البحث العلمى

· المجلة والتصنيف: نُشر هذا البحث في مجلة Scientific Reports التابعة لـ Nature / Springer Nature، وهي مجلة دولية مرموقة مفتوحة الوصول، مصنَّفة ضمن الربع الأول Q1 في مجال العلوم متعددة التخصصات، وتتمتع بمعامل تأثير مرتفع وانتشار عالمي واسع.

· رابط النشر:
https://www.nature.com/articles/s41598-025-14258-8?utm_source=

وتجدر الإشارة إلى أن مجلة Scientific Reports تعتبر ضمن المجلات Q1 المؤشرات العلمية المعتبرة،

يتناول هذا البحث الاول عربيا في تسيل الهيدروجين و خفض استهلاك الطاقة في عمليات التسييل بالتوازي مع خفض الانبعاثات الكربونية و استخدام ثاني اكسيد الكربون في عمليات التبريد و حساب التكاليف ، وهي أهم العقبات أمام تعميم استخدام الهيدروجين السائل كحامل طاقة نظيف. فبينما يبلغ الحد النظري الأدنى لاستهلاك الطاقة لتسييل الهيدروجين حوالي 2.9 ك.و.س/كجم، إلا أن المحطات الحالية تعمل عادةً عند معدلات في حدود 13–15 ك.و.س/كجم، مع كفاءة إكسرجية محدودة، مما يجعل عملية التسييل كثيفة الاستهلاك للطاقة ومكلفة اقتصاديًا.

استجابةً لهذه التحديات، يقدّم البحث تصميمين متقدمين لدورتين جديدتين من نوع Triple Cascade Mixed Refrigerant (TCMR)، تعتمدان على ثلاث دوائر تبريد بمبردات مختلطة، مع دمج مبرد ثالث (نيتروجين في الحالة الأولى، وهيدروجين في الحالة الثانية)، بالإضافة إلى حلقة إزالة كربون تعتمد على ثاني أكسيد الكربون (CO₂) لتحسين تبريد الضواغط وتقليل استهلاك القدرة. تم بناء نموذج حراري-إكسرجي متكامل باستخدام برنامج Aspen HYSYS مع خوارزمية جينية لضبط تركيب المبردات والظروف المثلى للضغط ودرجات الحرارة، مع إجراء تحليل متكامل من منظور الطاقة، الإكسرجي، الاقتصاد، والأثر البيئي (تحليل 4E.

أظهرت النتائج أن التصميم المقترح من نوع TCMR في الحالة الأولى يحقق معدل استهلاك طاقة نوعي SEC ≈ 6.98 ك.و.س/كجم H₂، بينما يحقق التصميم الثاني (Case 2) معدلًا أقل يصل إلى حوالي 6.19 ك.و.س/كجم H₂، مع كثافة تخزين عالية تبلغ نحو 76 كجم/م³ ، أي مع تحسين ملحوظ مقارنةً بالدورات المرجعية من نوع Dual Mixed Refrigerant مع نفس مواصفات المنتج النهائي، وخفض في الإكسرجي، وتكاليف الاستثمار، والبصمة الكربونية بنسب عالية

ويُظهر التحليل المقارن مع أحدث الدراسات المنشورة أن دورة TCMR المقترحة – خاصة في الحالة الثانية – تحقق أحد أقل معدلات استهلاك الطاقة المنشورة حاليًا في مجال تسييل الهيدروجين باستخدام دورات مبردات مختلطة ثلاثية المراحل مع تحليل

متكامل للطاقة والإكسرجي والاقتصاد والبيئة، بما يعزز فرص تطبيقها صناعيًا في مشروعات تسييل وتخزين الهيدروجين المرتبطة بمستقبل الطاقة النظيفة.

التوصيات المقترحة استنادًا إلى نتائج البحث ودلالاته التطبيقية:

1. اعتماد تصميم دورات TCMR كمرجع للجيل الجديد من محطات تسييل الهيدروجين توصي الدراسة بأن تؤخذ الدورات المقترحة – خاصة الحالة الثانية ذات الاستهلاك الأقرب إلى 6 ك.و.س/كجم H₂ – كنقطة مرجعية (Benchmark) في دراسات الجدوى والتصميم المبدئي (FEED) لمشروعات التسييل متوسطة وكبيرة السعة.

2. تطبيق منهجية التحليل المتكامل 4E الطاقة – الإكسرجي – الاقتصاد – البيئة يُنصح بأن تصبح منهجية 4E جزءًا أساسيًا من تقييم أي مشروع لتسييل أو تخزين الهيدروجين، بحيث لا يتم الاكتفاء بالتحليل الحراري فقط، بل تُدمج معه تكلفة الاستثمار، وتكلفة التشغيل، والبصمة الكربونية، عند اتخاذ قرار باختيار تكنولوجيا التسييل.

3. دمج حلقات إزالة الكربون والدوائر المبردة بالهيدروجين في التصميمات الجديدة أوصى البحث بأهمية دمج دورة تبريد قائمة على CO₂ لتبريد ضواغط دورة المبردات، واستخدام الهيدروجين نفسه كمبرد ثالث في بعض التكوينات، لما لذلك من أثر واضح في خفض القدرة المطلوبة وتحسين الكفاءة الإكسرجية وتقليل الانبعاثات.

4. تطوير مشروعات تجريبية (Pilot / Demo Plants) للدورات المقترحة يُستحسن أن تتبنى جهات صناعية (شركات بترول، غاز، وهيدروجين أخضر) إنشاء وحدات تجريبية مبنية على تصميمات TCMR للتحقق من الأداء الفعلي، وجمع بيانات تشغيلية تساعد في الانتقال من المستوى البحثي إلى التطبيق الصناعي الكامل.

5. تكامل دورات تسييل الهيدروجين مع مصادر الطاقة المتجددة مع كون الهيدروجين جزءًا من منظومة الطاقة النظيفة، توصي الدراسة ببحث سيناريوهات تكامل دورات TCMR مع محطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، سواء عبر التشغيل المرن أو استخدام الفائض من الكهرباء المتجددة في فترات الحمل المنخفض.

6. تحديث الخرائط الوطنية للطاقة والهيدروجين بناءً على هذه النتائج يمكن الاستفادة من هذا البحث في تحديث استراتيجيات الطاقة الوطنية وخطط الهيدروجين الأخضر/الأزرق، من خلال إدراج معدلات استهلاك الطاقة المنخفضة التي تحققها هذه الدورات ضمن السيناريوهات المرجعية لتكلفة سلسلة القيمة للهيدروجين.

7. التوسع في دراسات التكاليف و كخطوة بحثية تالية، يُوصى بإجراء دراسات حساسية واسعة لأسعار الطاقة، وأسعار الكربون، وتكاليف المعدات، للتأكد من متانة جاذبية هذه الدورات اقتصاديًا تحت تقلبات السوق المختلفة، إلى جانب دراسة التشغيل الديناميكي تحت تغير الحمل وليس فقط في الحالة المستقرة.