يبرز مصطلح ” اقتصاد الهيدروجين”  الدور المتنامي للهيدروجين في مشهد الطاقة المستقبلي، إذ تشير السيناريوهات المستقبلية إلى إسهامه المحوري في خفض انبعاثات الكربون في قطاعات رئيسية مثل النقل، والصناعات الثقيلة، وتوليد الطاقة[1] . وينقسم اقتصاد الهيدروجين، وفقًا لسلسلة العمليات المرتبطة به، إلى أربعة محاور أساسية هي: الإنتاج، والتخزين، والنقل، والاستخدام. [2]

علميًا، يُعرَّف الهيدروجين على أنه أحد نواقل الطاقة ذات الكثافة الطاقية المرتفعة، والتي تبلغ نحو 140 ميجا جول/كجم مما يعكس قدرته الكبيرة على تخزين الطاقة. [3] ويُعد مصدرًا نظيفًا للطاقة من حيث نواتج الاستخدام، إذ يؤدي تفاعله مع الأكسجين إلى إنتاج الماء فقط

تنبع أهمية الهيدروجين كذلك من مرونته العالية في تخزين الطاقة على المدى الطويل، سواء في خزانات مضغوطة أو مسيّلة أو في تكوينات جيولوجية تحت الأرض، إضافةً إلى إمكانية استخدامه مباشرةً في التطبيقات الصناعية أو تحويله إلى كهرباء عبر خلايا الوقود. [4, 5]  كما يلعب دورًا أساسيًا كمادة كيميائية أولية في صناعات استراتيجية مثل تصنيع الأمونيا، وعمليات التكرير، وإنتاج الوقود الاصطناعي . [6]

تناولت الأبحاث العلمية على مدى عقود عدة مسارات لإنتاج الهيدروجين، من أبرزها إصلاح الميثان بالبخار، وتحويل الكتلة الحيوية، والتحليل الكهربائي للماء.[7]

ويُصنَّف الهيدروجين صناعيًا واقتصاديًا وفق ألوان تعكس المصدر المستخدم في إنتاجه. إلا أن إطلاق الحكم على اعتبار الهيدروجين نظيفا لا تعتمد فقط على طبيعة نواتج العملية، بل يتطلب تقييمًا شاملًا لتقنية الإنتاج وما يصاحبها من انبعاثات كربونية عبر دورة الحياة.

يُعد الهيدروجين الناتج من التحليل الكهربائي للماء باستخدام مصادر طاقة متجددة، والمعروف باسم ” الهيدروجين الأخضر”، من أشكال الهيدروجين النظيفة، حيث تقتصر نواتج العملية على غازي الهيدروجين والأكسجين وفق المعادلة الكلية:

2H₂O → 2H₂ + O₂

بجانب التحليل الكهربائي، يمكن إنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام تقنيات أخرى، مثل العمليات الكيميائية الحرارية التي تتطلب درجات حرارة مرتفعة تتراوح بين  800 و2000 درجة مئوية ، [8] والتحفيز الضوئي المعتمد على الطاقة الشمسية ومحفزات شبه موصلة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم [9]. (TiO₂) ومع ذلك، تبقى تقنية التحليل الكهربائي للماء الأكثر نضجًا وكفاءة لإنتاج الهيدروجين دون انبعاثات مباشرة، مع قابلية التطبيق على نطاق صناعي عند الاعتماد على الكهرباء المتجددة . [10]

وعلى الرغم من هذه المزايا، يواجه اقتصاد الهيدروجين الأخضر تحديات جوهرية عند الانتقال من المختبر إلى الإنتاج الصناعي، تشمل ارتفاع تكاليف الإنتاج والنقل، ومحدودية البنية التحتية، وعدم وضوح العائد الاقتصادي على الاستثمار، وهي عوامل قد تؤثر في وتيرة انتشاره عالميًا. [11]

تعتمد تقنية التحليل الكهربائي للماء على تفاعلين كهروكيميائيين أساسيين، كما هو موضح في المخطط (1). يحدث تفاعل تطور الهيدروجين (HER) عند المهبط، بينما يحدث تفاعل تطور الأكسجين (OER) عند المصعد (مخطط 1، في الوسط الحمضي).

صناعيًا، تُستخدم محفزات قائمة على البلاتين (Pt) لتفاعل تطور الهيدروجين وأكسيد الإيريديوم (IrOₓ) لتفاعل تطور الأكسجين نظرًا لكفاءتها العالية واستقرارها التشغيلي. غير أن ندرة هذه المواد وارتفاع تكلفتها يشكلان عائقًا أمام التوسع الصناعي، مما دفع الأبحاث الحديثة إلى تطوير محفزات بديلة منخفضة التكلفة تعتمد على المعادن الانتقالية والمحفزات النانوية. [12, 13] ويُطبق التحليل الكهربائي للماء صناعيًا عبر أربع تقنيات رئيسية هي: التحليل الكهربائي القلوي (AWE)، وغشاء تبادل البروتونات (PEM)، وغشاء تبادل الأنيونات  (AEM)، وخلايا الأكسيد الصلب [14]. (SOEC) وعلى الرغم من اختلاف ظروف التشغيل والمواد المستخدمة، فإن هذه التقنيات تشترك في بنية عامة ومبادئ تصميم متقاربة. تتكون خلايا التحليل الكهربائي من وسط ناقل للأيونات، وأقطاب كهربية لتفاعلات HER وOER، وطبقات لنقل المواد وتوزيع الموائع، إضافةً إلى هياكل داعمة وألواح توصيل لجمع التيار والدعم الميكانيكي. ويُرتب عدد كبير من هذه الخلايا في مكدسات لزيادة القدرة الإنتاجية مع الحفاظ على الكفاءة التشغيلية. ويعتمد الأداء النهائي لهذه الأنظمة على تكامل المكونات وجودة المواد ودقة التصميم الهندسي، ما يجعل تطوير هذه الجوانب أساسًا لتحقيق أنظمة تحليل كهربائي عالية الكفاءة وقابلة للتوسع الصناعي.  يلخص الجدول 1 مزايا وعيوب كل تقنية. وتتمثل الاختلافات الرئيسية بين هذه التقنيات في درجة حرارة التشغيل، ونوع الإلكتروليت، والكفاءة، والمواد المستخدمة، والتكلفة الإجمالية. بينما يقدم الجدول 2 مقارنة مبسطة لتأثير هذه التقنيات من حيث درجة حرارة التشغيل، ونوع الإلكتروليت، ومواد الأقطاب الكهربائية، والكفاءة الكهروكيميائية، ونقاء الهيدروجين، والاستقرار التشغيلي، والتكلفة، والجاهزية التجارية.

الجدول 1. مزايا وعيوب تقنيات إنتاج الهيدروجين عن طريق تقنيات التحليل الكهربائي للماء

الجدول 2. مقارنة المعايير الرئيسية لتقنيات التحليل الكهربائي للماء

المراجع:

[1]         K. Naseem, F. Qin, F. Khalid, G. Suo, T. Zahra, Z. Chen, et al., “Essential parts of hydrogen economy: Hydrogen production, storage, transportation and application,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 210, p. 115196, 2025.

[2]         S. Zendehboudi and B. Ghorbani, Hydrogen Production, Transportation, Storage, and Utilization: Theoretical and Practical Aspects: Elsevier, 2025.

[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]        M. Al-Breiki and Y. Bicer, “Investigating the technical feasibility of various energy carriers for alternative and sustainable overseas energy transport scenarios,” Energy Conversion and Management, vol. 209, p. 112652, 2020.

[5]        R. Tarkowski, “Underground hydrogen storage: Characteristics and prospects,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 105, pp. 86-94, 2019.

[6]        J. Yap and B. McLellan, “A historical analysis of hydrogen economy research, development, and expectations, 1972 to 2020,” Environments, vol. 10, p. 11, 2023.

[7]        A. M. Sadeq, R. Z. Homod, A. K. Hussein, H. Togun, A. Mahmoodi, H. F. Isleem, et al., “Hydrogen energy systems: Technologies, trends, and future prospects,” Science of The Total Environment, vol. 939, p. 173622, 2024.

[8]        J. E. Lee, I. Shafiq, M. Hussain, S. S. Lam, G. H. Rhee, and Y.-K. Park, “A review on integrated thermochemical hydrogen production from water,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, pp. 4346-4356, 2022.

[9]        J. Swaminathan, P. Palani, D. Salpekar, F. C. R. Hernandez, M. Ashokkumar, and P. M. Ajayan, “Atomic Layer Deposition Grown Titania Phases (TiO2, TiO, Ti2O) and its Influence on Water Splitting Electrocatalysis,” Advanced Sustainable Systems, p. 2500152.

[10]      S. Wang, A. Lu, and C.-J. Zhong, “Hydrogen production from water electrolysis: role of catalysts,” Nano Convergence, vol. 8, p. 4, 2021.

[11]      U. Bossel, “Does a hydrogen economy make sense?,” Proceedings of the IEEE, vol. 94, pp. 1826-1837, 2006.

[12]     S. Muhamed, A. R. Kandy, A. Karmakar, S. Kundu, and S. Mandal, “Exploring the Defect Sites in UiO-66 by Decorating Platinum Nanoparticles for an Efficient Hydrogen Evolution Reaction,” Inorganic Chemistry, vol. 61, pp. 13271-13275, 2022.

[13]     S. Cherevko, S. Geiger, O. Kasian, N. Kulyk, J.-P. Grote, A. Savan, et al., “Oxygen and hydrogen evolution reactions on Ru, RuO2, Ir, and IrO2 thin film electrodes in acidic and alkaline electrolytes: A comparative study on activity and stability,” Catalysis Today, vol. 262, pp. 170-180, 2016.

[14]     M. El-Shafie, “Hydrogen production by water electrolysis technologies: A review,” Results in Engineering, vol. 20, p. 101426, 2023.

[15]     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.

[16]     S. S. Kumar and V. Himabindu, “Hydrogen production by PEM water electrolysis–A review,” Materials Science for Energy Technologies, vol. 2, pp. 442-454, 2019.

[17]     X. Li, Y. Yao, Y. Tian, J. Jia, W. Ma, X. Yan, et al., “Recent advances in key components of proton exchange membrane water electrolysers,” Materials Chemistry Frontiers, vol. 8, pp. 2493-2510, 2024.

[18]     A. S. Emam, M. O. Hamdan, B. A. Abu-Nabah, and E. Elnajjar, “A review on recent trends, challenges, and innovations in alkaline water electrolysis,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 64, pp. 599-625, 2024.

[19]     H. Tüysüz, “Alkaline water electrolysis for green hydrogen production,” Accounts of Chemical Research, vol. 57, pp. 558-567, 2024.

[20] S. Sebbahi, A. Assila, A. A. Belghiti, S. Laasri, S. Kaya, E. K. Hlil, et al., “A comprehensive review of recent advances in alkaline water electrolysis for hydrogen production,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 82, pp. 583-599, 2024.

[21]     N. Du, C. Roy, R. Peach, M. Turnbull, S. Thiele, and C. Bock, “Anion-exchange membrane water electrolyzers,” Chemical reviews, vol. 122, pp. 11830-11895, 2022.

[22]     C. Santoro, A. Lavacchi, P. Mustarelli, V. Di Noto, L. Elbaz, D. R. Dekel, et al., “What is next in anion‐exchange membrane water electrolyzers? Bottlenecks, benefits, and future,” ChemSusChem, vol. 15, p. e202200027, 2022.

[23]    L. Liu, H. Ma, M. Khan, and B. S. Hsiao, “Recent advances and challenges in anion exchange membranes development/application for water electrolysis: A review,” Membranes, vol. 14, p. 85, 2024.

[24]     L. A. Jolaoso, I. T. Bello, O. A. Ojelade, A. Yousuf, C. Duan, and P. Kazempoor, “Operational and scaling-up barriers of SOEC and mitigation strategies to boost H2 production-a comprehensive review,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 48, pp. 33017-33041, 2023.

[25]     Y. Xu, S. Cai, B. Chi, and Z. Tu, “Technological limitations and recent developments in a solid oxide electrolyzer cell: A review,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 50, pp. 548-591, 2024.