تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود مثل الهيدروجين أو الميثانول يشغل خلية الوقود وتوليد الكهرباء

يجري البحث في جميع أنحاء العالم لإيجاد طرق لاستخراج ثاني أكسيد الكربون من الهواء أو من عوادم محطات توليد الطاقة ومن ثم تحويله إلى شيء مفيد.

إحدى الأفكار الواعدة هي تحويله إلى وقود مستقر يمكن أن يحل محل الوقود الأحفوري في بعض التطبيقات.

لكن معظم عمليات التحويل هذه واجهت مشاكل تتعلق بانخفاض كفاءة الكربون، أو أنها تنتج وقودًا قد يكون من الصعب التعامل معه، أو سامًا، أو قابلاً للاشتعال.

الآن، طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد عملية فعالة يمكنها تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات، وهي مادة سائلة أو صلبة يمكن استخدامها مثل الهيدروجين أو الميثانول لتشغيل خلية الوقود وتوليد الكهرباء.

فورمات البوتاسيوم أو الصوديوم، التي يتم إنتاجها بالفعل على نطاقات صناعية وتستخدم عادة كمزيل للجليد للطرق والأرصفة، غير سامة وغير قابلة للاشتعال وسهلة التخزين والنقل، ويمكن أن تظل مستقرة في الخزانات الفولاذية العادية لاستخدامها أشهر أو حتى سنوات بعد إنتاجه.

التقاط الغاز وتحويله إلى مسحوق فورمات صلب

تم وصف العملية الجديدة، التي طورها طلاب الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تشن تشانج، وتشيتشو رين، وألكسندر كوين، وطالب الدكتوراه في جامعة هارفارد داوي شي، والأستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جو لي، هذا الأسبوع في مجلة Cell Reports Physical Science.

وقد تم عرض العملية برمتها – بما في ذلك التقاط الغاز وتحويله كهروكيميائيًا إلى مسحوق فورمات صلب، والذي يُستخدم بعد ذلك في خلية وقود لإنتاج الكهرباء – على نطاق مختبري صغير.

ومع ذلك، يتوقع الباحثون أن تكون قابلة للتطوير بحيث يمكنها توفير الحرارة والطاقة الخالية من الانبعاثات للمنازل الفردية وحتى استخدامها في التطبيقات الصناعية أو على نطاق الشبكة.

يشرح لي، أن الطرق الأخرى لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود عادة ما تتضمن عملية من مرحلتين: أولاً يتم احتجاز الغاز كيميائيًا وتحويله إلى شكل صلب مثل كربونات الكالسيوم، ثم يتم تسخين هذه المادة لاحقًا لطرد ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى مادة خام للوقود مثل أول أكسيد الكربون.

ويقول لي، إن الخطوة الثانية تتسم بكفاءة منخفضة للغاية، حيث تقوم عادة بتحويل أقل من 20% من ثاني أكسيد الكربون الغازي إلى المنتج المطلوب.

إلغاء الحاجة إلى خطوة التسخين غير الفعالة

على النقيض من ذلك، تحقق العملية الجديدة تحويلًا يزيد عن 90 %، وتلغي الحاجة إلى خطوة التسخين غير الفعالة عن طريق تحويل ثاني أكسيد الكربون أولاً إلى شكل وسيط، وهو بيكربونات المعدن السائل.

يتم بعد ذلك تحويل هذا السائل كهروكيميائيًا إلى فورمات البوتاسيوم أو الصوديوم السائل في محلل كهربي يستخدم كهرباء منخفضة الكربون، على سبيل المثال، الطاقة النووية أو طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية.

يقول لي، إنه يمكن بعد ذلك تجفيف محلول فورمات البوتاسيوم أو الصوديوم السائل عالي التركيز الناتج، على سبيل المثال عن طريق التبخر الشمسي، لإنتاج مسحوق صلب عالي الثبات ويمكن تخزينه في خزانات فولاذية عادية لمدة تصل إلى سنوات أو حتى عقود.

يقول لي، الذي يشغل مناصب مشتركة في أقسام العلوم والهندسة النووية، وعلوم وهندسة المواد، إن العديد من خطوات التحسين التي طورها الفريق أحدثت فرقًا كبيرًا في تغيير عملية تحويل كيميائية غير فعالة إلى حل عملي.

احتجاز الكربون وتحويله

تتضمن عملية احتجاز الكربون وتحويله أولاً احتجازًا قائمًا على محلول قلوي يعمل على تركيز ثاني أكسيد الكربون، إما من تيارات مركزة مثل انبعاثات محطات الطاقة أو من مصادر منخفضة التركيز للغاية، حتى الهواء الطلق، إلى شكل بيكربونات معدنية سائلة، بعد ذلك، ومن خلال استخدام المحلل الكهربائي بغشاء التبادل الكاتيوني، يتم تحويل هذا البيكربونات كيميائيًا إلى بلورات فورمات صلبة بكفاءة كربونية تزيد عن 96%، كما تم تأكيد ذلك في تجارب الفريق على المستوى المعملي.

تتمتع هذه البلورات بفترة صلاحية غير محددة، وتبقى مستقرة جدًا بحيث يمكن تخزينها لسنوات، أو حتى لعقود، مع خسارة قليلة أو معدومة. وبالمقارنة، فحتى أفضل صهاريج تخزين الهيدروجين العملية المتاحة تسمح للغاز بالتسرب بمعدل حوالي 1% يوميًا، مما يحول دون أي استخدامات قد تتطلب تخزينًا لمدة عام، كما يقول لي.

الميثانول، وهو بديل آخر تم استكشافه على نطاق واسع لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود يمكن استخدامه في خلايا الوقود، هو مادة سامة لا يمكن تكييفها بسهولة لاستخدامها في المواقف التي يمكن أن يشكل فيها التسرب خطراً على الصحة. ومن ناحية أخرى، يستخدم الفورمات على نطاق واسع ويعتبر حميدا، وفقا لمعايير السلامة الوطنية.

تحقيق توازن الرقم الهيدروجيني لتحويل الحالة المستقرة

تمثل العديد من التحسينات تحسينًا كبيرًا في كفاءة هذه العملية، أولاً، يتغلب التصميم الدقيق للمواد الغشائية وتكوينها على مشكلة واجهتها المحاولات السابقة لمثل هذا النظام، حيث يؤدي تراكم بعض المنتجات الثانوية الكيميائية إلى تغيير الرقم الهيدروجيني، مما يتسبب في فقدان النظام لكفاءته بشكل مطرد بمرور الوقت.

يقول تشانج: “تقليديًا، من الصعب تحقيق تحويل طويل الأمد ومستقر ومستمر للمواد الأولية”، “إن مفتاح نظامنا هو تحقيق توازن الرقم الهيدروجيني لتحويل الحالة المستقرة.”

ولتحقيق ذلك، أجرى الباحثون نموذجًا ديناميكيًا حراريًا لتصميم العملية الجديدة بحيث تكون متوازنة كيميائيًا ويظل الرقم الهيدروجيني في حالة ثابتة دون تغير في الحموضة بمرور الوقت. وبالتالي يمكنها الاستمرار في العمل بكفاءة على مدى فترات طويلة.

وفي اختباراتهم، تم تشغيل النظام لأكثر من 200 ساعة دون أي انخفاض كبير في الإنتاج. يمكن إجراء العملية برمتها في درجات حرارة محيطة وضغوط منخفضة نسبيًا (حوالي خمسة أضعاف الضغط الجوي).

إدخال طبقة “عازلة” إضافية

هناك مشكلة أخرى، وهي أن التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها تنتج منتجات كيميائية أخرى لم تكن مفيدة، لكن الفريق اكتشف طريقة لمنع هذه التفاعلات الجانبية عن طريق إدخال طبقة “عازلة” إضافية من صوف الألياف الزجاجية المخصب بالبيكربونات والتي منعت هذه التفاعلات.

قام الفريق أيضًا ببناء خلية وقود مُحسَّنة خصيصًا لاستخدام وقود الفورمات لإنتاج الكهرباء. يتم ببساطة إذابة جزيئات الفورمات المخزنة في الماء ويتم ضخها إلى خلية الوقود حسب الحاجة، على الرغم من أن الوقود الصلب أثقل بكثير من الهيدروجين النقي، فعند أخذ وزن وحجم خزانات الغاز عالية الضغط اللازمة لتخزين الهيدروجين في الاعتبار، فإن النتيجة النهائية هي إنتاج كهرباء قريب من التكافؤ لحجم تخزين معين، كما يقول لي.

تكييف وقود الفورمات لأي شيء

ويقول الباحثون إنه من الممكن تكييف وقود الفورمات لأي شيء بدءًا من الوحدات ذات الحجم المنزلي وحتى الاستخدامات الصناعية واسعة النطاق أو أنظمة التخزين على نطاق الشبكة.

قد تشتمل التطبيقات المنزلية الأولية على وحدة محلل كهربائي بحجم الثلاجة تقريبًا لالتقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات، والذي يمكن تخزينه في خزان تحت الأرض أو على السطح.

وبعد ذلك، عند الحاجة، يتم خلط المسحوق الصلب بالماء وإدخاله في خلية وقود لتوفير الطاقة والحرارة.

قول تشانج: “هذا من أجل التوضيحات المجتمعية أو المنزلية، ولكننا نعتقد أنه قد يكون جيدًا في المستقبل أيضًا للمصانع أو الشبكة”.