مفاعل كهربائي جديد قد يقلل الانبعاثات الصناعية.. أصغر حجمًا وأرخص وأكثر كفاءة

في الوقت الحالي، تشكل العمليات الصناعية ما يقرب من ثلث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في البلاد- حتى أكثر من الانبعاثات السنوية من سيارات الركاب والشاحنات والطائرات مجتمعة.
إزالة الكربون من هذا القطاع خطوة صعبة ولكنها حيوية للتخفيف من التأثيرات على مناخنا في المستقبل.
قام باحثون في جامعة ستانفورد للهندسة بتصميم وإثبات نوع جديد من المفاعلات الحرارية الكيميائية القادرة على توليد كميات هائلة من الحرارة المطلوبة للعديد من العمليات الصناعية باستخدام الكهرباء بدلاً من حرق الوقود الأحفوري.

كما أن التصميم، الذي نُشر في مجلة جول، أصغر حجمًا وأرخص وأكثر كفاءة من تكنولوجيا الوقود الأحفوري الحالية.
قال جوناثان فان، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: “لدينا بنية تحتية لمفاعل كهربائي وقابل للتطوير للعمليات الكيميائية الحرارية تتميز بخصائص تسخين ونقل الحرارة المثالية. في الأساس، نحن ندفع أداء المفاعل إلى حدوده المادية، ونستخدم الكهرباء الخضراء لتشغيله”.

التدفئة بالحث

تعمل أغلب المفاعلات الكيميائية الحرارية القياسية عن طريق حرق الوقود الأحفوري لتسخين سائل يتدفق بعد ذلك إلى أنابيب في المفاعل ــ مثل الغلاية التي ترسل الماء الساخن إلى مشعات من الحديد الزهر في منزل قديم، ولكن مع عزل أفضل وفي درجات حرارة أعلى كثيراً.

وهذا يتطلب قدراً كبيراً إلى حد ما من البنية الأساسية وهناك العديد من الفرص لفقدان الحرارة على طول الطريق.
يستخدم المفاعل الكهربائي الجديد الحث المغناطيسي لتوليد الحرارة – وهو نفس النوع من العملية المستخدمة في مواقد الحث.
بدلاً من الاضطرار إلى نقل الحرارة عبر الأنابيب، فإن التسخين بالحث يخلق الحرارة داخليًا داخل المفاعل، من خلال الاستفادة من التفاعلات بين التيارات الكهربائية والحقول المغناطيسية.
على سبيل المثال، إذا أردت تسخين قضيب فولاذي بطريقة الحث، فيمكنك لف سلك حوله وتمرير تيار متناوب عبر الملف.
تخلق هذه التيارات مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا، والذي بدوره يحفز تيارًا في الفولاذ.

إلكترونيات جديدة عالية الكفاءة

ولأن الفولاذ ليس موصلًا مثاليًا للكهرباء، فإن بعض هذا التيار يتحول إلى حرارة. تعمل هذه الطريقة على تسخين قطعة الفولاذ بالكامل في نفس الوقت، بدلاً من توليد الحرارة من الخارج إلى الداخل.
تكييف التسخين بالحث مع الصناعة الكيميائية ليس بالأمر السهل، إذ تحتاج المفاعلات الصناعية إلى توليد وتوزيع الحرارة بالتساوي في مساحة ثلاثية الأبعاد، وأن تكون أكثر كفاءة من الموقد العادي.
وقد قرر الباحثون أنهم يستطيعون تعظيم كفاءتهم باستخدام تيارات عالية التردد بشكل خاص، والتي تتناوب بسرعة كبيرة، بالتزامن مع مواد المفاعل التي تعتبر موصلات رديئة للكهرباء بشكل خاص.
استخدم الباحثون إلكترونيات جديدة عالية الكفاءة طورها خوان ريفاس دافيلا، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية والمؤلف المشارك في البحث، لإنتاج التيارات التي يحتاجون إليها.
ثم استخدموا تلك التيارات لتسخين شبكة ثلاثية الأبعاد مصنوعة من مادة سيراميكية ضعيفة التوصيل في قلب مفاعلهم.
قال فان إن بنية الشبكة مهمة بقدر أهمية المادة نفسها، لأن الفراغات الشبكية تعمل بشكل مصطنع على خفض التوصيل الكهربائي بشكل أكبر.

ويمكن ملء هذه الفراغات بالمحفزات – المواد التي تحتاج إلى التسخين لبدء التفاعلات الكيميائية.
وهذا يجعل نقل الحرارة أكثر كفاءة ويعني أن المفاعل الكهربائي يمكن أن يكون أصغر بكثير من مفاعلات الوقود الأحفوري التقليدية.
“إنك تقوم بتسخين مساحة سطحية كبيرة تقع بجوار المحفز مباشرة، وبالتالي فإن الحرارة التي تولدها تصل إلى المحفز بسرعة كبيرة لتحريك التفاعلات الكيميائية”، كما قال فان، “بالإضافة إلى ذلك، فإن هذا يبسط كل شيء، فأنت لا تنقل الحرارة من مكان آخر وتفقد بعضها على طول الطريق، ولا يوجد لديك أي أنابيب تدخل وتخرج من المفاعل – يمكنك عزله بالكامل، وهذا مثالي من وجهة نظر إدارة الطاقة والتكلفة”.

الصناعة الكهربائية

استخدم الباحثون المفاعل لتشغيل تفاعل كيميائي يسمى تفاعل تحول الماء والغاز العكسي، باستخدام محفز مستدام جديد طوره ماثيو كانان، أستاذ الكيمياء في جامعة ستانفورد والمؤلف المشارك في البحث.
يمكن للتفاعل، الذي يتطلب حرارة عالية، أن يحول ثاني أكسيد الكربون الملتقط إلى غاز قيم يمكن استخدامه لإنشاء وقود مستدام.
وفي عرض إثبات المفهوم، كانت كفاءة المفاعل أكثر من 85%، وهو ما يشير إلى أنه نجح في تحويل كل الطاقة الكهربائية تقريباً إلى حرارة قابلة للاستخدام.
كما أظهر المفاعل الظروف المثالية لتسهيل التفاعل الكيميائي ــ فقد تحول ثاني أكسيد الكربون إلى غاز قابل للاستخدام بالمعدل المتوقع نظرياً، وهو ما لا يحدث عادة مع تصميمات المفاعلات الجديدة.

أكثر كفاءة عند تشغيلها في درجات حرارة أعلى

وقال فان “مع زيادة حجم هذه المفاعلات أو تشغيلها عند درجات حرارة أعلى، فإنها تصبح أكثر كفاءة، وهذه هي قصة الكهربة ــ نحن لا نحاول فقط استبدال ما لدينا، بل نعمل على خلق أداء أفضل”.

ويعمل فان وريفاس دافيلا وكانان وزملاؤهم بالفعل على توسيع نطاق تكنولوجيا المفاعلات الجديدة وتوسيع تطبيقاتها المحتملة.
وهم يتبنون نفس الأفكار لتصميم مفاعلات لالتقاط ثاني أكسيد الكربون وتصنيع الأسمنت، كما يعملون مع شركاء صناعيين في صناعات النفط والغاز لفهم ما قد تحتاجه هذه الشركات لتبني هذه التكنولوجيا.
كما يقومون بإجراء تحليلات اقتصادية لفهم كيف قد تبدو الحلول المستدامة على مستوى النظام وكيف يمكن جعلها أكثر تكلفة.
وقال فان “إن الكهربة تمنحنا الفرصة لإعادة اختراع البنية الأساسية، وكسر الاختناقات القائمة وتقليص وتبسيط هذه الأنواع من المفاعلات، بالإضافة إلى إزالة الكربون منها، وسوف تتطلب إزالة الكربون الصناعية اتباع نهج جديد على مستوى الأنظمة، وأعتقد أننا بدأنا للتو”.