مع اكتساب التحول العالمي نحو مصادر الطاقة المتجددة زخماً، ينشأ تحدي حاسم، وهو ، كيفية تخزين الطاقة بشكل فعال لفترات لا تتوفر فيها الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
حصل أحد المنافسين الرئيسيين، وهو خلية وقود الهيدروجين، على دفعة كبيرة للتو، وذلك بفضل الأبحاث الأساسية النابعة من وزارة الطاقة SLAC الأمريكية مختبر التسريع، جامعة ستانفورد، ومعهد تويوتا للأبحاث (TRI) .
قالت ميكايلا بيرك ستيفنز، العالمة المشاركة في SLAC ومركز SUNCAT المشترك لعلوم الواجهات والتحفيز من كبار المؤلفين في الدراسة: “تتمتع خلايا الوقود الهيدروجيني بإمكانات كبيرة حقًا لتخزين الطاقة وتحويلها، وذلك باستخدام الهيدروجين كوقود بديل للبنزين على سبيل المثال”، “لكن تشغيل خلية الوقود لا يزال مكلفًا إلى حد ما.”
معضلة تكلفة خلايا الوقود
المشكلة، كما قال بيرك ستيفنز، هي أن خلايا الوقود تعتمد عادة على محفز – مليء بمعادن مجموعة البلاتين باهظة الثمن (PGM) – الذي يعزز التفاعل الكيميائي الذي يجعل النظام يعمل، أدى ذلك إلى قيام بيرك ستيفنز وزملائها بالبحث عن طرق لجعل المحفز أرخص، لكن إجراء مثل هذا التغيير الأساسي في كيمياء خلية الوقود يمثل تحديًا صعبًا: غالبًا ما يجد العلماء أن المحفز الذي يعمل في مختبرهم الصغير لا يعمل. جيد جدًا عندما تجربه شركة ما في خلية وقود حقيقية.
هذه المرة، قام الباحثون بموازنة التكاليف، عن طريق استبدال PGMs جزئيًا ببديل أرخص، وهو الفضة؛ لكن المفتاح الحقيقي كان تبسيط الوصفة الكيميائية لتوصيل المحفز إلى أقطاب الخلية.
يقوم العلماء عادةً بخلط المحفز في سائل ثم نشره على القطب الكهربائي الشبكي، لكن وصفات المحفز هذه لا تعمل دائمًا بنفس الطريقة في بيئات معملية مختلفة باستخدام أدوات مختلفة – مما يجعل من الصعب ترجمة العمل إلى تطبيقات في العالم الحقيقي .
وقال توم جاراميلو، مدير SUNCAT، الذي جعل التعاون ممكنًا: “إن العمليات الكيميائية الرطبة ليست مرنة بشكل خاص فيما يتعلق بالظروف المختبرية”.
للتغلب على هذه المشكلة، استخدم فريق SLAC بدلاً من ذلك غرفة مفرغة من أجل ترسيبات أكثر تحكمًا للمحفز الجديد على الأقطاب الكهربائية.
قال جاراميلو: “إن هذه الأداة ذات الفراغ العالي هي طريقة “ما تراه هو ما تحصل عليه”، “طالما تمت معايرة نظامك بشكل جيد، من حيث المبدأ، يمكن للناس إعادة إنتاجه بسهولة.”
الجهود التعاونية والتطبيق العملي
ولضمان أن يتمكن الآخرون من إعادة إنتاج نهجهم وتطبيقه مباشرة على خلايا الوقود واسعة النطاق، قال بيرك ستيفنز: “لقد تم إعدادهم لاختبار خلايا الوقود الفعلية، لذلك كان تجميعها معًا مزيجًا رائعًا من الموارد” .
وجد الفريقان أنه من خلال استبدال الفضة الرخيصة ببعض المحفزات PGM المستخدمة في المحفزات السابقة، يمكنهم تحقيق خلية وقود فعالة بنفس القدر وبسعر أقل بكثير – والآن بعد أن أصبح لديهم طريقة مثبتة لتطوير المحفزات، يمكنهم ابدأ باختبار أفكار أكثر طموحًا.
قال جاراميلو: “يمكننا أن نحاول التخلص تمامًا من PGM” كان ديكل، أستاذ الهندسة الكيميائية ومدير برنامج الطاقة ، متحمسًا بنفس القدر لإمكانات الشراكة، مشيرا إلى “هذا له فوائد كبيرة لأبحاث خلايا الوقود في الأكاديمية وكذلك لتطوير المحفز العملي في صناعة خلايا الوقود” .
وأوضح أنه بالنظر إلى المستقبل، فإن مثل هذه الأبحاث ستقرر ما إذا كانت خلايا الوقود قادرة على تحقيق إمكاناتها.
وأضاف جاراميلو: “إن خلايا الوقود تبدو مثيرة للاهتمام حقًا في وسائل النقل الثقيلة وتخزين الطاقة النظيفة، ولكن الأمر في النهاية سيؤدي إلى خفض التكلفة، وهو ما يدور حوله هذا العمل التعاوني”.
