وقود الهيدروجين بأسمائه المختلفة كوقود نظيف ، الوقود الخالي من الكربون هو الوقود الأكثر سهولة ومستقبلًا. الوقود هو أي شيء يمكن صنعه للتفاعل مع المواد الأخرى لإطلاق الطاقة ووجود الهيدروجين في الموارد المحلية مثل الكتلة الحيوية والغاز الطبيعي والطاقة النووية يجعله وقود المستقبل. يمكن حتى إنتاجه من خلال الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. اجتمعت كل هذه الصفات معًا لجعلها خيار وقود بديل للنقل وتطبيقات توليد الكهرباء والأجهزة الإلكترونية المحمولة وأنظمة الطاقة الاحتياطية.
من نواح كثيرة ، يعتبر الهيدروجين الوقود المثالي. إنه أنظف حرق وأكثر كفاءة ، مما يخلق حلقة طاقة متجددة وغير ضارة بالبيئة. يتحد الهيدروجين كيميائيًا مع معظم العناصر ، لذلك فقد تم استخدامه كمادة كيميائية صناعية في مجموعة واسعة من التطبيقات لسنوات عديدة. مع وجودها الوفير ، يتبين أن طريقة الإنتاج كثيرة. دعنا ننتقل إلى إنتاج الهيدروجين.
التقنيات المتقدمة لإنتاج وقود الهيدروجين
الهيدروجين هو أبسط عنصر بسبب تركيبته الكيميائية لبروتون واحد وإلكترون واحد فقط مما يجعل من السهل التفاعل مع مختلف المواد للتحول إلى شكل قادر على حل بعض المشاكل الرئيسية للوقود في المستقبل. تعتمد كفاءة الطاقة والتأثير البيئي للهيدروجين تمامًا على كيفية إنتاجه. هناك عدة طرق مستخدمة في الصناعات لإنتاج وقود الهيدروجين. القليل منهم نتحدث عنه أدناه:
عملية التحليل الكهربائي: تسمى هذه الطريقة لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام تيار إلكتروني التحليل الكهربائي. من الواضح أن الكهرباء التي يتم إنتاجها من مصادر متجددة ، مثل الطاقة الشمسية أو الرياح ، والهيدروجين الناتج سيتم اعتباره متجددًا أيضًا ، وله فوائد عديدة للانبعاثات. بدأت مشاريع الطاقة إلى الهيدروجين في الانطلاق ، حيث يتم استخدام الكهرباء المتجددة الزائدة ، عند توفرها ، لإنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي.
الانحلال الحراري للميثان: إنتاج الهيدروجين باستخدام الانحلال الحراري للميثان بالغاز الطبيعي هو عملية حديثة من خطوة واحدة "لا يوجد غازات دفيئة". يعد تطوير حجم الإنتاج باستخدام هذه الطريقة هو المفتاح لتمكين تقليل الكربون بشكل أسرع باستخدام الهيدروجين في العمليات الصناعية ، ونقل خلايا الوقود الكهربائية الثقيلة ، وتوليد الطاقة الكهربائية لتوربينات الغاز. يستخدم الانحلال الحراري للميثان غاز الميثان الميثان المتدفق عبر محفز المعدن المنصهر في درجات حرارة عالية (4 كلفن ، 1340 درجة مئوية ، أو 1065 درجة فهرنهايت) لإنتاج غاز الهيدروجين H1950 غير الملوث بكميات كبيرة ، بتكلفة منخفضة وينتج كربون صلب غير ملوث C مع عدم وجود انبعاث من غازات الاحتباس الحراري.
CH4 (g) → C (s) + 2 H2 (g) ΔH ° = 74 كيلو جول / مول
التحلل الحراري للميثان قيد التطوير ويعتبر مناسبًا لإنتاج الهيدروجين السائب التجاري.
إصلاح البخار (الطريقة الصناعية): غالبًا ما يتم إنتاج الهيدروجين باستخدام الغاز الطبيعي ، والذي يتضمن إزالة الهيدروجين من الهيدروكربونات في درجات حرارة عالية جدًا ، حيث يأتي 48 ٪ من إنتاج الهيدروجين من إعادة التشكيل بالبخار. عادةً ما يتم إنتاج الهيدروجين السائب التجاري عن طريق الإصلاح البخاري للغاز الطبيعي مع إطلاق غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي أو من خلال التقاطه باستخدام احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه وتخفيف تغير المناخ. تُعرف عملية الإصلاح بالبخار أيضًا باسم عملية بوش وتستخدم على نطاق واسع في التحضير الصناعي للهيدروجين.
في درجات الحرارة العالية (1000-1400 كلفن ، 700-1100 درجة مئوية ، أو 1300-2000 درجة فهرنهايت) ، يتفاعل البخار مع الميثان لإنتاج أول أكسيد الكربون و H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
العملية البيولوجية: تستخدم العمليات البيولوجية الميكروبات مثل البكتيريا والطحالب الدقيقة ويمكن أن تنتج الهيدروجين من خلال التفاعلات البيولوجية. في تحويل الكتلة الحيوية الميكروبية ، تقوم الميكروبات بتفكيك المواد العضوية مثل الكتلة الحيوية أو مياه الصرف لإنتاج الهيدروجين ، بينما في العمليات البيولوجية الضوئية تستخدم الميكروبات ضوء الشمس كمصدر للطاقة.
عملية مدفوعة بالطاقة الشمسية: تستخدم الطاقة الشمسية أساسًا الضوء أو الإشعاعات الشمسية لتكوين الهيدروجين. هناك ثلاث عمليات تعمل بالطاقة الشمسية بشكل أساسي من هذا النوع تشمل الصور البيولوجية ، الكهروكيميائية الضوئية ، الكيمياء الحرارية الشمسية. تستخدم العمليات البيولوجية للصور نشاط التمثيل الضوئي الطبيعي للبكتيريا والطحالب الخضراء لإنتاج الهيدروجين. تستخدم العمليات الكهروكيميائية الضوئية أشباه موصلات متخصصة لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يستخدم إنتاج الهيدروجين الكيميائي الحراري الشمسي الطاقة الشمسية المركزة لدفع تفاعلات تقسيم الماء غالبًا جنبًا إلى جنب مع الأنواع الأخرى مثل أكاسيد المعادن.
تطبيقات عملية في صناعة التكنولوجيا
تطبيقات في صناعة السيارات
يُعتقد أن الهيدروجين هو الوقود البديل لصناعة السيارات بسبب كفاءته العالية وعدم انبعاث الكربون. يعد استخدام الهيدروجين في المركبات محورًا رئيسيًا لأبحاث خلايا الوقود وتطويرها. في دول مثل الولايات المتحدة ، لديهم محطات إعادة تعبئة الهيدروجين أيضًا. معظم المركبات التي تعمل بالوقود الهيدروجين هي سيارات وحافلات ترانزيت بها محرك كهربائي مدعوم بخلية وقود الهيدروجين. عدد قليل من هذه المركبات يحرق الهيدروجين مباشرة. أدت التكلفة العالية لخلايا الوقود والتوافر المحدود لمحطات التزود بالوقود الهيدروجين إلى الحد من عدد المركبات التي تعمل بالوقود الهيدروجين. حتى خلية وقود الهيدروجين تُستخدم في القطارات في ألمانيا ووجدت أنه في غضون السنوات الخمس المقبلة ، قد تصل إلى بريطانيا العظمى وفرنسا وإيطاليا واليابان والولايات المتحدة. بالنسبة للسيارات ذات الاستخدام الشخصي ، تعمل تسعة من كبرى شركات تصنيع السيارات على تطوير مركبات كهربائية تعمل بخلايا وقود الهيدروجين (FCEV) للاستخدام الشخصي. تشمل الموديلات البارزة تويوتا ميراي ، هوندا كلاريتي ، هيونداي نيكسو ، وبي إم دبليو.
في انتاج الكهرباء
تنتج خلايا وقود الهيدروجين الكهرباء عن طريق الجمع بين ذرات الهيدروجين والأكسجين. يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين عبر خلية كهروكيميائية مشابهة لتلك الموجودة في البطارية لإنتاج الكهرباء والماء وكميات صغيرة من الحرارة. تتوفر أنواع مختلفة من خلايا الوقود لمجموعة واسعة من التطبيقات. يمكن لخلايا الوقود الصغيرة تشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة وحتى الهواتف المحمولة والتطبيقات العسكرية. يمكن لخلايا الوقود الكبيرة توفير الكهرباء للنسخ الاحتياطي أو الطاقة في حالات الطوارئ في المباني وتزويد الكهرباء في الأماكن غير المتصلة بشبكات الطاقة الكهربائية.
بصرف النظر عن هذا الهيدروجين ، يستخدم أيضًا في عدد من التطبيقات البحرية والتطبيقات الفضائية وتوليد الطاقة الاحتياطية بشكل رئيسي.
التحديات التي يشكلها الهيدروجين كوقود بديل
لقد سمعنا دائمًا أن عملة معدنية لها وجهان ، نفس الشيء بالنسبة للوقود المستقبلي الجديد. عند الحديث عن تحديات استخدام وقود الهيدروجين في الصناعات ، فإن الكثير منها معقول ولا مفر منه. وترد أدناه بعض منها:-
استخراج الهيدروجين
على الرغم من توفره في هذه الوفرة في الكون ، إلا أن الاستخراج صعب للغاية. لا يوجد الهيدروجين من تلقاء نفسه ، لذا يجب استخراجه من الماء عن طريق التحليل الكهربائي أو فصله عن الوقود الأحفوري الكربوني. تتطلب كلتا العمليتين كمية كبيرة من الطاقة لتحقيقها. يمكن أن تكون هذه الطاقة أكثر من تلك المكتسبة من الهيدروجين نفسه بالإضافة إلى كونها باهظة الثمن.
تكلفة المواد الخام والمزيد من الاستثمار
لاستخراج الهيدروجين، هناك حاجة إلى معادن ثمينة مثل البلاتين والإيريديوم كمحفزات وعدد قليل من المحللات الكهربائية للتحليل الكهربائي. كل هذه النفقات الإضافية تجعل تكلفة المواد الخام أعلى. وقد ردعت التكلفة المرتفعة البعض عن الاستثمار في خلايا وقود الهيدروجين التكنلوجيا. ولابد من خفض هذه التكاليف من أجل جعل خلايا الوقود الهيدروجيني مصدراً ممكناً للوقود للجميع. تحتاج خلايا الوقود الهيدروجيني إلى الاستثمار لتطويرها إلى الحد الذي تصبح فيه مصدرًا حقيقيًا للطاقة. وسيتطلب هذا أيضًا إرادة سياسية لاستثمار الوقت والمال في التنمية من أجل تحسين التكنولوجيا وإنضاجها.
البنية التحتية وتخزين الهيدروجين
تم استخدام الوقود الأحفوري منذ عقود ، والبنية التحتية لمصدر الطاقة هذا موجودة بالفعل. سيتطلب الاعتماد على نطاق واسع لتكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين لتطبيقات السيارات بنية تحتية جديدة للتزود بالوقود لدعمها ، على الرغم من أنه من المرجح أن يتم استخدام التزود بالوقود من البداية إلى النهاية للتطبيقات طويلة المدى مثل تلك الخاصة بالمركبات الثقيلة وشاحنات التوصيل.
يعتبر تخزين ونقل الهيدروجين أكثر تعقيدًا من تلك المطلوبة للوقود الأحفوري. وهذا يعني تكاليف إضافية يجب أخذها في الاعتبار بالنسبة لخلايا وقود الهيدروجين كمصدر للطاقة.
يعتبر وقود الهيدروجين أفضل خيار وقود مستدام وبديل للمستقبل القريب ، كما أن تطبيقاته ضرورية ليس فقط للبيئة ولكن أيضًا لزيادة الطلب على الوقود. يجب على الباحثين والشركات المبتكرة بذل جهودهم لجعل الهيدروجين متاحًا تمامًا مثل الماء ليس فقط للاستخدام الصناعي ولكن للاستخدام الشخصي أيضًا.
شيبا شوهان
-
شيبا شوهانhttps://www.eletimes.com/author/sheebaالاتجاهات الناشئة في تكنولوجيا أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة (SiC و GaN) لتطبيقات السيارات وتوفير الطاقة
-
شيبا شوهانhttps://www.eletimes.com/author/sheebaشكل المصنع: التصنيع في عصر ما بعد الجائحة