الهيدروجين: أنواعه، استخداماته وأيها صديق للبيئة؟

على الرَّغم من أنَّ الهيدروجين هو أخفُّ العناصر الكيميائيَّة وزناً، إلَّا أنَّه يتمتَّعُ بقدرةٍ هائلةٍ حين يتعلَّق الأمر بدورهِ في الحياة وإمكاناتِهِ لحلِّ بعض التَّحدِّيات العالميَّة، فهو لا يعملُ على تمكينِ أشعة الشَّمس من تدفئة الأرض، والمساعدة في تكوين المياه الَّتي تدعمُ الحياة على كوكبنا فحسب، إنَّما قد يكونُ الهيدروجين فعَّالاً في إيجاد مصدر وقودٍ نظيفٍ لمختلفِ أنواع الاستخداماتِ في حياتنا.

ما هو الهيدروجين؟

الهيدروجين، هو بديلٌ نظيفٌ لغاز الميثان، يُسمَّى أيضاً بالغاز الطَّبيعيّ، ويُعدُّ العنصر الكيميائيَّ الأكثر وفرةً، كما أنَّه يُسهِم بنحو 75% من كتلة الكون. وعلى الرَّغم من أنَّ ذرَّات الهيدروجين تتواجدُ بأعدادٍ هائلةٍ، في الماء والنّباتات والحيوانات، ولدينا نحن البشر أيضاً، إلَّا أنَّه نادرٌ جداً كغازٍ، وأقلُّ من جزءٍ واحدٍ في المليون من حيث الحجم.

يُمكن إنتاج الهيدروجين من مواردَ عديدةٍ، مثل: الغاز الطّبيعيّ، والطّاقة النّوويّة، كذلك الغاز الحيويّ، والطَّاقة المُتجدّدة مثل الطَّاقة الشَّمسيَّة والطّاقة الرّيحيّة، ويتمثّل التّحدّي اليوم في تسخير الهيدروجين على نطاقٍ واسعٍ، ليصبحَ غازاً يُزوِّد منازلنا وشركاتنا بالوقود والطَّاقة؛ لأنَّ حرقه بخلاف غاز الميثان، لا يُؤدِّي إلى إطلاق ثاني أوكسيد الكربون، ما يعني تقليل البصمة الكربونيَّة والاحتباس الحراريُّ.

لكن كيّ يكون الهيدروجين بديلاً قابلاً للتَّطبيق عن الميثان، يجبُ إنتاجهُ على نطاقٍ واسعٍ وبطريقةٍ اقتصاديَّةٍ، كما يجبُ تكييف البنية التَّحتيَّة الحاليَّة.

والخبر السَّارُّ هنا هو أنَّ الهيدروجين يُمكن نقلهُ عبر خطوط الأنابيب الغازيَّة، وهو ما يُقلِّل من الاضطرابات، ويحدُّ من حجم البنية الأساسيَّة الباهظة الثَّمن اللَّازمة لبناء شبكةٍ جديدةٍ لنقل الهيدروجين. ^[1] 

خصائص غاز الهيدروجين

خصائص غاز الهيدروجين الَّتي يمتلكُها، تجعلُ منهُ وقودَ المُستقبل -كما يصفهُ كثيرٌ من خبراء الطَّاقة- فهو آمنٌ للبيئةِ، كذلكَ لا يُطلِقُ أبخرةً ضارّةً عند الاحتراق، وبالعموم تنقسمُ خصائصهُ إلى نوعين: فيزيائيَّة وكيميائيَّة. ^[2]

الخصائص الفيزيائية للهيدروجين

هو الغاز الأقلُّ كثافةً بين الغازات الموجودة على الأرض، لا لونَ له ولا رائحةً، ويَنتجُ عن الماء، ثُمَّ يتحوَّل إلى ماءٍ عندما يتأكسدُ، ومن خواصه الفيزيائيَّة أيضاً:

• يُصبِحُ سائلاً أو صلباً حين يتعرَّض إلى درجات حرارةٍ منخفضةٍ جداً وضغوطٍ عاليةٍ.
• الهيدروجين هو الأقلُّ كثافةً بين أنواع الغازات الأخرى.
• درجة انصهار الهيدروجين هي -259.16 درجةٍ مئويّةٍ، ونقطة غليانهِ هي -252.87 درجةٍ مئويّةٍ.
• يذوبُ الهيدروجين قليلاً في الماء بنحو 1.6 مغ/ل.
• له ثلاثة أشكالٍ هي الهيدروجين الطِّينيُّ والهيدروجين السَّائل والهيدروجين الغازيُّ.

شاهد أيضاً: السّعودية تُخضع أول قطار هيدروجيني في الشرق الأوسط للتجربة بعد أيام 

الخصائص الكيميائية للهيدروجين

ولا تقلُّ الخصائص الكيميائيَّة للهيدروجين أهميَّةً عن خصائصه الفيزيائيَّة، ما يزيد من أسهمه بوصفه وقود المستقبل النَّظيف، وتشملُ خصائصهُ الفيزيائيَّة:

• شديد الاحتراق بلهبٍ أزرق شاحبٍ، ويكوِّن الماء حين يتَّحد بالأوكسجين.
• على الرَّغم من ثباته، إلَّا أنَّه يُشكِّل مركباتٍ مع معظمِ العناصرِ.
• يُظهرُ خصائص كهروإيجابيّةً وكهروسلبيّةً.
• يُمكن أن ينفجرَ حين يُخلط بالكلور.
• عند الأكسدة، يُحرّرُ الهيدروجين إلكترونهِ، وينبعثُ منه أيون H+.

إذاً، بسبب ثباتهِ، فإنَّ الهيدروجين يستطيعُ تكوين روابط مع معظمِ العناصرِ الأُخرى، وهو ما يكسبهُ أهميَّةً كبيرةً في حياتنا ومُستقبلنا.

استخدامات غاز الهيدروجين

لا يُمكن حصرُ استخدامات غاز الهيدروجين في حياتنا اليوميَّة على كوكب الأرض، وعلى الرَّغم من أنَّ صناعةَ تكرير النِّفط وإنتاج الأسمدة تهيمنان على سوق الهيدروجين، لكن ما يزال هناك العديدُ من الاستخدامات الأُخرى الفعَّالة لهذا الغاز الحيويّ، ومن المتوقَّع أن يزدادَ استخدامهُ مستقبلاً خصوصاً بمجال الطَّاقة المتجدّدة.

مثلاً تُعدُّ تقنية خلايا الوقود الهيدروجينيَّة أحد حالات الاستخدام الَّتي تحظى بدعمٍ متزايدٍ، حيث تُولِّدُ خلايا الوقود هذه الكهرباء من خلال الجمع بين ذرَّات الهيدروجين وذرَّات الأكسجين، ويُمكن لخلايا الوقود الهيدروجينيَّة تشغيل المركَّبات كبديلٍ لمحرِّكات الاحتراق الدَّاخليّ.

إلى جانب استخدام خلايا الوقود، فإنَّ هناك العديد من الاستخدامات الأُخرى للهيدروجين، أبرزها: ^[3]

• صناعة الأغذية، حيث يُستخدم الهيدروجين لإنتاجِ الأحماض.
• معالجة البلاستيك، كذلك معالجة الدِّهانات والورنيشات.
• عامل رفعٍ في النَّقل الجويّ.
• عمليَّات اللِّحام، خصوصاً لِحَامُ الفولاذ، حيث يُستخدم مع الأوكسجين.
• استخراج المعادن من المواد الخام.
• الاستخدامات الطّبيَّة، لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين.
• يستخدم في إنتاج الزُّجاج.
• الهيدروجين السَّائل يتمُّ استخدامه كوقودٍ للصَّواريخ.

وكما أسلفنا سابقاً، من المتوقَّعِ أن تتوسَّعَ حالات استخدام الهيدروجين في عالمنا الَّذي يحاول العمل على تخفيف البصمة الكربونية.

أنواع الهيدروجين

هناك عدَّة أنوعٍ من الهيدروجين، لكلِّ نوعٍ منها استخداماتهُ ومزاياهُ، كذلك التَّحدِّيات الخاصَّة به، دعونا نستكشفُ أهمَّ أنواعه وأكثرها شيوعاً واستخداماً: ^[4]

الهيدروجين الأبيض

الهيدروجين الأبيض، ويُعرف أيضاً باسم الهيدروجين الطَّبيعيّ أو الذَّهبيّ أو الجيولوجيّ، وهو شكلٌ طبيعيٌّ من الهيدروجين الموجود في القشرة الأرضيَّة، ويُمكن أن يلعبَ دوراً محوريّاً في معالجة أزمة المناخ العالميَّة.

عند احتراقه يُنتج هذا النَّوع من الهيدروجين الماء فقط، ما يجعلهُ مصدراً مثاليّاً للطَّاقة النَّظيفة، حيث يُمكن للصّناعات ذات الطَّلب العالي على الطَّاقة، مثل: الطَّيران والشَّحن وصناعة الصُّلب، الاستفادة منه كبديلٍ للطَّاقة المُتجدّدة مثل الطَّاقة الشَّمسيَّة وطاقة الرّياح.

ومن مُميزات الهيدروجين الأبيض عن باقي الأنواع الأُخرى، هو أنَّه لا يُسبِّب انبعاثات أوكسيد الكربون عند استخدامه كوقودٍ، كما أنَّه أقلُّ ثمناً وأكثر كفاءةً من الإصلاح بالتَّحليل الكهربائيّ، وهو متوفِّرٌ بكثرةٍ ومتجدِّدٍ بطبيعته، لكنَّ هذا لا يُلغي تحدّيات استخدامه المُتمثِّلة بالعقبات التَّنظيميَّة في بعض البلدان، واعتبارات كلفة الحفر للعُمق المطلوب حتَّى يتمُّ استخراجه. ^[5] 

الهيدروجين الأخضر

الهيدروجين الأخضر، هو الخيارُ الأكثر نظافةً، ويتمُّ إنتاجهُ باستخدام مصادر الطاقة المتجدّدة، مثل: الطَّاقة الشَّمسيَّة أو طاقة الرّياح، لتشغيلِ عمليَّة تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين من خلال عمليَّة التَّحليل الكهربائيّ، لينتجَ عن هذا مصدر هيدروجين خالٍ من الانبعاثات، ما يجعلهُ الخيار الأكثر نظافةً.

بعد ذلك يُمكن استخدام الهيدروجين المُنتج في مجموعةٍ واسعةٍ من القطَّاعات من النَّقل وحتَّى الصّناعة، وعلى الرَّغم من أنَّ الهيدروجين الأخضر هو المصدرُ الأكثر استدامةً للهيدروجين، فإنَّ عمليَّة إنتاجه حاليّاً أكثر تكلفةً من الهيدروجين الرَّمادي أو الأزرق، كما يتطلَّبُ الأمر استثماراً كبيراً في البنية الأساسيَّة للطَّاقة المُتجدّدة، مثل: مزارع الطَّاقة الشَّمسيَّة أو طاقة الرّياح، لإنتاج الكهرباء اللَّازمة.

الهيدروجين الرمادي

وهو النَّوع الأكثر استخداماً اليوم، ويُمثِّل 95% من إنتاج الهيدروجين العالميّ، يتمُّ إنتاجهُ من الغاز الطَّبيعيّ باستخدام عمليَّةٍ تُسمَّى إعادة تشكيل الميثان بالبخار، والَّتي تنطوي على تفاعل الميثان مع بخارٍ عالي الحرارة لإنتاج الهيدروجين وأوَّل أكسيد الكربون، ثُمَّ يتفاعل الأخير مع المزيد من البخار لإنتاج المزيد من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون، بعد ذلك تبدأ عمليَّة تنقية غاز الهيدروجين النَّاتج تمهيداً لاستخدامه بمختلف أنواع القطَّاعات.

وعلى الرَّغم من أنَّ هذا النَّوع متاحٌ بسهولةٍ، ويمتازُ بقلَّة الكلفة قياساً بالأنواع الأُخرى، لكنَّه ليس مصدراً نظيفاً للطَّاقة، حيث تولِّد عمليَّة إنتاجه انبعاثاتٍ كربونيَّةً كبيرةً، ما يُسهم في تغيُّر المناخ، وتشير التَّقديرات إلى أنَّه مقابل كلِّ كيلوغرام من الهيدروجين المنتج باستخدام المفاعلات النُّوويَّة الصَّغيرة، ينبعث نحو 9 إلى 12 كيلوغراماً من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجويِّ، وبذلك لا يُعدُّ مصدراً مستداماً للطَّاقة.

شاهد أيضاً: اليوم العالمي للطاقة: أهم مشاريع الطاقة النظيفة في الإمارات 

الهيدروجين الأزرق

الهيدروجين الأزرق هو الخيارُ الأنظفُ، ويشبهُ الهيدروجين الرَّماديَّ لناحيةٍ عمليَّة الإنتاج، لكنَّه يتضمَّن خطوةً إضافيَّةً تُعرف باسم احتجاز الكربون وتخزينه، بمعنى احتجاز انبعاثات الكربون النَّاتجة خلال إنتاج الهيدروجين وتخزينها في تكويناتٍ جيولوجيَّةٍ عميقةٍ تحت الأرض، ما يمنعها من دخول الغلاف الجويّ والتَّسبُّب بالتَّلوث.

الخاصيَّة السَّابقة تجعلهُ خياراً أنظف من زميلهِ الهيدروجين الرَّماديّ، حيث تقلُّ الانبعاثات الكربونيَّة بنسبة 90%، وعلى الرَّغم من ذلك ما يزال الهيدروجين الأزرق يعتمدُ على الوقود الأحفوريّ كمادةٍ خَامٍ، كما أنَّ عمليَّةَ تخزين الكربون واحتجازه قد تكون معقَّدةً ومكلّفةً للغاية.

إضافةً إلى الأنواع السَّابقة، هناك أنواعٌ أُخرى يجري تطويرها اليوم، مثل الهيدروجين الفيروزي، الَّذي يتمُّ إنتاجهُ باستخدام الغاز الطَّبيعيّ، بينما يتمُّ احتجاز الانبعاثات الكربونيَّة واستخدامها لأغراضٍ مختلفةٍ مثل تحسين عمليَّة استخراج النِّفط. كذلك هناك نوعٌ آخر قَيدَ التَّطوير حاليّاً، هو الهيدروجين الأصفر، الَّذي يُنتَج باستخدام الكتلة الحيويَّة، مثل النّفايات الزّراعيَّة أو بقايا الغابات، وهو أحد الأنواع الَّتي تُعدُّ منخفضة انبعاثات الكربون.

فهم الأنواع المختلفة من الهيدروجين، أمرٌ هامٌّ جداً، يضمن اتِّخاذ قراراتٍ جيدةٍ فيما يخصُّ كيفيَّة استخدامها، وتجدرُ الإشارة إلى أنَّه مع استمرار تقدُّم التُّكنولوجيا، قد تصبحُ أنواعٌ أخرى من الهيدروجين أكثر قابليّةً للتَّطبيق، ما يُوفِّر خياراتٍ إضافيَّةً لإزالة الكربون من قطَّاع الطَّاقة.

أضرار غاز الهيدروجين

يُمكن التَّخفيف من أضرار غاز الهيدروجين أو حتَّى تجنُّبها تماماً، من خلال اتِّباع إرشادات السَّلامة، وتَعلُّم كيفيَّة التَّعامل مع هذا النَّوع من الغازات، للاستفادة من ميزاته الكبيرة ودرء أخطارهِ. ومن أضرار الهيدروجين، الَّتي قد تُشكِّل تهديداً كبيراً عند استخدامهِ في الأماكن الضَّيقة:

• الحرائق: نظراً لكونهِ غازاً سريعَ الاشتعال، تنجمُ مخاطر تتعلَّقُ بالحرائق، الَّتي تختلفُ مقارنةً بحرائق الوقود الأخرى، فهو ذو لهيبٍ غير مرئيٍّ ما يجعلُ من الصَّعب تحديد مكان الحريق.
• الاختناق: في حالتهِ المُعتادة، لا يكون الهيدروجين سامَّاً، لكن يختلفُ الأمر في البيئات المُغلقة، حيث يُمكن أن يتراكمَ ويحلَّ محلَّ الأوكسجين، ما يؤدِّي إلى الاختناق، ويُمكن حلّ هذه المشكلة من خلال إضافة روائح اصطناعيَّة لتنبيه الأشخاص بوجود تَسرُّبٍ، ومع ذلك قد لا يكون هذا الحَلّ كافيّاً.
• الإصابة بلسعة الصَّقيع: واحدةٌ من المخاطر الأقلِّ شيوعاً، لكنَّها الأكثر خطورةً، وقد تُؤدِّي إلى فقدان الأطراف، وتحدث نظراً لأنَّ الهيدروجين يتمُّ تخزينه ونقله عادةً وهو في حالته السَّائلة داخل خزّاناتٍ مضغوطةٍ، ويكون شديد البرودة، وفي حال تَسرَّبَ ولامس الجلد تَحدُث لسعةُ الصَّقيع الشَّديدة، الَّتي يُمكن أن تتسبَّبَ بتجمُّد الجلد والأنسجة وبالتَّالي بَترُ الطَّرف المُصابِ.

يُمكن تلافي كلَّ تلك المخاطر بقليل من الإجراءات البسيطة، مثل التَّخزين الآمن للهيدروجين، كذلك تركيب أجهزة استشعارٍ في مناطق تخزينه واستخدامه، حيث تكون تلك الأجهزة مصمَّمةً للكشف عن تَسرُّب الهيدروجين وتنبيه طاقم العمل لضمان اتّخاذ إجراءاتٍ سريعةٍ، والنَّجاة بأرواحهم، وتجنُّب الحوادث والإصابات المحتملة.

كذلك اختيار أماكن وضع أجهزة الاستشعار مهمٌّ للغاية؛ لضمان اكتشاف التَّسرُّب المحتمل في أبكرِ وقتٍ ممكنٍ، حيث يُنصح بتركيبها على الأسقف، وفي الأماكن الضَّيقة الَّتي يتجمَّعُ بها الهيدروجين المُتسرِّب، كما يتوفَّر نوعان من أجهزة الاستشعار محمولةٍ وثابتةٍ، ومن المهمّ استخدام كلا النَّوعين في وقتٍ واحدٍ لضمان أقصى قدرٍ من السَّلامة على متن الطَّائرة مثلاً.

اليوم يُنظر إلى الهيدروجين على المستوى العالميّ، بوصفه وقود المستقبل النَّظيف، فيما يبدو أنَّه ما يزال من المبكِّر الحكم على إمكانيَّة أن يُصبحَ كذلك بالفعل قبل حلّ التَّحدِّيات المُتعلِّقة بتشغيلهِ، ما رأيكم أنتم؟

تابعونا على قناتنا على واتس آب لآخر أخبار الستارت أب والأعمال

انضم الآن