منذ نحو قرن من الزمن، راحت فكرة الاعتماد على الهيدروجين كمصدر للطاقة تداعب خيال العلماء. ولكن بعد سلسلة طويلة من الخيبات كادت أن تطيح بهذه الفكرة جملة وتفصيلاً، تحققت في الآونة الأخيرة اختراقات علمية تجعل هذه الفكرة أقرب إلى الواقع منها إلى الخيال العلمي.
ولكن رغم أهمية الإنجازات التي تحققت على هذا الصعيد، فلا يجب الإغراق في التفاؤل، خاصة على المدى القريب، وحتى المتوسط. فما الذي تحقق؟ وماذا تقول الصورة المتفائلة بالاعتماد على الهيدروجين مستقبلاً؟

اصطدمت فكرة اعتماد العالم على الهيدروجين بسلسلة من الخيبات كان أولها عام 1923، عندما تخيَّل عالِم الوراثة البريطاني جي هالدين شبكة من طواحين الهواء المولدة للهيدروجين تمد بريطانيا بالطاقة. ولكن لم يحدث شيء من ذلك.
وفي عام 1970، استخدم عالم الكهروكيمياء المولود في جنوب إفريقيا جون بوكريس، مصطلح “اقتصاد الهيدروجين” لأول مرة في كتاب نشره، ووصف فيه كيف يمكن أن يكون مستقبل العالم الذي يعمل بالطاقة الهيدروجينية. لكن مرَّة أخرى، لم يتغير شيء.
وفي عام 1998، أعلنت أيسلندا، بالتعاون مع شركات ألمانية وكندية، عن خطة مدتها 10 سنوات لإنشاء اقتصاد الهيدروجين وتحويل جميع مركبات النقل، بما في ذلك أسطول الصيد لديها، للتشغيل بوقود الهيدروجين. لكننا لم نر شيئاً من ذلك.

حال العلماء مع وقود الهيدروجين واستخراجه بتكلفة اقتصادية، بدا شبيهاً بحال سيزيف وصخرته في الأساطير اليونانية القديمة. فكلما وصل سيزيف بصخرته التي يحملها على ظهره، إلى أعلى القمة تدحرجت إلى الأسفل، فيعاود الكرَّة مرَّةً بعد مرة. ولكن يبدو أن سيزيف المعاصر سينجح، أو أنه قد نجح بالفعل.

مع بداية الألفية، سادت مخاوف عابرة، شبيهة بتلك التي سادت في سبعينيات القرن العشرين، مفادها أن إمدادات الوقود الأحفوري محدودة، ولن تكفي كمياتها لتشغيل الصناعة العالمية المتوسعة. فظهر في تلك الفترة كتاب جيريمي ريفكين وعنوانه “اقتصاد الهيدروجين” (2002)، الذي يرى أنه يمكن للهيدروجين أن يوفِّر بديلاً نظيفاً ووفيراً لأمدٍ طويل، وأن مستقبل الطاقة يكمن في خلايا الوقود التي تعمل بالهيدروجين. ومع الانتشار الواسع للكتاب، انتشرت موجة تفاؤل بأن مستقبل الطاقة النظيفة والاقتصادية أصبح مضموناً.
ولكن، مرَّة أخرى، تلقت موجة التفاؤل هذه المرَّة ضربة كبيرة في عام 2009، عندما أعلن وزير الطاقة الأمريكي ستيفن تشو أن “من أجل تشغيل خلايا الوقود الهيدروجينية في النقل، يجب أن تحدث أربع معجزات: أولاً، على العلماء إيجاد طريقة فعَّالة ومنخفضة التكلفة لإنتاج الهيدروجين. ثانياً، عليهم تطوير طريقة آمنة وعالية الكثافة لتخزين الهيدروجين في السيارات. ثالثاً، لا بدَّ من بناء بنية تحتية لتوزيع الهيدروجين حتى يكون للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود خيارات كافية للتزود بالوقود. رابعاً، على الباحثين تحسين قدرة خلية الوقود..”. أي إنه شبه مستحيل كما يعتقد.
ومنذ ذاك التصريح اتخذت وزارة الطاقة الأمريكية قرارات بخفض ميزانيات الأبحاث حول وقود الهيدروجين في كافة مؤسسات الدولة والجامعات وغيرها. وانعكس ذلك سلباً على الاهتمام بوقود الهيدروجين، وتراجعت بشكل كبير الأبحاث حوله.

فحال العلماء مع وقود الهيدروجين واستخراجه بتكلفة اقتصادية، بدا شبيهاً بحال سيزيف وصخرته في الأساطير اليونانية القديمة. فكلما وصل سيزيف بصخرته التي يحملها على ظهره، إلى أعلى القمة تدحرجت إلى الأسفل، فيعاود الكرة مرةً بعد مرَّة. ولكن يبدو أن سيزيف المعاصر سينجح، أو أنه قد نجح بالفعل.
فاليوم، وبعد مرور عقد على تصريح وزير الطاقة الأمريكي، حدثت اختراقات علمية مهمة في ما يتعلق بالتخزين الآمن لوقود الهيدروجين، خاصةً خلايا الوقود الهيدروجيني، وبدأت هذه التكنولوجيا الجديدة تدخل الأسواق. وتتوجت هذه الاختراقات بإنجاز كبير حققه العلماء، ونشر حديثاً في دورية “وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية”، كما سنرى لاحقاً. وعلقت دورية “فورين أفيرز” على هذه التطورات بالقول، “إن معجزات تشو الأربع بدأت تتحقق على أرض الواقع، الواحدة تلو الأخرى”.

حاول العلماء جعل أجهزتهم صديقة للبيئة قدر الإمكان، وتم تشغيلها بالخلايا الشمسية. بهذه الخطوة جعل العلماء التحليل الكهربائي للماء طريقة عملية وبتكلفة معقولة من أجل إنتاج وقود الهيدروجين من مياه البحر.

فما هو الهيدروجين؟
الهيدروجين هو عنصر كيميائي، يكون في الظروف القياسية من الضغط والحرارة على شكل غاز عديم اللون والرائحة وغير سام وسريع الاشتعال. وهو الأول في الجدول الدوري، ونواة الهيدروجين هي البروتون وله إلكترون واحد فقط.
ويُعدُّ الهيدروجين وقوداً نظيفاً وفاعلاً بمجرد إنتاجه. ينتج عن احتراقه بخار الماء، ولا يبعث غازات دفيئة سامة مثل أول أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون. لكنه يبعث آثاراً من أكسيدات النيتروجين. ويُعد الهيدروجين ناقلاً للطاقة، لأن بإمكاننا استخدامه كوقود لتوفير الطاقة. فهو لا يُعدُّ مصدراً للطاقة لأنه يتطلب طاقة أولية لإنتاج جزيء منه في الماء. كما يحتوي على أكبر كمية من الطاقة في وحدة الوزن مقارنة بالمحروقات الأخرى. فالقيمة الحرارية في كيلوغرام من البنزين تبلغ 47,200 كيلو جول، وقيمة الديزل تبلغ 45,800 كيلو جول، أما كيلوغرام واحد من الهيدروجين فيحتوي على 142,000 كيلو جول، أي ما يعادل أكثر من ثلاثة أضعاف القيمة الحرارية لأي من البنزين أو الديزل.
والهيدروجين هو العنصر الأكثر انتشاراً في مجرَّتنا درب التبانة، إذ يمثل %75 من كتلتها و%95 من الجزيئات التي تكونها. ويندر وجود الهيدروجين على شكل عنصر نقي منفرد في الكرة الأرضية، بل يوجد على شكل مركبات متحدة مع معادن وعناصر أخرى. وأبرز تلك المركبات المياه المركَّبة من اتحاد الهيدروجين والأكسجين، التي تغطي %75 من مساحة الكرة الأرضية. ويعد الهيدروجين مصدراً للطاقة منخفض الكربون.

محاولات سابقة لاستخراجه
نظراً لصعوبة وجود الهيدروجين حراً على الكرة الأرضية، يتم استخراجه من مواد أخرى مثل الماء والمركبات الهيدروكربونية والغاز الطبيعي. ويمكن الحصول عليه بطرق مختلفة وعديدة، منها على سبيل المثال لا الحصر التحليل الكهربائي للماء. إلا أن هذه الطريقة مكلِّفة مادياً بسبب استهلاكها كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية. ولذلك يتم إجراء عملية التحليل الكهربائي للماء على درجات حرارة عالية من أجل تقليل كمية الطاقة الكهربائية اللازمة لعملية التحليل.وتم التغاضي عن هذه الطريقة لإنتاج وقود الهيدروجين، بالإضافة إلى تكلفتها العالية، لأنها تتطلب مياهاً نظيفة، مما يفاقم من شح إمداداتها المتناقصة بفعل التصحر الجاري الناجم عن التغيرات المناخية.
ومن الطرق الأخرى التي استخدمت لإنتاج غاز الهيدروجين طريقة البخار المحسن، حيث يستعمل في العادة الغاز الطبيعي الذي تتم مفاعلته مع البخار تحت حرارة عالية تتراوح بين 800 و1700 درجة مئوية في غرفة احتراق بوجود عامل مساعد.
كما سعى الباحثون إلى محاكاة النباتات في قدرتها على تحليل الماء إلى عنصريه الأوليين بوجود أشعة الشمس ومادة الكلوروفيل، حيث يتم الحصول على الأكسجين والهيدروجين. والأخير تستخدمه النباتات للتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين الكربوهيدرات. وقد جرى تقليد النباتات في المختبر، ونجحت المحاولات في إنتاج غاز الهيدروجين. ولكن تم غض النظر عن هذه الطريقة لأنها مكلفة وغير مجدية اقتصادياً.
ومن الجدير بالذكر أن بعض الأنواع من الطحالب والبكتيريا تقوم بإنتاج الهيدروجين بشكلٍ طبيعي. وتجري الأبحاث حالياً حول حث تلك الطحالب على إنتاج كميات أكبر من الهيدروجين، لعله يمكّن العلماء من استغلال ذلك.
والحال أن الاختراقات العلمية المتعدِّدة التي قام بها العلماء خلال العقد الأخير، جعلت المستحيل ممكناً. وقد طالت هذه الاكتشافات معظم جوانب “المعجزات” التي تكلم عنها وزير الطاقة الأمريكي منذ عقد، وجعلتها واقعاً في موضوعات إنتاج وتخزين وتوزيع والتحويل الفعلي للهيدروجين.

تقدَّم علمي مهم:
تفكيك المياه المالحة
هناك عديد من الطرق للحصول على وقود الهيدروجين، ولكن الطريقة الأكثر شيوعاً، كما ذكرنا سابقاً، هي عملية التحليل الكهربائي التي يتم فيها فصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين نقي. وتتطلَّب تقنيات تقسيم المياه الحالية مياهاً عذبة عالية النقاء. وهذه عملية مكلفة وباهظة الثمن بسبب ندرة المياه العذبة. إذ بالكاد لدينا منها يلبِّي احتياجاتنا اليومية، فهي مصدر ثمين، إضافة إلى أن هذه العملية تتطلَّب استهلاك كثير من الطاقة. ونظراً إلى أن اقتصاد الهيدروجين يحتاج إلى كميات كبيرة من وقود الهيدروجين، فليس من المتصور استخدام المياه النقية المتوفرة.
لتخطي هذه العقبة، طوَّر علماء من جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة الأمريكية، بالتعاون مع علماء آخرين من جامعة بكين للتكنولوجيا الكيميائية في الصين، طريقة جديدة لا تعتمد على المياه العذبة النظيفة بل على مياه البحر المالحة وغير النظيفة لاستخراج وقود الهيدروجين.
يقوم الاكتشاف الجديد على طريقة التحليل الكهربائي التقليدية إياها، وهي عملية يتم فيها تمرير تيار كهربائي، من خلال الأقطاب الكهربائية، لتقسيم جزيئات الماء. فتخرج فقاعات غاز الهيدروجين من الكاثود أو الطرف السلبي، بينما يخرج الأكسجين من الآنود أو من النهاية الإيجابية. وعند استخدام مياه البحر، وبسبب قوانين الديناميكا الحرارية، يصبح الآنود عرضة للتآكل. ويفاقم هذه السلبية إلى حد كبير وجود الكلوريد سالب الشحنة في مياه البحر المالحة، مما يحد من عمر هذه المنظومة، ويستدعي استبدالها على الدوام.
لمنع مكوّنات مياه البحر من تحطيم الآنودات المغمورة بالمياه، قام الباحثون بتغطية الآنود بطبقات غنية بالشحنات السلبية التي تصد الكلوريد وتبطئ تآكل المعدن الأساسي. فوضعوا طبقة من هيدروكسيد النيكل -الحديد وطبقة من كبريتيد النيكل فوق طبقة من نواة رغوة النيكل، وهذه تعمل كموصل، تنقل الكهرباء من مصدر الطاقة، وهيدروكسيد النيكل – الحديد يطلق شرارة التحليل الكهربائي، ويفصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين.
وأثناء التحليل الكهربائي، يتطوَّر كبريتيد النيكل إلى طبقة سالبة الشحنة تحمي الآنود. ومثلما تدفع النهايات السلبية للمغناطيسين ضد بعضها بعضاً، فإن الطبقة المشحونة سالباً تصد الكلوريد وتمنعه من الوصول إلى المعدن الأساسي.
والحال أنه بدون الطلاء المشحون سالباً، يعمل الآنود لمدة 12 ساعة فقط في مياه البحر وينهار القطب بالكامل، ويتحوَّل إلى أجزاء وفتات. ولكن مع وجود طبقة الجسيمات النانوية المكونة من الحديد والنيكل، يمكنه البقاء لأكثر من 1000 ساعة. وتتصف هذه الجسيمات النانوية بأنها أقل تكلفة من المواد المحفّزة الأخرى التي يتم تصنيعها من مواد نادرة.
ونظراً لحاجة المنظومة الجديدة لطاقة أولية لتوليد الشحنة الكهربائية الضرورية لتقسيم الماء فعلياً إلى هيدروجين وأكسجين، فقد حاول العلماء جعل أجهزتهم صديقة للبيئة قدر الإمكان وتم تشغيلها بالخلايا الشمسية. بهذه الخطوة جعل العلماء التحليل الكهربائي للماء طريقة عملية وبتكلفة معقولة من أجل إنتاج وقود الهيدروجين من مياه البحر.

اقتصاد الهيدروجين يتقدَّم ولو ببطء
لم يتوسع اقتصاد الهيدروجين بعد، إلا أن مؤشراتٍ عديدة تشير إلى تقدّمه بالفعل. فالحال أن تجارة الهيدروجين كبيرة وتنمو بسرعة.
فالهيدروجين كغاز صناعي، هو حالياً صناعة عالمية مهمة مع إمكانيات قوية وآفاق مستقبلية إيجابية. إذ من المتوقع أن ينمو سوق الهيدروجين العالمي بمقدار 33 مليار دولار خلال السنوات القليلة المقبلة (من 122 مليار دولار أمريكي في عام 2018 إلى 155 مليار دولار في عام 2022)، أي بمعدل قدره %33 خلال هذه الفترة، ما يعني معدل نمو سنوي مركَّب يزيد على %6 في السنة. ومن المتوقع أن ينمو السوق العالمي بسرعة لأنه بدأ يدخل إلى أنظمة النقل على أنواعها كالسيارات والقطارات وغيرها. وهناك عديد من المشاريع المستقبلية، على الصعيد العالمي، المصممة على أساس وقود الهيدروجين.
فاليابان تخطط لاستخدام ألعاب طوكيو الأولمبية لعام 2020 لعرض رؤيتها لمجتمع الهيدروجين. واستثمرت لأجل ذلك مبلغ 348 مليون دولار أمريكي في إنشاء محطات للتزود بوقود الهيدروجين وغيرها من البنى التحتية.
و أطلقت ألمانيا أول قطارات تعمل بالهيدروجين في العالم. كما أنها تنشئ، بشكل متزايد محطات التزود بوقود بالهيدروجين في جميع أنحاء البلاد. أما سويسرا، فقد اشترت حديثاً 1000 شاحنة تعمل بوقود الهيدروجين. وللنرويج محطات للتزود بوقود الهيدروجين منذ عام 2006 وهي تتزايد باستمرار. وتستثمر كوريا الجنوبية 2.33 مليار دولار أمريكي على مدى السنوات الخمس المقبلة لإنشاء محطات للتزود بوقود الهيدروجين، ومصانع لإنتاج أنظمة تخزين الهيدروجين وخلايا الوقود، وحافلات تعمل بخلايا وقود الهيدروجين. كما تعمل وكالة العلوم الوطنية في أستراليا لبلورة رؤية لدولة تعمل بالطاقة الهيدروجينية. وتقوم شركة ناشئة في سنغافورة بتطوير أول طائرة هيدروجينية إقليمية.
وفي المستقبل، يمكن استخدام هذه التطورات لأغراض تتجاوز توليد الطاقة. نظراً لأن العملية تنتج أيضاً الأكسجين القابل للتنفس. فبإمكان الغواصين إحضار الأجهزة إلى المحيط وتوليد الأكسجين في الأسفل من دون الاضطرار للصعود إلى السطح للتزود بالهواء. كما يمكن للسفن في المستقبل أن تصنع وقودها مباشرة من البحر.