جدول المحتويات
لماذا يعتبر الهيدروجين ثورياً كوسيط لتخزين الطاقة
ويتمتع الهيدروجين بأعلى كثافة طاقة خاصة بالكتلة من بين جميع أنواع الوقود حيث تبلغ 33.3 كيلوواط/كجم. وهذه الخاصية الاستثنائية تجعله المرشح المثالي للتنقل المستدام وتخزين الطاقة في مرحلة انتقال الطاقة. ومع ذلك، يتطلب تطبيقه العملي حلول تخزين مبتكرة آمنة وفعالة على حد سواء.
تخزين الهيدروجين التقليدي وحدوده
يعتمد تخزين الهيدروجين التقليدي على عمليتين راسختين، وكلاهما يطرح تحديات تقنية واقتصادية كبيرة.
التخزين بالتبريد (الهيدروجين السائل):
- درجة الحرارة: -253 درجة مئوية (20 كلفن)
- الكثافة: 71 كجم/م³
- فقدان الطاقة للتكثيف: 30% من الطاقة المخزنة
- التبريد المستمر المطلوب
- أنظمة العزل عالية التخصص المطلوبة
- ارتفاع تكاليف التشغيل بسبب الاستهلاك المستمر للطاقة
تخزين الغاز المضغوط:
- ضغط المركم: حتى 700 بار
- فقدان الطاقة بسبب الضغط: 12% تقريبًا
- حاويات ثقيلة ومقاومة للضغط مطلوبة
- انخفاض كثافة الطاقة العملية بسبب وزن الخزان
- ارتفاع تكاليف الاستثمار في أنظمة الضغط
مشاكل أمنية مشتركة في كلتا العمليتين:
نظرًا لصغر حجمه الجزيئي الصغير، يتمتع الهيدروجين بمعدل انتشار عالٍ للغاية ويمكنه اختراق جميع المواد تقريبًا. وبما أن الهيدروجين غير مرتبط كيميائياً، تنشأ المخاطر التالية:
- الفقد المستمر للغازات بسبب انتشار المواد
- انبعاثات الغازات غير المنضبطة المحتملة
- خطر الانفجار عند تركيز هيدروجين بنسبة 4-75% في الهواء
- التسريبات التي يصعب اكتشافها (عديمة اللون والرائحة)
- سرعة الاحتراق العالية تجعل إجراءات السلامة أكثر صعوبة
التخزين القائم على الامتصاص باستخدام موفلزات موفلز وهيدريدات الفلزات
توفر الأطر المعدنية العضوية (MOFs) وهيدريدات الفلزات وهياكل الزيوليت نهجًا بديلاً للربط الميكانيكي للهيدروجين من خلال الامتصاص. تقلل هذه المواد بشكل كبير من خطر الانتشار وتزيد من الأمان. ومع ذلك، فإن معظم هيدريدات الفلزات لها نسب غير مواتية من المعدن إلى الهيدروجين ومعدلات امتصاص وإطلاق بطيئة. أحد الاستثناءات الملحوظة هو نظام هيدريد النيكل-المعدن الذي اكتسب بالفعل قبولاً واسعاً لتخزين الهيدروجين بسبب تطبيقه الناجح في تكنولوجيا البطاريات.
تكنولوجيا LOHC: طفرة في تخزين السوائل
تُحدث ناقلات الهيدروجين العضوية السائلة (LOHCs) مثل ثنائي بنزيل التولوين (DBT) ثورة في تخزين الهيدروجين. يمكن لهذا السائل غير السام والمثبط للهب أن يمتص الهيدروجين باستخدام محفز الروديوم في ظروف معتدلة تبلغ 200 درجة مئوية و5 بار. ويخزّن بيروكسي-دي بي تي الناتج 600 لتر من الهيدروجين الغازي لكل لتر من السائل، وهو ما يعادل سعة تخزين مذهلة تبلغ 2 كيلوواط/كجم. ويتم الإطلاق عند درجة حرارة 300 درجة مئوية وضغط منخفض. تحقق أنظمة LOHC معدلات امتصاص وإطلاق أعلى بكثير من التخزين الصلب مع الاحتفاظ بمزايا معدلات الانتشار المنخفضة.
تخزين الهيدروجين الكيميائي من خلال الترابط الجزيئي
ويوفر الترابط الكيميائي للهيدروجين مع جزيئات أخرى نهجاً واعداً آخر للتخزين. وأشهر مثال على ذلك هو تخليق هابر-بوش، الذي ينتج أكثر من 200 مليار طن من الأمونيا كل عام. ويحدث هذا التفاعل عند درجة حرارة 450 درجة مئوية و200 بار باستخدام محفزات حديدية ويحقق محتوى طاقة يبلغ 5.2 كيلوواط/كجم، وهو ما يعادل كفاءة تبلغ 63%. على الرغم من أن الأمونيا أسهل في التعامل معها من الهيدروجين الغازي، إلا أن لها عيوب السمية والتآكل. وبدلاً من ذلك، يمكن توليف غازات أخرى مثل الميثان عن طريق تغويز الفحم، حيث تتم معالجة الكتلة الحيوية أو الفحم بالبخار في درجات حرارة عالية.
الطرق التحليلية لتوصيف مواد التخزين
التحليل الحراري هو أهم أداة لتحليل مواد تخزين الهيدروجين. ويمكن استخدام أجهزة تحليل الامتصاص الوزني والحجمي والمقاييس الحرارية عالية الضغط (TGA) ومقاييس المسح الحراري التفاضلي (DSC) لتحديد خصائص عمليات الامتصاص والامتصاص بدقة. وتتيح هذه الأنظمة تحديد حرارة الامتصاص والامتصاص في ظل ظروف محكومة لتدفق الغاز والضغط والتفريغ. وفي تغويز الفحم على وجه الخصوص، تتيح أنظمة TG-DSC عالية الضغط القياس المتزامن لكفاءة التغويز ومحتوى الكربون وحرارة التفاعل في اختبار واحد.
الآفاق المستقبلية لتكنولوجيا تخزين الهيدروجين
لا يزال تطوير تقنيات فعالة لتخزين الهيدروجين يمثل تحديًا رئيسيًا لنجاح التحول في مجال الطاقة. وتظهر أنظمة تخزين الهيدروجين منخفض الكثافة خصائص واعدة بشكل خاص للتطبيقات المتنقلة، في حين يجري تحسين مواد الامتصاص المحسنة للتخزين الثابت. وسيكون التطوير الإضافي المستمر لهذه التكنولوجيات عاملاً حاسماً في ترسيخ الهيدروجين كناقل نظيف وعملي للطاقة في المستقبل، وبالتالي تقديم مساهمة مهمة في توفير إمدادات الطاقة المستدامة.
