يُعد تكييف الخبرات الحالية في مجال الكربون أمراً بالغ الأهمية لحل التحديات المتعلقة بمعدات الهيدروجين
أصغر عنصر في العالم يحمل في طياته إمكانات هائلة وآمالًا كبيرة.
يُنظر إلى هذا العنصر الذي يسهل التخلص منه باعتباره أحد الحلول لما يمكن اعتباره أكبر تساؤل في عصرنا. كيف يمكننا التخلص من الكربون دون الإخلال بالاستقرار؟
مع نمو العالم، وما يترتب على ذلك من زيادة متواصلة في الطلب على الطاقة — حيث يتزايد استهلاكها في جميع أنحاء العالم يومًا بعد يوم — تزداد صعوبة تحقيق معادلة إزالة الكربون التي تعالج مسألة تغير المناخ بشكل ملائم — دون إلقاء الاقتصاد العالمي في دوامة من الاضطراب، أو إعاقة تقدم الدول النامية، أو دفع التضخم إلى مستويات أعلى، والأهم من ذلك كله، دون تعريض أمن الطاقة للخطر على نطاق واسع.
لذا، ربما يكون من المناسب أن يتطلع الكثيرون إلى عنصر الهيدروجين — الذي يصعب تحديده، رغم وفرته الهائلة — باعتباره الحل.
العنصر الأكثر وفرة في الكون شديد الاشتعال، وعندما يحترق فإن الماء هو الناتج الثانوي الوحيد الذي ينتج عنه.
يبدو الأمر جيدًا لدرجة يصعب تصديقها. فلماذا لا نقود جميعًا سيارات تعمل بخلايا وقود الهيدروجين إذن؟
سببان.
التكلفة، والمخاطر.
المحفزات الحالية المستخدمة في خلايا الوقود الهيدروجينية، وعلى رأسها البلاتين، باهظة الثمن لدرجة لا تجعلها مجدية تجاريًا.
وكما يعلم معظمنا من كارثة هيندنبورغ، فإن الهيدروجين غير المحتوى يمكن أن يؤدي إلى عواقب كارثية.
تُحرز تقدمات ملموسة في خفض كمية البلاتين باهظة الثمن اللازمة لخلايا وقود الهيدروجين. وتقول شركتا هوندا وجنرال موتورز إنهما خفضتا تكاليف إنتاج طراز CR-V الذي يعمل بالهيدروجين بمقدار الثلث، وذلك عن طريق تقليل كمية هذا المعدن النادر المستخدمة. (Shutterstock)
ومع ذلك، فإن صناعة الهيدروجين كطاقة الناشئة تحرز تقدماً، لا سيما فيما يتعلق بجانبي الإنتاج والتخزين، وهما جانبان سيساهمان بشكل كبير في خفض التكاليف الباهظة التي يفرضها التحديان المذكوران سابقاً.
تساعد شركة «ستريم-فلو» في تزويد من يقومون بهذين النشاطين بالمعدات اللازمة.
قامت الشركة العالمية المتخصصة في أنظمة التحكم في الضغط والصمامات، والتي تتخصص في رؤوس الآبار والصمامات البوابية والصمامات المانعة للرجوع والصمامات الكروية وأنظمة السلامة السطحية، بتوريد رؤوس آبار الهيدروجين وملحقاتها لبئر إنتاج في مالي وبئر تخزين في ألبرتا.
يقول كيث فاركوهارسون، المستشار الأول في شركة «ستريم-فلو» والذي شغل سابقًا منصب نائب رئيس قسم التكنولوجيا فيها، إنه بفضل خبرة الشركة التي تزيد عن 60 عامًا في مساعدة قطاع النفط والغاز على احتواء الضغط السطحي بأمان ونقل الهيدروكربونات من البئر إلى المراحل اللاحقة من خط الإنتاج، فإن خبرتها في تطبيقات الظروف التشغيلية القاسية هي التي مكنتها من احتلال مكانة رائدة في مجال الهيدروجين الناشئ.
وقال فاركوهارسون، في معرض حديثه عن مواصفات خزان تخزين الهيدروجين في ألبرتا: «لم يكن هناك أي شيء في الخزان استلزم منا ابتكاره، بل اكتفينا بإعادة ترتيب بعض العناصر في تصميم منتجنا الحالي».
يظهر صمام بوابة «كراون» من طراز «ستريم-فلو» على أرضية ورشة العمل بعد أن تم تجميعه بالكامل واختباره وطلائه. وقد طورت الشركة مجموعة من الصمامات المصممة للاستخدام مع الهيدروجين، تتراوح أحجامها بين بوصتين وتسع بوصات. (ريد فرانسيسكو)
ونظرًا لصغر حجم الهيدروجين، كان احتواؤه هو التحدي الأول الذي واجهه فاركوهارسون وفريق العمل في هذا المشروع.
قال فاركوهارسون، في معرض حديثه عن خبرتهم في التعامل مع بيئات كبريتيد الهيدروجين (H2S): «تعد التكرار في نظام الإحكام فلسفة يتبعها عملاؤنا للحد من المخاطر، وهذا أمر نقوم به بشكل روتيني في بيئات الغاز الحامض الحرجة». «ثم من ناحية حجم الجزيئات، فإن الاختبارات التي أجريناها بشأن الانبعاثات المتسربة والقواعد المتعلقة بالميثان، تطلبت إجراء اختبارات باستخدام الهيليوم، وتعلم كيفية جعل الختم يعمل مع الهيليوم، وهو جزيء مشابه في الحجم لجزيء الهيدروجين — ونفس النهج ينطبق هنا. والآن أصبح الأمر مجرد مشكلة تتعلق بالمواد».
كيث فاركوهرسون، المستشار الأول في شركة «ستريم-فلو»، جالسًا في مكتبه في إدمونتون، ألبرتا. على مدى أكثر من 35 عامًا، ساهم فاركوهرسون في تطوير ودفع عجلة التطور التقني وتطوير المنتجات في شركة «ستريم-فلو»، وهو مدرج كمخترع في أكثر من 10 براءات اختراع تمتلكها الشركة. (ريد فرانسيسكو)
ومرة أخرى، ستكون خبرة شركة «ستريم-فلو» في مجال الغاز الحامض مفيدة للغاية، كما يوضح ريك ميكو، مدير هندسة المشاريع في «ستريم-فلو»، وهو الشخص الذي قاد جميع جهود تصميم آبار التخزين في الشركة.
قال ميكو: «وجدنا أن المواد المناسبة لبيئات غاز كبريتيد الهيدروجين (H2S) تعمل بشكل جيد جدًّا في بيئات تخزين الهيدروجين». «تواجه نفس المشكلات التصميمية مع الهيدروجين النقي التي تواجهها مع غاز كبريتيد الهيدروجين (H2S)، وهي مشكلة التقصف. يتفكك الهيدروجين الجزيئي (H2) إلى أيونات الهيدروجين (H+)، التي تذوب بعد ذلك في السبيكة، وتتجمع عند العيوب أو حدود الحبيبات. وعندما تتحد أيونات H+ مجددًا لتشكل H2، فإنها تشغل مساحة أكبر بكثير مما كانت تشغله كأيونات منفردة، لذا فإن تكوين جزيء H2 يضع ضغطًا على الشبكة المعدنية. وإذا لم تكن البنية المجهرية مرنة بما يكفي لامتصاص هذه الضغوط الناتجة، فسوف تصبح هشة أو تتشقق. إن استخدام مواد متوافقة مع معايير NACE أثبتت مرونة كافية للاستخدام في بيئات H2S يمنحنا ضمانًا بأن المادة ستكون مناسبة للاستخدام في بيئات الهيدروجين (H2)».
رأس بئر من طراز «ستريم-فلو» بالقرب من بلدة ديدسبري، ألبرتا. (باتريك كيلي)
وبعد الانتهاء من الأعمال المتعلقة برأس البئر، حان الوقت لكي يوجهوا اهتمامهم إلى تصميم صمامات بوابة الهيدروجين. وهذه هي الصمامات التي تنطلق من رأس البئر وتعمل إما في وضع الفتح الكامل أو الإغلاق الكامل، إما لتوفير التدفق الكامل للسائل أو الغاز في خط الأنابيب، أو لإيقافه تمامًا.
تقول ميكو إن تصميمها تطلب بعض التفكير الإضافي.
قال ميكو: «تنطوي الصمامات على مخاطر أكبر قليلاً مقارنة برأس البئر، لأن الصمامات هي آلية الإغلاق وتحتوي على أجزاء متحركة». «وتشكل الأختام الديناميكية تحديًا أكبر من الأختام الثابتة. كما أن تضمين الأختام الاحتياطية والتحقق منها أسهل في رأس البئر».
ندخل إلى توم غوست، مدير الهندسة في شركة «ستريم-فلو» المتخصص في صمامات البوابة.
قال غوست: «من ناحية ما، دخلنا في تجربة». «لا توجد مواصفات تنص على أنه يتعين عليك القيام بهذا وذاك وذاك، لذا فأنت تعمل وفقًا لما تراه الأفضل».
من بين العناصر التي رأى غوست وفريقه أنها ستكون الأفضل في صمام مصمم للاستخدام مع الهيدروجين، وجود مانع تسرب احتياطي فوق حشية الساق، وطبقة صلبة ملحومة على البوابة والمقاعد.
قال غوست: «تحاول الحد من المسامية. فإذا كانت هناك مسامية، فستكون معتمدًا على مادة مانعة للتسرب، ورأينا أن ذلك ليس فكرة جيدة عند استخدام الهيدروجين».
لأنه، كما أشارت ميكو سابقًا، يمكن أن تؤدي تلك المسامية إلى هشاشة المادة، ويمكن أن تؤدي الهشاشة بدورها إلى فقدان الاحتواء. وفقدان الاحتواء في حالة وجود الهيدروجين... حسنًا، حادثة هيندنبورغ.
وبفضل خبرتهم ودرايتهم الواسعة في مجالات الهندسة الحامضية والضغط العالي وهندسة المواد، والتي شكلت أساس مرحلة التصميم، حان الوقت لفريق «ستريم-فلو» المعني بالهيدروجين لإجراء بعض الاختبارات على النماذج الأولية.
أُجريت الاختبارات في منشأة التصنيع التابعة لشركة «ستريم-فلو» التي تبلغ مساحتها أكثر من 300,000 قدم مربع في مدينة إدمونتون.
في نهاية المطاف، اجتاز رأس البئر الاختبار دون أي مشكلة.
"كنا قد أعددنا طريقتين إضافيتين للكشف عن التسربات إلى جانب إجراءاتنا المعتادة"، كما يتذكر ميكو. "كان لدينا ما يُعرف بـ«جهاز استشعار الهيدروجين» الذي يقيس بالجزء في المليون، وكان معيار القبول هو صفر جزء في المليون، وقد اجتزنا هذا الاختبار."
أما أداة الكشف عن التسرب الأخرى فكانت كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
قالت ميكو: «عادةً ما ترتفع درجة حرارة الغاز مع تمدده. لذا، إذا حدث تسرب، فسوف يظهر ارتفاع في درجة الحرارة في مكان التسرب».
وعلى غرار جهاز الكشف، لم تكتشف الكاميرا التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء أي شيء أيضًا. لذا أرادت ميكو وجميع الحاضرين التأكد من أن الأجهزة نفسها تعمل بالفعل.
قال ميكو: «ما قمنا به هو فصل جميع أجهزة اختبار الضغط، وقمنا في الواقع بتفريغ بعض غاز الهيدروجين من خزان التخزين». «ثم فجأة بدأت أجهزة المراقبة تصدر إنذارات عالية، ورصدت الكاميرا التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذلك، لذا أدركنا أن الأجهزة تعمل بشكل سليم».
وكذلك معدات رأس البئر، كما هو مخطط لها.
وبالنسبة للصمام البوابي، ونظراً لارتفاع مخاطر استخدامه، فقد استلزم الأمر إجراء سلسلة من الاختبارات.
صمام بوابة AV من طراز Stream-Flo Crown، والذي يستخدم بوابة قابلة للتمدد ومزودة بفتحة تهوية لتوفير إحكام ميكانيكي تام.
وأوضح ميكو قائلاً: «لقد ذهبنا إلى أبعد مما قمنا به فيما يتعلق بصمامات رؤوس الآبار. فقد أجرينا اختبار الهيدروجين النقي، ثم أجرينا اختباراً كاملاً وفقاً للملحق F من المعيار PR2 API 6A، ثم أجرينا اختبار الحريق. وقد قمنا بذلك لمجموعتنا من صمامات الهيدروجين، التي تتراوح أحجامها من بوصتين إلى تسع بوصات».
بعد الانتهاء من الاختبارات، حان الوقت لإرسال المنتجات النهائية إلى الموقع، حيث سيصدر العالم الواقعي حكمه عليها.
تطلب بئر تخزين الهيدروجين استخدام تقنية التعدين بالحلول لإنشاء الكهف الملحي الذي سيُخزن فيه الهيدروجين. وقد استغرق الأمر 24 شهراً كاملاً من الضخ المستمر للمياه في التكوين الملحي لإنتاج المياه المالحة — ثم إعادة استخدام تلك المياه المالحة لاستخراج الكهف — مما زاد من التحدي الذي واجهه فريق مشروع الهيدروجين التابع لشركة «ستريم-فلو».
قال ميكو: «يمكنك أن تتخيل المياه المالحة والضغط والتدفق، بالإضافة إلى أحجام التدفق الكبيرة — إنها بيئة شديدة التآكل والتآكل». «كان علينا استخدام مواد ومكونات يمكن استخدامها في كل من بيئة الهيدروجين وبيئة المياه المالحة».
وقد تطلب ذلك مواكبة المراحل المختلفة لمشروع استخراج الحلول وآبار التخزين، وتوفير معدات متوافقة يمكن استبدالها بسهولة وفقًا للمرحلة الحالية.
بعد إنشاء الكهف وإتمام جولتين من اختبارات التخزين، تقول شركة «ميكو» إن معدات الهيدروجين الخاصة بها قد أدت وظيفتها كما كان متوقعًا.
قالت ميكو: «لقد سارت الأمور في الواقع بسلاسة تامة». «كان المشروع سلسًا للغاية من البداية إلى النهاية، وكان من أكثر المشاريع التي شاركت فيها تفاعلاً من جانب الشركتين».
ريك ميكو، مدير الهندسة في مشروع «ستريم-فلو»، يتحدث عن جهود الشركة لتطوير منتجات الهيدروجين في إدمونتون، ألبرتا. (ريد فرانسيسكو)
ما بدأ، في بعض النواحي، كتجربة — كما قال غوست — وإن كانت تجربة مستندة إلى عقود من الخبرة في التغلب على بعض أصعب التحديات في مجال النفط والغاز، لا سيما في مجال رؤوس الآبار والصمامات — قد أسفر عن وضع مواصفات منتجين جديدين من «ستريم-فلو» مصممين خصيصًا للاستخدام مع الهيدروجين.
"ستكون صناعة النفط والغاز مجهزة تجهيزًا جيدًا للتعامل مع هذا الأمر باعتباره تحديًا؛ وأعتقد أننا كصناعة مستعدون للبدء في العمل على مشاريع الهيدروجين"، هكذا لخص فاركوهارسون، الذي ظل يدرس مسألة الهيدروجين كمورد لسنوات عديدة، بالإضافة إلى توجيه عملية تطوير منتجات شركة «ستريم-فلو» في هذا المجال.
"لا يوجد إمداد كبير من الهيدروجين؛ فهناك خطط طموحة والكثير من الأحلام والطموحات، لكن صناعة الهيدروجين لا تزال صغيرة"، كما صرح فاركوهارسون. "يوجد حالياً ستة آبار لتخزين الهيدروجين. وهذا العدد موزع في كل مكان. أما اليوم، فسوف نشارك في إنجاز أكثر من ستة آبار للنفط والغاز."
ويقول فاركوهارسون إن هذا يعني أنه يجب تخفيف التوقعات فيما يتعلق بقدرة الهيدروجين على التدخل بسرعة لإنقاذ الموقف، وإن كان يضيف أن هذا العنصر سيوفر بالتأكيد فرصًا في المستقبل.
وستكون الشركات الرائدة في هذا المجال، مثل «ستريم-فلو»، هي التي ستكون مستعدة لمساعدة المجتمع على اغتنام تلك الفرصة عندما تحين، من خلال تزويد منتجي الطاقة — الذين يعملون على معالجة جميع القضايا الكبرى التي تم توضيحها في البداية — بما يلزمهم من موارد.
قال فاركوهارسون: «هناك مشكلة تتعلق بالكربون، والخبراء في مجال الكربون يعملون حالياً في صناعة النفط والغاز». «هؤلاء هم من سيحلون هذه المشكلة».
رؤوس آبار من طراز «ستريم-فلو» في انتظار تركيبها في حوض بيرميان.