السيارة الهيدروجينية – الجزء الثاني – : طرق انتاج عنصر الهيدروجين و تكنولوجيا الخلايا الوقود و نمادج سيارات الهيدروجينية الحالية

في هذا الجزء الثاني من الملف الذي خصصناه للسيارات الهيدروجينية نتطرق فيه الى طرق انتاج عنصر الهيدروجين، لب تشغيل هذه السيارات، ثم تكنولوجيا الخلايا الوقود التي تعتبر وسيلة هامة لتحويل الهيدروجين إلى طاقة كهربائية ثم نعرج على خصائص بعض الأنواع الشائعة للخلايا الوقود في السيارات الهيدروجينية، ثم ننهي المقال بذكر عشر سيارات هيدروجينية و محاولة المقارنة بينها في بعض الخصائص ما أمكن مع أن المعطيات تبقى جد شحيحة لبعض ما اشرت اليه من السيارات الهيدروجينية التي ستفرض نقسها في وسائل النقل في العشر السنوات القادمة، اذا ما انخفض ثمن اقتنائها العالي حاليا، اما ثمن الهيدروجين فهو مناسب الى حد ما، اذ لا يتعدى حاليا 7 دولار امريكيا (70 درهما مغربيا) لكل 100 كلم وينتظر ان ينخفض الى ما دون ذلك لتكون السيارة اكثر جاذبية للمستهلك.

طرق إنتاج الهيدروجين

هناك عدة طرق لإنتاج الهيدروجين، وتشمل المصادر المختلفة التالية:

1. تقطير الماء (Electrolysis):

تقطير الماء باستخدام عملية الكهرليز (Electrolysis) هو عملية تستخدم لتحويل الماء (H2O) إلى هيدروجين (H2) وأكسجين (O2) باستخدام التيار الكهربائي. تتضمن هذه العملية تمرير تيار كهربائي عبر محلول مائي يحتوي على مادة معينة تسمى محلل كهربائي، والمادة المعتاد استخدامها هي هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم.

يتم وضع قطبين كهربائيين (أنود وكاثود) في المحلول المائي. عند تمرير التيار الكهربائي، يحدث تفاعل كيميائي يؤدي إلى تحلل الماء. على القطب السالب (الكاثود)، يتم تجميع الإلكترونات ويتفاعل مع الأيونات الموجبة للهيدروجين (H+) لتشكيل غاز الهيدروجين. على القطب الموجب (الأنود)، يتفاعل الماء والإلكترونات لإنتاج أكسجين غازي.

ومن الجدير بالذكر أن عملية تقطير الماء بواسطة الكهرباء هي عملية تستهلك طاقة كبيرة وتحتاج إلى تكنولوجيا محددة لتنفيذها بكفاءة. وإذا تم استخدام الكهرباء المستدامة والمتجددة مثل الطاقة الشمسية أو الرياح، يمكن أن تكون هذه العملية مستدامة ونظيفة.

2- البخار المائي من الوقود الأحفوري (Steam Methane Reforming):

تقنية البخار المائي من الوقود الأحفوري (Steam Methane Reforming) هي عملية تستخدم لإنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري، وعادة ما يستخدم الغاز الطبيعي كمصدر للوقود في هذه العملية. و يعتبر أحد أكثر الطرق شيوعًا لإنتاج الهيدروجين التجاري في الوقت الحالي.

تعتمد التقنية على التفاعل الكيميائي بين الغاز الطبيعي (الميثان CH4) والبخار المائي (H2O) في درجات حرارة عالية وبوجود محفزات معدنية. ينتج عن هذا التفاعل مزيج من الهيدروجين (H2) وثاني أكسيد الكربون (CO2).

الخطوات الرئيسية لعملية البخار المائي من الوقود الأحفوري هي كالتالي:

1. التسخين: يتم تسخين الغاز الطبيعي والبخار المائي إلى درجات حرارة عالية لتحفيز التفاعل الكيميائي.
2. التفاعل: يتم تفاعل الغاز الطبيعي (الميثان) مع البخار المائي في وجود محفزات معدنية مثل النيكل أو الموليبدينوم، حيث يحدث انفصال الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.
3. التبريد والتنقية: يتم تبريد الغازات المتكونة من التفاعل وتنقيتها لفصل الهيدروجين عن ثاني أكسيد الكربون وأي مواد غير مرغوب فيها.
4. إزالة ثاني أكسيد الكربون: يتم استخدام عملية إزالة ثاني أكسيد الكربون (CO2) للتخلص منه، حيث يتم تخزينه أو استخدامه في التطبيقات الأخرى مثل التعدين أو الحقول الزراعية.

تعد تقنية البخار المائي من الوقود الأحفوري شائعة بسبب توفر الغاز الطبيعي بكميات كبيرة وتكلفته المنخفضة مقارنةً بالعمليات البديلة لإنتاج الهيدروجين. ومع ذلك، تبقى عملية غير نظيفة بشكل مطلق نظرًا لإنتاج ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز كما هو معلوم ضار للبيئة والمساهم الرئيسي في ظاهرة الاحتباس الحراري.

3- تحلل المواد العضوية (Biomass Gasification):

تحلل المواد العضوية (Biomass Gasification) هو عملية تحويل المواد العضوية الحيوية إلى غاز قابل للاحتراق يُعرف بالغاز السنتروني (Syngas)، والذي يحتوي على مزيج من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى مثل الميثان والأمونيا والهيدروكربونات.

الخطوات الرئيسية لهذه العملية هي كالتالي:

1. التحضير والتجهيز: يتم جمع المواد العضوية الحيوية مثل النفايات الزراعية أو الحيوانية أو النفايات الغذائية وتجهيزها للدخول في عملية التحليل. يمكن تكسير المواد العضوية أو طحنها لزيادة كفاءة العملية.
2. تحويل المواد العضوية إلى غاز: تتم إدخال المواد العضوية في وحدة تحليل المواد العضوية (غازويدر) حيث تتعرض لعملية التسخين في ظروف تفاعلية خاصة. يتم تحويل المواد العضوية إلى غاز سنتروني (Syngas)، وهو مزيج من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى.
3. تنقية الغاز: يتم تنقية الغاز سنتروني المنتج من خلال عمليات التبريد والتصفية لإزالة الشوائب والجسيمات الصلبة والمواد الغير مرغوب فيها. يتم أيضًا إزالة ثاني أكسيد الكربون بواسطة أنظمة التنقية والامتزاز.
4. فصل الغازات: يتم فصل الغاز سنتروني إلى مكوناته الرئيسية، وهي الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. يتم استخدام عمليات فصل مثل عملية التبريد والتكثيف والانتقال الكتلي للفصل بين المكونات.
5. تخزين واستخدام الهيدروجين: يتم تخزين الهيدروجين النقي الناتج في أنظمة تخزين خاصة مثل الأسطوانات أو الخزانات المعدنية عالية الضغط.

4-الانشطار الحراري (Thermal Splitting):

الانشطار الحراري (Thermal Splitting) هو عملية تستخدم لإنتاج الهيدروجين من مصادر مختلفة مثل الهيدروكربونات. تتألف هذه العملية من عدة مراحل رئيسية هي كالتالي:

1. التسخين: يتم تسخين المصدر الهيدروكربوني (مثل البترول أو الغاز الطبيعي) إلى درجة حرارة عالية تتراوح ما بين حوالي 700 درجة مئوية إلى 1500 درجة مئوية أو أكثر في بعض الحالات التي تستعمل فيها الطاقة الشمسية، بهدف فصل الروابط الكيميائية في المركبات الهيدروكربونية وتكسيرها.
2. الانشطار: يحدث الانشطار و تتحطم المركبات الهيدروكربونية الكبيرة إلى جزيئات أصغر. يتم ذلك بفصل الروابط الكيميائية في الروابط الكربونية والهيدروجينية.
3. فصل الهيدروجين: يتم فصل الهيدروجين المتحرر من المركبات الهيدروكربونية المكسورة. يمكن أن يتم ذلك بواسطة عمليات التقطير أو الاستخلاص، حيث يتم جمع الهيدروجين وفصله عن المكونات الأخرى للمصدر الهيدروكربوني.
4. تنقية الهيدروجين: يجرى تنقية الهيدروجين المستخلص بإزالة أي شوائب محتملة أو مركبات غير مرغوب فيها. يتم ذلك بواسطة عمليات مثل الازدواج والتنقية بالامتزاز.

يجب ملاحظة أن هذه المراحل قد تختلف قليلاً اعتمادًا على المصدر الهيدروكربوني المستخدم والتقنية المحددة للانشطار الحراري. ومن المهم أيضًا أن تتم هذه العملية في ظروف تشغيلية آمنة ومستدامة لضمان حصول عملية الانشطار الحراري على نتائج معتبرة.

تكنولوجيا الخلايا الوقود “Fuel cells”

تكنولوجيا الخلايا الوقود تعتبر وسيلة هامة لتحويل الهيدروجين إلى طاقة كهربائية. تعمل الخلايا الوقود عن طريق عملية تحويل الوقود الكيميائي (الهيدروجين) مباشرة إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعل كيميائي.

تتكون الخلايا الوقود عادةً من العناصر التالية:

1. خزان الهيدروجين: حيث يتم تخزين الهيدروجين.
2. أنود الخلية الوقودية “Fuel cell anode”: يحدث فيها تفاعل أكسدة الهيدروجين لتحويله إلى بروتونات وإلكترونات.
3. قلويات الأغشية السائلة أو الأغشية الساكنة”Liquid alkaline membranes or solid membranes”: تعمل على توجيه البروتونات ومنع مرور الإلكترونات.
4. كاتود الخلية الوقودية “Fuel cell cathode”: يحدث فيها تفاعل استقبال البروتونات والإلكترونات وتفاعل الأكسجين لإنتاج الماء.
5. دارة كهربائية خارجية “External electrical circuit”: تسمح بتدفق الإلكترونات من الأنود إلى الكاتود وإنتاج تيار كهربائي.

خصائص بعض الأنواع الشائعة للخلايا الوقود في السيارات الهيدروجينية

1. خلية الوقود ذات غشاء البوليمر المتجانس (PEMFC): تُستخدم على نطاق واسع في السيارات الهيدروجينية. و تتميز بقدرتها على التشغيل بكفاءة عالية في درجات حرارة منخفضة، وإنتاجية سريعة، وقدرة استجابة سريعة لتغيرات الحمل. تعتبر خلايا PEMFC مرنة وخفيفة الوزن، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات السيارات. ومع ذلك، فإن تكلفتها أعلى من بعض الأنواع الأخرى.
   • إنتاجية: تتراوح بين 0.5-0.7 كيلوواط/لتر من الهيدروجين.
   • تكلفة: تتراوح بين 50,000-100,000 دولار أمريكي لكل كيلوواط من القدرة.
2. خلية الوقود ذات الكربون الأخضر (DMFC): تستخدم الكحول الميثانول كوقود. تعتبر مناسبة للتطبيقات الصغيرة والمحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. ومع ذلك، فإن إنتاجية الخلايا DMFC محدودة وتحتاج إلى نظام إمداد وقود خارجي لتوريد الكحول الميثانول.
   • إنتاجية: تتراوح بين 0.2-0.4 كيلوواط/لتر من الكحول الميثانول.
   • تكلفة: تتراوح بين 5,000-10,000 دولار أمريكي لكل كيلوواط من القدرة.
3. خلية الوقود ذات الأكسيد الصلب (SOFC): تعمل عند درجات حرارة عالية وتستخدم وقودًا متعدد الاستخدامات مثل الغاز الطبيعي. تتميز بكفاءة عالية وإنتاجية جيدة، ولكنها تحتاج إلى درجات حرارة عالية للتشغيل وتكون ثقيلة الوزن ومكلفة.
   • إنتاجية: تتراوح بين 0.7-1.0 كيلوواط/لتر من الوقود المستخدم (مثل الغاز الطبيعي).
   • تكلفة: تتراوح بين 500-2,000 دولار أمريكي لكل كيلوواط من القدرة.

يرجى ملاحظة أن هذه الأرقام هي تقديرات تقريبية وقد تختلف تبعًا للتكنولوجيا المستخدمة وحجم الإنتاج وظروف السوق والتقدم التكنولوجي. قد يكون هناك تغيرات في الأسعار والأداء مع مرور الوقت وتطور تقنيات الخلايا الوقود.

علاوة على الأنواع المذكورة سابقًا، هناك أنواع أخرى من الخلايا الوقود المستخدمة في السيارات الهيدروجينية هي كالتالي:

1. خلية الوقود ذات أكسيد الصلب والمولد الحراري (SOFC-GT): تدمج بين خلية الوقود ذات الأكسيد الصلب ومحرك الاحتراق الداخلي. تستخدم لتحقيق كفاءة أعلى وإنتاج كهرباء وحرارة في نفس الوقت.
   • إنتاجية: تتراوح بين 40-60% كفاءة في تحويل الوقود إلى كهرباء وحرارة.
   • تكلفة: تتراوح بين 1,000-3,000 دولار أمريكي لكل كيلوواط من القدرة.
2. خلية الوقود ذات الفلز الساخن (HT-PEMFC): تعمل عند درجات حرارة أعلى من خلايا PEMFC التقليدية، مما يسمح بتحسين كفاءة تحويل الوقود إلى كهرباء.
   • إنتاجية: تتراوح بين 0.5-0.7 كيلوواط/لتر من الهيدروجين.
   • تكلفة: تتراوح بين 30,000-80,000 دولار أمريكي لكل كيلوواط من القدرة.
3. خلية الوقود ذات الأكسيد الصلب ذو الحرارة المرتفعة (H-SOFC): تعمل عند درجات حرارة أعلى من خلايا SOFC التقليدية، مما يسمح بزيادة كفاءة التحويل واستخدام مجموعة واسعة من الوقودات.
   • إنتاجية: تتراوح بين 0.8-1.2 كيلوواط/لتر من الوقود المستخدم.
   • تكلفة: تتراوح بين 500-2,000 دولار أمريكي لكل كيلوواط من القدرة.
4. خلية الوقود العضوية الحيوية (BIOFC): تستخدم مصادر الوقود الحيوية مثل البيوغاز والبيومثانول لإنتاج الكهرباء.
   • إنتاجية: تتراوح بين 0.1-0.3 كيلوواط/لتر من الوقود الحيوي.
   • تكلفة: تتراوح بين 5,000-20,000 دولار أمريكي لكل كيلوواط من القدرة.

المقارنة بين عشر سيارات هيدروجينية

مقارنة سريعة لعشر سيارات هيدروجينية مع معلومات عامة وبعضها غير متكامل لأن الأسعار والتكاليف تعتمد على السوق وقد تختلف بشكل كبير. التقديرات هي لغرض المقارنة ليس الا,

1. تويوتا ميراي “Toyota Mirai” هي اول سيارة هيدروجينية في التاريخ في نسختها الاولى
   • السنة: 2021
   • الشركة: تويوتا
   • الخصائص: سعة المقصورة: 4 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 500 كم. الاحصنة : 182. السرعة : 165كلم في الساعة
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 6-7 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 60,000-70,000 دولار.
2. هوندا كلاريتي Honda Clarity
   • السنة: 2021
   • الشركة: هوندا
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 589 كم.
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 5-6 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 58,000-68,000 دولار.
3. هيونداي نيكسو “Hyundai Nexo”
   • السنة: 2021
   • الشركة: هيونداي
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 666 كم. الاحصنة : 163. السرعة : 179 كلم في الساعة
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 6-7 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 65,000-75,000 دولار.
4. أودي A7 Sportback h-tron quattro
   • السنة: 2015
   • الشركة: أودي
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 500 كم. الاحصنة : 231. السرعة : 180 كلم في الساعة
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 6-7 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 70,000-80,000 دولار.
5. ميرايد هيدروجين رينج روفر “Land Rover Hydrogen Range Rover”.
   • السنة: 2021
   • الشركة: لاند روفر
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 483 كم.
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 6-7 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 80,000-90,000 دولار.
6. نيكسو هايدروجين EV
   • السنة: 2022
   • الشركة: نيكسو
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 610 كم.
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 5-6 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 70,000-80,000 دولار.

7. تويوتا ميراي
   • السنة: 2022
   • الشركة: تويوتا
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 650 كم.
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 5-6 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 60,000-70,000 دولار.
8. هوندا كلاريتي فايل سيل
   • السنة: 2022
   • الشركة: هوندا
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 589 كم.
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 6-7 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 50,000-60,000 دولار.
9. هيونداي نيكسو هايدروجين
   • السنة: 2021
   • الشركة: هيونداي
   • الخصائص: سعة المقصورة: 5 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 666 كم.
   • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 6-7 دولارات.
   • تكلفة التقديرية: حوالي 60,000-70,000 دولار.
10. نيسان آرمادا فول سيل Nissan Armada Fuel Cell
    • السنة: 2022
    • الشركة: نيسان
    • الخصائص: سعة المقصورة: 8 أشخاص، مدى تقديري: حوالي 491 كم.
    • تكلفة 100 كم: تقديرياً حوالي 7-8 دولارات.
    • تكلفة التقديرية: حوالي 90,000-100,000 دولار.

فيما سبق ذكرنا فقط بعض ما يعج به السوق العالمي من السيارات الهيدروجينية الان اوفي السنتين المقبلتين… وهناك اشكالا أخرى مثل النوع الالماني”BMW iX5 Hydrogène” بمعلومات جد شحيحة (374 حصان ـ استقلالية 650 كلم )و “الهبيوم آلة الهيدروجين” الفرنسية ذات 500 حصان و باستقلالية تصل الى 1000 كلم و بسرعة قصوى 230 كم/ساعةو التي سترى النور سنة 2025 مقابل 120.000 يورو اي ما يناهز 1.205.000 درهما مغربيا.
و يمكن بالفعل حجز أول سيارة سيدان هيدروجين عالية الجودة في فرنسا مقابل شيك بقيمة 656 يورو. لكن سيكون من الضروري الانتظار حتى عام 2025 للجلوس خلف مقود هذه السيارة التي تعمل بخلية وقود في مقدمة السيارة تولد الكهرباء من الهيدروجين. بفضل خزانين للهيدروجين.

في الجزء الثالث و الاخير نتحدث عن السيارات الهيدروجينية في الدول العربية و الاسلامية و الجديد في هذا المجال الحيوي ولابد من التسجيل هنا ان تكلفة الانتاجية مكلفة ولن تكون في مستوى الطبقة المتوسطة في الوقت الراهن.