يعد احتراق (تفاعل أكسدة) الهيدروجين واستخدامه في خلايا الوقود fuel cells التي تشغّل المحرك خياراً مغرياً لأسباب عديدة فهو يحضر محلياً من مجموعة كبيرة من خامات كيميائية ومن مصادر طاقة أخرى ( مصادر الطاقة المتجددة والنووية والوقود الأحفوري) وهو غاز نظيف وغير سام يمكن أن يشكل مصدر هام للطاقة لاستخدامه في عدة أنواع من الآلات كما في السيارات. وعند احتراقه لا يطلق أي ملوثات بيئية كغاز ثاني أكسيد الكربون المكون الأساسي  للغازات الدفيئة وعند وجوده في خلايا الوقود التي تشبه في تركيبها البطاريات يؤمن عند احتراقه بالأكسجين الطاقة اللازمة لتشغيل محركات السيارة التي تعمل بالكهرباء ناشراً الحرارة ومخلفاً الماء فقط كمنتج ثانوي وقد يتعدى مردود وفعالية السيارات العاملة بالهيدروجين ضعفي مردود السيارات العاملة حالياً كما يقدم العون والمساعدة لحل مسائل اجتماعية أهمها التلوث والتغير في المناخ والاعتماد على النفط المستورد.

ولكن هناك عقبات يعمل الباحثون وشركات السيارات على تخطيها وتتمثل بصعوبة تخزينه, الطاقة التي يحملها 1kg من الهيدروجين تزيد عن ثلاث أضعاف الطاقة الموجودة بالكمية نفسها من البنزين. ولكن يصعب علينا اليوم حمل الهيدروجين وتخزينه بسهولة تخزين البنزين, إذاً المهمة الآن هي الوصول إلى الطريقة الأفضل لتخزينه والأكثر أماناً وبدون إزعاج راحة الركاب بحجمه وبما يكفي لقطع مسافة لا تقل عن 480 km وعليهم إيجاد طريقة سريعة لتحرر الهيدروجين بدرجات الحرارة العادية والتي تتيح تدفقاً للهيدروجين يكفي لتأمين التسارع والسرعة المطلوبة كما تتيح إملاء الخزان بدقائق معدودة وبأسعار قليلة ومن الطبيعي أن الهيدروجين هو عنصر خفيفة جداً، ويتمتع بكثافة منخفضة جداً، بحيث تعطي طاقته لكل حجم ضئيل جداً بالمقارنة مع غيره من مصادر الوقود النفطية.

 

ميزات سيارات خلايا الوقود الهيدروجينية Fuel cell vehicle (FCV)

1-    انعدام انبعاث الغازات الضارة والدفيئة أو قربها من الصفر.

2-    فعالية و مردود عالي ( 30 %) يزد عن ضعف مردود سيارات الوقود اللإحفوري (15-20 %).

3-    استخدام وقود مختلف عن الوقود الناتج عن النفط فلا داعي للقلق من زيادة أسعار النفط أو نفاده.

4-    مستوى ضجيج أقل بكثير.

5-    عدم الحاجة لشحن كما في سيارات الكهرباء ذات الخلايا الغلفانية العادية.

مساوئ FCVs:

1-    من كبرى العقبات الحالية تحميل سيارات الهيدروجين لكمية كافية منه لتسير بها السيارة لمسافة تزيد عن 480 km ( 300 ميل وهي المسافة القياسية).

2-    تخزين الهيدروجين بشكل عادي يحتاج إلى خزانات تتحمل الضغط الشديد و هي عالية التكلفة أما الهيدروجين السائل يحتاج درجات حرارة منخفضة جداً.

3-    الحاجة إلى تأمين نظام أمان عالي لتجنب كوارث كما في حادثة انفجار منطاد هندبرك عام 1973.

4-    نسبة كبيرة من الهيدروجين تنتج باستخدام الوقود الأحفوري.

يستخدم المهندسون طريقة في حساباتهم مفادها أن غالونا (3.6 ليتر) واحداً من البنزين يعادل 1كغ من الهيدروجين "من منظور طاقي" وتحتاج السيارات الحالية 20 غالوناً لقطع مسافة 300 ميل وهذا يعني أن سيارة الهيدروجين النموذجية تحتاج إلى 8 كغ من الهيدروجين بسبب مردوده الطاقي العملياتي الأعلى معظم سيارات الخلايا الهيدروجينية تسير مسافة من 100 إلى 190 ميلاً و بحلول عام 2010 يتوقع أن نشهد سيارات تعمل على الهيدروجين تسير على الطرقات. يقارن الباحثون أداء تقنيات تخزين مختلفة تسعى إلى حمل علامة (( 6% bench mark وزناً )) أي إمكانية تخزين 6 كغ في نظام يزن 100 كغ وهو قياس ملائم للسيارات.

ما هي خلايا الوقود الهيدروجينية Hydrogen Fuel-cell:

تستخدم f-cells الهيدروجين والأكسجين بطريقة ذكية لتوليد الطاقة الكهربائية التي يعمل بها محرك السيارة ويكون  " الماء هو الناتج الثانوي الذي يخرج من العادم.                                                                     

 

 

تعمل خلية الوقود كبطارية قابلة لإعادة الشحن، وتقوم بتوليد الكهرباء مادام تزويدها بالهيدروجين والأكسجين مستمراً. وتتكون خلية الوقود التي تحتوي على غشاء تبادل بروتوني من مسريين (إلكترودين) رقيقين مساميين وهما المسرى الموجب (المصعد) والمسرى السالب ‏(المهبط ، يفصلهما كهرل مكون من غشاء بوليمري صلب ويغطى سطح واحد لكل مسرى بحفاز يحتوي على البلاتين. وبعد أن تدخل ذرات الهدروجين <1> إلى الخلية يقوم حفاز المسرى الموجب بفصلها إلى إلكترونات وبروتونات <2> وتتوجه الإلكترونات عبر دارة خارجية لتشغيل محرك القيادة <3> ‏، في حين تهاجر البروتونات عبر الغشاء <4> ‏إلى المسرى السالب. وهنا يقوم الحفاز على ذلك الجانب بتوحيد البروتونات مع الإلكترونات العائدة وكذلك مع أكسجين الهوا لتوليد الماء والحرارة<5>. ويحشد عدد كبير من الخلايا في مكادس لإنتاج جهد كهربائي عال <6>.

يختار المهندسون خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات PEM لأنها تحول نحو 55 في المئة من طاقة الوقود التي توضع فيه إلى شغل فعلي في حين يبلغ رقم الفعالية أو الكفاية في محرك الإحراق الداخلي  نحو 20 في المئة و هناك مزايا أخرى كدرجة حرارة التشغيل المنخفضة نسبيا (80 درجة سيلزية) و درجة معقولة من الأمان و الأداء الهادئ و سهولة التشغيل و قلة متطلبات الصيانة.

إن انتاج سيارة تعمل بخلية الوقود على نطاق تجاري نحو عام 2015 يعتمد على التحسينات التي ستطرأ على تقانة الغشاء الذي يستحوذ على نحو 35% من تكلفة مكدس خلايا الوقود ويضع الباحثون في اعتبارهم تحقيق عدد من التحسينات الازمة للعبور المنخفض للوقود من أحد جوانب الغشاء إلى الجانب الأخر و مزيد من الثبات الميكانيكي و الكيميائي للغشاء ليسيطر على التفاعلات الجانبية غير المرغوبة و القدرة على تحمل التلوث الناتج عن الشوائب الموجودة في الوقود أو الناتجة عن التفاعلات غير المرغوبة كإنتاج أحادي أكسيد الكربون و الأكثر من ذلك هو تخفيض كلف جميع المراحل السابقة.

سيارة HONDA النموذجية

محطات الوقود الهيدروجينية :hydrogen gas stations

لا تختلف محطات الوقود الحالية عن الهيدروجينية كثيرا من حيث توزعها الجغرافي أو شكلها العام و يجب أن تبنى محطات الوقود الهيدروجينية بطريقة مدروسة مسبقا من حيث الأمان و سهولة التعامل أيضا بعدها عن بعضها و إذا لم تكن كافية فلن يفكر أحد بشرائها و يجب أن تبدأ بالمدن و من ثم إلى الطرقات السريعة و بالرغم من كون اكبر الدول الصناعية كاليابان و ألمانيا و الولايات المتحدة الأمريكية لم تقم حتى الآن بشكل جدي ببناء محطات وقود هيدروجينية كافية على أراضيها فإن ذلك مرتبط بتطورات تكنولوجيا التخزين و تطور صناعة السيارات و الأبحاث القائمة حتى الأن لتوصل إلى الحلول المثالية في مجال تصميم و بنية خلايا الوقود و خزانات الهيدروجين.

لكن ما يميز محطات الهيدروجين أنها مكلفة من حيث البنية التحتية أكثر بكثير من كلفة محطات الكازولين و الكاز و المازوت و السبب في ذلك يعود إلى أن الهيدروجين يخزن بضغوط عالية جدا و قابل للاشتعال أكثر من غيره.

إجراءات و احتياطات السلامة تضمن أبحاث لقدرة الخزانات على مقاومة الحرائق و الزلازل و الانهيارات فوقها و فوق كل هذا يتم وضع الخزانات بأماكن تحت الأرض مصممة بحيث إذا انفجرت و هذا احتمال صغير جدا جدا فإن المكان الموضوع به الخزان يمتص جزء كبير من الصدمة أيضا لدينا اختبارات التعب فالخزان يملأ ثم يفرغ و هكذا فهو يتعرض للتعب.

 

من أين نحصل على الهيدروجين لهذه المحطات:

التحليل الكهربائي للماء:

يمكن الاستفادة من الطاقة الشمسية الموجودة في بلادنا بكثرة لتحليل الماء إلى مكوناته الهيدروجين و الأكسجين . و يستخدم لهذا الغرض جهاز يمكن لأي شخص أن يقتنيه حتى في بيته و يسما اليكترولايزر Electrolyser بمنظومة تسمى Solar hydrogen. إن أفضل استخدام للطاقة الشمسية هو توليد الهيدروجين والعملية ليست معقدة ويمكننا نحن في سوريا إنتاج كميات ضخمة وسد احتياجاتنا من الهيدروجين بسهولة ولكن ينقصنا بعض الخبرة في مجال الأمان.

محطة وقود شمسية

الحصول على الهيدروجين من مركبات تحويه :

كالمركبات النفطية و مخلفات بعض أنواع الصناعات الغذائية كالزيوت النباتية و خصوصا زيت الذرة و ذلك باستخدام طرق كيميائية.

مازالت المحطات التي تزود بوقود الهيدروجين نادرة الوجود و يتوافر الآن في إنحاء العالم نحو 70 واحدة عاملة للتزود بالوقود الهيدروجيني منها 24 واحدة في الولايات المتحدة و أوروبا و 12 في اليابان و عشرة في بقية أنحاء العالم و تحتاج السيارات الحالية 5 دقائق لتزود بالهيدروجين و يجب وصل السيارة بسلك أرضي لمنع حدوث شرارة كهربائية.

تصميم السيارات العاملة على الهيدروجين:

مقصورة الركاب: يمكن أن تكون السيارات التي تستخدم الهيدروجين رياضية أو عائلية بفئات مختلفة سيدان هتشباكSUV  وغيرها من الفئات ولكن ما سيميزها هو رحابة التصميم بحيث أصبح هناك مساحات واسعة للركاب ويمكن مستقبلا وضع صندوق تخزين من الأمام.

المحرك : يمتاز المحرك بأنه كهربائي بضجيج أقل بكثير و يمكن أن يوضع لكل عجلة محرك أو محركين للعجلات الخلفية ويقدمان استطاعت مختلفة عن طريق نظام يقودهم لذلك الغرض.

 

لاحظ كيف تم دمج المحرك مع العجلة الخلفية

 

ترجمة المهندس: زين العابدين مصطفى