من منظور عالمي، يتوقع أن يلعب الهيدروجين الأخضر دورا محوريا في بناء أنظمة طاقة محايدة من حيث انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، مع تزايد فرص تداوله مستقبلا عبر سلاسل الأمداد الدولية. كما يؤكد تسارع التحول الطاقي العالمي نحو الطاقة المتجددة الحاجة الى دمج مصادر الطاقة المتجددة في إنتاج الهيدروجين الأخضر بما يسهم في خفض التكاليف وتعزيز أمن الطاقة. وحتى عصرنا الحالي ، لا يزال دمج مصادر الطاقة المتجددة مع تقنيات التحليل الكهربائي يواجه تحديات تقنية واقتصادية جوهرية، ولا سيما فيما يتعلق بتحقيق كفاءة تشغيلية مرتفعة وجدوى اقتصادية على نطاق واسع.[1] وتؤثر مجموعة من العوامل التقنية والتنظيمية والاقتصادية في سرعة تبنّي هذه التكنولوجيا وتطوير بنيتها التحتية، بما يضمن توفير إمدادات طاقة موثوقة وبأسعار تنافسية.[2] وتزداد أهمية هذه القضايا في المناطق الغنية بموارد الطاقة الشمسية، مثل منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا،[3] التي تمتلك إمكانات كبيرة لتصبح مراكز رئيسية لإنتاج وتصدير الهيدروجين الأخضر على المستوى العالمي. ولتحقيق هذا السيناريو، يتطلّب الأمر إجراء تقييمٍ شاملٍ ومتكامل لسلسلة العمليات بأكملها، بدءًا من توليد الطاقة المتجددة، مرورًا بواجهات التحويل الكهربائية، وصولًا إلى عمليات التحليل الكهربائي وتخزين الهيدروجين، وذلك بهدف دعم صياغة سياسات عالمية فعّالة تستند إلى أسس علمية وهندسية واضحة.[4]  ويمكن التعبير عن ترابط مكونات النظام على مستوى أنظمة القدرة من خلال معادلة ميزان القدرة الزمني ، [5, 6] والتي تفرض تساوي مجموع القدرة الداخلة من مصادر الطاقة المختلفة مع مجموع القدرة المستهلكة في الحمل، والخسائر، والأنظمة المساندة، كما يلي:

شكل 1. معادلة ميزان القدرة الزمني على مستوى أنظمة القدرة   .

حيث تمثل P_RES(t) القدرة المولدة من مصادر الطاقة المتجددة، وتمثل P_grid(t) القدرة الكهربائية المسحوبة من الشبكة، بينما تشير P_el(t) إلى القدرة الكهربائية الداخلة إلى المحلل الكهربائي. في المقابل، تعبر P_loss(t) عن خسائر التحويل في مكونات النظام المختلفة، وتشير P_aux(t) إلى استهلاك الأنظمة المساندة. [7-11]  كما ركّزت هذه الأبحاث على تحديات المواد وتصميم الأجهزة والأنظمة اللازمة لتحسين كفاءة التحويل الشمسي إلى هيدروجين وإطالة العمر التشغيلي للأجهزة. إلا أن البعد المتعلق بالهندسة الكهربائية على مستوى المنظومة ” أي كيفية دمج وحدات التحليل الكهربائي داخل أنظمة القدرة الحديثة وتحت ظروف القدرة المتذبذبة لمصادر الطاقة المتجددة” لم يُناقش بالعمق الكافي في معظم هذه الدراسات. فخلية التحليل الكهربائي ليست حملًا كهربائيًا ثابتًا؛ إذ تتكون من مهبط ومصعد يفصل بينهما غشاء إلكتروليتي لنقل الأيونات بين الأقطاب ، وعند ربطها بمصدر تيار مستمر يحدث فصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.[4] ويُحدَّد جهد الخلية بالعلاقة : [12, 13]

شكل 2. جهد الخلية للتحليل الكهربائي – المحلالات الكهربائية  .

حيث يمثل V_cell جهد الخلية الفعلي للمحلل الكهربائي، ويمثل V_rev الجهد العكسي أو الجهد الثرموديناميكي للتفاعل المحسوب من معادلة نرنست. كما تمثل η_act خسائر الاستقطاب التنشيطي المرتبطة بحركية تفاعلات تطور الهيدروجين والأكسجين على الأقطاب، وتمثل η_ohm الخسائر الأومية الناتجة عن مقاومة الغشاء أو الإلكتروليت، والأقطاب، وواجهات التلامس الكهربائية. أما η_conc فتمثل خسائر الاستقطاب التركيزي أو استقطاب النقل الكتلي الناتجة عن قيود انتقال الأنواع المتفاعلة والنواتج داخل الخلية. وعلى مستوى النظام، لا يقتصر نظام التحليل الكهربائي على المكدسات الكهروكيميائية، بل يشمل وحدات مساندة لإدارة الغازات والحرارة وفق متطلبات التشغيل. وينعكس تكامل هذه المكونات مباشرة على الاستهلاك الكلي للطاقة وتقييم أداء المنظومة.

يمثّل تكامل مصادر الطاقة المتجددة مع أنظمة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر منظومة هندسية متعددة الطبقات، يتحدد أداؤها الكلي من خلال التفاعل المتبادل بين مصدر الطاقة المتجددة، وواجهات إلكترونيات القدرة، ووحدات التحليل الكهربائي. وتُظهر الأدبيات الحديثة أن اعتماد تحليل طبقي لهذا التكامل يُعد مدخلًا منهجيًا ضروريًا لفهم القيود التشغيلية، وتحسين كفاءة تحويل الطاقة، وضمان الاستقرار التشغيلي في ظل الطبيعة المتذبذبة لمصادر الطاقة المتجددة. ويُنفَّذ هذا التكامل ضمن بنية هندسية تتألف من ثلاث طبقات مترابطة، تمثل مستويات مختلفة من التحكم والتشغيل، ويعكس تفاعلها المشترك الأداء الشامل للنظام.[14-17]

شكل 3. مخطط هيكلي هندسي ثلاثي الطبقات لتحليل كهربائي متكامل مع مصادر الطاقة المتجددة.

• الطبقة الأولى: طبقة المصدر الكهربائي

(Electrical Source Layer: PV / Wind / Grid)

تمثل طبقة المصدر الكهربائي نقطة توليد الطاقة الأولية في أنظمة إنتاج الهيدروجين المتكاملة،[18-20] وتشمل مصادر الطاقة المتجددة مثل الخلايا الكهروضوئية وطاقة الرياح، إضافة إلى الشبكة الكهربائية كمصدر داعم لضمان الاستمرارية التشغيلية. وتتميز هذه الطبقة بطبيعة تشغيلية متذبذبة نتيجة تقلب الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح، فضلًا عن القيود الشبكية المرتبطة بمتطلبات الجهد والتردد. ويؤدي عدم التوافق الفوري بين القدرة المولدة ومتطلبات تشغيل وحدات التحليل الكهربائي إلى جعل الربط المباشر غير ملائم دون وجود آليات تحكم ومواءمة وسيطة. في حالة الطاقة الشمسية، تعتمد القدرة الخارجة من الخلايا الكهروضوئية على الجهد والتيار، إلا أن الاختلاف بين الخصائص الكهربائية للخلايا الشمسية ومنحنى تشغيل المحلل الكهربائي يؤدي غالبًا إلى تشغيل بعيد عن نقطة القدرة العظمى، مما يحد من كفاءة التحويل. لذلك، تُستخدم محولات DC/DC وتقنيات تتبع نقطة القدرة العظمى لتحسين الاستفادة من الطاقة المتاحة، رغم ما يرافقها من خسائر تحويل. أما في أنظمة طاقة الرياح، فإن الاعتماد المكعّب للقدرة على سرعة الرياح يسبب تقلبات حادة في القدرة المولدة، ما يستدعي استخدام محولات AC/DC عالية الأداء واستراتيجيات تحكم قادرة على التعامل مع التغيرات السريعة، وقد يتطلب الأمر دمج وسائط تخزين وسيطة لتحسين الاستقرار التشغيلي وتقليل الإجهاد الكهروكيميائي على وحدات التحليل الكهربائي. وفي الأنظمة المتصلة بالشبكة، يمكن تشغيل المحلل الكهربائي كحمل مرن يستجيب لمتغيرات الجهد والتردد وإشارات الأسعار، بما يتيح مشاركته في برامج الاستجابة للطلب ودعم استقرار الشبكة، وتعزيز استغلال مصادر الطاقة المتجددة.

• الطبقة الثانية: طبقة واجهات إلكترونيات القدرة

(Power Electronics Interface Layer: AC/DC – DC/DC)

تمثل طبقة واجهات إلكترونيات القدرة الحلقة المركزية في منظومة التكامل،[19, 21, 22] حيث تتولى المواءمة الكهربائية والفصل الوظيفي بين مصادر طاقة متذبذبة وأحمال كهروكيميائية ذات سلوك ديناميكي غير خطي. وتشمل هذه الطبقة محولات AC/DC لربط الشبكة وتوربينات الرياح، ومحولات DC/DC لضبط الجهد والتيار في أنظمة الخلايا الكهروضوئية. ولا يقتصر دورها على التحويل الكهربائي، بل يشمل ضبط جودة الطاقة، والتحكم في الاستجابة العابرة، وتنفيذ استراتيجيات مثل تتبع نقطة القدرة العظمى، وحماية المحلل الكهربائي من ظروف التشغيل غير الآمنة، مما يجعل تصميم هذه الطبقة عاملًا حاسمًا في مرونة النظام واستقراره.

الطبقة الثالثة: طبقة المحلل الكهربائي

(Electrolyser Layer: Stack + Balance of Plant)

تمثل طبقة المحلل الكهربائي الحمل النهائي في منظومة إنتاج الهيدروجين، وتتكون من مكدس الخلايا ومنظومة التوازن التي تشمل إدارة الماء، والتبريد، والضغط، والمراقبة.[4, 17, 19] ويُظهر المُحلِّل الكهربائي سلوكًا ديناميكيًا غير خطي ونطاق تشغيل محدودًا، مع كفاءة تعتمد على مستوى التحميل واستجابة زمنية تختلف باختلاف التقنية المستخدمة. وعليه، فإن قدرة المحلل على العمل تحت تغذية كهربائية متذبذبة ليست خاصية عامة، بل تعتمد على نوع التقنية. يبيّن الجدول (1) الفروق الأساسية بين تقنيات المحللات الكهربائية من حيث ملاءمتها للتشغيل تحت مصادر طاقة متجددة متذبذبة [13, 17, 23, 24]  يُظهر الجدول أن القدرة على العمل تحت تغذية كهربائية متذبذبة ليست خاصية عامة لجميع تقنيات التحليل الكهربائي، بل تعتمد على الخصائص الكهروكيميائية والديناميكية لكل تقنية. وعليه، تُعد محللات PEMEC الأكثر توافقًا مع مصادر الطاقة المتجددة المتقلبة، في حين تتطلب تقنيات AEL وSOEC استراتيجيات تشغيل أكثر استقرارًا أو تكاملًا مع الشبكة أو مصادر حرارية مساندة.  يمكننا الخلاصة الى أن الأداء الكلي لمنظومة الهيدروجين المتكاملة من التفاعل المشترك بين تذبذب المصدر الكهربائي، وجودة واجهات إلكترونيات القدرة، والقيود الديناميكية والتشغيلية للمحلل الكهربائي.[17] لذلك، يُعد تحليل التكامل بين هذه الطبقات الثلاث شرطًا أساسيًا لتقييم الكفاءة الكلية، والاستقرار التشغيلي، والعمر الافتراضي، وقابلية التوسع الصناعي لأنظمة إنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام مصادر الطاقة المتجددة.

جدول 1. مقارنة تقنيات المُحلِّلات الكهربائية عند التكامل مع الطاقة المتجددة.

على الرغم من الانتقال الواضح من مرحلة البحث التطبيقي إلى النشر الصناعي المبكر في عدد من المشاريع الكبرى عالميًا، فإن تكامل المُحلِّلات الكهربائية مع أنظمة القدرة والطاقة المتجددة لم يبلغ بعد مستوى النضج النظامي الشامل الذي يسمح بالاعتماد عليها كركيزة مستقرة ومهيمنة في منظومة الطاقة العالمية.[25, 26] إذ إن معظم التطبيقات الحالية تتركز في مشاريع رائدة أو قطاعات محددة، بينما لا تزال التحديات المرتبطة بالتشغيل طويل الأمد تحت مصادر متجددة متذبذبة، وبالتفاعل المعقد بين الديناميكيات الكهربائية والحرارية والكهروكيميائية، غير مُقَيَّمة بالكامل على المستوى النظامي.[27]

كما أن متطلبات المرونة العالية لدعم الشبكات الكهربائية تتعارض جزئيًا مع إطالة العمر التشغيلي للمحللات، خصوصًا في تقنيات PEMEC، مما يفرض مفاضلات تشغيلية دقيقة لم تُحل بعد بصورة معيارية.[28] ويُضاف إلى ذلك أن إلكترونيات القدرة، رغم دورها الحاسم، ما تزال تشكل عبئًا من حيث الخسائر والتكلفة والتعقيد عند التوسع الكبير. وعلى المستوى التنظيمي، فإن الأطر المعيارية وقوانين الربط الشبكي لا تزال في طور التطوير، ولا تعكس بعد الدور الكامل للمحللات كأصول مرنة داعمة للشبكة.

والأهم أن تقييم الأداء والموثوقية يعتمد حتى الآن على فترات تشغيل محدودة نسبيًا، ما يجعل الأثر التراكمي طويل الأمد، على مستوى عقود متعددة، غير محسوم بعد.[29-31] وعليه، فإن الانتقال من مشاريع النشر المبكر إلى اعتماد طاقي عالمي واسع النطاق سيظل مسارًا تدريجيًا، مرجحًا أن يمتد على مدى عقود، كما هو الحال في جميع التحولات الطاقية الكبرى تاريخيًا.

• المراجع:

[1]       J. Aarnes, M. Eijgelaar, and E. A. Hektor, “Hydrogen as an Energy Carrier: An Evaluation of Emerging Hydrogen Value Chains: Group Technology & Research-Position Paper 2018,” 2018.

[2]       M. K. Abbas, Q. Hassan, V. S. Tabar, S. Tohidi, M. Jaszczur, I. S. Abdulrahman, et al., “Techno-economic analysis for clean hydrogen production using solar energy under varied climate conditions,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 48, pp. 2929-2948, 2023.

[3]       J. Chi and H. Yu, “Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production,” Chinese Journal of Catalysis, vol. 39, pp. 390-394, 2018.

[4]       A. Ursua, L. M. Gandia, and P. Sanchis, “Hydrogen production from water electrolysis: current status and future trends,” Proceedings of the IEEE, vol. 100, pp. 410-426, 2011.

[5]       M. Azaroual, M. Ouassaid, and M. Maaroufi, “Model predictive control-based energy management strategy for grid-connected residential photovoltaic–wind–battery system,” in Renewable Energy Systems, ed: Elsevier, 2021, pp. 89-109.

[6]       S. Hosseini and M. Semsar, “Chapter 6-Deterministic-based energy management of AC microgrids,” Risk‐based Energy Management, pp. 83-110, 2020.

[7]       Y. Zheng, M. Ma, and H. Shao, “Recent advances in efficient and scalable solar hydrogen production through water splitting. Carbon Neutrality 2, 1–15,” ed, 2023.

[8]       C. Zhang, X. Yuan, H. Fei, M. Ju, H. Wang, Y. Zhang, et al., “Efficiently coupling water electrolysis with solar PV for green hydrogen production,” Energy Reviews, p. 100151, 2025.

[9]       J. Qi, W. Zhang, and R. Cao, “Solar‐to‐hydrogen energy conversion based on water splitting,” Advanced Energy Materials, vol. 8, p. 1701620, 2018.

[10]     L. V. Bora and N. V. Bora, “Photoelectrocatalytic water splitting for efficient hydrogen production: A strategic review,” Fuel, vol. 381, p. 133642, 2025.

[11]      Z. Liu, J. Xie, C. Song, X. Yang, and S. A. Kalogirou, “A review of hydrogen production through solar energy with various energy storage devices,” International Journal of Hydrogen Energy, 2025.

[12]     R. O’hayre, S.-W. Cha, W. Colella, and F. B. Prinz, Fuel cell fundamentals: John Wiley & Sons, 2016.

[13]     K. Zeng and D. Zhang, “Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications,” Progress in energy and combustion science, vol. 36, pp. 307-326, 2010.

[14]     S. G. Nnabuife, A. K. Hamzat, J. Whidborne, B. Kuang, and K. W. Jenkins, “Integration of renewable energy sources in tandem with electrolysis: A technology review for green hydrogen production,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 107, pp. 218-240, 2025.

[15]     I. Dincer and C. Acar, “Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability,” International journal of hydrogen energy, vol. 40, pp. 11094-11111, 2015.

[16]     L. Vidas and R. Castro, “Recent developments on hydrogen production technologies: state-of-the-art review with a focus on green-electrolysis,” Applied Sciences, vol. 11, p. 11363, 2021.

[17]     A. Buttler and H. Spliethoff, “Current status of water electrolysis for energy storage, grid balancing and sector coupling via power-to-gas and power-to-liquids: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 82, pp. 2440-2454, 2018.

[18]     H. Kojima, K. Nagasawa, N. Todoroki, Y. Ito, T. Matsui, and R. Nakajima, “Influence of renewable energy power fluctuations on water electrolysis for green hydrogen production,” international journal of hydrogen energy, vol. 48, pp. 4572-4593, 2023.

[19]     J. Brauns and T. Turek, “Alkaline water electrolysis powered by renewable energy: A review,” Processes, vol. 8, p. 248, 2020.

[20]     M. Wang, Z. Wang, X. Gong, and Z. Guo, “The intensification technologies to water electrolysis for hydrogen production–A review,” Renewable and sustainable energy reviews, vol. 29, pp. 573-588, 2014.

[21]     J. Dai, D. Liu, L. Wen, and X. Long, “Research on power coefficient of wind turbines based on SCADA data,” Renewable Energy, vol. 86, pp. 206-215, 2016.

[22]     S. E. Hosseini and M. A. Wahid, “Hydrogen from solar energy, a clean energy carrier from a sustainable source of energy,” International Journal of Energy Research, vol. 44, pp. 4110-4131, 2020.

[23]     M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel, and D. Stolten, “A comprehensive review on PEM water electrolysis,” International journal of hydrogen energy, vol. 38, pp. 4901-4934, 2013.

[24]     M. A. Laguna-Bercero, “Recent advances in high temperature electrolysis using solid oxide fuel cells: A review,” Journal of Power sources, vol. 203, pp. 4-16, 2012.

[25]     H. Sayed-Ahmed, Á. I. Toldy, and A. Santasalo-Aarnio, “Dynamic operation of proton exchange membrane electrolyzers—Critical review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 189, p. 113883, 2024/01/01/ 2024.

[26]     F. Maoulida, D. Guilbert, M.-B. Camara, and B. Dakyo, “Dynamic electrical degradation of PEM electrolyzers under renewable energy Intermittency: Mechanisms, diagnostics, and mitigation strategies – A comprehensive review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 225, p. 116170, 2026/01/01/ 2026.

[27]     B. Endrődi, C. A. Trapp, I. Szén, I. Bakos, M. Lukovics, and C. Janáky, “Challenges and Opportunities of the Dynamic Operation of PEM Water Electrolyzers,” Energies, vol. 18, p. 2154, 2025.

[28]     E. Wallnöfer-Ogris, I. Grimmer, M. Ranz, M. Höglinger, S. Kartusch, J. Rauh, et al., “A review on understanding and identifying degradation mechanisms in PEM water electrolysis cells: Insights for stack application, development, and research,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 65, pp. 381-397, 2024/05/02/ 2024.

[29]     N. Norazahar, F. Khan, N. Rahmani, and A. Ahmad, “Degradation modelling and reliability analysis of PEM electrolyzer,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 50, pp. 842-856, 2024/01/02/ 2024.

[30]     B. Xu, W. Ma, W. Wu, Y. Wang, Y. Yang, J. Li, et al., “Degradation prediction of PEM water electrolyzer under constant and start-stop loads based on CNN-LSTM,” Energy and AI, vol. 18, p. 100420, 2024/12/01/ 2024.

[31]     R. Jain, K. Nagasawa, S. Veda, and S. Sprik, “Grid ancillary services using electrolyzer-Based power-to-Gas systems with increasing renewable penetration,” e-Prime – Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, vol. 6, p. 100308, 2023/12/01/ 2023.