التحليل الكهربائي لمياه البحر.. ثورة الهيدروجين أم فشل تكنولوجي؟ الأرقام تكشف الحقيقة

لقد أدى ظهور اقتصاد الهيدروجين في السنوات الأربع الماضية أو نحو ذلك إلى إشعال العديد من الأفكار القديمة التي يجب إعادة النظر فيها.

تشمل بعض هذه الأفكار التحليل الكهربائي للبلازما والتحليل الكهربائي لمياه البحر – حيث يتم تقسيم الماء إلى الأجزاء المكونة له من خلال التحليل الكهربائي – وكلاهما تم استكشافهما في الماضي وتم انتقادهما باعتبارهما غير قابلين للتطبيق اقتصاديًا أو تقنيًا.

وفي الوقت نفسه، وصفت التغطية الإعلامية التحليل الكهربائي لمياه البحر بأنه التقدم التكنولوجي الكبير التالي وعامل تمكين لاقتصاد الهيدروجين، وتصوره على أنه اختراق على مستوى شبه معجزة. لكن هذا غير دقيق: التحليل الكهربائي لمياه البحر هو الحل الذي يبحث عن مشكلة.

وينتهي جزء كبير من استثمارات الهيدروجين الضخمة بدعم الإنجازات التكنولوجية التي وعدت بمسارات إنتاج هيدروجين أكثر كفاءة وأرخص وأكثر موثوقية، ومع ذلك، فإن العديد من أنصار هذه الإنجازات التكنولوجية هم من القادمين الجدد تمامًا إلى صناعة الهيدروجين. غالبًا ما لا يكون لديهم الخلفيات المناسبة لفهم هذه المفاهيم بتفاصيل كافية، ناهيك عن أن الكثير منهم لم يسبق لهم إجراء الكيمياء الكهربية من قبل.

فهم كيف نقوم بالتحليل الكهربائي اليوم

تقليديًا، تخضع المياه المستخدمة في التحليل الكهربائي للتنقية من خلال عملية التناضح العكسي التجارية وقد تتطلب إزالة الأيونات لاحقًا لإزالة الأيونات المتبقية، يجب أن تتوافق جودة المياه التي يتم توفيرها لغالبية أنظمة التحليل الكهربائي للمياه الحديثة مع معيار ASTM Type II – وهو في الأساس نوعية أنظف للمياه – على الرغم من أن العديد من المنتجين أوصوا بالامتثال لمعيار ASTM Type I، وهو المعيار الأنظف للمياه الصالحة للاستخدام تجاريًا .

يمكن بسهولة تحقيق جودة المواد الخام ASTM Type I من خلال محطات التناضح العكسي وإزالة الأيونات التجارية، في جوهر الأمر، من المرجح أن يعتمد عدد كبير من مشاريع الهيدروجين الكبيرة المعلن عنها عالميًا على المواد الخام لمياه البحر، ومع ذلك، فإنها ستتطلب خطوة المعالجة الإضافية هذه قبل تغذية الماء النقي في المحلل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين.

يعتبر التناضح العكسي المتطور والمتوفر تجاريًا والمنتشر على نطاق واسع بالإضافة إلى إزالة الأيونات هو المعيار الحالي لمعالجة وتنقية مياه البحر.

والسؤال هو ما إذا كان تخطي خطوة تنقية المياه هذه لتحليل مياه البحر بالكهرباء مباشرة هو النهج الأفضل، لفهم ما إذا كان ينبغي لنا أن نعتمد نهج مياه البحر، حيث ننتقل مباشرة إلى التحليل الكهربائي لمياه البحر، أو نستمر في النهج الحالي الذي نستخدم فيه التناضح العكسي لتنقية المياه، يتطلب منا أن نتعمق في الأرقام.

التحليل الكهربائي لمياه البحر: الأرقام

لا يعد اقتصاد الهيدروجين ولا التحليل الكهربائي للماء مفاهيم جديدة، تم استخدام أجهزة التحليل الكهربائي للمياه لأكثر من قرن من الزمان، وقد تطور أداءها وموادها بشكل كبير خلال تلك الفترة، مما أدى إلى حلول قوية وفعالة ومتطورة اليوم، الأمر نفسه ينطبق على حلول معالجة المياه.

لنبدأ باستكشاف استهلاك الطاقة لأنظمة التحليل الكهربائي وتنقية المياه الحديثة. لإنتاج 1 كجم من الهيدروجين، يلزم 8.92 كجم من الماء. في الواقع، نحن بحاجة إلى المزيد بسبب الخسائر – فبعض الماء لا ينتهي به الأمر إلى هيدروجين وأكسجين ويترك النظام دون معالجة. ولأغراض الحسابات، تم افتراض أن متوسط ​​استهلاك المياه يبلغ 11 لتر/كجم من الهيدروجين.

في الظروف المثالية، يتطلب إنتاج 1 كجم من الهيدروجين 39.4 كيلووات ساعة/كجم. في الواقع، وبسبب أوجه القصور المختلفة، يستهلك التحليل الكهربائي للمياه ما متوسطه 50 – 55 كيلووات ساعة/كجم.

تعتمد متطلبات الطاقة لمحطات معالجة المياه الحديثة إلى حد كبير على جودة مياه المواد الخام، ونوعية المياه المتخللة ونوع التكنولوجيا المستخدمة.

تستهلك محطات التناضح العكسي الأكثر استخدامًا حوالي 0.0012 كيلووات ساعة/لتر و 0.0046 كيلووات ساعة/لتر للمياه المالحة ومياه البحر، على التوالي، بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على جودة المياه المنتجة، قد يتم نشر محطة لمعالجة المياه منزوعة المعادن لزيادة تنقية التخلل.

يتراوح استهلاك الطاقة لمحطة معالجة المياه منزوعة المعادن بين 0.0016 كيلووات ساعة/لتر، على هذا النحو، يتراوح استهلاك الطاقة لتنقية مياه البحر لتلبية متطلبات نقاء المواد الخام للمحلل الكهربائي تقريبًا من 0.055 إلى 0.077 كيلووات ساعة/كجم H2 (مع الأخذ في الاعتبار استهلاك المياه المفترض بمقدار 11 لترًا/كجم من الهيدروجين) أو أقل من 0.2% من إجمالي استهلاك الطاقة. لإنتاج الهيدروجين.

فوائد الطاقة من التحليل الكهربائي لمياه البحر لا تذكر، وكذلك فوائد التكلفة.

تعتبر المحطات العكسية ومحطات إزالة المعادن الحديثة فعالة من حيث التكلفة. وكما أفادت هيدروجين أوروبا، تبلغ التكلفة الإجمالية لتحلية المياه حوالي 0.85 دولار أمريكي/م 3، مما يضيف حوالي 0.0075 دولار أمريكي/كجم إلى تكلفة إنتاج الهيدروجين.

بدلاً من التحليل الكهربائي لمياه البحر، يجب أن تركز التطورات المستقبلية للمحلل الكهربائي التي تعمل على الماء عالي النقاء على تحسين المعلمات مثل إنفاق التكلفة وكفاءة الطاقة، إن تحسين استهلاك الطاقة بنسبة 0.2٪ فقط من شأنه أن يعطي نظريًا نفس النتائج مثل تشغيل المحللات الكهربائية بمياه البحر.

بسبب زيادة الضغط الأسموزي وانخفاض الإنتروبيا، سيتطلب التحليل الكهربائي لمياه البحر المزيد من الطاقة مقارنة بالتحليل الكهربائي للمياه فائقة النقاء، وبالتالي فإن أي توفير محتمل في الطاقة سوف يتساوى وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية.

التحليل الكهربائي على مياه البحر – طريق مسدود؟

لا ينبغي التغاضي عن مدى تعقيد إجراء الكيمياء الكهربائية في مياه البحر، تحتوي مياه البحر على عدد كبير من الأنواع العضوية وغير العضوية، بما في ذلك الميكروبات والأيونات المعدنية.

سيصبح الحشف الحيوي مشكلة كبيرة في التحليل الكهربائي لمياه البحر، في حين أن أيونات المعادن، التي يتمتع الكثير منها بإمكانية الأكسدة والاختزال أقل من 1.8 فولت، سيتم ترسيبها كهربائيًا بشكل زائد بمرور الوقت على الأقطاب الكهربائية مما يقلل بشكل فعال من أداء التحفيز الكهربائي لإنتاج الهيدروجين.

قد تتحلل أيضًا أنواع مختلفة موجودة في مياه البحر، مما يؤدي إلى تلوث الهيدروجين (والأكسجين) المنتج، على سبيل المثال، وكما أشار سيرفيس بحق، يمكن أن يتطور غاز الكلور المسبب للتآكل والسام أثناء التحليل الكهربائي لمياه البحر.

وأخيرا، هناك أسباب وجيهة وراء استخدام عملية صناعية كبرى على مستوى العالم لتحويل محلول كلوريد الصوديوم عالي التركيز إلى الغسول وغاز الكلور والهيدروجين، حيث تستخدم المياه فائقة النقاء، وكلوريد الصوديوم النقي بدلا من الاعتماد على تركيزات عالية من كلوريد الصوديوم الموجودة في مياه البحر.

 العديد من التحديات

لا يزال اقتصاد الهيدروجين يواجه العديد من التحديات عالية التأثير التي تتطلب حلولاً فريدة خاصة بها، قد تشمل بعض هذه الأمور تمكين تصنيع المحلل الكهربائي على نطاق واسع أو أتمتة عمليات تصنيع المحلل الكهربائي لتقليل الإنفاق الرأسمالي لأنظمة التحليل الكهربائي.

بدلاً من تخصيص مبالغ هائلة من التمويل لحلول أو حلول غير عملية، حيث يتجاوز التحدي الفوائد، دعونا نركز الجهود على حل المشاكل ذات التأثير الكبير والفوائد الواضحة، وملء هذه الفجوات المفقودة داخل سلاسل قيمة الهيدروجين والوقود النظيف.

قد يؤدي التحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر إلى انخفاض متانة المحلل الكهربائي، وزيادة الطاقة ونفقات التكلفة وانخفاض نقاء الهيدروجين المنتج، حتى الديناميكا الحرارية غير مواتية لهذا المسار المباشر.