هل إيلون ماسك محق أم مخطئ في رفض استخدام الهيدروجين لتخزين الطاقة منخفضة الكربون؟

ينتقل السياق من الطاقة الأحفورية إلى مصادر الطاقة المتجددة. أحد الجوانب الرئيسية لذلك هو النقل عبر مركبات البنزين أو الديزل وانتقاله إلى المحركات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أو الهيدروجين. يجب أن تهتم صناعة الوقود الأحفوري بكفاءة وتكلفة النقل المستدام ، لأن ذلك سيحدد سرعة التحول الذي من المحتمل أن يؤثر على تراجع إنتاج النفط وربما صناعة النفط والغاز نفسها.

يعرف إيلون ماسك البطاريات. يقوم ببنائها: لدفع السيارات والشاحنات ، في نهاية واحدة ، إلى عمالقة على نطاق الشبكة التي تخزن وتثبت الطاقة الكهربائية لمئات من المنازل والمؤسسات التجارية ، في النهاية الأخرى.

الأسبوع الماضي ، 12 مايو 2022 ، وقال المسك الهيدروجين "هو أغبى شيء يمكن أن أتخيله لتخزين الطاقة." ليست هذه هي المرة الأولى ، حيث أدلى ماسك بتعليقات سلبية مماثلة في السنوات الماضية. قبل بضع سنوات ، قال ماسك للصحفيين إن خلايا وقود الهيدروجين "سخيفة للغاية".

كان تعليق تخزين الهيدروجين الغبي تصريحًا كاسحًا. هل كان المسك يشير إلى تخزين الكهرباء على نطاق الشبكة؟ أم للتخزين في السيارات الكهربائية - المركبات الكهربائية مثل السيارات والشاحنات والحافلات؟ او كلاهما؟

دعونا نلقي نظرة أعمق على تطبيقات طاقة الهيدروجين ودورها في تخزين الكهرباء على عكس البطاريات.

تخزين الهيدروجين على نطاق الشبكة.

للوهلة الأولى ، يبدو أن ماسك كان يتحدث عن تخزين الكهرباء على نطاق الشبكة ، لأنه تحدث عن خزانات ضخمة من وقود الهيدروجين السائل أو الغازي التي ستكون ضرورية لتخزين الهيدروجين. تقرير آخر يدعم هذا.

لكن لا تنس البطاريات الكبيرة التي تسلا
TSLA
المباني على نطاق الشبكة ضخمة أيضًا. في ذلك الوقت ، كان أكبر بطارية في العالم تم بناؤه بواسطة Tesla في عام 2017 ، في Hornsdale ، أستراليا لتخزين 100 ميغا واط (MW) من الكهرباء. في عام 2020 تمت ترقيته إلى 150 ميغاواط.

تخزن البطارية وتثبت الطاقة من مزارع الرياح التي تجعل الكهرباء في جنوب أستراليا خالية تقريبًا من الكربون. يمكن للبطارية أن تشغل 8,000 منزل لمدة 24 ساعة أو أكثر من 30,000 منزل لمدة ساعة واحدة.

لكن ربما كان ماسك يتحدث عن الهيدروجين كمصدر للطاقة في السيارات والشاحنات ...

طاقة الهيدروجين للسيارات والشاحنات الكهربائية.

إلى حد بعيد ، المصدر الأكثر شيوعًا للطاقة للمركبات الكهربائية هو الكهرباء المخزنة في البطاريات.

ولكن يمكن الحصول على الكهرباء من خلية وقود كيميائية يتفاعل فيها الهيدروجين مع الأكسجين في خلية تشبه البطارية لإنتاج الكهرباء والماء. توجد أنواع مختلفة من خلايا الوقود. لكن الهيدروجين قابل للاشتعال ويمكن أن يسبب حرائق أو انفجارات. يمكن أن تكون خلية الوقود خطيرة ، خاصةً في حالة تعطل السيارة الكهربائية.

تتمتع خلايا وقود الهيدروجين بمزايا معينة: (1) كثافة تخزين طاقة أكبر بكثير من بطاريات الليثيوم أيون ، (2) نطاق قيادة أكبر ، (3) أخف وزنًا وتشغل مساحة أقل ، و (4) وقت إعادة شحن أقصر بكثير.

في تعليق محير على تويتر ، في الأول من أبريل من هذا العام ، أعلن المسك أنه سيقدم سيارات تسلا التي تستخدم خلايا وقود الهيدروجين. يبدو أن هذه نكتة ذكية من كذبة أبريل.

الإيجابيات والسلبيات الأساسية لبطاريات السيارات الكهربائية مقابل خلايا وقود الهيدروجين تم توثيقها. هنا ملخص:

يمكن لبطارية السيارة الحديثة تخزين 250 واط / ساعة من الطاقة لكل كيلوغرام من الليثيوم أيون. في غضون ذلك ، يحتوي كيلوغرام من الهيدروجين على 33,200 واط / ساعة لكل كيلوغرام. لا ، هذا ليس خطأ. نعم ، الهيدروجين أكثر كثافة في الطاقة بمئة مرة من بطارية ليثيوم أيون ".

"السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات تتسم بالكفاءة الهائلة. اعتمادًا على الطراز ، يمكن أن يتباهوا بكفاءة جيدة للعجلات بحوالي 70 إلى 80 في المائة. بالمقارنة ، فإن السيارة الكهربائية التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين (FCEV) شحيحة بشكل إيجابي ، مع كفاءة إجمالية في مكان ما حوالي 30 إلى 35 في المائة ... تظل الحقيقة أن تحويل الكهرباء إلى هيدروجين فقط لتحويلها مرة أخرى لن يكون أبدًا بنفس كفاءة التغذية المباشرة للبطارية ".

وفقًا لهذا التقرير ، فإن الوقت الأقصر للتزود بالوقود هو ما يوفر خلايا وقود الهيدروجين. تتطلب محطات الشحن الحالية حوالي 6 ساعات لإعادة تزويد نصف مقطورة تعمل بالبطارية بمدى 500 ميل بالوقود. لكن تويوتا وكينوورث لديهما بالفعل مقطورات هيدروجين يمكن إعادة تزويدها بالوقود في 15 دقيقة. هذا مغيّر لقواعد اللعبة في النقل بالشاحنات لمسافات طويلة الخالية من الكربون.

شاحنات الهيدروجين من Hyzon.

على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون هي السوق التجاري للركاب والمركبات الكهربائية خفيفة الوزن الأخرى ، إلا أنه يتم اختبار طاقة الهيدروجين للنقل لمسافات طويلة باستخدام نظام دفع أخف وزنًا.

Hyzon Motors هي شركة في مدينة روتشستر ، نيويورك يطور خلايا الوقود ويبني الشاحنات. بعد البحث لمدة 20 عامًا ، ابتكر Hyzon مجموعات خلايا الوقود التي تتمتع بأعلى قوة في العالم ، وأخف وزنًا بمقدار النصف تقريبًا ، وأرخص بمقدار النصف.

من المتوقع أن تكون الشاحنات التجريبية على الطريق بحلول عام 2022. بالنسبة لأصغر شاحنة ، يمكن تخزين 5 أسطوانات هيدروجين على رف واحد. تم تصميم الإصدار الثاني لاستيعاب 10 أسطوانات هيدروجين لرحلات أطول.

احتياجات أخرى لوقود الهيدروجين.

في الانتقال بعيدًا عن الطاقات الأحفورية نحو مصادر الطاقة المتجددة ، هناك ما يسمى بالقطاعات التي يصعب تخفيفها والتي لا يمكن كهرتها بسهولة لاستخدام الكهرباء الخضراء.

بالإضافة إلى شاحنات المسافات الطويلة ، فإن الطائرات والسفن هي الحالات التي تكون فيها البطاريات كبيرة جدًا أو ثقيلة جدًا بحيث لا يمكن حملها. يحتوي الهيدروجين على حوالي ثلاثة أضعاف الطاقة لكل كيلوغرام من الديزل أو البنزين.

الأفران الصناعية التي تعمل بالفحم حارة للغاية أو باهظة الثمن بحيث لا يمكن تسخينها بالكهرباء الخضراء. بدلاً من الفحم أو الزيت أو الغاز الطبيعي ، يمكن أن يعمل الهيدروجين كوقود لتوفير الحرارة الهائلة اللازمة في الأفران العالية لصنع الفولاذ الأخضر. تتعاون شركة تصنيع الصلب السويدية SSAB AB مع شركة سيارات فولفو لتطوير الفولاذ الخالي من الأحافير. ستكون فولفو أول شركة سيارات تختبر وتستخدم الفولاذ الأخضر في سيارة مفهوم. من المقرر أن يبدأ الإنتاج التجاري للصلب الأخضر في عام 2026.

الأخضر مقابل الهيدروجين الأزرق.

يتكون الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي للماء ولكن هذا غير فعال. بحسب المسك، كمية الطاقة المطلوبة - الكهرباء التي يجب أن تكون خضراء بشكل مثالي بالإضافة إلى الطاقة لضغط وتسييل الهيدروجين - مذهلة.

الهيدروجين الأزرق هو شكل بديل مصنوع من غاز الميثان. 99٪ من الهيدروجين المنتج اليوم هو الهيدروجين الأزرق لأنه أرخص بكثير من الهيدروجين الأخضر. لكنها فرضية خاطئة عند تقديمها كحل خالٍ من الكربون للوقود أو تخزين الطاقة.

يستخدم غاز الميثان كمادة وسيطة في عملية صنع الهيدروجين الأزرق. يأتي الميثان من حفر وتكسير الغاز أو آبار النفط ، حيث يمكن أن يؤدي حرق الغاز وتسرب الميثان في الآبار وخطوط الأنابيب إلى زيادة الاحتباس الحراري بشكل كبير. لذلك ، يتم استخدام طاقة أحفورية واحدة لإنتاج هيدروجين خالٍ من الكربون من الطاقة.

لكنها ليست خالية تمامًا من الكربون لأن التحلل الكيميائي للميثان يؤدي إلى الهيدروجين ومنتج ثنائي ، وهو ثاني أكسيد الكربون ، والذي يعد في حد ذاته أحد غازات الدفيئة الرئيسية (GHG) التي يجب التخلص منها.

بين هذين السلبيين يوجد وقود خال من الكربون يحترق لإنتاج الماء فقط. إحدى الطرق التي يمكن بها تحسين العملية هي الحصول على لقيم الميثان من مصادر الغاز الحيوي مثل مدافن القمامة أو روث البقر ، على سبيل المثال.

الهيدروجين محمول.

وكالة الطاقة الدولية (IEA) أشار إلى ميزة أخرى لتخزين الهيدروجين. مدمج كسائل ويمكن نقله بحذر لمسافات طويلة. على سبيل المثال ، يمكن لدول مثل أستراليا التي لديها مصادر كبيرة للطاقة المتجددة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أن تنتج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي وتنقله بالصهاريج إلى المدن المتعطشة للطاقة في جنوب شرق آسيا.

إنتاج الهيدروجين في نيو مكسيكو

BayoTech هي شركة في الواقع ينتج وقود الهيدروجين في نيو مكسيكو. يدعي BayoGas Hub وجود مولد أصغر وأكثر كفاءة يجعل الهيدروجين أرخص وبصمة كربونية أقل من المحطات المركزية الكبيرة التي توفر الهيدروجين لصانعي المواد الكيميائية ومصافي التكرير.

يمكن أن تكون المواد الأولية عبارة عن غاز طبيعي نظيف أو مصادر غاز حيوي متجددة أخرى يمكن أن تجعل الهيدروجين سالبًا للكربون.

يتم نشر ثلاثة محاور هيدروجين في الولايات المتحدة في عام 2022 ، مع خطط لتوسيع الشبكة في المملكة المتحدة وعلى مستوى العالم. ينتج كل مركز من مراكز الهيدروجين في شبكة BayoTech 1-5 أطنان من الهيدروجين كل يوم. يتم تسليم الهيدروجين محليًا في مقطورات نقل عالية الضغط تحمل أسطوانات غاز.

بالنسبة لخطط النقل الجماعي الخاصة بهم ، تمتلك مدينة شامبين-أوربانا في إلينوي أسطولًا متزايدًا من الحافلات الكهربائية الهجينة وخلايا الوقود الهيدروجينية. نشرت المدينة حافلتين تعملان بخلايا وقود الهيدروجين في عام 2021.

قبل اكتمال مولد الهيدروجين في الموقع. تم استدعاء BayoTech لتقديمها الهيدروجين المحمول في شاحنات النقل عالية الضغط ، والتي تقوم بشحن خلايا الوقود حتى يتمكن الموظفون من اختبار الحافلات.

وفقًا لـ BayoTech ، تعمل حافلات خلايا وقود الهيدروجين مثل حافلات الديزل التقليدية ولكن بدون انبعاثات غازات الدفيئة من أنبوب العادم. تشمل المزايا التي تتفوق على المحركات الكهربائية التي تعمل بالبطارية مدى يصل إلى 300 ميل ، ووقت إعادة التزود بالوقود لمدة 10 دقائق فقط ، ومحطات التزود بالوقود التي يمكن أن تستوعب ما يصل إلى 100 حافلة.

من الجدير بالذكر أن جزءًا كبيرًا من المال - 8 مليارات دولار - تم تخصيصه في قانون البنية التحتية لعام 2021 لإعداد نظيف محاور الهيدروجين، أربعة منهم على الأقل ، عبر الولايات المتحدة.

رؤية BP الهيدروجين في تيسايد ، المملكة المتحدة.

في عام 2020 ، أعادت BP اختراع نفسها كشركة متكاملة كما تم تلخيصها في برنامج Energy Outlook 2020.

أحدث مشروع متجدد لهم هو Teesside hydrogen ، في إشارة إلى مركز صناعي على الساحل الشمالي الشرقي لإنجلترا.

• الرؤية لتيسايد لتصبح مركزًا رئيسيًا للهيدروجين للنقل في مجال الطيران والشحن والشاحنات الثقيلة - جميع القطاعات التي يصعب فيها استخدام طاقة البطارية. لكن المفهوم سيشمل أيضًا الطاقة للصناعات التي يصعب تخفيفها مثل الأسمنت وصناعة الصلب.

الخطة الأصلية، ودعا H2Teesside ، لتوليد الهيدروجين الأزرق عن طريق تحلل الميثان ، الميثان ، بينما يتم التقاط المنتج الثنائي من ثاني أكسيد الكربون ودفنه تحت المحيط من خلال عملية تسمى CCS.

ستعمل إضافة HyGreen الأخيرة على تحليل الماء إلى الهيدروجين الأخضر والأكسجين. هذا هو أكثر تكلفة بسبب تكلفة التحليل الكهربائي والكهرباء النظيفة إذا تم استخدامها.

بي بي لديها وقع تفاهم مع داي
DAI
mler Truck لبدء البنية التحتية المطلوبة لشاحنات الهيدروجين التي تعمل بخلايا الوقود في المملكة المتحدة.

تتوافق مشاريع Teesside الخاصة بـ bp مع أهداف حكومة المملكة المتحدة. يمكن أن يولد HyGreen و H2Teesside مجتمعين 1.5 جيجاواط من إنتاج الهيدروجين ويوفر 30 ٪ من هدف الحكومة البالغ 5 جيجاوات بحلول عام 2030.

الوجبات الجاهزة.

هناك سلبيتان كبيران تعيقان فوائد الهيدروجين الأزرق وتتركان له بصمة كربونية كبيرة. الهيدروجين الأخضر مكلف للغاية الآن.

وفقًا الطاقة Rystad، صناعة وقود الهيدروجين الميسورة التكلفة والأكثر صداقة للبيئة ، والتي أصبحت باهظة الثمن الآن ، ستكون متأخرة جدًا. بحلول عام 2050 ، سيكون الهيدروجين 7٪ فقط من الطاقة العالمية لخدمة صناعة متخصصة لتزويد مصانع الطيران والشحن والمعادن والكيماويات بالوقود.

على الرغم من توقعات Rystad المحدودة لمستقبل الهيدروجين ، وإدانة Elon Musk للهيدروجين كمخزن للطاقة ، يبدو أن الهيدروجين سيلعب دورًا نشطًا في تخزين الطاقة.

مشاريع الهيدروجين الصغيرة والكبيرة في مراحل التخطيط ، أو تعمل بالفعل ، وسيؤدي المزيد من الابتكار إلى ترسيخ قيمة الهيدروجين كمكون مناسب لمستقبل منخفض الكربون.