هل يمكن لخلايا الوقود الهيدروجيني أن تتفوق على بطاريات السيارات الكهربائية كمصدر للطاقة في المستقبل؟

هناك إجماع متزايد في صناعة السيارات على أن مستقبل النقل البري هو الدفع الكهربائي. ولكن مع عودة التنقل الإلكتروني إلى الظهور كمفهوم (لا تنسوا أنه في فجر عصر السيارات، كان ICE والسيارات الكهربائية يتعايشان معًا)، هناك جدل حول كيفية تزويد المحرك الكهربائي بالكهرباء؟ الخيار الأول هو استخدام مجموعات البطاريات الموجودة على متن السيارة، وهو الخيار الأكثر شيوعًا هذه الأيام. ومع ذلك، هناك طريقة أخرى في خلايا الوقود الهيدروجيني.

ما هي خلية الوقود؟

بعد ملاحظة محتوى الطاقة المنخفض الذي تتميز به تكنولوجيا البطاريات الحالية، اقترح البعض نهجًا مختلفًا. إنتاج الكهرباء داخل السيارة دون الحاجة إلى بطاريات ثقيلة وضخمة. هذه التكنولوجيا ليست جديدة حقًا، حيث تم استخدامها لأول مرة في الستينيات من قبل وكالة ناسا لتوليد الكهرباء في مهمتي جيميني وأبولو إلى القمر. هناك بعض الأنواع المختلفة من خلايا الوقود، ولكن في صناعة السيارات يتم استخدام خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني (PEMFC) بشكل حصري تقريبًا.

إذًا، كيف يمكننا إنتاج الكهرباء في خلية الوقود؟ إنها عملية واضحة نسبيا. تتكون خلية الوقود من ثلاثة أجزاء رئيسية. الأنود والكاثود والفاصل. في الأنود يتم تغذية H2 من الخزان. يتكون H2 من إلكترونين واثنين من البروتونات. تمر البروتونات ذات الشحنة الموجبة عبر الفاصل بينما تنتقل الإلكترونات ذات الشحنة السالبة عبر دائرة خارجية مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.

عند الكاثود، يلتقي أكسجين الهواء الجوي مع بروتونات الهيدروجين - التي سبق أن مرت عبر الفاصل - وإلكترونات الدائرة الخارجية. ينتج عن هذا المزيج الماء الذي يتم طرده بعد ذلك من أنبوب عادم السيارة. أنبوب عادم يمكنك الشرب منه!

إنتاج الهيدروجين

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون ولكنه غير متوفر بشكل حر على الأرض. وهذا يعني أنه يتعين علينا إيجاد طريقة للحصول عليها. توجد حاليًا طرق 3+1 لإنتاج الهيدروجين.

يتم إنتاج الهيدروجين الرمادي، كما يطلق عليه، من خلال إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالبخار. يتم قصف الغاز الطبيعي ببخار الماء الساخن جدًا والضغط العالي. ينتج عن هذا التفاعل H2 وCO2. هذه الطريقة لإنتاج الهيدروجين هي الأقل صديقة للبيئة.

يشبه الهيدروجين الأزرق إلى حد كبير الهيدروجين الرمادي، باستثناء أن أنظمة احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) يتم دمجها في عملية الإنتاج، مما يمنع ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الوصول إلى الغلاف الجوي.

طريق الإنتاج الثالث هو التحليل الكهربائي، الذي يولد الهيدروجين الأخضر. تعمل هذه الطريقة عكس خلية الوقود: حيث يقوم تيار كهربائي بتقسيم جزيئات الماء إلى الغازات المكونة لها، الهيدروجين والأكسجين.

يُعرف النهج "+1" بالهيدروجين الفيروزي. في هذه التقنية، يتم توجيه الغاز الطبيعي من خلال حمام من المعدن المنصهر، مما ينتج عنه الهيدروجين والكربون الصلب. ورغم أن هذا المفهوم يبدو واعدا، إلا أنه لم يصل بعد إلى مرحلة النشر على نطاق تجاري.

ومن بين الخيارات المتاحة، يحمل الهيدروجين الأخضر الوعد الأكبر بالإنتاج المستدام ومنخفض التأثير - شريطة أن تأتي الكهرباء التي تقود العملية من مصادر متجددة مثل طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية.

حالات الهيدروجين

هناك حالتان محتملتان للهيدروجين لاستخدامهما. الغاز والسائل، وكلاهما له مميزاته وعيوبه.

ونظرًا لأن الهيدروجين هو العنصر الأقل كثافة في الكون، فلا بد من ضغطه بشدة لاستخدامه في السيارة. في التطبيقات الحالية يتم ضغط الهيدروجين إلى 700 بار. وهذا يمثل ضغطًا كبيرًا ويحتاج إلى خزانات خاصة ومكلفة لهذا الغرض.

البديل الآخر هو الشكل السائل. ولكن لتسييل الهيدروجين يجب تبريده إلى درجة حرارة 20 درجة مئوية فوق الصفر المطلق، أي 253 درجة مئوية تحت الصفر. ومن الواضح أنه للحصول على كلا الشكلين من الهيدروجين نحتاج إلى استخدام الطاقة - إما للضغط العالي للغاية أو للتبريد.

ومع ذلك، فإن ميزة استخدام الهيدروجين هائلة، حيث يحمل 1 كجم من الهيدروجين 33.3 كيلووات في الساعة من الطاقة. وهذا يعني أنها تحمل طاقة أكبر بمقدار 167 مرة لكل كجم من حزمة البطارية الحالية الأكثر تقدمًا!

البطاريات مقابل الهيدروجين

إذًا، ما هي الطريقة الأكثر تفضيلاً؟ هل تحمل الكهرباء أم تنتجها على متن السيارة؟ يبدو أن صناعة السيارات تفضل حزم البطاريات في الوقت الحالي لعدة أسباب.

أولًا، تبلغ كفاءة PEMFC حوالي 60%. تبلغ كفاءة الإصلاح البخاري للغاز الطبيعي 70% بينما تبلغ كفاءة التحليل الكهربائي 75%. تبلغ كفاءة ضغط الهيدروجين حوالي 89% بينما تبلغ كفاءة تسييله حوالي 66%. في الجدول التالي يتم تلخيص كافة الخسائر ومقارنتها بين حزم البطاريات والهيدروجين. بالنسبة للهيدروجين فقد تم استخدام السيناريوهات الأكثر كفاءة.

تشير البيانات المستمدة من الجدول السابق إلى أن تكنولوجيا خلايا الوقود تنتج ملف تعريف كفاءة مطابق تقريبًا لمركبات البنزين التي تعمل بمحرك الاحتراق الداخلي (ICE). ونظراً للوضع الحالي، فإن نشر خلايا الوقود في سيارات الركاب لا يوفر سوى القليل من المزايا العملية. وبالتالي، فإن غالبية شركات صناعة السيارات تفضل نهج حزمة البطارية، على الرغم من القيود المتأصلة فيها.

ومن الجدير بالذكر أيضًا أن قطع مسافة معادلة يتطلب إعادة التزود بالوقود الهيدروجيني بمعدل سبعة إلى ثمانية أضعاف تكاليف إعادة شحن السيارة الكهربائية في المنزل. في حين أن الهيدروجين قد يجد مكانًا مناسبًا في النقل بالشاحنات الثقيلة بسبب كثافة الطاقة الاستثنائية، فإن هذه الإمكانية تتوقف على تطوير طرق مستدامة لإنتاجه.