مستقبل الطاقة النظيفة: خلية الهيدروجين في السيارات

مع تفاقم مشكلة الاحتباس الحراري لجأ العلماء لتطوير مصادر طاقة نظيفة كبديل للوقود الأحفوري مثل خلايا الهيدروجين، فما هي خلية الهيدروجين وكيف تعمل؟

ما هي خلية الهيدروجين؟

هي خلية تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية عن طريق تفاعل تحلل الهيدروجين، وتُستخدم بشكل كبير في المسابير الفضائية والأقمار الصناعية والسيارات.

تختلف البطاريات الكهربية عن خلية الهيدروجين في عدة مناحي، فبطارية الهيدروجين تُمد بالهيدروجين بشكل مستمر من مصدر خارجي بينما تحتوي على كميات محدودة من الوقود المُستهلك مع الاستخدام، بخلاف البطاريات الكهربية التي تعتمد على تخزين الطاقة الكهربية.

كيف تعمل خلية الهيدروجين؟

تحتوي خلية الهيدروجين على زوج من الأقطاب الكهربية (أنود-كاثود).

يُأكسد الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين وإلكترونات، ويتفاعل الأكسجين مع أيونات الهيدروجين والإلكترونات لينتج الماء، ومن ثم تتحرك الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود نتيجة لفرق الجهد بين القطبين وبالتالي ينتج تيار كهربي.

تتلخص هذه العملية في ٣ مراحل وهي:

1. تفكك الهيدروجين

تتفاعل ذرات الهيدروجين مع محفز موجود على الحاجز الذي يفصل بين الأنود والكاثود، بالتالي تنقسم ذرة الهيدروجين إلى أيونات الهيدروجين وإلكترونات سالبة.

2.إنتاج التيار الكهربي

تمر أيونات الهيدروجين إلى الكاثود من خلال الحاجز بينما تمر الإلكترونات السالبة من خلال دائرة كهربائية، وبالتالي يتولد التيار الكهربي نتيجة مرور الأيونات في الدائرة الكهربائية.

3.تجميع الماء

في الجانب الأخر من الكاثود تتحد أيونات الهيدروجين والإلكترونات والأوكسجين الموجود في التيار الجوي إلى ماء حيث تخرج من خلال عادم السيارة على هيئة بخار.

مزايا خلية الهيدروجين في السيارات

1. النقاء البيئي:

تساهم خلية الهيدروجين في تقليل انبعاثات الكربون، فناتج التفاعل بين الهيدروجين والأوكسجين هو الماء فقط.

ذلك تسعى العديد من الحكومات لتشجيع الشركات على الاستثمار في هذه التقنية من خلال تقديم برامج لتطوير سيارات تعمل بخلية الهيدروجين، وتطوير البنية التحتية لزيادة عدد محطات وقود الهيدروجين.

2. قابلية التشغيل الطويلة:

تتميز بطارية الهيدروجين عن بطارية الكهرباء بكونها قابله للتشغيل لفترات طويلة، فالمسافة التي يمكن قطعها في الشحنة الواحدة تعد عامل مهم في السيارات، حيث يمكن أن تقطع السيارة التي تعمل بخلية الهيدروجين 400 ميل في الشحنة الواحدة.

3. زمن التزود بالوقود سريع :

من المميزات الأخرى لبطارية الهيدروجين هي زمن التزود بالوقود، فيمكن شحن بطارية الوقود بالكامل خلال (3-5) دقائق.

وتتفوق بطارية الهيدروجين على البطارية الكهربية بنسبة كبيرة في متوسط الزمن الذي يمكن فيه شحن بطارية سيارة كهربية قد يصل إلى 6ساعات وهو زمن طويل جداً.

التحديات المتعلقة بـخلية الهيدروجين

١. تكلفة الإنتاج:

هناك عوامل عديدة تؤثر على ارتفاع تكلفة إنتاج بطارية الوقود، كالمواد المستخدمة في البطارية مثل معدن البلاتين الثمين والذي يستخدم كمحفز في الخلية.

كما تخضع البطارية لعملية تصنيع معقدة وبدقة عالية وبالتالي زيادة في تكاليف الإنتاج.

2. تخزين الهيدروجين:

لسوء الحظ فالهيدروجين مادة قابلة للاشتعال بدرجة كبيرة، لذلك يجب أن يكون خزان الوقود صلب جداً ومقاوم للحرارة.

كما ستكون السيارة عرضة للإنفجار حال تعرضها لدرجات حرارة مرتفعة أو تعطلها أو إرتفاع درجة حرارتها مما يزيد من خطورة البطارية.

3. محطات الشحن

على عكس الوقود الأحفوري التقليدي أو محطات شحن البطاريات، فإن محطات التزود بالوقود ليست منتشرة بكثرة ويرجع ذلك لارتفاع تكلفة إنشاء المحطة.

فسعر إنشاء محطة وقود صغيرة قد يصل إلى 2 مليون دولار وهي تكلفة مرتفعة جداً بالنسبة لمحطات الوقود التقليدية.

أفضل السيارات التي تعمل ببطارية الهيدروجين

1.هايبريون إكس بي

بمظهر رياضي مثير ومدى يصل الى 1000 ميل في الشحنة الواحدة أي ثلاثة أضعاف متوسط سرعة السيارات الهيدروجينية تعد هذه السيارة أقوى سيارة تعمل بالهيدروجين على الإطلاق، لكن مع هذه القدرات الخارقة تأتي بسعر مرتفع جدا، فمتوسط سعر هذه السيارة ما بين (2-3) مليون دولار.

2.  هيونداي نيكسو

طرحت شركة هيونداي موتور سيارة هيونداي نيكسو لأول مرة عام 2014 وهي سيارة دفع رباعي.

يمكن للسيارة قطع مسافة 400 ميل في الشحنة الواحدة ويبلغ سعر السيارة $62.000

3.تويوتا ميراي

خطفت هذه السيارة اليابانية الأنظار في ظهورها الأول عام 2014، ويصل مدى السيارة الى 400ميل في الشحنة وسعرها يبدأ من 50ألف دولار

4.مرسيدس بنز GLC

سيارة دفع رباعي أخرى من شركة مرسيدس، أُنتجات هذه السيارة عام 2015 وتصل إلى مدى 60ميل لكل شحنة ويبدأ سعرها من 54ألف دولار.

 تطورات وابتكارات مستقبلية

1. تحسين تكنولوجيا خلية الهيدروجين

تواجة بطارية الهيدروجين مشاكل عديدة أبرزها نظام تخزين الهيدروجين، فهناك ثلاثة حلول مطروحة لتطوير تخزين الهيدروجين: أسطوانات الغاز المضغوط، وخزانات الهيدروجين السائل، و الهيدروجين المعدني.

إلا أن هذه الحلول تواجه بعض المعوقات، فالضغط العالي في أُسطوانات غاز الهيدروجين يثير مخاوف تتعلق بالسلامة، أيضاً تعاني تقنيات غاز الهيدروجين المضغوط من كثافة حجمية منخفضة، على الجانب الآخر يعاني خزان الهيدروجين من مشاكل تتعلق بمعالجة السوائل والتبخر.

2.استخدام مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين

يعد استخدام مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين جانبًا حاسمًا لإنشاء اقتصاد هيدروجين مستدام ومنخفض الكربون، وهناك العديد من الحلول المطروحة في هذه المسألة:

1.التحليل الكهربائي: يمكن استخدام طاقة الكهرباء المتجددة، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح في عملية تحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

هذه الطريقة المعروفة بإسم إنتاج الهيدروجين الأخضر، لا ينتج عنها أي انبعاثات كربونية أثناء عملية إنتاج الهيدروجين.

يمكن الإطلاع حول المزيد عن الهيدروجين الأخضر من خلال مقال: الوقود الأخضر (الهيدروجين الأخضر)، بديل الوقود الأحفوري.

2.إنتاج الهيدروجين الحيوي: اكتسبت هذه الطريقة زخما هائلا في الفترة الأخيرة نظراً لارتفاع نسبة النفايات حيث يمكن استغلال هذه العمليات في المناطق التي يسهل الوصول فيها إلى مصادر الكتلة الحيوية أو مواد النفايات الحيوية.

3.التحلل الضوئي للماء: تعتمد هذه التقنية على تحليل الماء إلى هيدروجين باستخدام ضوء الشمس، لكن لاتزال هذه التقنية في مهدها فيما يتعلق بجدواها التجارية.

الخاتمة

على الرغم من التحديات الحالية مثل تكلفة الإنتاج وندرة البنية التحتية للهيدروجين، تُظهر هذه التكنولوجيا الواعدة إمكانيات هائلة للمساهمة في بناء مستقبل أكثر استدامة، فالإعتماد على مصادر الطاقة المتجددة في إنتاج الهيدروجين يعتبر خطوة مهمة نحو التحول إلى مستقبل مستدام.