هناك عدة طرق لاستخدام الطاقة الشمسية لتقسيم المياه وإنتاج الهيدروجين، لكن هذا الهيدروجين “الأخضر” أغلى حتى الآن من الهيدروجين “الرمادي” المستخرج من الغاز الطبيعي.
تُظهر دراسة أجراها مركز هيلمهولتز-زينتروم برلين (HZB) وجامعة برلين التقنية، كيف يمكن أن يصبح الهيدروجين الأخضر الناتج عن ضوء الشمس مربحًا: حيث يتم استخدام جزء من الهيدروجين لترقية المواد الكيميائية المشتقة من الكتلة الحيوية الخام إلى مواد كيميائية عالية القيمة للصناعة.
إن مفهوم الإنتاج المشترك هذا مرن للغاية؛ يمكن استخدام نفس المصنع لإنتاج منتجات ثانوية مختلفة حسب الحاجة.
نحن بحاجة إلى الابتعاد عن الوقود الأحفوري في أقرب وقت ممكن من أجل الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري.
وفي نظام الطاقة في المستقبل، سيلعب الهيدروجين الأخضر دورًا مهمًا في تخزين الطاقة وكمواد خام متجددة لإنتاج المواد الكيميائية والمواد لمجموعة واسعة من التطبيقات.
في الوقت الحاضر، يتم إنتاج الهيدروجين بشكل رئيسي من الغاز الطبيعي الأحفوري (الهيدروجين الرمادي).
ومن ناحية أخرى، يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الطاقة المتجددة.
أحد الأساليب الواعدة هو استخدام الأجهزة الكهروضوئية (PEC) لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية، ومع ذلك، فإن الهيدروجين الناتج عن مصانع PEC أغلى بكثير من الهيدروجين الناتج عن الميثان (الأحفوري).
السيطرة الكاملة على ردود الفعل
قام فريق بقيادة فتوى عبدي، في مركز هيلمهولتز-زينتروم برلين حتى منتصف عام 2023، والآن في جامعة سيتي في هونج كونج) ورينهارد شوماك، بالتحقيق في كيفية تغير التوازن عندما يتفاعل بعض الهيدروجين المنتج في جهاز PEC مع حمض الإيتاكونيك (IA) لتكوين حمض الميثيل سوتشينيك (MSA)، كل ذلك داخل نفس الجهاز.
المادة الأولية، حمض الإيتاكونيك، تأتي من الكتلة الحيوية ويتم تغذيتها، حمض الميثيل سوتشينيك هو مركب باهظ الثمن وتحتاجه الصناعات الكيميائية والصيدلانية.
التحكم في التفاعلات الكيميائية
في الدراسة، التي تم نشرها في مجلة Nature Communications ، يصف الفريق كيفية التحكم في التفاعلات الكيميائية في جهاز PEC عن طريق تغيير معلمات العملية وتركيز المحفز المتجانس المعتمد على الروديوم، وهو قابل للذوبان في الماء ونشط بالفعل في درجة حرارة الغرفة.
بهذه الطريقة، يمكن استخدام نسب مختلفة من الهيدروجين لهدرجة حمض الإيتاكونيك، مما يؤدي بشكل انتقائي إلى زيادة أو تقليل إنتاج حمض الميثيل سوتشينيك.
يصبح المصنع مربحًا من 11 بالمائة من الهيدروجين لـ MSA، ومع الكفاءة الواقعية الإجمالية لمصنع PEC البالغة 10 بالمائة ومع الأخذ في الاعتبار التكاليف الأولية بالإضافة إلى التشغيل والصيانة والإيقاف عن التشغيل، يظل إنتاج الهيدروجين النقي مكلفًا للغاية مقارنة بالإنتاج من الغاز الأحفوري. ويصدق هذا حتى لو افترضنا أن العمر الافتراضي لمصنع PEC هو 40 عامًا.
يتغير هذا التوازن إذا اقترن تفاعل PEC بعملية الهدرجة، حتى لو تم تحويل 11 بالمائة فقط من الهيدروجين المنتج إلى MSA، فإن تكلفة الهيدروجين تنخفض إلى 1.5 يورو للكيلوجرام الواحد، وهو بالفعل عند نفس مستوى الهيدروجين من إعادة تشكيل بخار الميثان، وهذا صحيح حتى بالنسبة لعمر مصنع PEC الذي يبلغ 5 سنوات فقط.
وبما أن سعر السوق لـ MSA أعلى بكثير من سعر الهيدروجين، فإن المزيد من MSA يزيد من الربحية، في التجربة، يمكن استخدام ما بين 11 إلى 60% من الهيدروجين بشكل انتقائي لإنتاج MSA.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت دراسة سابقة أن الإنتاج المشترك لـ MSA يقلل أيضًا مما يسمى بوقت استرداد الطاقة، أي الوقت الذي يستغرقه المصنع لاستعادة الطاقة التي استهلكها إنتاجه.
يمكن أيضًا استخدام مصنع PEC لإنتاج منتجات مشتركة أخرى عن طريق تغيير المادة الخام والمحفز (القابل للذوبان): على سبيل المثال، يمكن هدرجة الأسيتون إلى الأيزوبروبانول.
تقول فتوى عبدي: “هذه ميزة رئيسية أخرى لمفهومنا للإنتاج المشترك، لقد وجدنا طريقة واعدة لجعل إنتاج الهيدروجين الشمسي مجديًا اقتصاديًا”.
