خلايا الوقود بين البحث والتطبيق

أدى تركيز الاهتمامات العالمية بالبيئة إلى التعجيل بنمو تطبيق خلايا الوقود فى مجالات عديدة وعلى وجه الخصوص في مجالات السيارة الكهربية والمبانى واستخدامات الطاقة الشمسية (the solar energy). وتتميز خلايا الوقود عن غيرها من محولات الطاقة بأنها تعطى طاقة كهربية بتيار مستمر نظيف مباشرة بكفاءة عالية وذلك بأكسدة الهيدروجين تاركة نواتج تفاعل غير ملوثة للبيئة وهى الحرارة والماء. وإذا تم استخدام وقود حفرى.. فإن نواتج التفاعل تحتوى على ثانى أكسيد الكربون بدرجة قليلة. ولكن عيبها الرئيسى حتى الآن هو ارتفاع ثمنها بالنسبة للطرق التقليدية لتحويل الطاقة. 

وخلايا الوقود ليست بالاختراع الحديث، فقد تم اكتشافها منذ 160 عاما واقتصر استخدامها على التطبيقات العسكرية وأبحاث الفضاء حيث لايمثل ارتفاع التكاليف أى عائق نظرا لضخامة الاعتمادات المالية فى هذين المجالين. وبالرغم من ذلك. فقد تم تجربة بعض الحافلات فى الولايات المتحدة وبعض دول أوروبا لتعمل بخلايا الوقود. وتركز هذه الدراسة على النوع الثابت من خلايا الوقود والمستخدم فى الأغراض غير المتنقلة. 

يوضح الشكل رقم1 محطة قوى من خلايا الوقود تتكون من وحدة أو وحدات منفردة تتقدمها وحدة إعادة تشكيل الوقود لاستخراج الهيدروجين من الوقود المعتاد مثل الغاز الطبيعى أو غاز البروبين. ويمكن استخدام الهيدروجين مباشرة بتخزينه فى اسطوانات بدلأ من استخراجه من الوقود المعتاد. وتحول خلايا الوقود أكسدة الهيدروجين إلى تيار كهربى من النوع المستمر الذى يمكن تحويله إلى تيار متردد عن طريق العاكسات الالكترونية (DC-AC Converters).

وتتميز خلايا الوقود ليس فقط بانعدام ناتج التفاعل ولكن أيضا بارتفاع كفاءتها والتى تصل إلى ضعف كفاءة محطات الطاقة المعتادة. وكذلك بعدم تغيير أو انخفاض كفاءتها والتى تكون أكبر مايمكن عند تشغيلها عند حملها الكامل. وعلى جانب آخر.. فإن تكاليف محطات الوقود المعتادة تتراوح بين 500 - 1500 دولار/ك وات. بينما تصل تكلفة محطات خلايات الوقود التجارية المستخدمة حاليا فى الولايات المتحدة إلى أقل من 3000 دولار/ ك وات. إلا أنه يجب أن يوضع في الاعتبار أن ارتفاع التكاليف يقابله جودة واستمرارية مصدر الطاقة. وهى عوامل أساسية مطلوبة في المستشفيات والأغراض العسكرية. وبالرغم من محدودية مجال هذه التطبيقات. فإن عدد خلايا الوقود المطلوبة يتزايد يوما بعد آخر.

وتتعرض خلايا الوقود حاليا إلى طفرة فى برامج تصنيعها وتطوير المواد المستخدمة فيها واستخدام تقنية متقدمة لأغراض منزلية. وقد رصدت حكومات الولايات المتحدة واليابان وبعض الدول الأوروبية اعتمادات مالية كبيرة وبرامج متقدمة لتطويرها بالاشتراك مع هيئات وشركات خاصة كبيرة بهدف الحصول تجاريا على خلايا وقود بسعر مناسب.

مقارنة بين خلايا الوقود والبطاريات:

تتشابه خلايا الوقود والبطاريات فى أن كليهما يستخدم تفاعلا كيميائيا للحصول على تيار كهربى مستمر. وكلاهما يحتوى على قطبين أحدهما آنود والآخر كاثود ويفصلهما وسط كيميائى. والاثنان يتم تجميعها فى مجموعات توصل على التوالى للحصول على الجهد المطلوب والقدرة المناسبة. وعلى الجانب الآخر.. تختلف خلية الوقود عن البطارية في أن خلية الوقود لاتقوم بتفريغ الطاقة الكهربية المختزنة فيها ولكنها تحول الطاقة كيميائيا من وقود غنى بالهيدروجين إلى طاقة كهربية طالما كان هناك سريان لهذا الوقود في الخلية مثل الغاز الطبيعى والكحوليات كالميثانول وغيرها.

أنواع خلايا الوقود

تختلف أنواع خلايا الوقود باختلاف درجة حرارة التشغيل والوسط الكيميائى المستخدم - جدول رقم1.

ويعتبر النوع الأول الذى يستخدم حمض الفوسفوريك والثانى الذى يستخدم كربونات الصوديوم أو البوتاسيوم المصهورة من الأنواع صعبة التعامل معها والتى تتطلب درجة حرارة عالية نسبيا. وقد تم استخدام النوعين السابقين بالإضافة إلى النوع الثالث ذى سائل الأكسيد الصلب من قبل قطاع الطاقة فى الولايات المتحدة فى التطبيقات غير المتنقلة حيث تتميز بكفاءتها العالية.

أما النوع الرابع والذى يحتوى على غشاء الوسط المبلمر (Polymer Electrolyte Membrane -PEM) فهو يستخدم بكثرة فى السيارات الكهربية ويمكن استخدامه أيضا لاعتبارات اقتصادية فى التطبيقات غير المتنقلة.

أما النوع الخامس.. فهو خلايا الوقود القلوية وهى صغيرة جدأ فى حجمها بالمقارنة بالأنواع الأخرى. ولذلك فهى تستخدم فقط فى أبحاث الفضاء لأسباب اقتصادية وضيق الفراغ المتاح فى مركبات الفضاء.

وتعتبر خلايا الوقود ذات حامض الفوسفوريك هى أنسب تقنية للتطبيقات غير المتنقلة وهى تستخدم فى محطات كهربية قدرة 200 ك وات فى 70 موقعا فى العالم وتعمل عند 200 درجة مئوية وينشأ عنها حرارة مفقودة تستخدم فى تسخين الماء داخل المنازل. وتصل كفاءتها الكلية بما فيها استخدام الحرارة المفقودة إلى 80 %. أما خلايا الكربونات المصهورة فهى مازالت فى مرحلة الاختبار وبقدرة حتى 250 ك وات وتصل كفاءتها الكلية إلى حوالى %65 . بينما مازالت خلايا الطاقة من نوعية الأكسيد الصلب فى مراحل متقدمة من التجارب - بالمقارنة بخلايا الكربونات المصهورة- بقدرة حتى 100 ك وات وتبلغ كفاءتها حوالى 65%.

أما خلايا الغشاء ذى الوسط المبلمر والتى تهيمن على تصنيع السيارة الكهربية. فإنها تحتاج إلى طريقة تعميم مختلفة وذلك عند استخدامها فى الاغراض غير المتنقلة. فهى تحتاج إلى عاكس لتحويل التيار المستمر إلى متردد ولا تحتاج فى تصنيعها إلى حيز صغير طبيعى كما هو الحال فى السيارة الكهربية حيث يجب أن تكون كثافة قدرتها عالية (القدرة بالنسبة للحجم).

ويتميز هذا النوع من خلايا الوقود بالتشغيل عند درجة حرارة منخفضة 80 درجة مئوية وكذلك العمل عند كثافة تيار عالية مما يجعلها خفيفة الوزن وقليلة الحجم ومضغوطة فى التركيب. والهدف المنشود هو خفض تكاليفها لتصل إلى أقل من 100 دولار / ك وات ولفترة تشغيل حوالى 5000 ساعة وذلك فى السيارات الكهربية. أما فى التطبيقات غير المتنقلة فتصل تكلفتها حوالى 1000 دولار/ ك وات وهو السعر المنشود فى هذا المجال.

نظرية عمل خلايا الوقود

يتم توليد الكهرباء فى خلايا الوقود بدمج الهيدروجين والأوكسجين كيميائيا. وهى العملية العكسية لتحليل الماء والتى يتم فيها توصيل تيار بين قطبين وينشأ عنها فصل الأوكسجين والهيدروجين كيميائيأ. ففى خلايا الوقود يتم تغذية الهيدروجين من أحد مصادره المختلفة. ويمكن تخزينه كغاز. ويتم الحصول عليه من خليط للغازات حيث يتم فصله بعملية كيميائية خارجية أو استخلاصه من هيدروكربونات غازية. أما الأوكسجين فيمكن تغذيته للخلية إما كغاز صافى أو من الهواء المحيط. ويوجد قطبان من مادة مسامية أحدهما موجب والآخر سالب تمتص الوقود والغازات المؤكسدة ويفصل بينهما وسط كيميائى وهو الذى يحدد نوعية خلية الوقود. وفى جميع أنواع خلايا الوقود يتم تغذية الهيدروجين إلى قطبها الموجب الآنود. ففى خلايا الوقود من نوعية حمض الفوسفوريك والنوعية ذات غشاء تبادل الأيونات يتم فصل الكترونين من كل جزىئ هيدروجين وذلك بمساعدة الوسط الكيميائى وهو عادة البلاتينيوم. وتنتقل الإلكترونات من جزئيات الهيدروجين إلى الدائرة الخارجية فى صورة تيار كهربى مستمر ثم ترحل أيونات الهيدروجين الموجبة من خلال الوسط الكيميائى إلى القطب الآخر وهو الكاثود. وتتفاعل الأيونات الموجبة مع ناتج تفاعل الأوكسجين والأيونأت السا لبة (الإلكترونات) التى ترجع من الدائرة الخارجية مكونة الماء. ويوضح الشكل رقم2 نظرية عمل هذه الخلايا. 

وعادة فإن تفاعلات تكوين الماء (Exothermic) ونواتجها هى بخار ماء وحرارة. ولابد من تجميع وحدات الوقود فى مجموعات حيث أن جهد الوحدة الواحدة حوالى 0.75  ف.

منظومات خلايا الوقود للأغراض السكنية

توجد عدة منظومات لمحطات الطاقة وخلايا الوقود من النوعية PEM والتى فى طريقها للمستهلك. ومعظمها يستخدم الهيدروجين المستخلص من الغاز الطبيعى عن طريق نظام استخلاص داخل حيز المحطة نفسها. وتستخدم هذه المنظومات مجموعة من البطاريات لمساعدة المحطة أثناء عملها فى فترة الحمل الأقصى ويتم شحنها أثناء الفترة التى يقل فيها الحمل عن قدرة المحطة المعتادة. ومع المجهودات البحثية الضخمة المبذولة بهدف خفض التكاليف. فقد تم حاليا خفض التكاليف بمعدل 60 مرات مما كانت عليا منذ عشر سنوات ولكنها مازالت في حاجة إلى تخفيض أكبر من ذلك لتقابل الهدف الاقتصادى المنشود وهو 800 -1200 دولار / ك وات.  

يوضح الشكل رقم1 محطة كاملة تحتوى على مجموعتين من خلايا الوقود PEM بالإضافة إلى 8 بطاريات رصاص حمضية. وفيها تنتج خلايا الوقود 3 ك وات لتقابل الحمل الأسامسى المطلوب تغذيته منها ولكنها بمساعدة البطاريات تعطى 10 ك وات لتقابل الحمل الأقصى المطلوب لفترة زمنية محدودة. ويصل حجم كل وحدة من الوحدتين إلى حجم الثلاجة المنزلية الضخمة ويبلغ ثمنها حوالى 5000 دولار متضمنة التركيب. وهذا السعر يفترض الإنتاج بكميات ضخمة. وقد تم طلب العشرات من هذا الوحدات بالفعل للتجربة واكتساب الخبرة والدعاية. وقد بدأت شركات فى << ميتشجان>> بالولايات المتحدة تجارب فعلية فى المناطق السكنية منذ يونيو 1998 باستخدام هذه النوعية - PEM - مع نظام مساعدة البطاريات لتغذية كل المتطلبات من الطاقة الكهربية لمنازل تتراوح مساحتها بين 275 - 375 م 2. 

يوضح الشكل رقم3 أحد الطرازات من هذه الخلايا والذى يباع كصندوق واحد متكامل بعرض 3م وطول 5. 5م وإرتفاع 3م ويتراوح ثمنها ما بين 3000 - 4500 دولار. وخلايا الوقود المستخدمة فيها من نوعية حمض الفوسفوريك بقدرة 200 ك وات وهى تكفى لتغذية فندق متوسط الحجم. ويتم استخدام 30 وحدة مشابهة فى وزارة الدفاع الأمريكية حيث تفذى كل وحدة الطاقة الكهربية المطلوبة لكل قاعدة عسكرية حيث يتم فيها تخزين الغاز الطبيعى اللازم لتغذية هذه الوحدات. وتتسابق الشركات المصنعة لتقديم وحدات تجارية بأسعار تتراوح ما بين 7500 - 10000 دولارا - خلال عامين- مع توقعات بانخفاض هذه الأسعار لتصل إلى 3500 دولارا حينها يتم إنتاجها بكميات ضخمة.

دفعة للتوربينات الغازية

وفى محاولة جادة لزيادة الطاقة الكهربية الخارجة من كل جزء من الوقود المستخدم فى محطات القوى. تم استخدام ما يعرف بالدورات المركبة (Combined Cycles) حيث يتم دمج وحدة خلية الوقود بمصدر توليد قدرة آخر لرفع كفاءة تحويل الطاقة. وكمثال لذلك، فقد تم دمج توربينة غازية مع خلية وقود من نوعية الأكسيد الصلب وكان الاندماج فعالا حيث تم حل 3 مشاكل رئيسية وهى:

- الكفاءة المنخفضة للتوربينات الغازية صغيرة الحجم.

- الغازات المنبعثة أثناء احتراق الوقود مثل أكسيد النيتروجين.

- التكاليف المرتفعة لخلايا الوقود صغيرة الحجم.

فمثلأ .. تتراوح كفاءة التوربينات الغازية الصغيرة بقدرات أقل من 10 ميجاوات ما بين 25 - 30 % وهى نفس كفاءة خلايا الوقود الصغيرة والتى تعمل عند درجات حرارة عالية مثل نوعية الكربونات المصهورة والتى ستتراوح تكاليفها بين 1000 - 1500 دولار/ ك وات حينها تتوفر تجاريا فى بداية القرن القادم. ومن المتوقع أن تكون التكاليف الكلية لاندماج المحطتين أقل بكثير بالمقارنة بمحطة خلايا الوقود وبنفس الحجم حينها تعمل بمفردها. كما ستكون الكفاءة الكلية للتشغيل المندمج للمحطتين أعلى بكثير من عمل محطة التوربينة الغازية بنفس القدرة بمفردها. وقد بدأ تطوير هذا النظام بالفعل حيث تستخدم خلية الوقود كوسط لحرق الوقود (الغاز الطبيعى مثلا) المستخدم في التوربينة الغازية بمعنى أن خلية الوقود توفر الغاز الساخن المطلوب لتشغيل التوربينة الغازية. بالإضافة إلى أن نفس الخلية تقوم بوظيفتها في توفير بعض الكهرباء اللازمة. وبهذا الاندماج بين الوحدتين.. ترتفع الكفاءة لعملية تحويل الوقود إلى كهرباء لتصل إلى أكثر من 60 % عند القدرات الصغيرة – أقل من 1 ميجارات - وهى أكبر من استخدام أى من الوحدتين بطريقة منفصلة. أما بالنسبة للوحدات الكبيرة التى تتراوح قدراتها ما بين 100-400 ميجاوات فترتفع فيها الكفاءة الكلية لأكثر من 75 %. ويوضح الشكل رقم4 كفاءة تحويل الطاقة من أنواع وأحجام مختلفة. 

ويوضح الشكل رقم5 نظام الدورة المركبة وفيه يتم الحصول على 60% من الكهرباء من خلية الوقود من نوعية الأكسيد الصلب . بينما تستخدم التوربينة الغازية المولد فى الحصول على 40 % من الطاقة الكهربية المطلوبة. بالإضافة إلى أن الغازات الناتجة من التوربينة تعتبر كمصدر للهواء لخلية الوقود. وتمثل الحرارة المفقودة حوالى 40 % من طاقة الدخل لخلية الوقود.

ومن المتوقع أن تتعدى المحطات المندمجة فى المدى الصغير والمتوسط مرحلة البحث والتطوير فى القريب العاجل. ويؤكد ذلك اتحاد القوى بين "سيمنس" و"وستنجهاوس" لتحسين تصميم منظومات خلايا الطاقة الأنبوبية من نوعية الأكسيد الصلب لتصبح وحدة متكاملة مع توربينة غازية صغيرة. وسوف يطرح أول إنتاج منها بوحدة قدرتها 1.3 ميجاوات - شكل رقم6- يتراوح ثمنها بين 1000 - 1200 دولار/ك وات للوحدات من 1-5 ميجاوات. ومن المتوقع أن تطرح هذه الوحدات بكفاءة لا تقل عن 63%. ويجرى حاليا اختبار توربينة غازية مندمجة مع خلايا الوقود بقدرة 250 ك وات فى المركز الوطنى لبحوث خلايا الوقود فى جامعة كاليفورنيا. وفى ولاية "ألاباما" يتم اختبار وحدة أخرى بقدرة 250 ك وات أ أيضا.

مستويات الإنتاج

يعتبر زيادة الإنتاج هو المفتاح الحقيقى لانخفاض الأسعار. وبالطبع فإن المبيعات تزداد حينها وتقل الأسعار. وقد اتبع قطاعا الدفاع والطاقة فى الحكومة الأمريكية برنامجا فى هذا المجال بهدف زيادة ونمو الإنتاج مع تخفيض الأسعار. وفى الفترة 93 - 1994 اشترى قطاع الدفاع 30 محطة كهرباء بقدرة 200 ك وات من نوعية حامض الفوسفوريك تم تركيبها فى 17 ولاية في ظروف مختلفة من حيث الارتفاع عن سطح البحر ومصادر المياه بهدف توفير محطات آمنة بكفاءة عالية وتكون صديقة للبيئة. وتم اختيار هذه الأماكن بحيث يكون تكاليف إنشاء محطة خلايا الوقود أقل من تكاليف شرإء الطاقة من السلطات المحلية. وبجانب الكهرباء المتولدة فقد كانت هذه الوحدات تستعيد الحرارة المتولدة وتستخدمها في أغراض أخرى متعددة.

ويعتبر قطاع الدفاع بالاشتراك مع قطاع الطاقة فى الحكومة الأمريكية هو الحاضن والراعى الأساسى لزيادة إنتاج خلايا الوقود وتطوير التقنيات المستخدمة فيها. وقدم القطاعان 1000 دولار / ك وات ثمنا لشراء محطة كهرباء تعمل بخلايا الوقود وذلك بهدف استيفاء الطلب عليها والمحافظة على منافستها فى الأسواق الجديدة لاستخدامها لأنواع مختلفة من التطبيقات وإكتساب الخبرة ثم اقتسامها مع الأخرين.

وقد وصل حجم الإنتاج فى الشركات الرائدة فى هذا المجال إلى 10 ميجاوات سنويا وذلك بنظام الوردية الواحدة. ولكن ثمن هذه المحطات يعتبر عاليا لاختراق الأسواق الحالية. وإذا تم استخدام المحطة بنظام الورديات المتعددة فقد تصل فى السنوات القلية القادمة إلى مستوى متطلبات الأسواق. وحيث أن تركيب مكونات خلايا الوقود من النوع الذى يتكرر نمطيا. فإن زيادة قدرتها يكون عن طريق زيادة العدد المستخدم فيها بدلا من استخدام خلايا أخرى بقدرات أكبر. وقد أوضحت الدراسة فى هذا المجال أن سعر المواد الخام المستخدمة وكذلك تكاليف

التصنيع تتراوح بين 200 - 300 دولار / ك وات وذلك فى حالة حجم إنتاج يتراوح بين 100 - 400 ميجاوات سنويا وهو ما يحتاج إلى استثمار المئات من ملايين الدولارات لبناء مصنع يصل إنتاجه السنوى إلى الحد المشار إليه. ويثق الكثيرون من المستثمرين والخبراء من النجاح فى تجميع رأس المال اللازم لبناء هذه النوعية من المحطات خاصة بعد نجاح الاختبارات لعدد كبير منها فى مواقع التشغيل.

ويوضح الجدول رقم2 دراسة فعلية فى قطاعات مختلفة من الأسواق تتعلق بالقدرة المنتجة والسعر المطلوب الدخول به لهذه الأسواق وكذلك السعر المطلوب للبقاء فى الأسواق.

الخلاصة

تركزت الجهود فى العقود الأخيرة على وحدات خلايا الوقود المتكاملة لتساعد القدرة الكهربية المتولدة من الشبكة المحلية وذلك بهدف تطوير وتنمية هذه الوحدات لتصبح مصدرا للطاقة يكون قادرا على تغذية منطقة جغرافية صغيرة بالطاقة الكهربية اللازمة بجودة وكفاءة عالية وبطريقة اقتصادية. وللحصول على هذه الوحدات تجاريا تركزت الأنظار على مشروعات التطوير والنمو لتوفير هذه الوحدات بسعر مناسب ومنافس. ومن المتوقع أن يتحقق ذلك خلال خمس سنوات. وقد أمكن التغلب على كثير من الصعاب بالرغم من فترات التأخير وعدم الاستمرارية فى التطوير. ويدل على ذلك زيادة عدد القطاعات والشركات التى تهتم بهذا الموضوع.

وقد أصبحت هذه الوحدات متوفرة بطريقة اقتصادية وتجارية بقدرات تتراوح بين 200 - 2500 ك وات وهى كافية لتغذية الحمل الأساسى لمنطقة سكنية صغيرة بالإضافة إلى بدء تطوير بعض منظومات خلايا الوقود من النوعية التى تستخدم بطاريات قابلة للشحن تعمل أثناء أقصى قدرة مطلوبة من المحطة وذلك فى محطات الطاقة

الكهربية للأغراض السكنية . ومن ناحية أخرى توجه الاهتمام إلى هدف أخر وهو رفع كفاءة محطات الكهرباء التى تعمل بالتوربينات الغازية وذلك بدمج خلايا الوقود داخل نظام التوربينة الغازية. وقد تمت تجربة هذا الاندماج بالفعل وارتفعت كفاءة النظام من 30 إلى 65 % فى الوحدات الصغيرة والمتوسطة ومن المتوقع أن تتجاوز 75 % فى الوحدات كبيرة الحجم.

ويثق خبراء الصناعة فى أن هذه المنظومات سوف تباع فى الأسواق بصورة اقتصادية خلال خمس سنوات وأن تزداد قدرة محطات خلايا الوقود بالقدرات الكبيرة (مئات الميجاوات) لتستخدم فى محطات الكهرباء الرئيسية المركزية.