إنتاج الهيدروجين من النفايات.. تصميم الخلية الكهروكيميائية الحيوية يقلل من فقدان الطاقة

حقق فريق بحثي تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الطاقة النظيفة. فقد نجح الفريق في تعزيز مكون أساسي في خلية كيميائية كهربائية حيوية، مما يتيح إنتاج الهيدروجين بكفاءة أكبر من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في النفايات.

ويحل هذا التقدم تحديات فقدان الطاقة المستمرة في العمليات التقليدية، مما يوفر مسارًا تحويليًا نحو إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع وبتكلفة فعالة.

نُشر العمل في مجلة Science of The Total Environment .

لقد برز الغاز الحيوي، وهو غاز متجدد يتم توليده أثناء التحلل الميكروبي للنفايات العضوية، كمصدر واعد لإنتاج الهيدروجين النظيف.

ومن خلال عمليات مثل الإصلاح بالبخار أو التحلل الحراري في درجات حرارة مرتفعة، يمكن تحويل الغاز الحيوي إلى هيدروجين – وهو لاعب رئيسي في التحول العالمي إلى الحياد الكربوني.

إنتاج الهيدروجين باستخدام الخلايا الكهروكيميائية الحيوية

ولكن أساليب الإنتاج الحالية تواجه عقبات بالغة الأهمية، فهذه العمليات لا تنبعث منها غاز ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي فحسب، بل إنها تتطلب أيضاً قدراً كبيراً من الطاقة للحفاظ على ظروف درجات الحرارة المرتفعة، وهو ما يفرض تحديات كبيرة أمام التسويق التجاري على نطاق واسع.

ولمعالجة هذه التحديات، تعكف دول رائدة مثل الولايات المتحدة وأوروبا على إجراء أبحاث نشطة حول عمليات إنتاج الهيدروجين باستخدام الخلايا الكهروكيميائية الحيوية.

وفي هذه العملية، يتم إمداد الخلية الكهروكيميائية الحيوية بالنفايات والكهرباء، حيث تستهلك الكائنات الحية الدقيقة المواد العضوية، فتطلق الإلكترونات وأيونات الهيدروجين التي تتحد لإنتاج غاز الهيدروجين.

على عكس طرق إنتاج الهيدروجين التقليدية، تقدم عملية الخلية الكهروكيميائية الحيوية حلاً أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة. من خلال التشغيل في درجات حرارة منخفضة وانبعاث كميات أقل بكثير من ثاني أكسيد الكربون، تتوافق تقنية الخلية الكهروكيميائية الحيوية مع أهداف إزالة الكربون العالمية، ومع ذلك، فإن توسيع نطاق العملية يمثل تحديًا بالغ الأهمية.

مع زيادة حجم النظام، تصبح مسارات المواد المتفاعلة كهروكيميائية أطول، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية وزيادة فقدان الطاقة.

تحسين كفاءة النظام وقابليته للتطوير

ويشكل هذا القيد عائقًا كبيرًا أمام التسويق التجاري على نطاق واسع، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى المزيد من التقدم التكنولوجي لتحسين كفاءة النظام وقابليته للتطوير.

للتغلب على مشاكل فقدان الطاقة في الخلايا الكيميائية الحيوية الكهربائية التقليدية، قام فريق البحث بتطوير تحسين خاص للوحدة الأساسية للخلية وتطبيقه على عملية إنتاج الهيدروجين.

حققت العملية التي تستخدم الخلية المطورة حديثًا إنتاجية هيدروجين أعلى بمقدار 1.2 مرة وإنتاج الإلكترونات أعلى بأكثر من 1.8 مرة مقارنة بعمليات إنتاج الهيدروجين الكيميائية الحيوية الكهربائية الحالية.

قدم فريق البحث ابتكارًا رائدًا للخلية الكيميائية الكهربائية الحيوية: تقنية Zero-Gap الحاصلة على براءة اختراع.

يعمل هذا التصميم المتقدم على تقليل المسافة بين أقطاب الخلية والفاصل، مما يقلل بشكل كبير من المقاومة الكهربائية ويحسن كفاءة التفاعل.

من خلال إنشاء مسار أكثر مباشرة للتفاعلات الكهروكيميائية، تعمل تقنية Zero-Gap على تمكين نقل الإلكترونات بشكل أسرع وإنتاج الهيدروجين بكفاءة أكبر.

وقد تم اعتماد هذا النهج على نطاق واسع في الأنظمة الكهروكيميائية المتطورة، وهو خطوة حاسمة إلى الأمام في تحسين قابلية التوسع والجدوى التجارية للخلايا الكهروكيميائية الحيوية.

فجوات صغيرة بين الأقطاب الكهربائية والأغشية

ومع ذلك، فإن الهياكل التقليدية ذات الفجوة الصفرية مصممة عادةً عن طريق تكديس الأقطاب الكهربائية والأغشية في تكوين يشبه الساندويتش.

أثناء التنفيذ على نطاق واسع، يمكن أن يؤدي هذا الهيكل إلى اختلال التوازن في الضغط، مما يؤدي إلى إنشاء فجوات صغيرة بين الأقطاب الكهربائية والأغشية.

تتسبب هذه الفجوات في انخفاض موضعي في الكفاءة وزيادة في المقاومة الكهربائية ، مما يعيق الأداء العام للعملية.

وعلى النقيض من ذلك، يتميز الهيكل الخالي من الفجوات الذي طوره فريق البحث بغطاء أسطواني يطبق ضغطًا موحدًا على الجزء الخلفي من القطب أثناء إغلاقه، مما يضمن الالتصاق الكامل بين القطب والفاصل.

ويمكن تطبيق هذا التصميم بشكل متسق حتى في العمليات واسعة النطاق، مما يجعله ابتكارًا رئيسيًا لتسويق الخلايا الكهروكيميائية الحيوية.

خطوة حاسمة نحو التنفيذ على نطاق واسع

نجح فريق البحث في تطبيق الخلية الكهروكيميائية الحيوية المطورة بنجاح على عملية إنتاج الهيدروجين، مما أدى إلى زيادة إنتاج الإلكترون بمقدار 1.8 مرة وزيادة إنتاج الهيدروجين بمقدار 1.2 مرة مقارنة بالعمليات التقليدية.

وتم الحفاظ على نفس الأداء في التجارب على نطاق تجريبي، وهي خطوة حاسمة نحو التنفيذ على نطاق واسع، وقد تم اعتماد هذا الإنجاز رسميًا من قبل مختبر الاختبار الكوري (KTL)، مما يؤكد فاعليته بشكل أكبر.

وقال الدكتور جوا يونجين، الباحث الرئيسي: “إن هذا التطور التكنولوجي لا يعالج التحديات البيئية والاقتصادية المتمثلة في معالجة النفايات العضوية في كوريا فحسب، بل يمثل أيضًا تقدمًا كبيرًا في إنتاج طاقة الهيدروجين النظيفة عالية الكفاءة.

“ومن المتوقع أن يساهم تسويق الخلية الحيوية الكهروكيميائية عالية الأداء التي قمنا بتطويرها بشكل كبير في تحقيق الحياد الكربوني والانتقال إلى مجتمع قائم على الهيدروجين”.