نظام جديد يشبه القطار يسخر 40% من حرارة الشمس لإنتاج الهيدروجين النظيف

يهدف مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى إنتاج وقود هيدروجيني أخضر بالكامل، وخالي من الكربون باستخدام نظام جديد يشبه القطار من المفاعلات التي تحركها الشمس فقط.

في دراسة نشرت اليوم في مجلة الطاقة الشمسية، وضع المهندسون التصميم المفاهيمي لنظام يمكنه إنتاج “الهيدروجين الكيميائي الحراري الشمسي” بكفاءة.

يسخر النظام حرارة الشمس لتقسيم الماء مباشرة وتوليد الهيدروجين، وهو وقود نظيف يمكنه تشغيل الشاحنات والسفن والطائرات لمسافات طويلة، بينما لا ينبعث أثناء هذه العملية أي انبعاثات غازات دفيئة .

يتم حاليا، إنتاج الهيدروجين إلى حد كبير من خلال العمليات التي تنطوي على الغاز الطبيعي وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى، مما يجعل الوقود الأخضر أكثر من مصدر طاقة “رمادي” عند النظر إليه منذ بداية إنتاجه وحتى استخدامه النهائي.

في المقابل، يقدم الهيدروجين الكيميائي الحراري الشمسي، أو STCH، بديلاً خاليًا تمامًا من الانبعاثات، لأنه يعتمد كليًا على الطاقة الشمسية المتجددة لدفع إنتاج الهيدروجين.

ولكن حتى الآن، تتمتع تصميمات STCH الحالية بكفاءة محدودة: حيث يتم استخدام حوالي 7٪ فقط من ضوء الشمس الوارد لإنتاج الهيدروجين، وكانت النتائج حتى الآن منخفضة الإنتاجية وعالية التكلفة.

زيادة الكفاءة وخفض التكلفة الإجمالية

وفي خطوة كبيرة نحو تحقيق الوقود المصنوع من الطاقة الشمسية، يقدر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن تصميمه الجديد يمكن أن يسخر ما يصل إلى 40٪ من حرارة الشمس لتوليد هذا القدر من الهيدروجين.

يمكن أن تؤدي الزيادة في الكفاءة إلى خفض التكلفة الإجمالية للنظام، مما يجعل STCH خيارًا قابلاً للتطوير وبأسعار معقولة للمساعدة في إزالة الكربون من صناعة النقل.

يقول أحمد غنيم، المؤلف الرئيسي للدراسة، وأستاذ رونالد سي كرين للهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “نحن نفكر في الهيدروجين كوقود للمستقبل، وهناك حاجة إلى توليده بسعر رخيص وعلى نطاق واسع”ن “نحن نحاول تحقيق هدف وزارة الطاقة، وهو إنتاج الهيدروجين الأخضر بحلول عام 2030، بسعر دولار واحد للكيلوجرام الواحدن لتحسين الاقتصاد، علينا تحسين الكفاءة والتأكد من استخدام معظم الطاقة الشمسية التي نجمعها” في إنتاج الهيدروجين.”

محطات الطاقة الشمسية

وعلى غرار التصاميم المقترحة الأخرى، سيتم إقران نظام MIT مع مصدر موجود للحرارة الشمسية، مثل محطة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) – وهي عبارة عن مجموعة دائرية من مئات المرايا التي تجمع وتعكس ضوء الشمس إلى برج استقبال مركزي. يقوم نظام STCH بعد ذلك بامتصاص حرارة جهاز الاستقبال وتوجيهه لتقسيم الماء وإنتاج الهيدروجين، تختلف هذه العملية كثيرًا عن التحليل الكهربائي، الذي يستخدم الكهرباء بدلاً من الحرارة لتقسيم الماء.

في نظام STCH المفاهيمي يوجد تفاعل كيميائي حراري مكون من خطوتين.

في الخطوة الأولى، يتم تعريض الماء على شكل بخار إلى المعدن. يؤدي هذا إلى حصول المعدن على الأكسجين من البخار، تاركًا الهيدروجين خلفه. تشبه هذه “الأكسدة” المعدنية صدأ الحديد في وجود الماء، ولكنها تحدث بشكل أسرع بكثير.

بمجرد فصل الهيدروجين، يتم إعادة تسخين المعدن المؤكسد (أو الصدأ) في الفراغ، مما يعمل على عكس عملية الصدأ وتجديد المعدن.

وبعد إزالة الأكسجين، يمكن تبريد المعدن وتعريضه للبخار مرة أخرى لإنتاج المزيد من الهيدروجين. ويمكن تكرار هذه العملية مئات المرات.

تم تصميم نظام MIT لتحسين هذه العملية، يشبه النظام ككل قطارًا من المفاعلات على شكل صندوق يعمل على مسار دائري.

ومن الناحية العملية، سيتم وضع هذا المسار حول مصدر حراري شمسي، مثل برج الطاقة الشمسية المركزة.

سيحتوي كل مفاعل في القطار على المعدن الذي يخضع لعملية الأكسدة والاختزال، أو الصدأ القابل للعكس.

سيمر كل مفاعل أولا عبر محطة ساخنة، حيث يتعرض لحرارة الشمس عند درجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية. هذه الحرارة الشديدة من شأنها أن تسحب الأكسجين بشكل فعال من معدن المفاعل.

سيكون هذا المعدن بعد ذلك في حالة “مخفضة” – جاهزة لانتزاع الأكسجين من البخار.

ولكي يحدث ذلك، سينتقل المفاعل إلى محطة تبريد عند درجات حرارة حوالي 1000 درجة مئوية، حيث سيتم تعريضه للبخار لإنتاج الهيدروجين.

الصدأ والقضبان

واجهت مفاهيم أخرى مماثلة لـ STCH عقبة شائعة: ما يجب فعله بالحرارة الصادرة عن المفاعل المخفض أثناء تبريده، وبدون استعادة هذه الحرارة وإعادة استخدامها، تكون كفاءة النظام منخفضة جدًا بحيث لا تكون عملية.

التحدي الثاني يتعلق بإنشاء فراغ موفر للطاقة حيث يمكن للمعادن إزالة الصدأ، تولد بعض النماذج الأولية فراغًا باستخدام مضخات ميكانيكية، على الرغم من أن المضخات تستهلك الكثير من الطاقة ومكلفة لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع.

ولمواجهة هذه التحديات، يتضمن تصميم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا العديد من الحلول الموفرة للطاقة.

لاستعادة معظم الحرارة التي قد تتسرب من النظام، يُسمح للمفاعلات الموجودة على الجانبين المتقابلين من المسار الدائري بتبادل الحرارة من خلال الإشعاع الحراري؛ يتم تبريد المفاعلات الساخنة بينما يتم تسخين المفاعلات الباردة. هذا يحافظ على الحرارة داخل النظام.

وأضاف الباحثون أيضًا مجموعة ثانية من المفاعلات التي ستدور حول القطار الأول، وتتحرك في الاتجاه المعاكس. سيعمل هذا القطار الخارجي من المفاعلات في درجات حرارة أكثر برودة بشكل عام، وسيتم استخدامه لإخلاء الأكسجين من القطار الداخلي الأكثر سخونة، دون الحاجة إلى مضخات ميكانيكية تستهلك الطاقة.

ستحمل هذه المفاعلات الخارجية نوعًا ثانيًا من المعدن الذي يمكن أيضًا أن يتأكسد بسهولة، أثناء دورانها حولها، تمتص المفاعلات الخارجية الأكسجين من المفاعلات الداخلية، مما يؤدي إلى إزالة الصدأ من المعدن الأصلي بشكل فعال، دون الحاجة إلى استخدام مضخات التفريغ كثيفة الاستهلاك للطاقة.

سيعمل كلا قطاري المفاعلين بشكل مستمر وسيولدان تيارات منفصلة من الهيدروجين النقي والأكسجين.

محاكاة تفصيلية للتصميم

أجرى الباحثون عمليات محاكاة تفصيلية للتصميم المفاهيمي، ووجدوا أنه سيعزز بشكل كبير كفاءة إنتاج الهيدروجين الكيميائي الحراري الشمسي، من 7%، كما أظهرت التصاميم السابقة، إلى 40%.

يقول غنيم: “علينا أن نفكر في كل جزء من الطاقة الموجودة في النظام، وكيفية استخدامها لتقليل التكلفة”ن “ومع هذا التصميم، وجدنا أنه يمكن تشغيل كل شيء بالحرارة القادمة من الشمس، وهو قادر على استخدام 40٪ من حرارة الشمس لإنتاج الهيدروجين.”

يقول كريستوفر موهيتش، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية بجامعة ولاية أريزونا، والذي لم يشارك في البحث: “إذا أمكن تحقيق ذلك، فقد يغير مستقبل الطاقة لدينا بشكل جذري- أي تمكين إنتاج الهيدروجين على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع”، “إن القدرة على صنع الهيدروجين هي العمود الفقري لإنتاج الوقود السائل من ضوء الشمس.”

بناء نموذج أولي للنظام

وفي العام المقبل، سيقوم الفريق ببناء نموذج أولي للنظام الذي يخططون لاختباره في منشآت الطاقة الشمسية المركزة في مختبرات وزارة الطاقة.

يوضح باتانكار: “عند تنفيذ هذا النظام بالكامل، سيتم وضعه في مبنى صغير وسط حقل شمسي”، “داخل المبنى، يمكن أن يكون هناك قطار واحد أو أكثر يحتوي كل منها على حوالي 50 مفاعلًا، ونعتقد أن هذا يمكن أن يكون نظامًا معياريًا، حيث يمكنك إضافة مفاعلات إلى حزام ناقل، لزيادة إنتاج الهيدروجين.”