مركبات الهيدروجين: الحل المتقدم للطاقة النظيفة في عالم السيارات

إنه الصيف مرة أخرى!! تخيل أنك وعائلتك ذاهبون في رحلة برية باستخدام سيارتك الهيدروجينية الجديدة. انتظر دقيقة! هيدروجين؟ ماذا يعني ذلك؟ ما الذي يميزها عن غيرها من مركبات الاحتراق التقليدية؟ هل هي آمنة؟ هل يمكنني قيادتها في الرحلات الطويلة؟

استرخ، سأقدم لك لمحة موجزة عن سيارات الهيدروجين في هذه المقالة.

السيارات التي تعمل بوقود الهيدروجين  (FCEVs) Fuel Cell Electric Vehicles هي مركبات ذات محركات كهربائية تعمل بخلايا الوقود المعتمد على الهيدروجين والتي تُعرف بالخلايا الكهروكيميائية. 

تتكون السيارة من ثلاثة أجزاء أساسية: خزان تعبئة الهيدروجين، ومجموعة من خلايا الوقود، ومحرك كهربائي.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون وله كثافة طاقة أعلى (140 ميجا جول/كجم) مقارنة بالوقود التقليدي (50 ميجا جول/كجم). وينبعث منه الماء فقط عند حرقه، مما يجعله بديلاً نظيفًا وواعدًا للوقود الأحفوري بحجم سوق ضخم يصل إلى 70مليار كيلوغرام سنويًا. هناك طرق مختلفة لإنتاج الهيدروجين، بعضها خالي من الكربون والبعض الآخر لا، وأكثر الطرق شيوعًا هي من الفحم والغاز الطبيعي.

هناك طريقة أخرى لإنتاج الهيدروجين تسمى “التحليل الكهربائي للماء”. وهي طريقة قديمة اكتشفت لأول مرة عام 1800 ميلادي على يد العديد من العلماء امثال ويليام نيكلسون، وطورها بشكل مكثف العالم الإنجليزي مايكل فاراداي، لفصل المواد المختلفة. يتكون النظام من ثلاثة أجزاء رئيسية: الأنود (قطب موجب الشحنة)، والكاثود (قطب سالب الشحنة)، ويفصل بينهما محلول كهربائي (الإلكتروليت) عادة على هيئة محلول أو غشاء. يستخدم التفاعل جزيئين من الماء لتكوين جزيء واحد من الهيدروجين ونصف جزيء من الأكسجين. تتجمع جزيئات الهيدروجين الموجبة الشحنة على القطب السالب (الكاثود) وتتجمع جزيئات الأكسجين السالبة على القطب الموجب (الأنود).

يوجد في السوق اليوم ثلاثة أنواع رئيسية من أنظمة التحليل الكهربائي: نظام غشاء البوليمر بالكهرباء ويعرف ايضا بغشاء تبادل البروتون (PEM) ، ونظام التحليل الكهربائي للمياه القلوية (AWE) ، ونظام التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب  .(SOE) كل نوع من هذه الأنظمة له تصميمه المميز ومتطلبات التشغيل الخاصة به. ولتوليد الهيدروجين من الماء، من الضروري إدخال المياه العذبة إلى النظام. الجدير بالذكر،ان جميع هذه الأنظمة متطورة بشكل جيد ولها إمكانات سوقية هائلة.

يعتبر نظام (PEM) أكثر أنظمة التحليل الكهربائي الواعدة لإنتاج الهيدروجين المستدام من مصادر الطاقة المتجددة. وهو أيضًا النظام الأكثر ملاءمةً المستخدم في السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود اليوم(FCEVs) . داخل PEM، تبدو كومة المحلول الكهربائي (الإلكتروليت) على شكل أغشية محصورة بين الكاثود والأنود. يعمل جهازالتحليل الكهربائي وخلايا الوقود في السيارة بشكل مشابه، ولكن في خلايا الوقود، يتم عكس تفاعل إنتاج الهيدروجين. حيث يتم مزج الهيدروجين النقي القادم من الخزان، مع الأكسجين الذي يتم إدخاله إلى النظام من الهواء داخل جهازالتحليل الكهربائي بدلاً من استخدام الماء. وينفصل الهيدروجين داخل أغشية خلايا الوقود في وجود محفز كيمائي مساعد إلى بروتونات هيدروجين  H+ وإلكتروناتe- . تنتقل بعد ذلك بروتونات الهيدروجين عبر الغشاء البروتوني إلى الكاثود، وتتفاعل مع جزيئات الأكسجين السالبة الشحنةO- ، لتنتج أبخرة الماء بدون اي انبعاثات كربونية. هذا التفاعل هو عبارة عن طاقة كيميائية يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية لتشغيل السيارة.

ايضا، تستخدم مركبات FCEVs نظامًا تكنولوجيًا متقدمًا إضافيًا لتعزز الكفاءة. مثال على ذلك: نظام المكابح “الفرامل” المتجدد، واللذي يلتقط ويخزن الطاقة المفقودة عادة أثناء الكبح في بطارية مخصصة لذلك. 

مثل المركبات التقليدية ذات محركات الاحتراق الداخلي، يمكن لمركبات FCEVs التزود بالوقود خلال ٥ دقائق تقريبًا ويمكنها السفر لمسافة تزيد عن 300 ميل (~ 483 كم/ساعة) بشحنة واحدة. على سبيل المثال، قد تحتاج إلى ملء خزان سعتة خمسة كيلو جرامات مرتين للذهاب في رحلة برية من الرياض إلى جدة، لمسافة حوالي 1449ميلاً (~ 956 كم) لكل اتجاه.

في الوقت الحاضر، تهيمن السيارات التي تعمل بالوقود الأحفوري على الطرق، حيث تشكل 90% من المركبات، في حين تشكل السيارات الكهربائية والهيدروجينية أقل من 10%. بالرغم من أن مركبات FCEVs أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بنسبة 60%، إلا أنها تواجه تحديات تتعلق بالبنية التحتية. ويمثل العدد غير الكافي من محطات تعبئة وقود الهيدروجين ومحدودية خيارات تخزينه وتقنيات نقلة ومشكلاتها المتعلقة بالسلامة عائقا للنمو الاقتصادي للهيدروجين. كونه غاز شديد الاشتعال، ومتطاير، ويصعب تخزينه لفترات طويلة، مما يزيد من حدة هذه المخاوف. هناك عقبة أخرى تتمثل في ارتفاع تكلفة انتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة  لجعله أكثر استدامة، والذي يتراوح سعره حاليًا بين 10-20 دولارًا أمريكيًا/كجم (~37.5  75-ريال سعودي/كيلوجرام) مقارنة بالوقود التقليدي. على سبيل المثال، يتطلب إعادة تزويد سيارة هيدروجينية متوسطة الحجم مثل تويوتا ميراي بحوالي خمسة كيلو جرامات من الهيدروجين، بتكلفة تتراوح ما بين 50 إلى 100 دولار (~ 187.5 400-ريال). 

وفي النهاية، ما يميز هذه السيارة هو وزنها الخفيف، سهولة و سرعة تعبئتها مقارنة بالسيارات الكهربائية ذات البطاريات، تشغيلها وسيرها الهادئ على الطرقات، وتصميمها الصديق للبيئة بدون أي انبعاثات.

هل اطمئنيت الان. دعنا ننطلق! رحلة سعيدة!