ماهو الهيدروجين؟
الهيدروجين هو أول عنصر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية. ويُعتَبر الهيدروجين من أكثر العناصر وفرة على كوكبنا. ولكنّه يتواجد على هيئة مركب وليس بصورة نقية. فعلى سبيل المثال، حينما تجتمع ذرتين من الهيدروجين مع ذرة من الأكسجين (H2O)نحصل على الماء. وعندما تجتمع ذرات من الهيدروجين مع ذرات كربون نحصل على مركبات مختلفة تسمى مركبات هيروكربونية مثل الغاز الطبيعي أو البترول.
الهيدروجين والصناعة
يعد الهيدروجين عنصر مهم في مجالات الصناعة. يدخل الهيدروجين في محطات تكرير البترول والصناعات الكيميائية وغيرها من الصناعات. فمثلًا، يُستخدم الهيدروجين في محطات تكرير النفط لتكسير السلاسل الكربونية الطويلة لتنتج سلاسل أصغر ليسهل عملية الفصل. أما في صناعة الأمونيا (NH3) فيتم دمج الهيدروجين مع النيتروجين بنسبة 1:3 بوجود محفز تحت درجة حرارة وضغط معينين. ولتتم هذه الصناعات، يجب الحصول على الهيدروجين أولًا. الهيدروجين غاز عديم اللون، ولكن تم تصنيفه لعدة ألوان: كالهيدروجين الرمادي والأزرق وألوان أخرى. هذه الألوان لا ترمز للون الهيدروجين نفسه، بل ترمزلطريقة الحصول على الهيدروجين وكمية الانبعاثات الكربونية الناتجة منها. بعض هذه الطرق يعد صديق للبيئة وبعضها العكس تمامًا.
الهيدروجين الرمادي
يُعد الهيدروجين الرمادي هو الأكثر شيوعًا. يتم الحصول عليه عن طريق تفاعل كيميائي بين الغاز الطبيعي (الميثان) و بخار الماء الذي تتراوح حراراته بين ( 700°C – 1000°C) بالإضافة لوجود محفز. ويحدث التفاعل كالتالي:
تفاعل إصلاح الميثان بالبخار:
تفاعل تحول الماء والغاز:
تبدأ العملية بتفعال “إصلاح الميثان بالبخار” أو (Steam Methane Reforming) حيث يتفاعل بخار الماء مع غاز الميثان وينتج عن هذا التفاعل الهيدروجين، أول أكسيد الكربون والقليل من ثاني أكسيد الكربون. بعد ذالك يتفاعل أول أكسيد الكربون مع بخار الماء في تفاعل يطلق عليه تفاعل “تحول الماء والغاز” أو (Water-Gas Shift reaction). ينتج عن هذا التفاعل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. بينما يتم الحصول على الهيدروجين يتم اطلاق ثاني أكسيد الكربون للهواء. تعد عملية الهيدروجين الرمادي قليل التكلفة ولكن ذا ضرر للبيئة لما فيه من انبعاثات كربونية ذات تأثر على التغير المناخي.
الهيدروجين الأزرق
الهيدروجين الأزرق هو مشابه للهيدروجين الرمادي من ناحية طريقة الحصول على الهيدروجين. ولكن في الهيدروجين الأزرق، لا يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون للهواء بل يتم تجميعه و تخزينه. تسمى عملية التخزين بـ”التقاط الكربون واستخدامه وتخزينه” أوكما يُرمَز له CCS (Carbon Capture and Storage). هذه العملية هي عبارة عن تكنولوجيا تقوم بتخزين ثاني أكسيد الكربون في باطن الأرض لمنعه من الخروج للهواء. يمكن تطبيق هذه الخطوة في أي مصنع ينتج عنه انبعاثات كربونية مثل محطات تكرير البترول، وليست حصرًا على محطات إنتاج الهيدروجين. باستخدام تقنية CCS، يعتبر الهيدروجين الأزرق أفضل من الهيدروجين الرمادي لقلة الانبعاثات الكربونية الناتجة منه.
الهيدروجين الأخضر
الهيدروجين الأخضر أو كما يسمى “الهيدروجين النظيف” لا يعتمد على الغاز الطبيعي لإنتاج الهيدروجين بل يعتمد على الماء والكهرباء. يتم الحصول على الهيدروجين عن طريق استخدام تقنية “التحليل الكهربائي” أو (Electrolysis). عملية التحليل الكهربائي يتم تطبيقها على الماء حيث يتم فصل جزيئات الماء إلى هيدروجين وهو المراد الحصول عليه، وأكسجين الذي من الممكن تخزينه والإستفاده منه أو إطلاقه للهواء كون لا ضرر فيه. ولكن كون مصدر الهيدروجين هو الماء هذا لا يكفي لاعتباره “هيدروجين نظيف” بل يلزم أن يكون مصدر الكهرباء نظيف أيضًا. فلذلك أصبحت الكهرباء المستخدمة في عملية التحليل الكهربائي للهيدروجين الأخضر هي كهرباء تم الحصول عليها من أحد مصادر الطاقة المتجددة كالشمس والهواء والماء. حيث يتم الحصول على الكهرباء من الطاقة الكهرومائية (Hydroelectric Power) أو طواحين الهواء (Wind Energy) أو الألواح الشمسية (Solar Power). بهذه العملية يصبح الهيدروجين الأخضر أفضل خيار من الناحية البيئية كون عملية إنتاجه ذات نسب انبعاثات كربونية ضئيلة ولكن ذات تكلفة عالية.
صورة توضيحية مبسّطة لخطوات إنتاج الهيدروجين الأخضر
مستقبل الهيدروجين
أصبح الحفاظ على البيئة والتركيز على كمية الانبعاثات الكربونية محط أنظار الشركات الصناعية والدول المصنّعة لما ينتج عن أغلب هذه الصناعات من انبعاثات كربونية، ومالها من تأثير سلبي على البيئة. أصبح التوجه الآن هو التقليل من هذه الانبعاثات قدر الإمكان. ومن ناحية إنتاج الهيدروجين، أصبح التوجه لإنتاج الهيدروجين إلى الهيدروجين الأزرق والأخضر بدلًا من الهيدروجين الرمادي. وأفضل طريقة للحصول على الهيدروجين من الناحية البيئية هو الهيدروجين الأخضر. ولكن هذا التغيير ليس سهلًا كونه يلزم تكنولوجيا متطورة والتي تعتبر ذات تكلفة مرتفعة للحصول على الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة. ويُتوقّع انخفاض تكلفة الطاقة المتجددة في المستقبل.
الكاتب/ ناصر المطلق – بكالوريوس هندسة كيميائية
مراجع المقالة:
https://www.thechemicalengineer.com/features/uses-of-hydrogen-in-industry/
https://www.brunel.net/en/blog/renewable-energy/3-main-types-of-hydrogen