تخزين الهيدروجين في وقود الطائرات يفتح آفاقاً جديدة للطيران المستدام

يُعدّ الطيران ركناً أساسياً في التواصل العالمي والنمو الاقتصادي، ولكنه يُسهم أيضاً بشكل كبير في تغيّر المناخ. ويُعدّ هذا القطاع مسؤولاً عن حوالي 2,5% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية و3,5% من التأثير الإشعاعي الفعّال عند أخذ التأثيرات غير المرتبطة بثاني أكسيد الكربون في الاعتبار (لي وآخرون، 2021). وفي ظل سعي العالم إلى تحقيق صافي انبعاثات كربونية صفري بحلول منتصف القرن، يواجه قطاع الطيران ضغوطاً للابتكار بسرعة. وتُعدّ أنواع الوقود التقليدية غير مستدامة على المدى الطويل، مما يدفع إلى البحث عن بدائل مثل الكهرباء والوقود الاصطناعي والهيدروجين.

من بين هذه البدائل، يبرز الهيدروجين، وخاصةً عند تخزينه في وقود الطائرات كحامل أو مُضاف، كحلٍّ هجين واعد. يستكشف هذا المقال التحديات التي تواجه قطاع الطيران، ويُعرّف الطيران المستدام، ويُقيّم الاستراتيجيات ودور الهيدروجين، ويدرس الإنجاز الكبير المتمثل في تخزين الهيدروجين في وقود الطائرات كجسر نحو سماء أكثر خضرة.

أجرى النموذج الأولي للطائرة توبوليف 155 التي تعمل بالهيدروجين أول رحلة لها في 15 نيسان 1988.

1. مشاكل الطيران العالمي وقضاياه.

التأثير البيئي.

• انبعث من الطيران العالمي 918 مليون طن متري من ثاني أكسيد الكربون في عام 2019.

• تُصدِر الطائرات غاز NOₓوبخار الماء والسخام والهباء الجوي، مما يُسهم في تكوّن خطوط الطيران التكاثفية وارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي.

• يُمكن أن تُضاعف التأثيرات غير المرتبطة بثاني أكسيد الكربون التأثير المناخي للطيران.

شاحنة وقود طائرات تابعة لشركة شل.

الاعتماد الاقتصادي على الوقود الأحفوري.

• يستهلك قطاع الطيران حوالي 300 مليار لتر من وقود الطائرات سنوياً.

• تُشكّل تكاليف الوقود ما بين 20% و30% من نفقات التشغيل لشركات الطيران.

الطلب المتزايد على السفر الجوي.

• من المتوقع أن يتضاعف عدد المسافرين جواً بحلول عام 2045 .

• بدون تدخل، قد ترتفع الانبعاثات بنسبة 300% بحلول منتصف القرن.

2. مفهوم الطيران المستدام.

التعريف.

يشير الطيران المستدام إلى تصميم الطائرات والأنظمة الداعمة لها وتشغيلها وابتكارها بطرائق تُقلِّل من الأثر البيئي، وتُحسّن كفاءة الطاقة، وتُقلِّل الضوضاء والتلوث مع الحفاظ على السلامة والجدوى الاقتصادية.

فيول الطائرات المُستدام.

الأهداف.

• تحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية بحلول عام 2050 (أهداف اتحاد النقل الجوي الدولي (IATA) ومنظمة الطيران المدني الدولي (ICAO)).

• تطوير ودمج تقنيات ووقود منخفض الانبعاثات.

• تحسين الكفاءة التشغيلية وإدارة الحركة الجوية.

3. مناهج واستراتيجيات الطيران المستدام.

أ. وقود الطيران المستدام.

• الوقود الحيوي المصنوع من مواد خام مثل الطحالب، ودهون النفايات، والمخلفات الزراعية.

• انبعاثات دورة حياة أقل بنسبة 80% مقارنةً بالوقود التقليدي.

• التحدي: يُشكل حالياً أقل من 1% من استخدام وقود الطائرات العالمي.

حلقت طائرة بوينغ فانتوم آي بدون طيار التي تعمل بالهيدروجين لأول مرة في 1 يونيو 2012.

ب. الكهرباء.

• مُناسب للطائرات قصيرة المدى (أقل من 500 كم).

• كثافة طاقة البطارية (حوالي 250 واط/كغ) غير كافية للرحلات الطويلة.

• تُعيق قيود الوزن والمدى قابلية التوسُّع.

ت. احتراق الهيدروجين أو خلايا الوقود.

• يُمكن حرق الهيدروجين في التوربينات أو استخدامه في خلايا الوقود.

• عند إنتاجه بالتحليل الكهربائي باستخدام الطاقة المتجددة (الهيدروجين الأخضر)، يكون خالياً من الكربون.

• كثافة الطاقة: 120 ميجا جول/كغ (ثلاثة أضعاف كثافة الكيروسين)، ولكن بكثافة حجمية منخفضة جداً.

ث. التحسينات التشغيلية.

• تحسين التوجيه، وإدارة الحركة الجوية، وتخفيف وزن الطائرات.

• يُمكن أن يُقلِّل الانبعاثات بنسبة 5-10%.

4. جدوى استراتيجيات الطيران المستدام.

الاستراتيجية                                            الجاهزية التقنية          الفائدة للمناخ         التكلفة         قابلية التوسع

الطائرات ذاتية القيادة                               متوسطة                          عالية                 عالية          متوسطة

الطائرات الكهربائية                                 منخفضة (طويلة المدى)    متوسطة            متوسطة      منخفضة

طائرات الهيدروجين                                 منخفضة-متوسطة             عالية جداً           عالية جداً       منخفضة

هجينة (يحتوي وقودها على الهيدروجين)   متوسطة-عالية                   عالية                 متوسطة        عالية

• لا تزال الطائرات ذاتية القيادة باهظة الثمن: حوالي 1,50-2,00 دولار أمريكي للتر مقابل حوالي 0,70 دولار أمريكي للطائرة النفاثة A-1.

• تتطلب طائرات وقود الهيدروجين بنية تحتية جديدة، وتخزيناً مُبرّداً، وإعادة تصميم هياكل الطائرات.

• يبرز تخزين الهيدروجين كيميائياً في الوقود السائل كبديل عملي.

5: نهج الهيدروجين نحو الطيران المستدام.

يوفِّر الهيدروجين ناقل طاقة خالٍ من الكربون عند إنتاجه بشكل مستدام. هناك نهجان رئيسيان:

أ. احتراق الهيدروجين في توربينات غازية معدلة.

ب. الدفع الكهربائي بخلايا الوقود.

لا يُصدر الهيدروجين أي ثاني أكسيد كربون، بل يُصدر فقط الماء وكميات صغيرة من NOₓ، ولكن يجب تخزينه على النحو التالي:

• غاز مضغوط عند ضغط ٧٠٠ بار،

• سائل مُبرّد عند درجة حرارة -٢٥٣ درجة مئوية، أو

• مُركّب كيميائياَ في أوساط حاملة.

6: صعوبات استخدام الهيدروجين في الطيران.

أ. تحديات التخزين.

• الهيدروجين السائل أكبر بأربع مرات من وقود الطائرات النفاثة (Jet-A) لكل وحدة طاقة.

• خزانات التبريد المُبرّد ثقيلة ومعقدة، مما يؤثّر على تصميم الطائرات.

ب. البنية التحتية والتكلفة.

• ما تزال البنية التحتية العالمية للهيدروجين غير مُطوّرة.

• تكلفة الهيدروجين الأخضر: ٤-٦ دولارات للكيلوغرام في عام ٢٠٢٣؛ يجب أن تنخفض إلى أقل من دولارين للكيلوغرام لتكون قادرة على المنافسة.

ت. إعادة تصميم الطائرات.

• من غير المتوقع إطلاق مفهوم إيرباص ZEROe(طائرة الهيدروجين) قبل عام ٢٠٣٥.

• يتطلب الهيدروجين تصميمات جديدة كلياً لهيكل الطائرة.

7: تخزين الهيدروجين في وقود الطائرات: إنجاز هجين.

المفهوم.

يجمع تخزين الهيدروجين في وقود الطائرات السائل باستخدام جزيئات غنية بالهيدروجين - تُعرف أيضاً باسم ناقلات الهيدروجين العضوية السائلة (liquid organic hydrogen carriers LOHCs) أو الوقود المستحلب - البنية التحتية الحالية مع فوائد الهيدروجين.

الآلية.

• يُعدّل وقود الطائرات ليحمل الهيدروجين المرتبط كيميائياً، أو يُستحلب الهيدروجين فيزيائياً.

• عند الاحتراق أو التفاعل التحفيزي، يُطلق الهيدروجين ويُحرق بانبعاثات أقل.

المزايا.

• يستخدم محركات الطائرات الحالية مع تعديلات طفيفة.

• يتجنب تخزين الهيدروجين بالتبريد أو الضغط العالي.

• يُعزِّز محتوى الطاقة في الوقود.

• يُحتمل أن يُقلِّل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 30-50% حسب نظام الناقل.

8: جدوى تخزين الهيدروجين كحلٍّ للطيران المستدام.

الجدوى الاقتصادية.

• يُقلِّل من الحاجة إلى بنية تحتية جديدة.

• استراتيجية انتقالية قبل أن تصبح طائرات الهيدروجين جاهزةً بالكامل.

• قد تكون التكاليف أقل بنسبة 30-40% من تكاليف التحول إلى أنظمة الهيدروجين النقي.

الاستعداد التكنولوجي.

• تُشير الأبحاث في المركز الألماني للطيران والفضاء (DLR) ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وشركة شل إلى نتائج واعدة.

• تُجرى حالياً اختبارات تجريبية على وقود حامل للهيدروجين في الطائرات العسكرية والبحثية.

تأثير الانبعاثات.

• بناءً على تركيز الهيدروجين وكفاءة الاحتراق:

• انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 30-70%،

• انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد النيتروجين والجسيمات،

• انخفاض احتمالية تكوين خطوط تكاثف.

9: مستقبل تخزين الهيدروجين في الطيران المستدام.

السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

• رحلات تجريبية للطائرات باستخدام وقود نفاث مخلوط بالهيدروجين.

• معايير تنظيمية من منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) والجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) لاعتماد الوقود المختلط.

• التكامل في أساطيل الشحن والأساطيل العسكرية.

2030-2040.

• يمكن أن يشكل وقود الهيدروجين المختلط ما بين 20% و30% من مزيج وقود الطائرات.

• إمكانات السوق: 50-70 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2040 .

• تحول تدريجي في البنية التحتية نحو أنظمة الهيدروجين والوقود الاصطناعي بالكامل.

رؤية طويلة المدى.

• يُصبح تخزين الهيدروجين في وقود الطائرات استراتيجيةً فعّالة:

• تُمكّن من إزالة الكربون دون الحاجة إلى إعادة تصميم شاملة.

• تُتيح الوقت لاقتصاد الهيدروجين للتوسُّع.

• تُوازن بين التكنولوجيا والتكلفة والسلامة والأداء.

الخلاصة.

يُمثل تخزين الهيدروجين في وقود الطائرات ابتكاراً يُحدث نقلة نوعية في مجال الطيران المستدام. فهو يُسدّ الفجوة بين البنية التحتية كثيفة الكربون اليوم وأنظمة الهيدروجين النظيفة غداً. في حين يواجه الطيران المُعتمِد على الهيدروجين النقي عقبات تقنية واقتصادية، فإن دمج الهيدروجين في وقود الطائرات يوفر مساراً عملياً وفعّالاً من حيث التكلفة لخفض الانبعاثات في الوقت الحالي. ومع استمرار نمو قطاع السفر الجوي، يوفِّر هذا النهج الهجين طريقةً عمليةً وقابلةً للتطوير لمواءمة قطاع الطيران مع أهداف المناخ العالمية، مما يُحوّل أحد أكثر القطاعات تلويثاً إلى منارةٍ للابتكار والاستدامة.