذه طائرات جديدة بشكل أساسي يجب تصميمها وبناؤها وبيعها لشركات الطيران لتحل محل الطائرات الحالية التي تعمل بالوقود النفاث - ومن الواضح أنها غير ممكنة بحلول عام 2030: بهذا المعنى ، طائرة نفاثة خضراء الوقود - المنتج بمزيج من الهيدروجين الأخضر والطاقة الحيوية المستدامة - هو أحد الحلول التي يمكن نشرها على المدى القريب.

في الختام ، فإن الإجراءات الرئيسية لتسريع إزالة الكربون من الآن وحتى عام 2030 هي 1) كفاءة الطاقة 2) كهربة مع مصادر الطاقة المتجددة 3) تسريع توليد الطاقة المتجددة (مما سيقلل بشكل أكبر من التكلفة المنخفضة بالفعل للكهرباء المتجددة) 4) توسيع نطاق الاستدامة ، الطاقة الحيوية الحديثة ، اللازمة - من بين أمور أخرى - لإنتاج الوقود الأخضر الذي يتطلب ثاني أكسيد الكربون 2 5) إزالة الكربون من الهيدروجين الرمادي باستخدام الهيدروجين الأخضر ، مما يؤدي إلى زيادة الحجم وتقليل تكلفة التحليل الكهربائي ، مما يجعل الهيدروجين الأخضر منافسًا وجاهزًا لمزيد من توسيع نطاقها في 2030 ، نحو هدف الوصول إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050.

يعد المنتدى الاقتصادي العالمي من الداعمين منذ فترة طويلة لأجندة الهيدروجين النظيف منذ عام 2017 ، حيث ساعد - من بين أمور أخرى - في إنشاء مجلس الهيدروجين ، وإنشاء تحدي ابتكار الهيدروجين بالشراكة مع Mission Innovation ، والإنشاء ، جنبًا إلى جنب مع لجنة تحولات الطاقة ، التابعة لمنصة المهمة الممكنة للمساعدة في تحويل القطاعات التي يصعب تخفيفها إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050. اقرأ المزيد عن مبادرة تسريع الهيدروجين النظيف هنا.