محلول صودا الخبز لتخزين الهيدروجين النظيف

في عالم ترتفع فيه درجات الحرارة باستمرار ، يطالب إجماع متزايد بأن مصادر الطاقة لا تحتوي على انبعاثات كربونية أو ما يقرب من الصفر.، وهذا يعني تجاوز الفحم والنفط والغاز الطبيعي من خلال الحصول على المزيد من الطاقة من مصادر متجددة.

من أكثر ناقلات الطاقة المتجددة الواعدة الهيدروجين النظيف ، والذي يتم إنتاجه بدون الوقود الأحفوري.

إنها فكرة واعدة لأن أكثر العناصر وفرة في الكون هو الهيدروجين الموجود في 75٪ من كل المادة. علاوة على ذلك ، يحتوي جزيء الهيدروجين على ذرتين متزاوجتين – توأمان الجوزاء غير سامين وقابلان للاحتراق بدرجة عالية.

إن إمكانات احتراق الهيدروجين تجعله موضوعًا جذابًا للباحثين في مجال الطاقة حول العالم.

في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني، يقوم فريق بفحص الهيدروجين كوسيط لتخزين وإطلاق الطاقة، إلى حد كبير عن طريق تكسير روابطه الكيميائية، يرتبط الكثير من عملهم بمجموعة الأبحاث المتقدمة لمواد الهيدروجين في وزارة الطاقة.

تخزين الهيدروجين لم يتم تحسينه بعد

يتعلق أحد مجالات تركيز أبحاث PNNL بتحسين تخزين الهيدروجين ، وهي مشكلة مستعصية، حتى الآن، لا توجد طريقة آمنة تمامًا وفعالة من حيث التكلفة وموفرة للطاقة لتخزين الهيدروجين على نطاق واسع.

شارك باحثو PNNL مؤخرًا في تأليف ورقة تبحث في محلول صودا الخبز كوسيلة لتخزين الهيدروجين، وقد أطلقت المجلة نفسها اسم ” الكيمياء الخضراء ” على الدراسة “ورقة ساخنة”، وهذا يعني أنه تلقى عددًا كبيرًا من النقرات التي تُظهر الاهتمام.

المؤلفان الرئيسيان للورقة الجديدة هما الكيميائي وزميل مختبر PNNL Thomas Autrey وزميله Oliver Gutiérrez ، وهو خبير في جعل التفاعلات الكيميائية سريعة وفعالة من حيث التكلفة.

قال أوتري: “يجب أن تكون مبدعًا بعض الشيء” ، وهو مستمتع بمدى شيوع صودا الخبز الرخيصة والخفيفة كإجابة محتملة لمشكلة كبيرة،”لن تكون كل مادة كيميائية فعالة في تخزين الهيدروجين. عليك أن تتعامل مع ما تمنحك إياه الطبيعة الأم.”

الهيدروجين النظيف لاحتياجات الطاقة على المدى الطويل

يرى أوتري وجوتيريز، وآخرون في PNNL أن تخزين الطاقة طويل الأمد هو المفتاح لمستقبل الهيدروجين باعتباره ناقلًا للطاقة المتجددة.

تم تصميم تقنية البطارية الحالية لعدة ساعات من التخزين. في شبكة الطاقة المتجددة ، يمكن للبطاريات التعامل مع حوالي 80 % من احتياجات التخزين.

لكن “الـ 20 في المائة الأخيرة ستأخذ مقاربات فريدة”، قال أوتري، “سنرغب في تخزين الطاقة الزائدة للاستعداد لدانكلفلاوت”، هذه كلمة ألمانية تصف الظروف بدون إمكانات كافية من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، خلال فترات Dunkelflaute المظلمة والرياح، تحتاج الشبكات إلى وسيلة لتخزين الطاقة لأكثر من عدة ساعات فقط.

تعد قدرة التخزين الموسمية مثل هذه أحد عوامل الجذب للهيدروجين، لذا فإن حقيقة أن تخزين الهيدروجين يمكن أن يحدث في أي مكان – فهو “غير محدد جغرافيًا” .

كما يقول الخبراء، تتطلب الطاقة الكهرومائية، على سبيل المثال، اختلافات في الارتفاع لتخزين المياه الزائدة لتوليد الطاقة. لا يتطلب تخزين الهيدروجين أي شروط خاصة تتعلق بالجغرافيا.

بالإضافة إلى ذلك، قال أوتري، مع زيادة حجم الميزان، يصبح الهيدروجين أكثر اقتصادا، من الأرخص شراء عدد قليل من صهاريج تخزين الهيدروجين الإضافية من شراء الكثير من البطاريات.

إيجاد أفضل طريقة لتخزين الهيدروجين

الهيدروجين النظيف واعد كمصدر للطاقة، يمكن لعملية تسمى التحليل الكهربائي ، على سبيل المثال ، تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. في أفضل العوالم ، ستأتي طاقة التحليل الكهربائي من مصادر الطاقة المتجددة ، بما في ذلك الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية.

ومع ذلك ، هناك تحدٍ واحد عنيد: إنتاج الهيدروجين بتكلفة أقل.

لمعالجة ذلك ، أعلنت وزارة الطاقة في عام 2021 عن مبادرة Energy Earthshots ، وهي سلسلة من ست خطوات لضمان اختراقات في تكنولوجيا الطاقة النظيفة. تم تقديم أول مرة كانت طلقة الهيدروجين، وهي محاولة لتقليل تكلفة الهيدروجين من 5 دولارات إلى دولار واحد للكيلوغرام في عقد تخفيض بنسبة 80 في المائة.

بالإضافة إلى خفض تكاليف إنتاج الهيدروجين النظيف، “يتعين عليك معرفة كيفية نقله وتخزينه”، كما قال أوتري، وهي خطوات يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع الأسعار مرة أخرى، لكن العثور على الوسيلة المثالية لتخزين الهيدروجين كان بعيد المنال.

يمكن ضغط الهيدروجين في غاز، لكن هذا يتطلب ضغوطًا عالية جدًا – تصل إلى 10000 رطل لكل بوصة مربعة، سيحتاج الخزان الآمن إلى جدران من الفولاذ السميك جدًا أو ألياف كربون باهظة الثمن من فئة الفضاء.

ماذا عن الهيدروجين السائل المبرد؟

هذه وسيلة تخزين مثبتة ولكنها تتطلب الحصول على شيء بارد جدًا والاحتفاظ به (-471 فهرنهايت أو -279.4 درجة مئوية) بحيث تكون تكاليف الطاقة الطرفية كبيرة.

يبدو أن أكثر ما يبشر بالخير هو الجزيئات التي هي سوائل ، محسّنة لتخزين وإطلاق الهيدروجين، أدار جيمي هولاداي ، خبير الطاقة المستدامة، مؤخرًا بحثًا بقيادة PNNL حول استراتيجيات أبسط وأكثر كفاءة لتسييل الهيدروجين.

قال جوتيريز، إن استخدام مثل هذه السوائل كوسيلة للتخزين له ميزة الحفاظ على البنية التحتية للطاقة الحالية في مكانها ، بما في ذلك خطوط الأنابيب والشاحنات والقطارات والسفن المستقبلة.

دورة فورمات البيكربونات

تريد خبز ملفات تعريف الارتباط؟ أو تخزين طاقة الهيدروجين؟ يمكن أن تكون صودا الخبز هي التذكرة. ملح البيكربونات هذا خفيف ورخيص الثمن وغير سام ومتوفر بكثرة في الأرض.

ليس صودا الخبز بالضبط. يقوم فريق PNNL بالتحقيق في خصائص تخزين طاقة الهيدروجين لدورة فورمات البيكربونات التي تمت دراستها لفترة طويلة. (الفورمات هو جزيء عضوي سائل معتدل وآمن.)

وإليك كيفية عملها: تحمل محاليل أيونات الفورمات (الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون) في الماء الهيدروجين على أساس فورمات الفلزات القلوية غير المسببة للتآكل، تتفاعل الأيونات مع الماء في وجود محفز. هذا التفاعل يجعل الهيدروجين والبيكربونات – “صودا الخبز” يعجب أوتري لغيابها عن التأثيرات البيئية.

مع التعديلات المناسبة في الضغط، يمكن عكس دورة فورمات البيكربونات، يوفر ذلك مفتاح تشغيل وإيقاف لمحلول مائي يمكنه تخزين الهيدروجين أو إطلاقه بالتناوب.

قبل صودا الخبز، نظر فريق تخزين الهيدروجين في PNNL إلى الإيثانول كناقل للهيدروجين العضوي السائل، وهو المصطلح الشامل للصناعة لوسائط التخزين والنقل، وبالتوازي مع ذلك، طوروا محفزًا يطلق الهيدروجين.

المحفزات هي إضافات مصمّمة تسرع العمليات المستخدمة في صنع وكسر الروابط الكيميائية بطريقة موفرة للطاقة.

في مايو 2023 ، من أجل مشروع متعلق بجهود PNNL ، منحت EERE OCOchem في ريتشلاند ، واشنطن، تمويلًا بقيمة 2.5 مليون دولار على مدار عامين لتطوير عملية كهروكيميائية تصنع حمض الفورمات والفورميك من ثاني أكسيد الكربون.

ستعمل العملية على ربط ثاني أكسيد الكربون بالهيدروجين الموجود في الرابطة الكيميائية المميزة للماء ، H 2 O.

تخزين الهيدروجين الذي يشبه الماء

في عالم أبحاث تخزين الهيدروجين ، أحدثت دورة فورمات البيكربونات ضجة لبعض الوقت. بعد كل شيء ، يعتمد على مواد وفيرة وغير قابلة للاشتعال وغير سامة.

وقال أوتري إن الدورة مبنية على محلول تخزين مائي لذا فهو لطيف “يشبه الماء”. “يمكنك إطفاء حريق بها”.

ولكن لكي تصبح أملاح فورمات بيكربونات وسيلة فعالة لتخزين طاقة الهيدروجين ، لا يزال يتعين على الباحثين تطوير سيناريوهات مجدية اقتصاديًا. حتى الآن ، تخزن التكنولوجيا الهيدروجين عند 20 كيلوجرامًا فقط لكل متر مكعب ، مقارنة بمعيار صناعة الهيدروجين السائل البالغ 70.

وقال أوتري إن الأهم من ذلك هو أن الباحثين يحتاجون إلى فهم على مستوى الأنظمة للكيمياء الكهربية والحفز المطلوب. من الناحية الهندسية، حتى الآن، فإن فكرة دورة فورمات البيكربونات العملية لها مستوى استعداد تقني منخفض، وأضاف: “إذا حللنا مشاكل الحفز ، فيمكننا الحصول على بعض الاهتمام الحقيقي”.

بديلاً صديقًا للبيئة 

على الجانب الإيجابي ، تطلق المحاليل الملحية قيد الدراسة في PNNL الهيدروجين عند التفاعل مع الماء. كما أنها تعمل في درجات حرارة معتدلة وضغوط منخفضة.

من الناحية النظرية ، على الأقل ، كما وصف أوتري وجوتيريز في بحثهما لعام 2023 ، فإن دورة فورمات البيكربونات تمثل “بديلاً صديقًا للبيئة مناسبًا لتخزين ونقل الطاقة” من الهيدروجين.

تعتبر فكرة صودا الخبز أيضًا في صلب ما تسميه ورقة 2023 “العديد من التحديات العلمية الملحة”.

من بينها كيفية صنع وسائط تخزين الهيدروجين من ثاني أكسيد الكربون الزائد الذي تم التقاطه. وحتى استخدام نفس الوسائط لتخزين الإلكترونات ، وهو ما يعد بخلايا وقود فورمات مباشرة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر عمل PNNL رؤى عن التحفيز في المرحلة المائية (الماء)، في الوقت الحالي ، يستخدم فريق PNNL البلاديوم كمحفز مرشحهم، تشمل جهودهم إيجاد طرق لجعل المعدن النادر أكثر استقرارًا وقابلية لإعادة الاستخدام وعمرًا أطول.

في المجمل، فإن فكرة صودا الخبز هي “هذا الشيء اللامع المذهل” لتخزين الهيدروجين ، كما قال أوتري، “ما هو مثير هو الاحتمالات.”