هل يصبح الحديد وقود المستقبل ؟

في خطوة علمية قد تعيد رسم ملامح مستقبل الطاقة النظيفة، يدرس باحثون إمكانية الاستفادة من مسحوق الحديد بوصفه وقوداً قابلاً لإعادة التدوير، يمكن أن يسهم في تخزين الطاقة المتجددة لفترات طويلة، ونقلها عبر مسافات شاسعة، بل وإعادة تشغيل محطات الكهرباء العاملة بالفحم بعد تحويلها إلى منشآت تعتمد على وقود خالٍ من الانبعاثات الكربونية.

وكشفت دراسة جديدة أجراها باحثون في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) بألمانيا، أن مسحوق الحديد قد يمثل حلاً واعداً لضمان استقرار إمدادات الكهرباء في أوروبا، خصوصاً خلال الفترات الطويلة التي تتراجع فيها معدلات توليد الطاقة من الرياح وأشعة الشمس، وفي المناطق التي تفتقر إلى إمكانات كافية لتخزين الطاقة بالوسائل التقليدية.

دورة متكاملة

وتعتمد الفكرة على دورة متكاملة يمكن من خلالها استخدام الحديد وتوليد الطاقة منه، ثم استعادته وإعادة استخدامه مرات متتالية. فعند حرق مسحوق الحديد، تتولد حرارة يمكن الاستفادة منها في إنتاج الكهرباء، بينما يتحول الحديد إلى أكسيد الحديد، المعروف باسم «الصدأ». وبعد ذلك، يُستخدم الهيدروجين المنتج من مصادر الطاقة المتجددة لاستخلاص الأكسجين من أكسيد الحديد، وإعادة تحويله إلى حديد قابل للاستخدام مجدداً.

وقالت جوليا شولر، من معهد الإنتاج الصناعي التابع للمعهد، إن هذه العملية تعمل ضمن دورة مغلقة لا ينتج عنها انبعاث لثاني أكسيد الكربون أو مواد ضارة بالبيئة، ما يجعلها خياراً محتملاً لدعم التحول نحو أنظمة طاقة أكثر استدامة.

منشآت جديدة

ومن أبرز مزايا هذه التقنية إمكانية الاستفادة من البنية التحتية لمحطات الكهرباء العاملة بالفحم، بدلاً من التخلي عنها بالكامل أو إنشاء منشآت جديدة من الصفر.

وأوضحت شولر أن مسحوق الحديد يتصرف عند احتراقه بطريقة تشبه إلى حد كبير الفحم، وهو ما دفع الباحثين إلى دراسة إمكانية تكييف محطات الفحم القائمة للعمل باستخدامه وقوداً بديلاً.

ووفقاً للدراسة، ستتركز التعديلات المطلوبة في الغالب على المعدات المسؤولة عن توليد الحرارة، بينما يمكن الإبقاء على مكونات رئيسية أخرى، مثل التوربينات البخارية والمولدات الكهربائية وشبكات الربط مع منظومة الكهرباء.

وتبدو ألمانيا من بين الدول الأكثر قدرة على الاستفادة من هذا التوجه، نظراً إلى امتلاكها عدداً كبيراً من محطات الفحم، إلى جانب إمكانية إعادة توظيف شبكات التدفئة والبنية التحتية المرتبطة بها، بما يحد من تكاليف التحول إلى مصادر الطاقة النظيفة.

الطاقة المتجددة

ولا تقتصر أهمية مسحوق الحديد على توليد الكهرباء، بل تمتد إلى توفير وسيلة عملية لتخزين الطاقة المتجددة ونقلها بين الدول والمناطق المختلفة.

فبدلاً من نقل الكهرباء مباشرة من مزارع الرياح الساحلية أو محطات الطاقة الشمسية في المناطق الصحراوية، يمكن استخدام الكهرباء المنتجة لتحضير الهيدروجين، الذي يتولى بدوره تحويل أكسيد الحديد إلى حديد معدني.

وبعد ذلك، يُعبأ مسحوق الحديد ويُنقل إلى وجهته، حيث يمكن حرقه لاستعادة الطاقة المخزنة فيه على هيئة حرارة تُستخدم لتوليد الكهرباء.

وتكمن الميزة الأساسية في أن مسحوق الحديد أسهل نسبياً في التخزين والنقل لفترات طويلة مقارنة بالهيدروجين، الذي يتطلب بنية تحتية متخصصة، تشمل خطوط أنابيب ومنشآت لاستيراده وتخزينه، فضلاً عن متطلبات تقنية خاصة للتعامل معه.

ومن شأن ذلك أن يقلل الاستثمارات اللازمة لنقل الطاقة النظيفة بين المناطق، كما يتيح الاستفادة من فائض الكهرباء المتجددة داخل أوروبا لإعادة إنتاج الحديد محلياً، عبر مرحلة وسيطة تعتمد على الهيدروجين.

نموذج متقدم

ولقياس الجدوى المحتملة لهذه التقنية، طور علماء المعهد نموذجاً متقدماً لأنظمة الطاقة، استناداً إلى نتائج مشروع «Clean Circles»، وبدعم من مؤسسة أبحاث الطاقة في ولاية بادن فورتمبيرغ الألمانية.

ووسع الباحثون نموذج «PERSEUS» ليشمل محطات توليد الكهرباء العاملة بمسحوق الحديد، والمنشآت المخصصة لإعادة تحويل أكسيد الحديد إلى حديد قابل للاستخدام، إلى جانب البنية التحتية اللازمة للتخزين والنقل.

واستخدم الفريق النموذج لمحاكاة تطور منظومة طاقة أوروبية محايدة مناخياً بحلول عام 2050، مع مقارنة مسحوق الحديد بتقنيات أخرى، من بينها البطاريات وتخزين الهيدروجين ومحطات توليد الكهرباء العاملة به.

وأظهرت نتائج المحاكاة أن محطات الكهرباء المعتمدة على مسحوق الحديد ظهرت ضمن منظومة الطاقة الأقل تكلفة في جميع السيناريوهات التي درسها الباحثون، دون أن يعني ذلك إمكانية الاستغناء عن الهيدروجين، إذ تشير النتائج إلى أن التقنيتين قد تكمل إحداهما الأخرى.

فوائد

وبرزت الفوائد الأكبر لهذه التقنية في الدول التي تفتقر إلى موارد الطاقة الكهرومائية، أو لا تتوافر فيها مواقع مناسبة لتخزين الهيدروجين تحت الأرض. ففي هذه المناطق، يمكن للحديد أن يؤدي دوراً مهماً في تأمين إمدادات الكهرباء خلال فترات طويلة من ضعف إنتاج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، كما قد يخفف الضغط على خطوط نقل الهيدروجين ومنشآت استيراده عندما تصل طاقتها الاستيعابية إلى حدودها القصوى.

الحياد المناخي

وأكدت شولر أن الحديد قد يؤدي دوراً خاصاً، وإن كان ذا جدوى اقتصادية، في تحقيق الحياد المناخي وضمان إتاحة الطاقة المتجددة بصورة موثوقة ومستقرة.

ومع ذلك، فإن تحول مسحوق الحديد إلى أحد ركائز منظومة الطاقة المستقبلية لا يزال مرهوناً بتجاوز تحديات تقنية واقتصادية، أبرزها تحديد حجم التعديلات المطلوبة على محطات الفحم القائمة، ورفع كفاءة عملية إعادة تحويل أكسيد الحديد إلى معدن قابل للاستخدام مجدداً.

ورغم أن نتائج النماذج الحاسوبية تقدم مؤشرات واعدة بشأن قدرة هذه التقنية على استكمال دور الهيدروجين في منظومة الطاقة النظيفة، فإن إثبات قدرتها التنافسية سيعتمد على كفاءة عمليات الحرق والاستعادة وإعادة التدوير عند تطبيقها عملياً على نطاق واسع.

وبينما يتجه العالم إلى البحث عن حلول تضمن استمرارية الطاقة المتجددة حتى في غياب الشمس والرياح، قد يمنح مسحوق الحديد المعادن التقليدية دوراً جديداً في معادلة الطاقة المستقبلية، ويحول ما كان يُعرف بالصدأ إلى مورد قابل لإعادة الاستخدام في رحلة التحول نحو مستقبل خالٍ من الكربون.