الوقود الكهربائي

الوقود الكهربائي ، المعروف أيضًا بالوقود الإلكتروني ، هو فئة من أنواع الوقود الاصطناعي التي تُستخدم كبديل مباشر للوقود في محركات الاحتراق الداخلي. يُصنع هذا الوقود باستخدام ثاني أكسيد الكربون أو أول أكسيد الكربون المُحتجز، بالإضافة إلى الهيدروجين المُستخلص من تحليل الماء . ^{[ 1 ]} يُمكن إجراء التحليل الكهربائي باستخدام مصادر الطاقة التقليدية من الوقود الأحفوري، وكذلك مصادر الكهرباء منخفضة الكربون مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة النووية. ^{[ 2 ] : 7 [ 3 ]}

تستخدم هذه العملية ثاني أكسيد الكربون في التصنيع، وتُطلق كمية مماثلة تقريبًا من ثاني أكسيد الكربون في الهواء عند احتراق الوقود، مما يُسهم في انخفاض البصمة الكربونية الإجمالية. ولذلك، تُعدّ أنواع الوقود الكهربائي خيارًا لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من قطاع النقل، لا سيما في نقل البضائع لمسافات طويلة، والنقل البحري، والنقل الجوي. ^{[ 2 ] : 9-13}

الأهداف الرئيسية هي الميثانول والديزل ، ولكنها تشمل الكحولات الأخرى والغازات المحتوية على الكربون مثل الميثان والبيوتان .

الوقود الكهربائي عبارة عن هيدروكربونات تُصنّع صناعيًا من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. يمكن استخلاص ثاني أكسيد الكربون من ثلاثة مصادر مختلفة: من الهواء المحيط (الاستخلاص المباشر من الهواء)، ومن مصادر محددة مثل محطات توليد الطاقة (احتجاز الكربون واستخدامه)، أو من الكتلة الحيوية. ولتحقيق أقصى قدر من الإنتاج الصديق للبيئة، يُفضّل استخلاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي باستخدام الكتلة الحيوية أو استخلاصه مباشرةً من الهواء . عند استخدام الكتلة الحيوية، توجد طرق مختلفة للحصول على ثاني أكسيد الكربون _{المطلوب} ، منها إنتاج الغاز الحيوي أو الإيثانول الحيوي. في جميع هذه العمليات، يُنتج ثاني أكسيد الكربون _كمنتج ثانوي، ويجب فصله وتنقيته. في عملية الاستخلاص المباشر من الهواء، يُسحب الهواء المحيط ويُنقل إلى مادة ماصة، حيث يرتبط ثاني أكسيد الكربون كيميائيًا بها، مما يفصله عن الهواء. بعد ذلك، أثناء تجديد المادة الماصة، أو عملية الإزالة، يُفصل ثاني أكسيد الكربون بإضافة الطاقة الحرارية، ويُجهز للاستخدام أو التخزين. ^{[ 4 ]}

يمكن إنتاج الهيدروجين بطرق مختلفة. وللحصول على وقود إلكتروني محايد للكربون _، من الضروري إنتاج الهيدروجين الأخضر . ^{[ 4 ]} وبمساعدة الكهرباء المتجددة، يمكن فصل الماء إلى مكوناته، الهيدروجين والأكسجين، كجزء من عملية التحليل الكهربائي للماء.

لإنتاج الوقود الإلكتروني، يُستخدم غاز التخليق المكون من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، والذي يُحوّل لاحقًا إلى هيدروكربونات في عملية تخليق أخرى، والتي يمكن استخدامها كوقود. في السابق، كانت عمليات التخليق هذه تُجرى باستخدام مصادر أخرى للكربون والهيدروجين، ولذلك توجد أنواع عديدة من العمليات التي يمكن استخدامها، على سبيل المثال: ^{[ 5 ]}

• رد فعل ساباتير
• تخليق فيشر تروبش
• عملية متنقلة (تحويل الميثانول إلى بنزين )

وبالتالي، فإن الوقود الإلكتروني ليس مصدراً أساسياً للطاقة، بل مصدراً ثانوياً. فهو يُتيح استخدام الطاقة الكهربائية لإنتاج وقود ذي كثافة طاقة عالية، وقابلية تخزين ونقل واحتراق ممتازة، وبفضل خصائصه وتعدد استخداماته، يُمكنه نظرياً أن يحل محل الوقود الأحفوري في جميع التطبيقات الممكنة. يتطابق هذا الوقود كيميائياً مع نظيره الأحفوري، وله نفس الخصائص. هذا التشابه مع الوقود الأحفوري يُتيح استخدامه ليس فقط في الأسطول الحالي، بل أيضاً في البنية التحتية القائمة، كالنقل البحري، وخطوط الأنابيب، وناقلات النفط، وشبكات محطات الوقود. ^{[ 4 ]} وفي الوقت نفسه، يتم تجنب صعوبات التعامل مع الهيدروجين.

تُعتبر أنواع الوقود الكهربائي إلى حد كبير مكملاً وبديلاً نهائياً للوقود المستخدم في النقل، مثل وقود الطائرات ووقود الديزل وزيت الوقود . ^{[ 2 ]}

بحسب دراسة "التكاليف المستقبلية للوقود الاصطناعي المُنتج من الكهرباء" التي نشرتها شركة أغورا فيركيرسفيندي عام 2018، يحتاج الوقود الاصطناعي، مثل الوقود الإلكتروني، إلى شرطين أساسيين ليتمكن من تقديم سعر تنافسي. أولًا، ساعات التشغيل الكاملة العالية ضرورية، إذ تتطلب مجمعات محطات إنتاج الوقود الإلكتروني استثمارات ضخمة، وبالتالي تكاليف ثابتة مرتفعة. كل ساعة تشغيل إضافية تُخفّض التكاليف. ووفقًا للدراسة، يلزم ما لا يقل عن 3000 إلى 4000 ساعة تشغيل كاملة سنويًا. ^{[ 6 ]}

أما الجانب الثاني المهم فهو انخفاض تكلفة الكهرباء. يتطلب تصنيع الوقود الإلكتروني كميات هائلة من الكهرباء، ويتسم بفقدان الطاقة أثناء عملية التحويل. وللحفاظ على أدنى سعر ممكن، يُعدّ توفير الكهرباء المتجددة الرخيصة أمراً بالغ الأهمية.

لهذا السبب، يوصي الباحثون بإنتاج الطاقة في المناطق المشمسة والعاصفة بدلاً من استخدام الكهرباء المتجددة من توربينات الرياح البحرية في مناطق مثل بحر الشمال أو بحر البلطيق. وقد وفرت ثلاث من المناطق التي دُرست ظروفًا ممتازة، ولديها القدرة على خفض التكلفة بشكل ملحوظ. فعلى سبيل المثال، باستخدام أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في شمال إفريقيا والشرق الأوسط، يمكن أن تصل تكاليف إنتاج الوقود السائل الاصطناعي إلى 11 سنتًا يورو لكل كيلوواط ساعة (سنت/كيلوواط ساعة)، أي ما يعادل 0.96 يورو للتر أو 3.63 يورو للغالون بحلول عام 2030. (3.94 دولار أمريكي للغالون بناءً على حسابات 26 مايو 2024 قبل الضرائب). ويرى الباحثون أن أيسلندا موقع جدير بالاهتمام أيضًا، وذلك باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية المتوفرة فيها. ^{[ 6 ]}

وردت نتائج مماثلة في تقرير عام 2018 الصادر عن شركة بروغنوس إيه جي، ومعهد فراونهوفر لتكنولوجيا البيئة والسلامة والطاقة، والمركز الألماني لأبحاث الكتلة الحيوية (DBF). ووفقًا لبياناتهم، بحلول عام 2050، ومع بدء الإنتاج في منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا باستخدام عملية فيشر-تروبش، واعتمادًا على معايير مختلفة كنسبة الفائدة، وكفاءة التحليل الكهربائي، وتكاليف استخلاص الوقود الحيوي من الهواء مباشرة، وتكاليف الكهرباء، فضلًا عن تكاليف الاستثمار والإنتاج، قد تتراوح تكاليف التصنيع بين 0.70 يورو/لتر و1.30 يورو/لتر (2.88 دولار أمريكي للغالون و5.34 دولار أمريكي للغالون بناءً على حسابات 26 مايو 2024)، باستثناء الضرائب. ^{[ 5 ]}

كان برنامج الوقود الكهربائي التابع لوكالة مشاريع البحوث المتقدمة للطاقة ( ARPA-E )، برئاسة إريك تون، مصدرًا رئيسيًا لتمويل أبحاث الوقود الكهربائي السائل لقطاع النقل. ^{[ 7 ]} تأسست ARPA-E عام 2009 في عهد وزير الطاقة ستيفن تشو في إدارة الرئيس أوباما ، وهي محاولة من وزارة الطاقة الأمريكية لمحاكاة فعالية وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة ( DARPA) . ومن أمثلة المشاريع الممولة في إطار هذا البرنامج، مشروع شركة OPX Biotechnologies لإنتاج الديزل الحيوي بقيادة مايكل لينش ^{[ 8 ]} ، وعمل ديريك لوفلي على التخليق الكهربائي الميكروبي في جامعة ماساتشوستس أمهيرست ^{[ 9 ]} ، والذي يُقال إنه أنتج أول وقود كهربائي سائل باستخدام _ثاني أكسيد الكربون كمادة أولية . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

عُقد المؤتمر الأول للوقود الكهربائي، برعاية المعهد الأمريكي للمهندسين الكيميائيين، في بروفيدنس، رود آيلاند، في نوفمبر 2011. ^{[ 12 ]} وخلال ذلك المؤتمر، صرّح المدير إريك تون قائلاً: "بعد مرور ثمانية عشر شهرًا على بدء البرنامج، بتنا على يقين من نجاحه. لكننا بحاجة إلى معرفة ما إذا كان بإمكاننا جعله ذا أثر ملموس". وقد تجاوزت عدة مجموعات مرحلة إثبات المبدأ، وتعمل حاليًا على توسيع نطاق المشروع بكفاءة من حيث التكلفة. وتُعتبر شركة بورشه حاليًا رائدة في هذه المشاريع، حيث تُقدّر تكلفة جالون الوقود الكهربائي لديها بخمسة وأربعين دولارًا. ^{[ 13 ]}

تتمتع الوقود الكهربائي بإمكانية إحداث تغيير جذري إذا كانت أنواع الوقود الكهربائي المحايدة للكربون أرخص من وقود البترول ، وإذا كانت المواد الكيميائية الأولية المنتجة بالتخليق الكهربائي أرخص من تلك المكررة من النفط الخام . كما أن للوقود الكهربائي إمكانات كبيرة في تغيير مشهد الطاقة المتجددة، إذ يسمح بتخزين مصادر الطاقة المتجددة من جميع المصادر بسهولة كوقود سائل، مما يقلل من تقليص الإنتاج . ^{[ 3 ]}

اعتبارًا من عام 2014نتيجةً لازدهار التكسير الهيدروليكي ، تحول تركيز وكالة مشاريع البحوث المتقدمة في مجال الطاقة (ARPA-E) من المواد الأولية الكهربائية إلى المواد الأولية القائمة على الغاز الطبيعي، وبالتالي ابتعد عن الوقود الكهربائي. ^{[ 14 ]}

في عام 2021، أعلنت أودي أنها تعمل على مشاريع وقود الديزل والبنزين الإلكتروني . ^{[ 15 ]} طورت شركة زيرو البريطانية ، التي أسسها عام 2020 مهندس الفورمولا 1 السابق بادي لوي ، عملية أطلقت عليها اسم "التخليق البترولي" لإنتاج وقود مستدام، وأنشأت مصنعًا للتطوير في مركز بيستر هيريتدج للأعمال بالقرب من أكسفورد . ^{[ 16 ]}

أعلنت شركة ستيلانتيس (التي تضم علامات تجارية رئيسية هي: ألفا روميو ، وبيجو ، وأوبل ، وسيتروين ، وكرايسلر ) في سبتمبر 2023 عن موافقتها على استخدام 28 مليون مركبة في أوروبا تعمل بالوقود الكهربائي. وجاء هذا الإعلان بعد عملية اختبار مطولة بالتعاون مع شركة أرامكو السعودية. وخضعت 24 عائلة من المحركات، التي تم تركيبها في أوروبا منذ عام 2014، لاختبارات شملت انبعاثات العادم، وسهولة التشغيل، وأداء المحرك، والموثوقية، والمتانة، وتخفيف الزيت، وخزان الوقود، وخطوط الوقود، والفلاتر، بالإضافة إلى أداء الوقود في درجات الحرارة المنخفضة والعالية للغاية. وتتوقع ستيلانتيس توفير ما يصل إلى 400 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون _بحلول عام 2050. ^{[ 17 ]}

في عام 2023، خلصت دراسة نشرها مركز التميز لأمن الطاقة التابع لحلف الناتو إلى أن الوقود الإلكتروني يمثل أحد أكثر مسارات إزالة الكربون الواعدة للتنقل العسكري عبر المجالات البرية والبحرية والجوية. ^{[ 18 ]}

تعتمد بعض العمليات الحالية التي تدعي إنتاج الوقود الكهربائي على الكهرباء المولدة من الوقود الأحفوري غير المتجدد ؛ وقد أقر الأكاديميون بضرورة هذه الأساليب في المراحل المبكرة من إنتاج الوقود الكهربائي على الرغم من طبيعتها غير البديهية. ^{[ 25 ]}

بحلول عام 2021، أوصى الاتحاد الأوروبي للنقل والبيئة ، وهو منظمة مناصرة ، قطاع الطيران بضرورة استخدام الكيروسين الكهربائي لما له من دور كبير في الحد من تأثيره على المناخ، ^{[ 26 ]} وينطبق الأمر نفسه على قطاع الشحن. ^{[ 27 ]} كما أشار إلى أن استخدام الوقود الكهربائي في السيارات يُنتج غازين دفيئين رئيسيين بالإضافة إلى _ثاني أكسيد الكربون الذي يتم امتصاصه أثناء الإنتاج: الميثان (CH4 ₎ وأكسيد النيتروز (N2O ₎ ؛ ولا يزال تلوث الهواء المحلي مصدر قلق، كما أنه أقل كفاءة بخمس مرات من الكهرباء المباشرة. ^{[ 28 ]}

تُعرّف أوروبا فئة من الوقود الكهربائي تُسمى "وقود النقل السائل والغازي المتجدد ذو الأصل غير البيولوجي" (RFNBO)، وهي مُطابقة كيميائيًا للوقود الكهربائي بشكل عام، ولكن بشروط أكثر صرامة. يجب أن تُنتج الطاقة بواسطة محطات طاقة متجددة جديدة غير مدعومة تقع في نفس منطقة المزايدة التي يقع فيها مرفق الوقود الكهربائي، ويجب أن يتم إنتاج الطاقة وإنتاج الوقود الكهربائي في وقت واحد، ويجب أن تكون مصادر الكربون من أنواع مُحددة. ^{[ 3 ] [ 29 ]}

في سبتمبر 2022، باعت شركة كيو باور الفنلندية لشركة بي تو إكس سوليوشنز وحدة إنتاج غاز الميثان الاصطناعي، والمقرر تسليمها في عام 2024 في هارجافالتا ، فنلندا، بجوار محطة إنتاج الهيدروجين الأخضر التابعة لها بقدرة 20 ميغاواط . ^{[ 30 ]} وتمتلك شركة رين-غاز عدة مشاريع لإنتاج غاز الميثان الاصطناعي في تامبيري ، ولاهتي ، وكوتكا ، وميكيلي، وبوري في فنلندا. ^{[ 31 ]}

مع اقتراب نهاية عام 2020، أعلنت شركة بورش عن استثمارها في الوقود الكهربائي، بما في ذلك مشروع هارو أوني في تشيلي، الذي ينتج الميثانول الاصطناعي من طاقة الرياح. ^{[ 32 ]} في ديسمبر 2022، افتتحت بورشه وشركة هايلي إنوفيتيف فيولز التشيلية محطة هارو أوني التجريبية في بونتا أريناس ، تشيلي، والتي تعمل بالطاقة الريحية وتنتج حوالي 130,000 لتر (29,000 جالون إمبراطوري ؛ 34,000 جالون أمريكي ) من الوقود الإلكتروني سنويًا في المرحلة التجريبية، مع خطط لزيادة الإنتاج إلى 55,000,000 لتر (12,000,000 جالون إمبراطوري ؛ 15,000,000 جالون أمريكي ) سنويًا بحلول عام 2026، و 550,000,000 لتر (120,000,000 جالون إمبراطوري ؛ 150,000,000 جالون أمريكي ) بحلول عام 2028، ليتم تصديرها عبر مينائها. ^{[ 33 ] [ 34 ]}               

• لوفيت، ريتشارد أ. (17 يونيو 2013). "الوقود الكهربائي: قد تُنتج الميكروبات المشحونة بديلاً للبنزين" . ناشيونال جيوغرافيك . مؤرشف من الأصل في 20 يونيو 2013. تم الاطلاع عليه في 23 يوليو 2013 .(الاشتراك مطلوب)
• تحالف الوقود الإلكتروني