البنية التحتية للهيدروجين

الطريق السريع للهيدروجين عبارة عن سلسلة من محطات تعبئة الهيدروجين وغيرها من البنية التحتية على طول الطريق أو الطريق السريع والتي تسمح لمركبات الهيدروجين بالسير.

تتلقى محطات الهيدروجين التي لا تقع بالقرب من خطوط أنابيب الهيدروجين إمداداتها من خزانات الهيدروجين عبر مقطورات أنابيب الهيدروجين المضغوط ، أو مقطورات الهيدروجين السائل ، أو شاحنات صهاريج الهيدروجين السائل ، أو من خلال الإنتاج المخصص في الموقع. وقد دعمت الحكومات بعض المبادرات لتوسيع البنية التحتية لوقود الهيدروجين في ولاية كاليفورنيا الأمريكية، وفي بعض الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي، واليابان، وغيرها.

يمكن استخدام خطوط أنابيب نقل الهيدروجين لربط نقطة إنتاج الهيدروجين أو توصيله بنقطة الطلب. ^{[ 8 ]} ووفقًا لتقرير بحثي صدر عام 2024، بلغ طول خطوط أنابيب الهيدروجين في الولايات المتحدة 2570 كيلومترًا (1600 ميل)، بينما بلغ الطول الإجمالي العالمي 4500 كيلومتر (2800 ميل). ^{[ 9 ]} ومع ذلك، قدّر المنتدى الاقتصادي العالمي ، في ديسمبر 2023، أن أوروبا تمتلك حوالي 1600 كيلومتر من خطوط أنابيب الهيدروجين. ^{[ 10 ]}

يحدث التقصف الهيدروجيني (انخفاض في ليونة المعدن نتيجة امتصاص الهيدروجين) بشكل أساسي مع الهيدروجين "القابل للانتشار"، أي الذرات أو الأيونات. أما غاز الهيدروجين، فهو جزيئي (H₂ ₎ ، وهناك حاجز طاقة كبير لتفكيكه إلى ذرات. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تُستخدم طريقة إعادة تشكيل البخار في 98% من إنتاج الهيدروجين . ^{[ 13 ]} كما تُستخدم طرق أخرى مثل التحليل الكهربائي للماء . ^{[ 14 ]} ويُزعم أن أكبر منشأة في العالم لإنتاج وقود الهيدروجين بالتحليل الكهربائي هي حقل فوكوشيما لأبحاث طاقة الهيدروجين ( ^{FH2R )} ، وهي وحدة لإنتاج الهيدروجين بقدرة 10 ميغاواط، تم افتتاحها في 7 مارس 2020 في نامي ، محافظة فوكوشيما . ^{[ 15 ]} ويشغل الموقع مساحة 180,000 متر مربع، يشغل جزء كبير منها ^مصفوفة شمسية ؛ ولكن تُستخدم الطاقة من الشبكة أيضًا لإجراء التحليل الكهربائي للماء لإنتاج وقود الهيدروجين . ^{[ 15 ]}

• ١٩٣٨ - راين-رور: أول خط أنابيب هيدروجين بطول ٢٤٠ كم (١٥٠ ميلاً) مصنوع من فولاذ الأنابيب العادي، بضغط هيدروجين يتراوح بين ٢١٠ و٢٠ بار (٢١٠٠٠-٢٠٠٠ كيلو باسكال) ، وقطر يتراوح بين ٢٥٠ و٣٠٠ مليمتر (٩.٨-١١.٨ بوصة) . لا يزال قيد التشغيل. ^{[ ١٧ ] [ ١٨ ]}    
• 1973 – خط أنابيب بطول 30 كم (19 ميل) في إيسبيرج ، فرنسا . ^{[ 19 ]}  
• 1985 – تمديد خط الأنابيب من إيسبيرغ إلى زيبروج
• 1997 – ربط خط الأنابيب بروتردام
• 1997 – 2000: تطوير شبكتين للهيدروجين، إحداهما بالقرب من كوربوس كريستي ، تكساس ، والأخرى بين فريبورت وتكساس سيتي .
• 2009 – تمديد خط الأنابيب لمسافة 150 ميلاً (240 كم) من بلاكوماين إلى تشالميت . ^{[ 20 ]}  

يُستخدم نقل الهيدروجين عبر خطوط الأنابيب أحيانًا لنقل الهيدروجين من نقطة الإنتاج أو التسليم إلى نقطة الاستهلاك. ورغم أن نقل الهيدروجين عبر خطوط الأنابيب تقنية ناضجة، ^{[ 21 ] [ 22 ]} إلا أن معظم الهيدروجين يُنتج في مكان الاستهلاك، حيث توجد منشأة إنتاج صناعية كل 80 إلى 161 كيلومترًا (50 إلى 100 ميل ) ^{[ 23 ] .} 

بالنسبة لأنابيب المعادن المستخدمة في العمليات الصناعية عند ضغوط تصل إلى 7000 رطل لكل بوصة مربعة (48 ميجا باسكال) ، يُفضل استخدام أنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي النقاء بصلابة قصوى تبلغ 80 HRB . ^{[ 24 ]} وذلك لأن الصلابة العالية ترتبط بانخفاض مقاومة الكسر ، وبالتالي فإن الفولاذ الأقوى والأعلى صلابة يكون أقل أمانًا.  

يتم تقييم الأنابيب المركبة على النحو التالي:

• هيكل من ألياف الكربون مع طبقة من الألياف الزجاجيةتمت أرشفة هذه الصفحة بتاريخ 2016-03-04 في موقع Wayback Machine .
• بيرفلورو ألكوكسي (PFA، MFA).
• متعدد رباعي فلورو الإيثيلين (PTFE)
• إيثيلين بروبيلين مفلور (FEP).
• البوليمرات المقواة بألياف الكربون (FRP)

تُجرى أبحاث على أنابيب البوليمر المقوى بالألياف (أو أنابيب FRP) والأنابيب البلاستيكية الحرارية المقواة . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

لا يؤدي نقل الهيدروجين في أنابيب الصلب (الدرجات: API5L-X42 وX52؛ حتى 1000 رطل لكل بوصة مربعة/7000 كيلو باسكال، ضغط ثابت/دورة ضغط منخفض) إلى تقصف الهيدروجين . ^{[ 29 ]} يُخزن الهيدروجين عادةً في أسطوانات فولاذية دون مشاكل.

• 2024: الولايات المتحدة الأمريكية - 1600 ميل (2600 كم) من خطوط أنابيب الهيدروجين منخفضة الضغط ^{[ 9 ]}  
• 2024: أوروبا – 1600 كم (990 ميل) من خطوط أنابيب الهيدروجين منخفضة الضغط. ^{[ 10 ]}  

تتلقى محطات تزويد الهيدروجين عادةً شحنات الهيدروجين بواسطة شاحنات صهريجية من موردي الهيدروجين. ^{[ 31 ]} قد يؤدي انقطاع في إمداد الهيدروجين إلى إغلاق العديد من محطات التزويد. ^{[ 32 ]} تتراوح تكلفة إنشاء محطة تزويد الهيدروجين بين مليون وأربعة ملايين دولار. ^{[ 33 ]}

اعتبارًا من عام 2019، يُنتج 98% من الهيدروجين عن طريق إعادة تشكيل الميثان بالبخار ، مما ينتج عنه انبعاث ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 13 ]} كما يُنقل معظم الهيدروجين بالشاحنات، مما يُسبب انبعاث التلوث أثناء نقله. ^{[ 31 ]}

يمكن تقسيم محطات تزويد الهيدروجين بالوقود إلى محطات خارجية، حيث يتم توصيل الهيدروجين عن طريق الشاحنات أو خطوط الأنابيب، ومحطات داخلية تقوم بإنتاج وضغط الهيدروجين للمركبات. ^{[ 40 ]}

يتتبع موقع H2stations.org محطات تعبئة الهيدروجين العالمية وينشر إحصاءات وخريطة. وقد أحصى الموقع ما مجموعه 980 محطة لتزويد الهيدروجين بالوقود قيد التشغيل في جميع أنحاء العالم (بما في ذلك محطات الحافلات والمحطات غير المخصصة للبيع بالتجزئة) حتى نهاية عام 2024. ^{[ 55 ]}

آسيا

في عام 2019، كان هناك 178 محطة وقود هيدروجيني متاحة للجمهور قيد التشغيل. ^{[ 56 ]} وبحلول نهاية عام 2024، كان هناك أكثر من 550 محطة قيد التشغيل في آسيا، بما في ذلك حوالي 200 محطة في الصين. ^{[ 55 ]}

اعتبارًا من مايو 2023كان هناك 167 محطة وقود هيدروجيني متاحة للجمهور في اليابان. ^{[ 57 ] [ 58 ]} وفي عام 2012 كان هناك 17 محطة هيدروجين، ^{[ 59 ]} وفي عام 2021، كان هناك 137 محطة وقود هيدروجيني متاحة للجمهور في اليابان. ^{[ 37 ]}

في عام 2019، كان هناك 33 محطة وقود هيدروجيني متاحة للجمهور في كوريا الجنوبية. ^{[ 56 ] [ 60 ]} إلا أنه في نوفمبر 2023، وبسبب مشاكل في إمدادات الهيدروجين وتعطل بعض المحطات، توقفت معظم محطات التزود بالوقود في كوريا الجنوبية عن تقديم الهيدروجين. ^{[ 61 ]} كانت 41 محطة من أصل 159 محطة هيدروجينية في البلاد مُدرجة على أنها مفتوحة، وكان بعضها يُقنّن إمدادات الهيدروجين. ^{[ 62 ]}

أتاحت تطبيقات متنوعة تطوير سيناريوهات مختلفة لتخزين الهيدروجين. وقدّم اتحاد Hy-Can ^{[ 84 ]} عبوة سعة لتر واحد بضغط 10 بار (1.0 ميجا باسكال؛ 150 رطل لكل بوصة مربعة) . كما باعت شركة Horizon Fuel Cells عبوة قابلة لإعادة التعبئة بضغط 3 ميجا باسكال (30 بار؛ 440 رطل لكل بوصة مربعة) مصنوعة من هيدريد معدني للاستخدام المنزلي. ^{[ 85 ]}    

• خزان معدني (فولاذ/ألومنيوم)
• أقصى الضغوط التقريبية: الألومنيوم 175 بار (17.5 ميجا باسكال؛ 2540 رطل لكل بوصة مربعة) ، الفولاذ 200 بار (20 ميجا باسكال؛ 2900 رطل لكل بوصة مربعة) .    

• خزان ألومنيوم ملفوف بخيوط مثل الألياف الزجاجية / الأراميد أو ألياف الكربون حول الأسطوانة المعدنية. ^{[ 86 ]} انظر وعاء الضغط المغلف بالمواد المركبة .
• أقصى الضغوط التقريبية: الألومنيوم/الزجاج 263 بار (26.3 ميجا باسكال؛ 3810 رطل لكل بوصة مربعة) ، الفولاذ/الكربون أو الأراميد 300 بار (30 ميجا باسكال؛ 4400 رطل لكل بوصة مربعة) .    

• خزانات مصنوعة من مواد مركبة ، أو من الألياف الزجاجية / الأراميد أو ألياف الكربون مع بطانة معدنية (ألومنيوم أو فولاذ).
• أقصى الضغوط التقريبية: الألومنيوم/الزجاج 305 بار (30.5 ميجا باسكال؛ 4420 رطل لكل بوصة مربعة) ، الألومنيوم/الأراميد 438 بار (43.8 ميجا باسكال؛ 6350 رطل لكل بوصة مربعة) ، الألومنيوم/الكربون 700 بار (70 ميجا باسكال؛ 10000 رطل لكل بوصة مربعة) .      

• خزانات مركبة مثل تلك المصنوعة من ألياف الكربون مع بطانة بوليمرية ( لدائن حرارية ). انظر التشكيل الدوراني والبلاستيك المقوى بالألياف .
• أقصى ضغط تقريبي: 700 بار (70 ميجا باسكال؛ 10000 رطل لكل بوصة مربعة) . ^{[ 87 ]}  

• خزان مصنوع بالكامل من مواد مركبة، بدون بطانة. قامت شركة تطوير تكنولوجيا المواد المركبة (كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية) ببناء نموذج أولي لخزان لتطبيق قمر صناعي في عام 2010، على الرغم من أن ضغط التشغيل كان 200 رطل لكل بوصة مربعة فقط، وكان يُستخدم لتخزين غاز الأرجون. ^{[ 88 ]}
• أقصى ضغط تقريبي: 1000 بار (100 ميجا باسكال؛ 15000 رطل لكل بوصة مربعة) .  

وفقًا للمعيار ISO/TS 15869 (المعدل):

• اختبار الانفجار: الضغط الذي ينفجر عنده الخزان، وعادة ما يكون أكثر من ضعف ضغط التشغيل.
• ضغط الاختبار: الضغط الذي سيتم عنده إجراء الاختبار، وعادة ما يكون أعلى من ضغط التشغيل.
• اختبار التسرب أو اختبار النفاذية، ^{[ 89 ]} بوحدة NmL/hr/L (لتر عادي من H2/الوقت بالساعة/حجم الخزان).
• اختبار الإجهاد ، عادةً ما يتضمن عدة آلاف من دورات الشحن/التفريغ.
• اختبار إشعال النار حيث يتم تعريض الخزان لنار مكشوفة.
• اختبار إطلاق النار حيث يتم إطلاق ذخيرة حية على الدبابة.

تم استبدال هذه المواصفة بالمواصفة ISO 13985:2006 وهي تنطبق فقط على خزانات الهيدروجين السائل.

المعيار الفعلي EC 79/2009

• تحتفظ وزارة الطاقة الأمريكية بموقع إلكتروني يُعنى بأفضل ممارسات السلامة المتعلقة بالهيدروجين، ويحتوي على معلومات وافية حول الخزانات والأنابيب. ^{[ 90 ]} وتشير الوزارة بإيجاز إلى أن "الهيدروجين جزيء صغير جدًا ذو لزوجة منخفضة، وبالتالي فهو عرضة للتسرب". ^{[ 91 ]}