علب الصودا ومياه البحر تفتحان الباب أمام وقود المستقبل.. هيدروجين نظيف ومستدام

يتمتع الهيدروجين بإمكانية أن يكون وقودًا صديقًا للبيئة، إذ لا يُطلق ثاني أكسيد الكربون عند استخدامه كمصدر للطاقة، ومع ذلك، تعتمد معظم طرق إنتاج الهيدروجين حاليًا على الوقود الأحفوري، مما يجعله أقل ملاءمة ليكون وقودًا “أخضر” طوال دورة حياته.

طور مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عملية جديدة يمكنها أن تقلل بشكل كبير من البصمة الكربونية المرتبطة بصنع الهيدروجين.

في العام الماضي، أفاد الفريق بإمكانية إنتاج غاز الهيدروجين من خلال مزج مياه البحر وعلب الصودا المُعاد تدويرها والكافيين.

وكان السؤال المطروح آنذاك: هل يُمكن تطبيق هذه العملية على نطاق صناعي؟ وما هي تكلفتها البيئية؟

أجرى الباحثون الآن تقييمًا شاملًا لدورة حياة المنتج، آخذين في الاعتبار كل خطوة من خطوات العملية على المستوى الصناعي، على سبيل المثال، حسب الفريق انبعاثات الكربون المرتبطة بالحصول على الألومنيوم ومعالجته، وتفاعله مع مياه البحر لإنتاج الهيدروجين، ونقله إلى محطات الوقود، حيث يمكن للسائقين استخدام خزانات الهيدروجين لتشغيل المحركات أو سيارات خلايا الوقود.

ووجدوا أن العملية الجديدة، من بدايتها إلى نهايتها، يمكن أن تُنتج جزءًا ضئيلًا من انبعاثات الكربون المرتبطة بإنتاج الهيدروجين التقليدي.

وفي دراسة نُشرت في مجلة Cell Reports Sustainability، أفاد الفريق أن كل كيلوجرام من الهيدروجين المُنتَج يولد 1.45 كيلوجرام من ثاني أكسيد الكربون طوال دورة حياته، في حين تُصدر العمليات القائمة على الوقود الأحفوري نحو 11 كيلوجرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوجرام من الهيدروجين المُنتَج.

وتُضاهي هذه البصمة الكربونية المنخفضة نظيراتها في تقنيات “الهيدروجين الأخضر” المقترحة الأخرى، مثل تلك التي تعتمد على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

 

نشر الهيدروجين منخفض الانبعاثات

 

يقول المؤلف الرئيسي علي كومبارجي، الحاصل على درجة الدكتوراه عام 2015، والذي تخرج هذا الربيع من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بدرجة دكتوراه في الهندسة الميكانيكية: “نحن على أعتاب مرحلة إنتاج الهيدروجين الأخضر.

يُبرز هذا العمل إمكانات الألومنيوم كمصدر للطاقة النظيفة، ويُتيح مسارًا قابلًا للتطوير لنشر الهيدروجين منخفض الانبعاثات في أنظمة النقل والطاقة، لاسيما في المناطق النائية”.

وشارك في إعداد الدراسة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كلٌّ من بروك باو، وإينوك إليس، وأستاذ الهندسة الميكانيكية دوجلاس هارت.

فقاعة غاز

 

عادةً، لا يُسبب إسقاط علبة ألومنيوم في الماء تفاعلًا كيميائيًا كبيرًا، ذلك لأنه عند تعرض الألومنيوم للأكسجين، يُشكل طبقةً فورية تشبه الدرع. من دون هذه الطبقة، يبقى الألومنيوم في شكله النقي ويتفاعل بسهولة عند خلطه بالماء.

يتضمن التفاعل تحلل ذرات الألومنيوم لجزيئات الماء بكفاءة، ما يُنتج أكسيد الألومنيوم والهيدروجين النقي. ولا يتطلب الأمر سوى كمية قليلة من المعدن لتكوين فقاعات كبيرة من الغاز.

يقول كومبارجي: “من أهم فوائد استخدام الألومنيوم كثافة الطاقة لكل وحدة حجم؛ فباستخدام كمية صغيرة جدًا من وقود الألومنيوم، يمكن توفير قدر كبير من الطاقة لمركبة تعمل بالهيدروجين”.

في العام الماضي، طوّر هو والبروفيسور هارت وصفة لإنتاج الهيدروجين من الألومنيوم، ووجدا أنه بإمكانهما ثقب الدرع الطبيعي للألومنيوم بمعالجته بكمية صغيرة من سبيكة الجاليوم-إنديوم، وهي سبيكة معدنية نادرة تُحوّل الألومنيوم بفعالية إلى شكله النقي.

قام الباحثون بعد ذلك بخلط حبيبات من الألومنيوم النقي مع مياه البحر، ولاحظوا أن التفاعل أنتج هيدروجينًا نقيًا، علاوة على ذلك، ساعد الملح في الماء على ترسيب سبيكة الغاليوم-إنديوم، والتي تمكن الفريق لاحقًا من استعادتها وإعادة استخدامها لتوليد المزيد من الهيدروجين، في دورة مستدامة وموفرة للتكاليف.

يقول كومبارجي: “كنا نشرح علم هذه العملية في المؤتمرات، وكانت الأسئلة التي نتلقاها: ما تكلفة هذه العملية؟ وما هي بصمتها الكربونية؟ لذلك أردنا دراسة العملية بشكل شامل”.

دورة مستدامة

 

في دراستهم الجديدة، أجرى كومبارجي وزملاؤه تقييمًا لدورة حياة الهيدروجين لتقدير الأثر البيئي لإنتاج الهيدروجين المصنوع من الألومنيوم، في كل مرحلة من مراحل العملية، بدءًا من الحصول على الألومنيوم وحتى نقل الهيدروجين بعد الإنتاج.

وشرعوا في حساب كمية الكربون المرتبطة بتوليد كيلوغرام واحد من الهيدروجين، وهي كمية اختاروها كمثال عملي على مستوى المستهلك.

ويُشير كومبارجي إلى أنه “باستخدام سيارة تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية باستخدام كيلوجرام واحد من الهيدروجين، يمكنك السير لمسافة تتراوح بين 60 إلى 100 كيلومتر، اعتمادًا على كفاءة خلية الوقود”.

أجرى الفريق التحليل باستخدام Earthster، وهي أداة إلكترونية لتقييم دورة الحياة، تجمع بيانات من مستودع ضخم للمنتجات والعمليات وانبعاثات الكربون المرتبطة بها.

ودرس الفريق عددًا من السيناريوهات لإنتاج الهيدروجين باستخدام الألومنيوم، بدءًا من الألومنيوم “الأولي” المستخرج من الأرض، مقابل الألومنيوم “الثانوي” المُعاد تدويره من علب الصودا ومنتجات أخرى، واستخدام طرق مختلفة لنقل الألومنيوم والهيدروجين.

بعد إجراء تقييمات لدورة حياة نحو اثني عشر سيناريو، حدَّد الفريق سيناريو واحدًا يتمتع بأقل بصمة كربونية.

يتمحور هذا السيناريو حول استخدام الألومنيوم المُعاد تدويره – وهو مصدر يقلل بشكل كبير من الانبعاثات مقارنة بتعدين الألومنيوم – ومياه البحر – وهي مورد طبيعي يوفّر المال أيضًا من خلال استعادة الغاليوم والإنديوم.

معدن يُستخدم في تصنيع أشباه الموصلات والعناصر الإلكترونية

 

وجد الباحثون أن هذا السيناريو، من البداية إلى النهاية، سينتج حوالي 1.45 كيلوجرام من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوجرام من الهيدروجين المُنتج.

كما حسبوا أن تكلفة الوقود المُنتج ستبلغ نحو 9 دولارات للكيلوجرام، وهو سعر يُقارن بسعر الهيدروجين المُنتج باستخدام تقنيات خضراء أخرى مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية.

ويتخيل الباحثون أنه إذا تم توسيع نطاق هذه العملية منخفضة الكربون إلى نطاق تجاري، فستكون على النحو التالي: تبدأ سلسلة الإنتاج بخردة الألومنيوم من مركز إعادة التدوير، ثم يُقطع الألومنيوم إلى كريات ويُعالج بسبيكة الغاليوم-إنديوم، بعد ذلك، يمكن للسائقين نقل الكريات المعالجة مسبقًا كوقود ألومنيوم، بدلًا من نقل الهيدروجين مباشرة، الذي قد يكون متطايرًا.

تُنقل الحبيبات إلى محطة وقود، يُفضل أن تكون قريبة من مصدر لمياه البحر، حيث تُخلط مع الألومنيوم عند الطلب لإنتاج الهيدروجين.

بعد ذلك، يمكن للمستهلك ضخّ الغاز مباشرة في سيارة تعمل بمحرك احتراق داخلي أو خلية وقود.

وتُنتج العملية بأكملها منتجًا ثانويًا قائمًا على الألومنيوم، هو البوهميت، وهو معدن يُستخدم عادة في تصنيع أشباه الموصلات والعناصر الإلكترونية وعدد من المنتجات الصناعية.

ويقول كومبارجي إنه إذا أُعيد استرجاع هذا المنتج الثانوي بعد إنتاج الهيدروجين، يمكن بيعه للمصنّعين، مما يُخفّض من تكلفة العملية ككل.

ويختتم كومبارجي قائلًا: “هناك العديد من الأمور التي يجب مراعاتها، لكن العملية ناجحة، وهذا هو الجزء الأكثر إثارة. ونحن نُظهر أنها مستدامة بيئيًا”.

ويواصل الفريق تطوير هذه العملية، إذ صمّموا مؤخرًا مفاعلًا صغيرًا بحجم زجاجة ماء تقريبًا، يمتص حبيبات الألومنيوم ومياه البحر لتوليد الهيدروجين، وهو ما يكفي لتشغيل دراجة كهربائية لعدة ساعات.

وقد أثبتوا سابقًا أن هذه العملية قادرة على إنتاج كمية كافية من الهيدروجين لتشغيل سيارة صغيرة.

كما يستكشف الفريق تطبيقات تحت الماء، ويصمم مفاعلًا هيدروجينيًا يمتص مياه البحر المحيطة لتشغيل قارب صغير أو مركبة تحت الماء.