تطبيقات الهيدروجين وإستعمالاته

 

4-1 المقدمة

تعرف المصادر الأحفورية بالمحدودية في مخزونها و استعمالها المفرط له عواقب خطيرة على الإنسانية في حين أن العودة للمصادر المتجددة لا تقاوم إذ أن هذه الأخيرة غير متوفرة زمنيا بانتظام و يمكن نعتها بالمصادر الطاقوية المتموقعة أي أنه لا يمكن نقلها و لا تقييمها إلا في موقع توفرها كما هو الحال للأشعة الشمسية و الرياح و طاقة الأمواج , فتحويل هذه المصادر إلى كهرباء يمكن تقليص الفارق بين العرض و الطلب و لكن يبق اللجوء إلى حامل الطاقة المرشح من طرف العلميين و الصناعيين وهو الهيدروجين لابد منه و بما أن المصادر المتجددة و دائرة الهيدروجين من إنتاجه إلى استعماله لا يمثلان أي خطر على البيئة , و إنما يقدمان و بدون شك إمكانية الاستقلال الطاقة التدريجي من المصادر الأحفورية. أما بوصفه عنصرا كيميائيا فله استخدامات و تطبيقات متنوعة فمن الممكن أن تصنف استخداماته على النحو التالي:

4-2 تطبيقات الهيدروجين

يمكن استخدام الهيدروجين في محركات الاحتراق الداخلي ومركبات خلايا الوقود، كما يمكنه أن يكون وسيلة فعالة لتخزين الطاقة من مصادر متجددة حيث تعتمد استخدامات الفرعية للهيدروجين اليوم على : [1]

• الصناعة الكيميائية : حيث يستخدم بكمية كبيرة في إنتاج الأمونيا (النشادر) هي تعتبر المادة الأولية في صناعة الأسمدة.
• الصناعة الغذائية والأدوية : في هدرجة الزيوت و الدهون و مواد التجميل و غيرها .
• الصناعة البيتروكيميائية : تكرير النفط و إنتاج الميثانول و غيرها.
• صناعة الإلكترونية : إنتاج أنصاف النواقل و الألياف البصرية و غيرها .
• له قدرة على التوصيل الحراري أعلى من أي غاز أخر.
• يستخدم في وقود الصواريخ. لا يستعمل في تبريد المولدات الكهربائية حيث يستخدم الهيدروجين كوسيط تبريد عالي الأداء.
• لا يستخدم في المفاعلات النووي كوقود نووي.
• استخدامه في توليد الطاقة الحرارية و ذالك بحرقه المباشر في المحطات الحرارية.
• لا يستخدم في توليد الطاقة الكهربائية بواسطة خلايا الوقود و التي تعد تقنية حديثة.

و يقدر حاليا النسبة المستهلكة من الهيدروجين المنتج عالميا بحوالي 50% في إنتاج الأمونيا و 37% في تكرير النفط و 8% في إنتاج الميثانول و الباقي في الاستخدامات الأخرى. [2][4] [3]

4-3 استعمالات الهيدروجين

يعتبر استخدام الهيدروجين مسألة مهمة في تنفيذ سياسة التنمية المستدامة، حيث يمكن أن يكون هو حلقة الربط بين اختلاف أنواع الطاقة و أيضا يمكن أن يكون بديلا للوقود الديزل أو بديل للغاز الطبيعي، ومنه فإن احتراق الهيدروجين في المحركات أو استخدامه في خلايا وقود لا يؤدي إلى أي انبعاثات غازية ملوثة.[5]

محركات الهيدروجين الحرارية: تعمل المحركات الحرارية، المعروفة بمحركات الاحتراق الداخلي، باحتراق غاز الفحم أو الغاز الطبيعي أو حتى المزيد من نواتج التقطير البترولية، و منه يمكن لجميع هذه المحركات القائمة علي الاحتراق أن تعمل بالهيدروجين لإنتاج الطاقة الميكانيكية، و إن قدرة هذه المحركات ذات الاحتراق الداخلي للهيدروجين عند عملها ينتج عنها انبعاثات منخفضة جدا من اكاسيد النيتروجين ( ,NO) ، و تعتبر أكاسيد النيتروجين هي الانبعاثات الوحيدة الغير المرغوب فيها من نواتج هذه المحركات.[6] العديد من هذه المحركات الحرارية هي من نوع المكبس المتبادل، فهي تعمل وفقا لدورة اشتعال أوتو أو دورة ديزل، و من وجهة النظر الوحيدة للديناميكا الحرارية ، يمكن تحويل جميع هذه المحركات للعمل بالهيدروجين بما في ذلك تلك التي تعمل وفقا لدورة الديزل.[7] تعتبر محركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين أكثر كفاءة بنسبة 20% من محركات البنزين ، ولكن مثل جميع المحركات الحرارية تكون محدودة بسبب كفاءة دورة کارنو. ويخضع محرك احتراق الهيدروجين الداخلي للصدمات ، وهذا راجع إلى الاشتعال الذاتي للوقود غير المحترق في "منطقه الغاز النهائية" ؛ ويمكن التغلب على هذا عن طريق تزامن الإشعال، وإن استخدام الهيدروجين في محرك احتراق داخلي سينتج بعض اكاسيد النيتروجين ، حيث يجري حاليا العمل على تحديد طرق التقليل انبعاثات اكاسيد النيتروجين من المحركات.[8] [9]

 

التوربينات: الهيدروجين يشبه الوقود التقليدي عند استخدامه في محرك التوربينات. ومع ذلك يمكن زيادة درجه الحرارة عند استخدام الهيدروجين و هذا سيؤدي إلى زيادة الكفاءة العامة، ومما يتميز بتقليل من انبعاث غازات الدفيئة التي يكون الملوث الوحيد فيها هو كميه صغيره من اكاسيد النيتروجين، و تعتبر تكنولوجيا التوربين أرخص من خلايا الوقود حاليا ويمكن استخدامها كتكنولوجيا انتقالية.[10]

خلايا الوقود : خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يحول الطاقة الكيميائية الناتجة عن تفاعل وقود الهيدروجين مع أكسجين الهواء مباشرة إلى طاقة كهربائية ذات جهد منخفض بالإضافة إلى حرارة والماء ،حيث تعتبر تقنية حديثة للتوليد المباشر للطاقة الكهربائية و بكفاءة عالية، و منه لا تختلف البنية الأساسية الخلية الوقود عن البنية الأساسية لأي خلية كهروكيميائية أخرى ، فهي تتكون من : مصعد و مهبط يفصل بينهما عازل إلكتروليتي لمنع اختلاط الوقود و الأكسجين. [11] [12] .

تطبيقات خلايا الوقود : تعتبر التطبيقات العديدة باستخدام خلايا الوقود في مجال تحويل الطاقة من الميزات الإيجابية لهذه التقنية ، و يمكن استخدامها في مجال توليد الطاقة الكهربائية و مجال النقل أيضا و قد تم مؤخرا استخدامها في مجال الالكترونات و هذا نضرا لطبيعة خلايا الوقود فإنه يمكن تركبيها على شكل مصفوفات و هذا من أجل استخدامها في التطبيقات الصغيرة.[13]

مجالات النقل : في البداية بدأ استخدام خلايا الوقود في المركبات ذات الأحجام الكبيرة مثل الحافلات و ذالك لكبر حجم الخلية في بدايتها، و لكن مع التطور المستمر قل حجم الخلية الوقود لدرجة أنها تصلح في استخدام السيارات، و تعد الشركات إنتاج السيارات الكبرى في العالم من أكثر الجهات التي عل أبحاث الخلايا الوقود، حيث أنها أنتجت سيارة تعمل بخلايا الهيدروجين.[14]

مجالات الالكترونيات : تعتبر خلايا الوقود من أنسب مصادر الطاقة بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، و ذالك لنظر صغر حجمها،و قدرتها على توليد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية بالنسبة إلى الحجم الصغير ،كما عرضت شريكة العالمية موتورولا هاتف المحمول الذي يعمل بخلية وقود من خلال تزويد الهاتف بخزان وقود على شكل أنبوبة صغير تشبه أنبوبة قلم الحبر و التي يمكن أن تشغل الهاتف لفترة أطول. [15]

في مجالات توليد الكهرباء : التوربينات الغازية هي التي تنتج الحركة الدورانية اللازمة لدوران المولد و بالتالي تولد كهرباء ،و قد تم اكتشاف أنه يمكن بتزويد التوربينات الغازية بمجموعة مضغوطة من خلايا الوقود، فإن ذلك يساعد على توليد الكهرباء بجهد مرتفع نسبيا، و بالتالي تحسين كفاءة الكهرباء للمولد،حيث يستغل بخار الماء ذو درجات حرارة عالية في إدارة التوربينات البخارية. و بهذا يمكننا استخدام خلايا الوقود لتغذية المنازل و المستشفيات وكذالك المناطق السكنية البعيدة و الوعرة و التي يصعب معها إنشاء أبراج التوزيع لطبيعة هذا المكان.[16]

4-4 مشاكل تواجه الخلية الهيدروجينية

بعد أن تعرفنا على مزايا خلايا الوقود لابد و أن تسألنا عن عدم استخدامها بشكل واسع النطاق السبب يكمن في العديد من المشاكل التي اعترضت هذا المصدر من الطاقة. كما علمنا أن خلايا الوقود تستخدم الأكسجين و الهيدروجين لإنتاج الكهرباء، و بتأمين هذين الغازين يمكننا الحصول على مصدر مستمر للطاقة و بالنسبة لغاز الأكسجين فيتم الحصول عليه من الهواء حيث يتم سحب الهواء إلى الكاثود لحصول على أوكسجين مباشرة و لكن المشكلة الحقيقية تكمن في غاز الهيدروجين بسبب صعوبة تخزينه و ندرة وجوده حرا في الطبيعة فتكلفة الحصول على غاز الهيدروجين مرتفعة ، وهذا مما يجعل النفط يتفوق على خلايا الهيدروجينية في التكلفة حيث أن المطلوب حتى تصبح خلية الوقود اقتصادية أن تكون تكلفتها أقل 200 مرة على ماهي عليه الآن.[17]

المصادر

1. www.hydrogen.energy.gov>enduse
2. S.Srinivasan and J.Ogden Hydrogen: The Ideal Fuel plenum press 2005
3. DARKRIM-LAMARI (Chargée de recherche au CNRS) et P. MALBRUNOT (Directeur du comité technique à l’AFH2) – Techniques de l'ingénieur : article BE8565 et BE8566 : Combustible hydrogène : Production et utilisation - 2006
4. R. MOSDALE (Docteur-ingénieur en électrochimie – Chercheur au Laboratoire Hydrogène et Pile à combustible Commissariat à l'énergie atomique-Grenoble) – Techniques de l'ingénieur : article D5570 : Transport électrique routier : Véhicules électriques à pile à combustible – mai 2003
5. AFH2 – Mémento de l'hydrogène : fiche 5.1.1 – mars 2007 - Association Française de l’Hydrogène : http://www.afh2.org/
6. Kruse, B, Grinna, S, and Buch, C., (2002) Hydrogen - Status og Muligneter, Bellona rapport nt. 6-2002 ISBN 82-92318-0504. or [online] Available from: http://www.bellona.no/en/energy/hydrogen/report_6-2002/index.html Accessed 19 May 2003.
7. Li, H and Karim, G (2004) Knock in spark ignition engines. International Journal of Hydrogen Energy.29 859-865. Elsevier Science Ltd.
8. Lakeman, J.B., and Browning, D.J., (2001) Global Status of Hydrogen Research London: DTI, ETSU F/03/00239/REP. (98)http://masder.kfnl.gov.sa/bitstream/123456789/23031/2/KACSTMSC79NA08.pdf?1ocale=ar
9. https://www.researchgate.net/profile/Yasser_Diab4/publication/265599746_Electric_energy_storage_courses_and_exercises/links/54804d8c0cf250f1edc0lach/Electric energy-storage-courses-and-exercises.pdf
10. Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Technologies: Rev 0, December 2001
11. http://www.fnrtop.com/vb/showthread.php?t=878088
12. http://kawngroup.com/fuel-cells/.
13. 2015/2014 الهيدروجين وقود المستقبل . إشراف الأستاذ لؤي حمزة