مساع أمريكية لإثبات كفاءة الهيدروجين في توليد الكهرباء

صمم "مركز أوكيتشوبي للطاقة النظيفة" لاستخدام الغاز الطبيعي المصاحب للوقود الأحفوري عندما تم افتتاحه قبل عامين بين بحيرات وسط فلوريدا. الآن، تقوم شركة نكست ـ إرا إينرجي NextEra Energy، مالكة محطة توليد الكهرباء، بإعداده للتعامل مع وقود ثان: الهيدروجين.
يحترق الهيدروجين مثل الغاز الطبيعي بدون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ويمكن إنتاجه عن طريق فصل جزيئات الماء باستخدام الكهرباء. هذا يثير المهندسين الذين يسعون لإيجاد حل للأداء المتغير للطاقة الشمسية وطاقة الرياح في الوقت الذي تنتشر فيه عبر الشبكات الكهربائية.
يقولون إن فائض الكهرباء المتجددة التي يتم إنتاجها خلال ساعات ركود الطلب يمكن أن تشغل آلات التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين، ما يوفر في النهاية مخزونا من الطاقة الخالية من الكربون للإرسال عندما يكون الطلب أقوى.
مشروع أوكيتشوبي التجريبي الذي تبلغ تكلفته 65 مليون دولار "يستخدم الطاقة الشمسية التي كان من الممكن تقليصها لولا ذلك" لإنتاج الهيدروجين ليحل محل بعض الغاز الطبيعي، كما قالت ريبيكا كوجاوا، المديرة المالية في شركة نكست ـ إرا، التي تجاوزت شركة إكسون موبيل في العام الماضي لفترة وجيزة باعتبارها أكثر شركات الطاقة قيمة في الولايات المتحدة.
لكن إنتاج الهيدروجين وتخزينه ثم استخدامه لتوليد الكهرباء، وهي عملية تعرف باسم "الكهرباء إلى الغاز إلى كهرباء"، تفتقر إلى الكفاءة ومكلفة.
يتم فقدان الطاقة خلال تفكيك الرابطة الجزيئية بين الهيدروجين والأكسجين في الماء وأيضا خلال حرق الهيدروجين الناتج في التوربينات. تحقق الرحلة ذهابا وإيابا أقل من 40 في المائة من الكهرباء التي يتم استخدامها في البداية، وفقا لداريك مالابراجادا، عالم الأبحاث في "مبادرة الطاقة" في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
قال توماس كوتش بلانك، المدير الأعلى في معهد روكي ماونتن، وهو مؤسسة فكرية للطاقة النظيفة: "استخدام الكهرباء لإنتاج الهيدروجين لتوليد الكهرباء هو في معظم الحالات غبي حقا، لأن هناك الكثير من الخسائر التي تنطوي عليها الدورة".
أصبحت توربينات الطاقة التي تعمل بالغاز الطبيعي سريعة الانطلاق هي المصدر الأساسي لتوليد الطاقة لمشغلي الشبكات الذين يتطلعون إلى إبقاء الأضواء مضاءة أثناء موجات الحر وأوقات التجمد في الشتاء.
يمكن أن يؤدي الهيدروجين المتجدد أو "الأخضر" الدورنفسه، لكنه ليس رخيصا. حتى لو انخفضت تكاليف الإنتاج أكثر من الثلثين إلى دولار واحد للكيلو جرام، فإن السعر من حيث الطاقة سيكون ثمانية دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية، وهو ما يعادل ثلاثة أضعاف تكلفة الغاز الطبيعي القياسي في الولايات المتحدة، وفقا لتقديرات مورجان ستانلي.
لكن لأن المؤيدين يجادلون بأن الهيدروجين سيكون لا غنى عنه للعالم لخفض انبعاثات الكربون بما يكفي لتجنب تغير المناخ الكارثي، يتم إطلاق مشاريع في جميع أنحاء قطاع الكهرباء في الولايات المتحدة لإثبات قدرته على النجاح.
لوس أنجلوس، التي يطلب منها بموجب قانون كاليفورنيا استخدام طاقة خالية من الكربون بنسبة 100 في المائة بحلول 2045، ستقوم بتحويل محطة تعمل بالفحم تشغلها في ولاية يوتا، في البداية إلى الغاز الطبيعي ثم إلى الهيدروجين. ستكون التوربينات التي تم طلبها حديثا لمحطة الكهرباء قادرة على أخذ مزيج 30:70 من الهيدروجين والغاز بحلول 2025 والهيدروجين فقط بحلول الموعد النهائي في 2045، وفقا للشركة المصنعة ميتسوبيشي باور.
اقترحت ميتسوبيشي وشريك لها إنشاء مرفق قريب لتخزين الهيدروجين الأخضر الذي يكفي لتوليد 150 ألف ميجاواط/ساعة من الكهرباء، يمكن أن تزود خمسة ملايين منزل في الولايات المتحدة في المتوسط ليوم واحد.
قال بول شولتز من إدارة المياه والطاقة في لوس أنجلوس: "الهيدروجين هو تلك التكنولوجيا التي يمكنك من خلالها فعلا التخزين الموسمي. كل هذا القدر من التوليد الزائد الذي يحتمل أن يكون لديك في الربيع والخريف يمكن استخدامه عندما يكون هناك نقص في الموارد المتجددة خلال الصيف والشتاء".
أقر شولتز بأن مزيج الهيدروجين سيكلف أكثر من الغاز الطبيعي، "لكن لدينا التزام بيئي بذلك". قال إن المدينة اتصلت بوزارة الطاقة الأمريكية بشأن تأمين أموال فيدرالية منخفضة التكلفة للمساعدة على تمويل المشروع، وامتنع عن تحديد المبلغ.
قال بول براوننج، الرئيس التنفيذي لشركة ميتسوبيشي باور أمريكاز، في حين أن تكلفة ما يسمى الهيدروجين الأخضر مكلفة مقارنة بالغاز الطبيعي، إلا أنها منافسة لأشكال أخرى من تخزين الكهرباء.
أضاف: "ضع في الحسبان أن ما نستهدفه حقا هو الطاقة المتجددة التي يتم إهدارها اليوم بنسبة 100 في المائة عندما يتم تقليصها. نحن نعلم أنه يمكننا القيام بما هو أفضل من ذلك".
ستصبح الحاجة إلى التخزين طويل الأجل أكثر إلحاحا إذا أصبح لمصادر الطاقة المتجددة نصيب الأسد في مزيج التوليد. لا تعمل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح طوال الوقت، بينما تفرغ بطاريات أيون الليثيوم في غضون ساعات.
سيكون من الممكن الوصول شبكة خالية من الكربون من دون محطات كهرباء حرارية عن طريق الإفراط بشكل ضخم في بناء مرافق الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والبطاريات، لكن كاليفورنيا يمكن أن تحقق أهدافها باستهلاك مساحات أقل بكثير من الأراضي ومليارات أقل من الدولارات من خلال اتباع مسار من الكهرباء إلى الغاز وفقا لدراسة أجرتها ورتسيلا Wartsila، وهي شركة لتكنولوجيا الطاقة.
في مكان آخر، شركة نيو فورتريس إينرجي New Fortress Energy، المدرجة في نيويورك، أطلقت شركة لتصنيع الهيدروجين الأخضر للبيع لقطاعات الكهرباء والصناعة والنقل، إلى جانب الهيدروجين "الأزرق" الأقل ندرة الذي يتم تصنيعه باستخدام الغاز الطبيعي.
تأمل شركة المرافق الألمانية يونيبر Uniper في استخدام الكهرباء المتجددة التي يتم إنتاجها خلال الساعات الأربع الأكثر إنتاجا من كل يوم لإنتاج الهيدروجين للتخزين في هياكل تحت الأرض في هامبورج، كانت تستخدم سابقا لتخزين الغاز الطبيعي.
يمكن بعد ذلك استغلال الهيدروجين في التداول أو البيع للعملاء الصناعيين أو توليد الكهرباء عبر محطة "ذروة" يمكنها تزويد الكهرباء مرة أخرى إلى الشبكة - على الرغم من أن المشروع يعتمد على تأمين مساعدات الدعم الحكومي، وفقا للرئيس التنفيذي السابق أندرياس شيرينبيك.
شركة نسكت ـ إرا، التي لم تستجب لطلبات التعليق، تبدأ بكميات صغيرة في أوكيتشوبي مع نظام التحليل الكهربائي بطاقة 20 ميجاواط. كشف إيداع تنظيمي أن المصنع يشترك في محول مع ما لا يقل عن محطتين للطاقة الشمسية متجاورتين شيدتهما الشركة.
الشركة التي هي أكبر شركة منافع في الولايات المتحدة من حيث القيمة السوقية، كشفت أخيرا عن مشاريع أخرى، بما في ذلك منشأة بقيمة 20 مليون دولار لإنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية وتزويده بخلية وقود لتوليد الكهرباء.
إجمالا، كان لدى نكست ـ إرا نحو 50 مشروعا محتملا للهيدروجين الأخضر قيد الإعداد لخدمة قطاعات الكهرباء والنقل والصناعة، كما قال جون كيتشوم، رئيس نكست ـ إرا ريسورسيس، قسم الكهرباء السائبة في الشركة، في أواخر العام الماضي.
قال للمحللين: "نحن نعتبر أن الهيدروجين هو حل طويل الأمد حقا"، مضيفا أن التخلص من آخر 15 في المائة من الكربون من إمدادات الكهرباء "يصبح مكلفا للغاية عند تنفيذه باستخدام البطاريات، وأرخص بكثير ويمكن إدارته بشكل أكبر عند تنفيذه باستخدام الهيدروجين".