هل تقنية إنتاج الهيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي للماء المقترن بالخلايا الكهروضوئية مناسبة للتطبيقات السكنية؟

"توليد الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية، ثم إنتاج الكهرباء عند الحاجة - مما يحررك من الاعتماد على الشبكة الكهربائية ويحقق استقلالًا تامًا عن الكربون." تبدو هذه الرؤية جذابة. ولكن بصفتنا فريقًا تقنيًا يتمتع بسنوات من الخبرة في قطاع الطاقة، يجب علينا تحذير المستخدمين المنزليين الذين لديهم مثل هذه التطلعات: تطبيق طاقة الرياح والطاقة الشمسية إنتاج الهيدروجين إن إدخال التكنولوجيا إلى المنازل ليس من المرجح أن يوفر التكاليف في هذه المرحلة فحسب، بل قد يصبح أحد أغلى خيارات الطاقة المنزلية.

دعونا ندرس التحديات العملية لتحليل الماء الكهربائي المقترن بالخلايا الكهروضوئية من خلال مثال ملموس.

1. تقنية "توليد الطاقة الكهروضوئية + الهيدروجين"

باستخدام وحدة تحليل كهربائي للماء بقدرة 1 متر مكعب قياسي في الساعة، يتم تغذية الخلية التحليلية بـ 55 كيلوواط ساعة من الكهرباء. ومن خلال تفاعلات كيميائية كهربائية معقدة وفقدان الطاقة في النظام، تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية، مما ينتج عنه في النهاية كيلوغرام واحد من الهيدروجين. ويتطلب هذا الهيدروجين مزيدًا من التحويل لاستخدامه بفعالية.

بعد ذلك، يُغذّى كيلوغرام واحد من الهيدروجين إلى خلية وقود هيدروجينية منزلية لتوليد الطاقة. ومن خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية، تُحوّل الطاقة الكيميائية المُخزّنة في الهيدروجين إلى طاقة كهربائية. عمليًا، لا تُنتج خلية الوقود الهيدروجينية سوى 12-15 كيلوواط ساعة من الكهرباء القابلة للاستخدام. وهذا يُعطي كفاءة دورة إجمالية تتراوح بين 21.8% و27.3% تقريبًا. ويُشير هذا إلى أن أكثر من 72% من الطاقة الكهربائية الأصلية تُفقد على شكل حرارة وأشكال أخرى من الطاقة خلال عملية التحويل المزدوجة "كهرباء-هيدروجين-كهرباء".

2. تقنية الخلايا الكهروضوئية + بطاريات الليثيوم

باستخدام نفس كمية الطاقة الكهروضوئية المولدة البالغة 55 كيلوواط ساعة، فإن كفاءة دورة الشحن والتفريغ لـ بطارية الليثيوم عادةً ما تتجاوز كفاءة النظام 85%. وهذا يعني توفير ما يقارب 46.75 كيلوواط ساعة من الكهرباء القابلة للاستخدام من أصل 55 كيلوواط ساعة. بالمقارنة مع سيناريو توليد الطاقة الكهروضوئية والهيدروجين، فإن الحد الأقصى للكهرباء القابلة للاستخدام في المنزل لا يتجاوز 15 كيلوواط ساعة.

لماذا هذه الفجوة الكبيرة؟

1. إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي و خلية وقود الهيدروجين تعتمد عملية توليد الطاقة بشكل أساسي على تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. وتنص قوانين الديناميكا الحرارية على أن هذه التحويلات تنطوي حتماً على خسائر، مع استنزاف نظري حتمي للطاقة في كل مرحلة. في المقابل، تتبع عملية شحن/تفريغ بطاريات الليثيوم مساراً أكثر مباشرة "كهرباء-كيمياء-كهرباء"، يتميز بخطوات تحويل أقل، وبالتالي خسائر طاقة أقل أثناء التخزين والإطلاق.

٢. من منظور النضج التكنولوجي، تمتلك بطاريات الليثيوم سلسلة صناعية متكاملة وناضجة. وقد تم تحسين كفاءة أنظمتها على المدى الطويل، وهي تقترب من حدودها الهندسية القصوى. في المقابل، لا تزال تقنية طاقة الهيدروجين للتطبيقات المنزلية في مراحلها التطويرية الأولى. يتألف النظام من مكونات معقدة متعددة - محللات كهربائية، وضواغط، ووحدات تنقية، وخلايا وقود - يتطلب كل منها استهلاكًا إضافيًا للطاقة. ونتيجة لذلك، تتخلف الكفاءة الإجمالية للنظام المتكامل عن كفاءة بطاريات الليثيوم.

3. تظهر اختلافات في التكلفة أيضًا بين أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع تخزين الليثيوم وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع توليد الهيدروجين. تصنيع معدات إنتاج الهيدروجين و تخزين الهيدروجين تستهلك أنظمة الهيدروجين كميات كبيرة من الكهرباء. ولتحقيق أهداف مماثلة في استهلاك الطاقة المنزلية، غالباً ما تتطلب حلول الهيدروجين تركيب ألواح شمسية أكبر. ومن منظور التكلفة الإجمالية لدورة الحياة، تواجه أنظمة الهيدروجين المنزلية الحالية صعوبة في المنافسة اقتصادياً مع طرق تخزين الطاقة التقليدية.

بالنسبة للمستخدمين المنزليين الذين يولون الأولوية للاستدامة البيئية والاكتفاء الذاتي في مجال الطاقة، ينبغي أن يظل الاستخدام الأمثل للطاقة محورًا أساسيًا. إن توجيه الطاقة الشمسية النظيفة إلى أنظمة تحويل أقل كفاءة يُكبّد التطبيقات السكنية تكاليف باهظة. ومن المهم إدراك أن الهيدروجين، كمصدر طاقة استراتيجي، يجب أن يركز بشكل أساسي على التطبيقات الصناعية، وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة، وأنظمة النقل الثقيل.

بالنسبة لأنظمة الطاقة المنزلية، نوصي بما يلي: في هذه المرحلة، يُنصح باختيار حل "الخلايا الكهروضوئية + بطارية الليثيوم" المتطور تقنيًا والمجدي اقتصاديًا، وذلك لتعظيم الاستفادة من كل كيلوواط ساعة من ضوء الشمس. ولا يُنصح بدمج طاقة الهيدروجين في أنظمة الطاقة المنزلية إلا بعد تحقيقها طفرات نوعية في التكنولوجيا المنزلية وإثباتها تحسينات اقتصادية ملموسة.