مستقبل الطاقة النظيفة اللامحدودة.. سباق عالمي لاستخراج الهيدروجين الجوفي

أوضح تقرير نشره موقع "سايتك ديلي" أن الهيدروجين، وهو العنصر الأكثر وفرة في الكون، موجود عادة مرتبطا بعناصر أخرى - على سبيل المثال، بالأكسجين في الماء أو بالكربون في الميثان. ومع ذلك، فإن اكتشاف جيوب تحت الأرض من الهيدروجين النقي بشكل طبيعي يتحدى هذا الافتراض. تجذب هذه الاحتياطيات المخفية الانتباه كمصدر محتمل لا حدود له للطاقة الخالية من الكربون.

وبحسب التقرير الذي ترجمته "عربي21"، فإن وزارة الطاقة الأمريكية من بين الجهات التي لاحظت ذلك، فقد منحت هذا العام 20 مليون دولار في شكل منح بحثية لـ 18 فريقا من المختبرات والجامعات والشركات الخاصة. الهدف: تطوير التقنيات القادرة على إنتاج وقود نظيف فعال من حيث التكلفة من مصادر الهيدروجين تحت الأرض.

يُعرف هذا المورد بالهيدروجين الجيولوجي، ويتشكل بشكل طبيعي عندما يتفاعل الماء مع الصخور الغنية بالحديد، مما يتسبب في أكسدة الحديد. ومن بين الحاصلين على المنح مجموعة بحثية يقودها الأستاذ المساعد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إوينتيم أباتي. وبمنحة قدرها 1.3 مليون دولار، يهدف فريق أباتي إلى تحديد الظروف المثلى لإنتاج الهيدروجين تحت الأرض. وسوف يدرس عملهم العوامل الرئيسية مثل المحفزات لإشعال التفاعل ودرجة الحرارة والضغط ومستويات الأس الهيدروجيني. والهدف النهائي هو تعزيز الكفاءة للإنتاج على نطاق واسع، مما يجعل الهيدروجين الجيولوجي مصدر طاقة قابلا للتطبيق وتنافسيا للاحتياجات العالمية.

وتقدر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أن هناك مليارات الأطنان المحتملة من الهيدروجين الجيولوجي مدفونة في قشرة الأرض. وقد تم اكتشاف تراكمات في جميع أنحاء العالم، وتبحث مجموعة من الشركات الناشئة عن رواسب قابلة للاستخراج. ويسعى أباتي إلى تحفيز عملية إنتاج الهيدروجين الطبيعي، وتنفيذ مناهج "استباقية" تنطوي على تحفيز الإنتاج وحصاد الغاز، حسب التقرير.

ويقول أباتي، الأستاذ في قسم علوم وهندسة المواد (DMSE): "نهدف إلى تحسين معلمات التفاعل لجعل التفاعل أسرع وإنتاج الهيدروجين بطريقة مجدية اقتصاديا". تركز أبحاث أباتي على تصميم المواد والتقنيات اللازمة للتحول إلى الطاقة المتجددة، بما في ذلك بطاريات الجيل التالي والطرق الكيميائية الجديدة لتخزين الطاقة.

يتزايد الاهتمام بالهيدروجين الجيولوجي في وقت تسعى فيه الحكومات في جميع أنحاء العالم إلى بدائل طاقة خالية من الكربون للنفط والغاز. في كانون الأول/ ديسمبر، قال الرئيس الفرنسي إيمانويل ماكرون إن حكومته ستوفر التمويل لاستكشاف الهيدروجين الطبيعي. وفي شباط/ فبراير، أطلع شهود من الحكومة والقطاع الخاص المشرعين الأمريكيين على فرص استخراج الهيدروجين من الأرض.

اليوم، يتم تصنيع الهيدروجين التجاري بسعر 2 دولار للكيلوغرام، ومعظمه لإنتاج الأسمدة والمواد الكيميائية والصلب، ولكن معظم الطرق تنطوي على حرق الوقود الأحفوري، مما يطلق الكربون الذي يسخن الأرض. "الهيدروجين الأخضر"، المنتج بالطاقة المتجددة، واعد، ولكن بسعر 7 دولارات للكيلوغرام، فهو مكلف.

يقول دوغلاس ويكس، مدير برنامج في وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للطاقة (ARPA-E)، وهي المنظمة التابعة لوزارة الطاقة التي تقود برنامج المنح الجيولوجية للهيدروجين: "إذا حصلت على الهيدروجين بسعر دولار واحد للكيلوغرام، فإنه ينافس الغاز الطبيعي على أساس سعر الطاقة".

ومن بين الحاصلين على منح وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للطاقة كلية كولورادو للمناجم، وجامعة تكساس للتكنولوجيا، ومختبر لوس ألاموس الوطني، بالإضافة إلى شركات خاصة بما في ذلك كولوما، وهي شركة ناشئة لإنتاج الهيدروجين تلقت تمويلا من أمازون وبيل غيتس. المشاريع نفسها متنوعة، وتتراوح من تطبيق أساليب النفط والغاز الصناعية لإنتاج واستخراج الهيدروجين إلى تطوير نماذج لفهم تكوين الهيدروجين في الصخور. والغرض: معالجة الأسئلة في ما يسميه ويكس "مساحة بيضاء كليا".

ويقول ويكس: "في الهيدروجين الجيولوجي، لا نعرف كيف يمكننا تسريع إنتاجه، لأنه تفاعل كيميائي، ولا نفهم حقا كيفية هندسة باطن الأرض حتى نتمكن من استخراجه بأمان. نحاول جلب أفضل المهارات من كل مجموعة مختلفة للعمل على هذا تحت فكرة أن المجموعة يجب أن تكون قادرة على إعطائنا إجابات جيدة في إطار زمني سريع إلى حد ما".

يتفق عالم الكيمياء الجيولوجية فياتشيسلاف زغونيك، أحد أبرز الخبراء في مجال الهيدروجين الطبيعي، على أن قائمة المجهول طويلة، كما هو الحال بالنسبة للطريق إلى المشاريع التجارية الأولى. لكنه يقول إن الجهود المبذولة لتحفيز إنتاج الهيدروجين - لتسخير التفاعل الطبيعي بين الماء والصخور - تقدم "إمكانات هائلة".

يقول زغونيك، الرئيس التنفيذي ومؤسس شركة Natural Hydrogen Energy، وهي شركة ناشئة مقرها دنفر لديها عقود تعدين استكشافي في الولايات المتحدة: "الفكرة هي إيجاد طرق يمكننا من خلالها تسريع هذا التفاعل والتحكم فيه حتى نتمكن من إنتاج الهيدروجين عند الطلب في أماكن محددة. إذا تمكنا من تحقيق هذا الهدف، فهذا يعني أنه يمكننا استبدال الوقود الأحفوري بالهيدروجين المحفز".

بالنسبة لأباتي، فإن الارتباط بالمشروع شخصي. فعندما كان طفلا في مسقط رأسه في إثيوبيا، كانت انقطاعات التيار الكهربائي أمرا معتادا - كانت الأضواء تنطفئ ثلاثة أو ربما أربعة أيام في الأسبوع. وكانت الشموع المتوهجة أو مصابيح الكيروسين التي تنبعث منها الملوثات غالبا المصدر الوحيد للضوء للقيام بواجبات المدرسة في البيت ليلا.

ويقول أباتي: "بالنسبة للمنزل، كان علينا استخدام الخشب والفحم للقيام بالأعمال المنزلية مثل الطهي. كانت هذه قصتي حتى نهاية المدرسة الثانوية وقبل أن آتي إلى الولايات المتحدة للدراسة الجامعية".

في عام 1987، اكتشف حفارو الآبار الذين كانوا يحفرون بحثا عن المياه في مالي في غرب إفريقيا رواسب هيدروجين طبيعية، مما تسبب في انفجار. وبعد عقود من الزمان، قام رجل الأعمال المالي عليو ديالو وشركته الكندية للنفط والغاز باستغلال البئر واستخدموا محركا لحرق الهيدروجين وتشغيل الكهرباء في القرية القريبة.

وبعد التخلي عن النفط والغاز، أطلق ديالو شركة هيدروما، أول شركة لاستكشاف الهيدروجين في العالم. وتقوم الشركة بحفر آبار بالقرب من الموقع الأصلي والتي منحت تركيزات عالية من الغاز.

يضيف أباتي: "لذا، فإن ما كان يُعرف سابقا بقارة فقيرة بالطاقة تولد الآن الأمل في مستقبل العالم. كان التعرف على ذلك بمثابة لحظة اكتمال الدائرة بالنسبة لي. بالطبع، المشكلة عالمية؛ والحل عالمي. ولكن بعد ذلك فإن الارتباط برحلتي الشخصية، بالإضافة إلى الحل القادم من قارتي الأصلية، يجعلني مرتبطا شخصيا بالمشكلة والحل".

يعمل أباتي والباحثون في مختبره على صياغة وصفة لسائل من شأنه أن يحفز التفاعل الكيميائي الذي يحفز إنتاج الهيدروجين في الصخور. يقول باحث ما بعد الدكتوراه ييفان جاو إن المكون الرئيسي هو الماء، ويقوم الفريق باختبار مواد "بسيطة" للحصول على محفزات من شأنها تسريع التفاعل وبالتالي زيادة كمية الهيدروجين المنتجة.

يقول جاو: "بعض المحفزات مكلفة للغاية ويصعب إنتاجها، وتتطلب إنتاجا أو تحضيرا معقد. إن المحفز غير المكلف والوفير سيسمح لنا بتعزيز معدل الإنتاج - بهذه الطريقة، ننتجه بمعدل مجدٍ اقتصاديا، ولكن أيضا بعائد مجدٍ اقتصاديا."

يمكن العثور على الصخور الغنية بالحديد التي يحدث فيها التفاعل الكيميائي في جميع أنحاء الولايات المتحدة والعالم. لتحسين التفاعل عبر مجموعة متنوعة من التركيبات والبيئات الجيولوجية، يعمل أباتي وجاو على تطوير ما يسمونه نظاما عالي الإنتاجية، يتكون من برمجيات الذكاء الاصطناعي والروبوتات، لاختبار مخاليط محفز مختلفة ومحاكاة ما سيحدث عند تطبيقه على الصخور من مناطق مختلفة، مع ظروف خارجية مختلفة مثل درجة الحرارة والضغط.

يقول أباتي: "ومن ذلك، نقيس كمية الهيدروجين التي ننتجها لكل تركيبة ممكنة.. ثم يتعلم الذكاء الاصطناعي من التجارب ويقترح علينا، 'بناء على ما تعلمته وبناء على الأدبيات، أقترح عليكم اختبار تركيبة مادة المحفز هذه لهذه الصخرة'."

يقوم الفريق بإعداد ورقة بحثية عن مشروعه ويهدف إلى نشر نتائجه في الأشهر المقبلة.

وأشار التقرير إلى أن المحطة التالية للمشروع، بعد تطوير وصفة المحفز، هي تصميم مفاعل سيخدم غرضين. أولا، مزود بتقنيات مثل مطيافية رامان، سيسمح للباحثين بتحديد وتحسين الظروف الكيميائية التي تؤدي إلى تحسين معدلات وإنتاجية إنتاج الهيدروجين. كما سيوفر الجهاز الذي يعمل على نطاق المختبر معلومات لتصميم مفاعل حقيقي يمكنه تسريع إنتاج الهيدروجين في الحقل.
يوضح أباتي: "سيكون هذا مفاعلا بحجم المصنع سيتم زرعه في باطن الأرض".

ويستفيد المشروع متعدد التخصصات أيضا من خبرة يانغ شاو هورن، من قسم الهندسة الميكانيكية وقسم DMSE في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، للتحليل الحسابي للمحفز، وإستيبان غزيل، عالم من جامعة كورنيل سيقدم خبرته في الجيولوجيا والكيمياء الجيولوجية. سيركز على فهم التكوينات الصخرية فوق المافية الغنية بالحديد في جميع أنحاء الولايات المتحدة والعالم وكيف تتفاعل مع الماء.

بالنسبة لويكس في وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للطاقة، فإن الأسئلة التي يطرحها أباتي وغيره من الحاصلين على المنح ليست سوى الخطوات الأولى الحاسمة في مجال الطاقة غير المستكشف، حسب التقرير.

يقول ويكس: "إذا تمكنا من فهم كيفية تحفيز هذه الصخور لتوليد الهيدروجين، واستخراجه بأمان، فإن هذا من شأنه أن يطلق العنان لمصدر الطاقة المحتمل. ثم ستنظر الصناعة الناشئة إلى النفط والغاز للحصول على المعرفة اللازمة للحفر والأنابيب واستخراج الغاز. كما أحب أن أقول، هذه هي التكنولوجيا التمكينية التي نأمل أن تمكننا في الأمد القريب جدا من القول، "هل يوجد هناك شيء حقا؟".

المصدر: عربي21