الاختلافات الرئيسية بين أنظمة إنتاج الهيدروجين القلوية وأنظمة إنتاج الهيدروجين التبادلي

مع تحوّل العالم نحو الطاقة النظيفة، برز الهيدروجين - وخاصةً الهيدروجين الأخضر المُنتَج عبر التحليل الكهربائي للماء - كناقلٍ أساسي للطاقة. تهيمن تقنيتان رائدتان في مجال التحليل الكهربائي على السوق: أنظمة الأغشية القلوية وأنظمة تبادل البروتونات (PEM). ورغم أن كلا التقنيتين تُنتِجان الهيدروجين عن طريق تجزئة الماء، إلا أنهما تختلفان اختلافًا كبيرًا في التصميم والكفاءة والتكلفة والمرونة التشغيلية.

دعونا نلقي نظرة على الاختلافات الرئيسية بينهما دون الضياع في المصطلحات التقنية.

1. آلية تفاعل الإلكتروليت واللب

الأنظمة القلوية

استخدم إلكتروليت قلوي سائل (عادةً هيدروكسيد البوتاسيوم، KOH).

تحمل أيونات الهيدروكسيد (OH⁻) الشحنة بين الأقطاب الكهربائية.

يتطلب غشاءً مساميًا لفصل غازي الهيدروجين والأكسجين.

أنظمة PEM

الاعتماد على غشاء بوليمر صلب (عادة ما يكون Nafion) كمحلول كهربائي.

تتحرك البروتونات (H⁺) عبر الغشاء، مما يجعل التفاعل أكثر كفاءة.

لا يوجد إلكتروليت سائل - فقط ماء نقي للغاية والغشاء.

لماذا هذا مهم:

تتجنب أنظمة PEM المحاليل القلوية المسببة للتآكل، مما يقلل من مخاطر الصيانة.

تتمتع الأنظمة القلوية بتسامح أكبر مع شوائب المياه ولكنها تحتاج إلى استبدال الإلكتروليت بشكل دوري.

2. الكفاءة وظروف التشغيل

الأنظمة القلوية

كفاءة أقل (60-70%) بسبب المقاومة الكهربائية العالية في الإلكتروليتات السائلة.

يعمل عند كثافات تيار أقل (0.2–0.4 أمبير/سم²).

يتطلب جهدًا خلويًا أعلى (1.8–2.4 فولت).

أنظمة PEM

كفاءة أعلى (70-80%) بسبب التوصيل السريع للبروتونات في الغشاء.

يعمل عند كثافات تيار أعلى (1-2 أمبير/سم²).

يعمل بجهد أقل (1.6–2.0 فولت)، مما يوفر الطاقة.

لماذا هذا مهم:

تنتج أنظمة PEM كمية أكبر من الهيدروجين لكل كيلوواط/ساعة، مما يجعلها أفضل لتطبيقات الطاقة المتجددة.

تعتبر الأنظمة القلوية أقل كفاءة ولكنها أرخص في البناء، مما يؤدي إلى موازنة التكاليف على المدى الطويل.

3. الاستجابة لتقلبات الطاقة المتجددة

الأنظمة القلوية

يمكن تعديل مدخلات الطاقة بين 40-110% من السعة المقدرة.

استجابة أبطأ للتغيرات السريعة في الحمل (دقائق للاستقرار).

أنظمة PEM

يمكن زيادة أو خفض السرعة على الفور (ثواني للتعديل).

مناسب بشكل أفضل للطاقة المتجددة المتقطعة (الطاقة الشمسية/طاقة الرياح) بسبب التشغيل الديناميكي.

لماذا هذا مهم:

تعتبر تقنية PEM مثالية لمشاريع الهيدروجين المتجدد الهجين حيث يتقلب مصدر الطاقة.

تعتبر الأنظمة القلوية أفضل للتطبيقات الشبكية المستقرة أو الصناعية.

4. التكلفة وقابلية التوسع

الأنظمة القلوية

تكلفة أولية أقل (لا حاجة إلى محفزات أو أغشية باهظة الثمن).

يستخدم أقطابًا كهربائية مصنوعة من النيكل، وهي رخيصة الثمن ومتينة.

من الأسهل توسيع نطاقه للمصانع الصناعية الكبيرة (100+ ميجاوات).

أنظمة PEM

ارتفاع تكلفة رأس المال بسبب محفزات المعادن الثمينة (البلاتين والإيريديوم).

يمكن أن يؤدي تدهور الغشاء إلى زيادة تكاليف الصيانة على المدى الطويل.

من الأفضل حاليًا للمشاريع الصغيرة والمتوسطة الحجم (1-50 ميجاوات).

لماذا هذا مهم:

يعد القلوي هو الحل الأمثل لإنتاج الهيدروجين بكميات كبيرة وبتكلفة منخفضة.

يُعد استخدام PEM مفضلًا للأنظمة المدمجة عالية الكفاءة حيث تكون المساحة والاستجابة مهمتين.

5. احتياجات النقاء والصيانة

الأنظمة القلوية

استبدال الإلكتروليت بشكل دوري وصيانة الحجاب الحاجز.

أنظمة PEM

ينتج هيدروجينًا عالي النقاء (بدون تلوث بالإلكتروليت السائل).

أجزاء متحركة أقل، ولكن تدهور الغشاء يمكن أن يكون مثيرا للقلق.

لماذا هذا مهم:

غالبًا ما يكون الهيدروجين PEM جاهزًا للاستخدام في خلايا الوقود دون الحاجة إلى تنقية مكثفة.

تحتاج الأنظمة القلوية إلى خطوات إضافية ولكنها تظل موثوقة لإمدادات الغاز الصناعي.

أيهما يجب عليك أن تختار؟

من أجل إنتاج هيدروجين واسع النطاق ومنخفض التكلفة: تفوز شركة ألكالاين من حيث القدرة على تحمل التكاليف وقابلية التوسع.

من أجل تكامل الطاقة المتجددة والاستجابة السريعة: PEM هو الخيار الواضح.

للحصول على هيدروجين عالي النقاء في خلايا الحركة/الوقود: تعمل تقنية PEM على التخلص من خطوات التنقية الإضافية.

النظرة المستقبلية

تحسينات قلوية: قد تعمل الأغشية المتقدمة وطلاءات الأقطاب الكهربائية على تعزيز الكفاءة.

خفض تكلفة PEM: تركز الأبحاث على استبدال المعادن الثمينة ببدائل أرخص.

ستلعب كلتا التقنيتين أدوارًا حاسمة في اقتصاد الهيدروجين - القلوية للإنتاج الضخم، وPEM للمرونة والكفاءة.