ساعد مهندسو جامعة إلينوي شيكاغو في تصميم طريقة جديدة لإنتاج غاز الهيدروجين من الماء باستخدام الطاقة الشمسية والنفايات الزراعية فقط، مثل السماد أو القشو، تقلل هذه الطريقة من الطاقة اللازمة لاستخراج الهيدروجين من الماء بنسبة 600%، مما يخلق فرصًا جديدة لإنتاج كيميائي مستدام وصديق للمناخ.
يعد الوقود المعتمد على الهيدروجين أحد أكثر المصادر الواعدة للطاقة النظيفة. ولكن إنتاج نقية غاز الهيدروجين النقي هو عملية كثيفة الاستخدام للطاقة وتتطلب في كثير من الأحيان الفحم أو الغاز الطبيعي وكميات كبيرة من الكهرباء.
في ورقة لتقارير الخلية العلوم الفيزيائية ، كشف فريق متعدد المؤسسات بقيادة مهندس UIC Meenesh Singh عن العملية الجديدة لإنتاج الهيدروجين الأخضر.
تستخدم هذه الطريقة مادة غنية بالكربون تسمى الفحم الحيوي لتقليل كمية الكهرباء اللازمة لتحويل الماء إلى هيدروجين. وذلك باستخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح والحصول على المنتجات الثانوية لاستخدامات أخرى، يمكن لهذه العملية تقليل انبعاثات غازات الدفيئة إلى صافي الصفر.
وقال سينج، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكيميائية: “نحن أول مجموعة تظهر أنه يمكنك إنتاج الهيدروجين باستخدام الكتلة الحيوية بجزء من فولت”. “هذه هي التكنولوجيا التحويلية.”
يتطلب التحليل الكهربائي، وهو عملية تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، تيارًا كهربائيًا. على المستوى الصناعي، عادةً ما يكون الوقود الأحفوري مطلوبًا لتوليد هذه الكهرباء.
في الآونة الأخيرة، قام العلماء بتقليل الجهد المطلوب لتقسيم الماء عن طريق إدخال مصدر الكربون في التفاعل. لكن هذه العملية تستخدم أيضًا الفحم أو المواد الكيميائية باهظة الثمن وتطلق ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي.
قام سينغ وزملاؤه بتعديل هذه العملية لاستخدام الكتلة الحيوية من منتجات النفايات الشائعة بدلاً من ذلك. عن طريق خلط حامض الكبريتيك مع المخلفات الزراعية أو النفايات الحيوانية أو مياه الصرف الصحي، فإنها تخلق مادة تشبه الملاط تسمى الفحم الحيوي، وهي غنية بالكربون.
قام الفريق بتجربة أنواع مختلفة من الفحم الحيوي المصنوع من قشور قصب السكر، ونفايات القنب، ونفايات الورق، وروث البقر. عند إضافتها إلى غرفة التحليل الكهربائي، خفضت جميع أنواع الفحم الحيوي الخمسة الطاقة اللازمة لتحويل الماء إلى هيدروجين. أفضل أداء، روث البقر، قلل من المتطلبات الكهربائية ستة أضعاف إلى ما يقرب من خمس فولت.
كانت متطلبات الطاقة منخفضة بما يكفي لتمكين الباحثين من تشغيل التفاعل باستخدام خلية شمسية سيليكونية قياسية واحدة تولد ما يقرب من 15 ملي أمبير من التيار عند 0.5 فولت، وهذا أقل من كمية الطاقة التي تنتجها بطارية AA.
وقال روهيت تشوهان، المؤلف المشارك وباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر سينج: “إنها فعالة للغاية، حيث يتم تحويل ما يقرب من 35٪ من الفحم الحيوي والطاقة الشمسية إلى هيدروجين”، “هذه أرقام قياسية عالمية؛ إنها أعلى نسبة أظهرها أي شخص”.
تتيح الإنتاج النظيف لمواد كيميائية مختلفة غير الهيدروجين
ولجعل العملية صافية صفرًا، يجب أن تلتقط ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التفاعل، لكن سينج قال إن هذا أيضًا قد يكون له فوائد بيئية واقتصادية بيئية واقتصادية، مثل إنتاج ثاني أكسيد الكربون النقي لتحويله إلى مشروبات كربونية أو تحويله إلى إيثيلين ومواد كيميائية أخرى تستخدم في تصنيع البلاستيك.
وقال نيشيثان كاني، خريج جامعة كاليفورنيا الدولية، المؤلف الرئيسي المشارك في هذه الورقة: “إنها لا تنوع استخدام النفايات الحيوية فحسب، بل تتيح الإنتاج النظيف لمواد كيميائية مختلفة غير الهيدروجين”، “هذه الطريقة الرخيصة لإنتاج الهيدروجين يمكن أن تسمح للمزارعين بأن يصبحوا مستدامين ذاتيا لتلبية احتياجاتهم من الطاقة أو خلق مصادر جديدة للدخل.”
وقد تقدمت شركة Orochem Technologies Inc، التي رعت البحث، بطلب للحصول على براءات اختراع لعملياتها لإنتاج الفحم الحيوي والهيدروجين، ويخطط فريق UIC لاختبار الطرق على نطاق واسع.
