مع استمرار انخفاض تكاليف الكهرباء المتجددة ، يزداد إنتاج الهيدروجين الأخضر (H2) عن طريق التحليل الكهربائي للمياه كوسيلة لإزالة الكربون من أنظمة الطاقة في جميع أنحاء العالم.
نظرًا لضرورة المياه العذبة عالية النقاء للتحليل الكهربائي والتوافر الواسع للمياه المالحة ، فقد تم تكريس جهود بحثية كبيرة لتطوير تقنيات التحليل الكهربائي للمياه المالحة المباشرة لإنتاج كميات كبيرة من H2 الأخضر .
ستنظر هذه المقالة في إمكانية إنتاج الهيدروجين الأخضر من المياه المالحة ، وهي خطوة صعبة يمكن أن تساعد في تسريع الاستدامة.
الهيدروجين الأخضر وتأثيره على مصادر المياه العذبة
الهيدروجين الأخضر هو ناقل للطاقة المستدامة ، يمكن إنتاجه مباشرة عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، يحتمل أن يحل محل الوقود الأحفوري لتحقيق الحياد الكربوني. تستخدم الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين من الماء. ومن ثم فإن إنتاجها خالٍ من غازات الاحتباس الحراري وتكنولوجيا احتجاز الكربون.
الطاقة المخزنة في 1 كجم من الهيدروجين الأخضر تزيد بمقدار 2.5 مرة عن الغاز الطبيعي. منذ القرن التاسع عشر ، تم استخدام هذا الغاز في المركبات والمطارات وخلايا وقود المركبات الفضائية.
في المستقبل القريب ، سيحل الهيدروجين الأخضر محل الوقود الأحفوري لتوفير الطاقة لكل شيء تقريبًا ، من السيارات إلى المباني. ومع ذلك ، فإن إنتاج الهيدروجين العالمي يمكن أن يجهد مصادر المياه العذبة للشرب والاستخدام في العديد من العمليات الصناعية.
نظرًا لاحتياطياتها الكبيرة ، فإن التحليل الكهربائي للمياه المالحة لإنتاج H2 الأخضر بواسطة الكهرباء المتجددة يعتبر الآن منافسًا واعدًا للطاقة المستدامة.
تآكل الأقطاب الكهربائية
يعتمد الفصل الفعال للمياه على الأقطاب الكهربائية المحفزة ، مما يستلزم وجود ماء نقي في ظل الظروف الأساسية لمنع التدهور.
تحتوي مياه المحيطات على مواد عضوية وأملاح ذائبة مثل كلوريد الصوديوم التي تقصر من العمر الإنتاجي للنظام عن طريق تآكل المحفزات النموذجية.
تم إعاقة التصنيع الصناعي لوقود الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي للمياه المالحة بسبب تقنيات تحلية وتنقية المياه باهظة الثمن لتوفير كميات كبيرة من المياه النظيفة منزوعة الأيونات من أجل التحليل الكهربائي الفعال.
الجهود المبذولة لجعل إنتاج الهيدروجين الأخضر في المياه المالحة قابلاً للتطبيق.
طلاء الأقطاب الكهربائية
يهدف الباحث في جامعة ستانفورد Hongjie Dai وفريقه إلى إيجاد تقنية لمنع مياه المحيط من تآكل الأنودات المغمورة بسبب محتواها العالي من الملح، اكتشفوا أن طلاء الأنود بطبقات غنية من الشحنات السالبة يقلل من انهيار المعدن الأساسي.
لقد استخدموا الحديد وهيدروكسيد النيكل وكبريتيد النيكل لتكوين طبقة سالبة الشحنة تحمي القطب الموجب أثناء التحليل الكهربائي. نتيجة لذلك ، يمكنهم توليد كهرباء أكثر بعشر مرات من خلال الجهاز متعدد الطبقات ، مما يؤدي إلى تسريع إنتاج الهيدروجين من المياه المالحة.
التحليل الكهربائي للمياه المالحة بغشاء شبه منفذ
نجح باحثون بقيادة إيفان بوج وبروس لوجان في تقسيم مياه البحر لإنتاج الهيدروجين الأخضر، إجراء التحلية المسبق في هذه العملية مكلف. ومع ذلك ، فقد خفض الفريق التكلفة من خلال استخدام غشاء رقيق شبه منفذ لتصفية المياه في معالجة التناضح العكسي.
حل غشاء التناضح العكسي محل غشاء التبادل الأيوني النموذجي الذي شوهد في المحلل الكهربائي، يعمل التناضح العكسي عن طريق تطبيق الكثير من الضغط على الماء ودفعه عبر الغشاء مع ترك أيونات الكلوريد خلفه.
محفز البلاتين لمنع إعادة تركيب الأيونات
تم إنشاء محفز جديد من قبل علماء من جامعة شنشي نورمال ومركز جامعة سوينبورن للمواد الذرية الانتقالية التي يمكنها تصنيع الهيدروجين الأخضر من مياه البحر عبر الطاقة الشمسية.
صمم الباحثون النموذج الأولي Ocean-H 2 -Rig لاستخدام هذا المحفز الجديد، يمكنها تصنيع الهيدروجين الأخضر من المياه المالحة العائمة على سطح الماء.
في المحفزات الضوئية النموذجية ، ينقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين عندما تنفصل الإلكترونات والثقوب استجابةً لضوء الشمس.
تميل الإلكترونات والثقوب المنفصلة إلى الاتحاد مرة أخرى ، مما يقلل بشكل كبير من نشاط التحفيز الضوئي وكفاءة تخليق الهيدروجين.
يتم استخراج الإلكترونات المولدة بالصور بنجاح بواسطة محفز البلاتين أحادي الذرة الذي تم إنشاؤه في هذا العمل ، مما يمنع إعادة التركيب غير المرغوب فيه. يعزز بشكل كبير من فعالية إنتاج الهيدروجين.
يعد المحفز القابل لإعادة الاستخدام من بين أكثر المحفزات كفاءة التي تم الإبلاغ عنها على الإطلاق لأنه يعزز توليد الهيدروجين عالي الكفاءة مع عائد كمي استثنائي يبلغ 22.2٪ تحت إضاءة LED-550.
التحليل الكهربائي للمياه المالحة عن طريق التناضح الأمامي
نجح باحثو هارفارد في استخدام التناضح الأمامي لفصل المياه المالحة إلى هيدروجين نظيف وغاز أكسجين، لقد قاموا بإنشاء غاز الهيدروجين عن طريق التناضح الأمامي والتقسيم الكهروكيميائي للمياه ، وهو أمر مفيد لتخزين الطاقة المتجددة.
عزز الباحثون الآلية الطبيعية للتناضح لجمع المياه النظيفة من المصادر الطبيعية مثل المحيط، لا توجد متطلبات لنظام منفصل لتنقية المياه لأن هذه التقنية تتيح استخدام المياه المالحة.
توفر المنصات التي انتهى عمرها الافتراضي فرصًا
يوفر التوسع السريع المستمر لتوليد طاقة الرياح البحرية جنبًا إلى جنب مع البنية التحتية للنفط والغاز التي انتهى عمرها الافتراضي آفاقًا لمشاريع الهيدروجين الأخضر البحرية.
يمكن للبنية التحتية الحالية للغاز أن تولد كميات كبيرة من الهيدروجين الأخضر في المواقع البحرية باستخدام الكهرباء المتجددة من مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح البحرية، سيؤدي ذلك إلى تقليل تكاليف النقل والإنتاج ومنع النفقات الضخمة على الشبكات الكهربائية لأن نقل الغازات أقل تكلفة من الكهرباء.
مستقبل إنتاج الهيدروجين الأخضر بالمياه المالحة
مياه البحر مورد وفير بشكل طبيعي، لذلك ، فإن إنتاج الهيدروجين الأخضر منه عن طريق التحليل الكهربائي يمكن أن يساعد إلى حد ما في أزمة الطاقة الحالية في العالم، ومع ذلك ، فإن تآكل الأقطاب الكهربائية من المياه المالحة يعيق الإنتاج الضخم للهيدروجين الأخضر.
لذلك ، هناك حاجة ماسة لتقنية الحفاز الكهربائي القوية والفعالة التي يمكن أن تتجنب أو تتحمل تآكل الكلوريد وتكوين الرواسب على الأقطاب الكهربائية.
تم إجراء محاولات كبيرة في التحليل الكهربائي لمياه البحر ، على الرغم من عدم تحقيق الاستقرار والانتقائية على المدى الطويل.
