دراسات حديثة تقيم جدوى إنتاج وقود الهيدروجين الأخضر “المباشر”
كتبت : حبيبة جمال
بدلاً من استخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح في التحليل الكهربائي ، يقوم الباحثون باختبار القدرة التنافسية للخلايا الكهروضوئية لإنتاج وقود الهيدروجين الخالي من الانبعاثات.
الهيدروجين “الأخضر” هو إنتاج وقود الهيدروجين باستخدام مصادر الأجيال الخالية من الانبعاثات مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. في حين أنه من المتوقع أن تشكل المركبات ومحطات الطاقة المشحونة بالطاقة المتجددة حصة كبيرة من انتقال الطاقة ، فقد اكتسب الهيدروجين الأخضر الاهتمام بالشاحنات الثقيلة وحالات الاستخدام الصناعي نظرًا لقدرته على إرسال كميات كبيرة من الطاقة.
عادة ما يتخذ إنتاج الهيدروجين الأخضر نهجًا “غير مباشر” باستخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لتشغيل المحلل الكهربائي. وصلت كفاءة هذه المحلل الكهربائي إلى حوالي 30٪.
يبحث فريق بحثي في معهد Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) للوقود الشمسي عن مسار آخر لإنتاج الهيدروجين الخالي من الانبعاثات من خلال عملية يسمونها النهج “المباشر”. تم توضيح النهج في مقالة Nature Communications.
الأقطاب الكهروضوئية
يقوم الفريق بتطوير أقطاب كهروضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية ، وتكون مستقرة في المحاليل المائية ، وتقسم الماء تحفيزيًا إلى هيدروجين. تقترن الأقطاب الكهروضوئية بمواد محفزة ، مما يخلق المكون النشط في خلية كهروكيميائية ضوئية (PEC).
اليوم ، أفضل خلايا PEC قادرة على تحقيق كفاءات قريبة من 10٪ وهي مصنوعة من ماصات أكسيد معدني منخفضة التكلفة ومستقرة نسبيًا. على الرغم من أنها أقل كفاءة بشكل ملحوظ من نظيراتها من الهيدروجين الأخضر غير المباشر ، إلا أن خلايا PEC لها بعض المزايا. يمكن استخدام الحرارة الناتجة عن أشعة الشمس المباشرة لزيادة تسريع التفاعلات. وقال الباحثون ، نظرًا لأن الكثافات تتراوح من 10 إلى 100 مرة أقل مع هذا النهج ، فيمكن استخدام مواد أكثر وفرة ورخيصة كمحفزات.
على الرغم من هذه العناصر الواعدة لنهج PEC ، فقد أظهر التحليل الاقتصادي التقني وتحليل الطاقة الصافية أنه لا يزال غير قادر على المنافسة مع نهج إنتاج الهيدروجين الأخضر التقليدي. يكلف وقود الهيدروجين من أنظمة PEC حوالي 10 دولارات للكيلوجرام ، أي حوالي ستة أضعاف تكلفة الهيدروجين “الأزرق” الناتج عن إعادة تشكيل بخار الميثان الأحفوري عند 1.50 دولار لكل كيلوجرام. أيضًا ، يقدر الطلب التراكمي على الطاقة لتقسيم المياه PEC بأربعة إلى 20 مرة أعلى من إنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة المتجددة والمحللات الكهربائية.
على الرغم من هذه الفجوة في فعالية التكلفة بين الأساليب ، يقوم فريق البحث في معهد HZB باختبار الفوائد المحتملة الأخرى لـ PEC. اختبرت المجموعة تأثيرات كيفية تفاعل الهيدروجين المنتج بشكل أكبر مع حمض itaconic في نفس المفاعل لتكوين حمض الميثيل السكسينيك (MSA). MSA هو وقود كيميائي آخر يمكن استخدامه لإرسال كميات كبيرة من الطاقة مثل الهيدروجين.
تتيح تقنية PEC إمكانية إنتاج MSA بسُبع متطلبات الطاقة النموذجية لعمليات إنتاج وقود MSA.
للعثور على هذا ، قام الباحثون بحساب مقدار الطاقة اللازمة لإنتاج خلية PEC من ماصات الضوء ، والمواد المحفزة وغيرها من المواد مثل الزجاج ، ومدة عمل النظام لإنتاج هذه الطاقة في شكل طاقة كيميائية مثل الهيدروجين أو MSA .
فترة استرداد الطاقة
بالنسبة للهيدروجين وحده ، تبلغ فترة استرداد الطاقة حوالي 17 عامًا عند افتراض كفاءة متواضعة بنسبة 5 ٪ من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين. إذا تم استخدام 2٪ فقط من الهيدروجين المنتج لتحويل حمض إيتاتونيك إلى MSA ، فإن وقت استرداد الطاقة ينخفض إلى النصف. إذا تم تحويل 30٪ من الهيدروجين إلى MSA ، يمكن استعادة طاقة الإنتاج بعد عامين فقط.
قالت الدكتورة فتوى عبدي ، معهد HZB للوقود الشمسي: “هذا يجعل العملية أكثر استدامة وتنافسية”.
تقول عبدي: “يوفر هذا النهج طريقة لتقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر بشكل كبير وزيادة الجدوى الاقتصادية لتقنية PEC”. “لقد فكرنا جيدًا خلال العملية ، والخطوة التالية هي أن نختبر في المختبر مدى نجاح الإنتاج المتزامن للهيدروجين و MSA في الممارسة العملية.”
