أخبارالطاقة

الهيدروجين الأخضر الاقتصادي.. ضمان انتقال ناجح للطاقة وتوفير الموارد

ثلاث عمليات تحليل كهربائي رئيسية قيد الاستخدام حاليًا على نطاق أوسع

ستكون هناك حاجة إلى كميات كبيرة من الهيدروجين لضمان انتقال ناجح للطاقة.

يعمل فريق دولي من الباحثين من ألمانيا ونيوزيلندا على تحسين كفاءة تقنية التحليل الكهربائي الناشئة AEM لإنتاج الهيدروجين الأخضر.

لجعل هذا ممكنًا، تحول علماء من معهد فراونهوفر لتكنولوجيا التصنيع والمواد المتقدمة IFAM في دريسدن إلى المعادن المتوفرة بسهولة والموفرة للموارد المنغنيز والنيكل في محاولة لتقديم عملية التحليل الكهربائي الواعدة هذه إلى الصناعة واسعة النطاق.

تقدم التكنولوجيا الجديدة عددًا من المزايا الأخرى بالإضافة إلى انخفاض التكاليف عند مقارنتها بالعمليات الحالية.

ما الذي سنستخدمه للتجول في المستقبل؟ كيف سندير مصانعنا الصناعية؟ أو تخزين الطاقة مؤقتًا لفترات أطول من الوقت؟ يمكن أن يكون الهيدروجين هو الحل للعديد من التحديات التي تأتي مع تحول الطاقة.

العنصر الأخف في الجدول الدوري هو عنصر شامل ويمكن استخدامه في النقل البري والصناعة والإمداد الحراري.

حقيقة أن الهيدروجين متعدد الاستخدامات يعني أنه من المحتمل أن تكون هناك حاجة إلى كميات كبيرة منه في المستقبل، لا يزال الإنتاج الضخم محفوفًا بالتحديات – والتي يعتزم فريق مشروع HighHy معالجتها من خلال تطوير محفزات لإنتاج الهيدروجين عالي الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة.

إنتاج الهيدروجين بعمليات التحليل الكهربائي الشائعة

يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي على نطاق صناعي، تُستخدم الطاقة الكهربائية لتقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين عند غمرها في ماء ممزوج بملح موصل – ما يسمى بالكهرباء.

يتم امتصاص الطاقة وتخزينها في الهيدروجين كروابط كيميائية، لذلك يعتبر هذا الغاز وسيلة جذابة لتخزين الطاقة على المدى الطويل من أجل الطاقة المولدة، على سبيل المثال، عن طريق توربينات الرياح أو الألواح الشمسية التي لا يمكن تغذيتها مباشرة في الشبكة، يعرف الهيدروجين الناتج عن مصادر الطاقة المتجددة باسم “الأخضر”.

هناك ثلاث عمليات تحليل كهربائي رئيسية قيد الاستخدام حاليًا على نطاق أوسع، يعتبر التحليل الكهربائي القلوي (AEL) الأكثر صلة من الناحية الفنية والأكثر انتشارًا، والذي يتضمن إضافة هيدروكسيد البوتاسيوم إلى الماء، على سبيل المثال.

عيب هذه العملية هو نطاق التحميل الجزئي المنخفض المحدود ، أي عند استخدام مصدر طاقة متقلب، لا يمكن سحب النطاق الكامل للطاقة كحمل كهربائي.

في حالة التحليل الكهربائي الذي يشتمل على محلل كهربي بغشاء تبادل البروتون (PEM-EL) ، تتحرك أيونات الهيدروجين في بيئة حمضية بقوة عبر غشاء محكم الغلق في اتصال مباشر مع الأقطاب الكهربائية (يسمى تجميع القطب الغشائي، أو MEA )، ينتج عن هذا النهج كثافة طاقة عالية وسلوك حمل ديناميكي للغاية مع الاحتفاظ بدرجة عالية من نقاء الغاز.

تتطلب الأقطاب الكهربائية استخدام معادن نبيلة نادرة ومكلفة مثل الإيريديوم لتحمل البيئة شديدة التآكل، فضلاً عن الأغشية باهظة الثمن.

مشروع HighHy محفزات للتحليل الكهربائي AEM عالي الكفاءة

التحليل الكهربائي باستخدام أغشية تبادل الأنيون (AEM) هو نهج جديد نسبيًا. فهو يجمع بين مزايا AEL ، مثل الثبات طويل المدى واستخدام المعادن ذات الأسعار المعقولة والمتاحة على نطاق واسع ، مع مزايا PEM-EL ، أي الأداء العالي ، والقدرة على التكيف مع الأحمال المختلفة ، ونقاء الغاز. لم ينجح التحليل الكهربائي AEM بعد في التطبيقات الصناعية لأن تفاعل تطور الأكسجين (OER) المتضمن في العملية بطيء جدًا عند استخدام المعادن غير الثمينة.

لذلك ، فإن جهد الخلية الضروري للتحليل الكهربي للماء مرتفع للغاية بالنسبة لكثافات التيار المرغوبة ، ونتيجة لذلك ، فإن الطاقة المطلوبة لإنتاج الهيدروجين عالية جدًا.

الهيدروجين

كما يقول الدكتور كريستيان بيرناكر، رئيس مجموعة عمل التكنولوجيا الكهروكيميائية في فراونهوفر IFAM ، يلخص هدف المشروع ،هذا هو التحدي الذي يواجهه مشروع HighHy: التعاون الألماني النيوزيلندي، الذي يتم تمويله في إطار “تعاون أبحاث الهيدروجين الأخضر مع نيوزيلندا” من قبل وزارة التعليم والبحث الفيدرالية الألمانية (BMBF) ، يعمل على تطوير الموارد التعليمية المفتوحة المحفزات، وبالتالي المحلل الكهربائي عالي الكفاءة AEM جنبًا إلى جنب مع ثلاث جامعات نيوزيلندية وجامعة بايرويت ، نحن نسعى جاهدين لإيجاد التركيبة المثالية للعوامل الحفازة المطلوبة”.

متوفر وبأسعار معقولة

يعتزم باحثو مشروع HighHy استخدام مركب مبتكر من النيكل والمنغنيز كمحفز OER لإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق صناعي عبر التحليل الكهربائي AEM. يتميز هذا المركب بمزايا أساسية: كلا المعدنين رخيصين ومتاحين بسهولة كمواد خام.

كما أنها تتميز بنشاط كيميائي واعد. تعمل فرق HighHy في وقت واحد على الحلول المحتملة بهدف تطوير مركب مثالي للاستخدام في الصناعة.

يوضح الدكتور كليمنس كوبيل ، عالم أبحاث في قسم تكنولوجيا الهيدروجين في Fraunhofer IFAM في دريسدن، حيث يكون مسؤولاً عن المشروع، نهجهم: “النهج التكميلي خاص جدًا: يختبر شركاء المشروع العديد من طرق التوليف المختلفة والتركيبات، الهياكل السطحية وأحجام المواد لتغليف المحفزات. في نهاية المطاف ، سيتم اختيار أفضل الحلول وإخضاعها لاختبارات مكثفة مع متظاهر تم إنشاؤه في نيوزيلندا. ”

يساهم فريق Fraunhofer IFAM بخبرته في استراتيجيات تعدين المساحيق في تطوير هذا المحفز: ليس فقط النشاط الكهروكيميائي للمحفز مهمًا، ولكن يجب أيضًا تحسين الاتصال الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية وتدفق الإلكتروليت، مما يسمح بتكوين فقاعات الغاز يبتعد عن القطب بأفضل طريقة ممكنة.

تعتبر المعرفة الفنية المتعلقة بالتركيبات المسامية ، مثل تلك التي تم إنشاؤها عند استخدام مسحوق النيكل والمنغنيز في الطلاء، عاملاً رئيسياً هنا، يأمل الباحثون أن تقلل المحفزات الجديدة من كمية الطاقة الكهربائية المطلوبة لتوليد الأكسجين وبالتالي تحسين كفاءة التحليل الكهربائي AEM.

السعر والمرونة ونقاء الهيدروجين: إمكانات عالية للتحليل الكهربائي AEM

هناك إمكانات كبيرة للتحليل الكهربائي AEM المناسب للاستخدام في الصناعة: تم تحديد أهداف الاتحاد الأوروبي لاستخدام طاقة التحليل الكهربائي في العملية الجديدة بحوالي 48 كيلوواط / ساعة لكل كيلوجرام من الهيدروجين المنتج بحلول عام 2030.

وهذا يعني أن AEM-EL سيكون قادرًا على تحقيق كفاءة تبلغ حوالي 80 بالمائة ، أي قيم مماثلة لعمليات AEL و PEM-ELالتي تم إنشاؤها سابقًا، مع توفير قدر أكبر من المرونة من حيث الأحمال المدفوعة وأماكن الاستخدام ، فضلاً عن انخفاض تكاليف المواد بشكل ملحوظ.

كما يقول كليمنس كوبيل “السعر المستهدف لتكاليف اقتناء نظام التحليل الكهربائي AEM ، عند حسابه على الهيدروجين المنتج، هو حوالي 300 يورو لكل كيلوواط ساعة مثبتة، في حين أن PEM-EL يأتي بحوالي 500 يورو. حتى بالنسبة للتحليل الكهربائي القلوي الكلاسيكي ، فإن الهدف حاليًا لا يزال 400 يورو، وهذا يعني أن AEM-EL هو الحل الوحيد الجاد للتحليل الكهربائي من حيث السعر”.

“حقيقة أنه يمكن إنتاجه تحت ضغوط عالية بسبب الغشاء المحكم للغاز وانخفاض تركيز الإلكتروليت وتدفق الإلكتروليت غير المتماثل هي ميزة أخرى، وينتج عن ذلك إنتاج هيدروجين نقي جدًا ومضغوط يسهل تغذيته في، وهذا بدوره سيسمح للأنظمة ببدء التشغيل والإغلاق بشكل أسرع والعمل عند التحميل الجزئي ، وهو أمر مثير للاهتمام للغاية عند تقديم تطبيق إلى السوق المتقلب “.

تابعنا على تطبيق نبض

Comments

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
%d مدونون معجبون بهذه: