الهيدروجين هو العنصر الأبسط والأكثر وفرة في الكون. ويوجد على شكل غاز في النجوم والكواكب، وكذلك في المركبات الكيميائية والعضوية المختلفة، مثل الماء. عندما يتحول إلى الهيدروجين السائليكتسب خصائص فريدة تجعله مفيداً في تطبيقات مختلفة، خاصة في القطاعات الصناعية وفي مجال الطاقة.
وفي هذا المقال نشرح بالتفصيل ما هو الهيدروجين السائل وكيفية إنتاجه وخصائصه الرئيسية والطرق المختلفة التي يمكن من خلالها تخزينه واستخدامه.
وفرة الهيدروجين
يشكل الهيدروجين أكثر من 70% من المادة المرئية في الكون، مما يجعله العنصر الأكثر وفرة. كما أنه أساسي في عمليات مثل تكوين النجوم وتطورها. على الرغم من وفرة الهيدروجين في الكون، إلا أن الهيدروجين في شكله الجزيئي (H2) يصعب العثور عليه في حالته النقية على الأرض؛ وعادة ما يتم دمجه مع عناصر أخرى، كما في حالة الماء (H2O) أو في الهيدروكربونات مثل النفط والغاز الطبيعي.
للهيدروجين عدة نظائر تختلف باختلاف عدد النيوترونات الموجودة في نواته:
- البروتيوم (1 ساعة): الشكل الأكثر شيوعًا للهيدروجين، ويتكون من بروتون واحد ولا يحتوي على نيوترونات.
- الديوتيريوم (2H): يحتوي على نيوترون واحد وبروتون واحد، مما يجعله أثقل قليلاً من البروتيوم.
- التريتيوم (3H): يحتوي على نيوترونين بجوار البروتون، مما يجعله أثقل وأكثر إشعاعاً.
الخصائص الرئيسية للهيدروجين السائل
يتحول الهيدروجين إلى الحالة السائلة عندما يتم تبريده إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، وتحديدًا -252,87 درجة مئوية (أو -423,17 درجة فهرنهايت). وهذه العملية، رغم أنها مكلفة، ضرورية لتسهيل تخزينها ونقلها، حيث أن الهيدروجين السائل يحتل حجمًا أقل بكثير مما هو عليه في حالته الغازية.
ومن أبرز خصائص الهيدروجين السائل نجد:
- نقطة غليان منخفضة: كونه باردًا جدًا، يمكن أن يسبب قضمة الصقيع أو انخفاض حرارة الجسم إذا تم التعامل معه دون الاحتياطات المناسبة.
- ريسغو دي أسفيكسيا: في حالة استنشاق الهيدروجين السائل أو أبخرةه، فإنه يمكن أن يحل محل الأكسجين في الرئتين، مما قد يسبب الاختناق.
- تكوين الجليد: بسبب درجة حرارته المنخفضة، يمكن للهيدروجين السائل أن يشكل جليدًا على الصمامات وفتحات خزاناتك، مما قد يسبب انسدادات خطيرة.
- التبخر المستمر: يتبخر الهيدروجين السائل باستمرار، وينتج الهيدروجين في الحالة الغازية. ويجب تطهير هذا الغاز بطريقة محكمة لتجنب اختلاطه بالهواء والانفجارات المحتملة.
كيف يتم تخزين الهيدروجين السائل
يعد تخزين الهيدروجين أحد أكبر التحديات لاستخدامه على نطاق واسع كمصدر للطاقة. ونظرًا لميلها إلى التبخر وخصائصها القابلة للاشتعال، يجب أن تكون أنظمة التخزين قوية وآمنة.
هناك شكلان رئيسيان لتخزين الهيدروجين اعتمادًا على استخدامه:
- أنظمة التخزين الثابتة: يستخدم في التطبيقات واسعة النطاق، مثل المنشآت الصناعية أو أنظمة توليد الطاقة. عادة ما تكون هذه الأنظمة أقل تقييدًا من حيث المساحة والوزن.
- أنظمة التخزين للنقل: يتمثل التحدي هنا في الحفاظ على الهيدروجين في حالة تسمح بسهولة النقل دون المساس باستقلالية السيارة. ويجب أن تكون المركبات التي تعمل بالهيدروجين قادرة على تخزين كميات كافية، مع احترام معايير السلامة والكفاءة.
وتأتي صناعة النقل في طليعة الدول التي تعمل على تطوير طرق تخزين أكثر كفاءة وأمانًا، حيث يقدم الهيدروجين السائل أحد أفضل الحلول للتنقل النظيف مقارنة بالوقود الأحفوري التقليدي.
بالإضافة إلى ذلك، يتم دراسة تقنيات تخزين جديدة، مثل استخدام الكرات الزجاجية الدقيقة أو الزيوليت أو هيدريدات المعادن، والتي تسعى إلى تحسين سلامة وكفاءة تخزين الهيدروجين في حالته السائلة والغازية.
استخدامات وتطبيقات الهيدروجين السائل
الهيدروجين السائل هو مصدر طاقة متعدد الاستخدامات يمكن تطبيقه في مختلف القطاعات الصناعية:
- التبريد الصناعي: كفاءته العالية تجعله غاز تبريد ممتاز. بفضل قدرته على نقل الحرارة بكفاءة، يتم استخدام الهيدروجين في أنظمة تبريد المحرك وغيرها من المعدات الصناعية.
- الوقود البديل: يعتبر الهيدروجين عنصرا أساسيا في تطوير مركبات خلايا الوقود، التي تتيح وسائل نقل أنظف، مع نطاق مماثل لمركبات الاحتراق، ولكن دون توليد انبعاثات ملوثة.
- صناعة الطيران: بفضل قدرته على تخزين وإطلاق كميات كبيرة من الطاقة، تم استخدام الهيدروجين لعقود من الزمن كوقود للصواريخ.
- إنتاج الغذاء: في صناعة المواد الغذائية يتم استخدامه في عمليات مثل هدرجة الدهون لتحسين ثبات ومتانة المنتجات مثل السمن.
بشكل عام، يعد الهيدروجين السائل ضروريًا في القطاعات التي تتطلب مصدر طاقة نظيفًا لا ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون.2. إن تأثيرها البيئي المنخفض يجعلها خيارًا شائعًا بشكل متزايد لإزالة الكربون من الأنشطة الصناعية وأنشطة النقل.
إنتاج الهيدروجين
يمكن إنتاج الهيدروجين بطرق مختلفة، بعضها أنظف من البعض الآخر. العملية الأكثر استخدامًا هي إصلاح الغاز الطبيعي، والتي، على الرغم من فعاليتها، تنبعث منها كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون2. ومع ذلك، يتم اليوم البحث عن طرق أكثر استدامة، مثل التحليل الكهربائي للمياه، وهي عملية، إذا تم تنفيذها باستخدام الكهرباء من مصادر متجددة، فإنها لا تنبعث منها غازات دفيئة.
يمكن تمييز ثلاث فئات رئيسية لإنتاج الهيدروجين، مصنفة حسب اللون حسب تأثيرها البيئي:
- الهيدروجين الرمادي: يتم إنتاجه من الوقود الأحفوري، والغاز الطبيعي بشكل عام، ويولد انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
- الهيدروجين الأزرق: يشبه الهيدروجين الرمادي، ولكن مع اختلاف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 يتم التقاطها وتخزينها.
- الهيدروجين الأخضر: الأنظف على الإطلاق. يتم إنتاجه عن طريق التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الطاقة المتجددة، دون توليد انبعاثات الكربون.
ويرتبط مستقبل إنتاج الهيدروجين بتعزيز الطاقات المتجددة والتحليل الكهربائي للمياه. كونه مصدرًا للطاقة لا ينضب وله تطبيقات في مختلف المجالات، يلعب الهيدروجين الأخضر دورًا أساسيًا في التحول نحو اقتصاد أكثر استدامة.
ومن خلال رؤية طويلة المدى، تستثمر العديد من البلدان في البنية التحتية لإنتاج الهيدروجين الأخضر. فقد أطلقت إسبانيا، على سبيل المثال، خارطة طريق خاصة بها لتطوير اقتصاد يعتمد على الهيدروجين المتجدد، بهدف الحد بشكل كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.2 في العقود القادمة.
يتم تقديم الهيدروجين السائل كحل واعد في التحول نحو طاقة أنظف وأكثر استدامة. إن تعدد استخداماته وقدرته على التخزين والنقل بكميات كبيرة، بالإضافة إلى قدرته على إزالة الكربون من الصناعة والنقل، يجعله عنصرًا أساسيًا في مستقبل الطاقة.