الطاقة
توليد الهيدروجين عبر تحليل الماء باستخدام السوارف المدمجة
تكاليف الهيدروجين والتحليل الكهربائي
الهيدروجين هو وقود واعد لاقتصاد أخضر، من النقل إلى تخزين الطاقة، وقد يكون الوقود البديل الخالي من الكربون الوحيد الواقعي للعديد من الصناعات مثل الشحن والطيران.
أحد العوامل الرئيسية التي أعاقت ظهور اقتصاد الهيدروجين هو التكلفة، وخاصة تكلفة إنتاج الهيدروجين.
يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر (من الطاقة المتجددة) أساسًا عبر التحليل الكهربائي، الذي يتطلب الكثير من الطاقة والمحولات. عادةً ما تكون هذه المحولات مكلفة، وتعتمد في معظم الحالات على معادن مثل البلاتين. كلما زاد استخدام البلاتين، ارتفعت تكلفة جهاز التحليل الكهربائي.
ليس فقط أن معادن مثل البلاتين مكلفة، بل هي أيضًا نادرة للغاية وقد تكون في نقص إذا تم اعتماد الهيدروجين كمصدر طاقة على نطاق واسع.
لذلك، كان من المهم أن يعلن الباحثون عن تقليل جذري في متطلبات المحفز للتحليل الكهربائي.
“نستطيع إنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام فقط عُشر كمية تحميل البلاتين مقارنة بالمحفزات التجارية المتطورة.” – د. ماداسامي ثانغاموتو، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة نوتنغام.
تحليل كهربائي رخيص باستخدام السوارف (مخلفات معدنية)
تم اكتشاف هذا من قبل باحثين في جامعة نوتنغام، المملكة المتحدة، ونُشر في مجلة كيمياء المواد تحت عنوان “From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilization of Pt and Co for hydrogen production”.
جاءت النتائج الأولية من تحليل السوارف على المستوى النانوي. السوارف هي لفائف من المخلفات المعدنية تُنتج كنفايات عند تشغيل المعادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم أو سبيكة النيكل. تولد الصناعات في المملكة المتحدة وحدها ملايين الأطنان من النفايات المعدنية سنويًا.
المصدر: Nottingham University
عند تحليل هذه السوارف باستخدام المجهر الإلكتروني، اكتشف الباحثون أن هذه النفايات المعدنية، بعيدًا عن كونها ناعمة، تحتوي على أخاديد ونتوءات لا يزيد عرضها عن عشرات النانومتر.
هذه الهياكل المعقدة للغاية والأسطح الضخمة للاتصال تجعلها ركيزة مثالية للمحولات الكهربائية المستخدمة في التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين.
المصدر: Journal Of Material Chemistry
هطول البلاتين المغناطيسي على السوارف
لإضافة ذرات البلاتين إلى السوارف، استخدم الباحثون تقنية تُسمى magnetron sputtering. هذه التقنية تُستَخدم في إنتاج أشباه الموصلات لترسيب طبقة رقيقة جدًا من المعدن، بفضل المجالات المغناطيسية القوية.
المصدر: Korvus Tech
تقوم هذه الطريقة بـ«هطول» ذرات البلاتين على السوارف، وتُرصِّها في الأخاديد والنتوءات ذات الحجم النانومتري.
“من خلال توزيع 28 ميكروغرامًا فقط من المعدن الثمين على مساحة 1 سم² من السوارف، تمكنا من إنشاء محلل كهربائي على نطاق مختبري يعمل بكفاءة 100٪ وينتج 0.5 لتر من غاز الهيدروجين في الدقيقة من قطعة سوارف واحدة فقط.” – د. ماداسامي ثانغاموتو، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة نوتنغام.
سمحت هذه الطريقة بإنشاء نوعين من المحولات الكهربائية المولدة للهيدروجين:
- سوارف التيتانيوم مع ذرات البلاتين كمحفز، لتفاعل تطور الهيدروجين (HES).
- سوارف النيكل مع ذرات الكوبالت كمحفز، لتفاعل تطور الأكسجين (OER)
المصدر: Journal Of Material Chemistry
يعمل الباحثون في نوتنغام الآن مع شركة AqSorption لتوسيع نطاق التقنية.
جمع ابتكارات الهيدروجين معًا
نماذج محفزات جديدة
سيتطلب بناء اقتصاد الهيدروجين أن يصبح كل خطوة في سلسلة إنتاج وتوزيع الهيدروجين فعّالة قدر الإمكان.
حتى وقت قريب، كان ندرة وتكلفة المحفزات القائمة على البلاتين والكوبالت تجعل من الضروري اكتشاف محفزات بديلة. على سبيل المثال، ناقشنا إمكانية استخدام قضبان النيكل النانوية في «Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis» ومحفزات بديلة مثل الروثينيوم، السيليكون، والتنغستن (RuSiW) في «Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost-Effective».
قد يزيل اكتشاف استخدام السوارف الحاجة إلى مثل هذه المحفزات الجديدة.
ربما يمكن دمج هذه الابتكارات لإنشاء أنواع جديدة من المحفزات أكثر كفاءة. بدلاً من ذلك، الآن بعد أن يمكن تقليل كمية البلاتين المطلوبة بمقدار 10 أضعاف، قد يكون استخدام قضبان نانوية من البلاتين للوصول إلى مستويات فائقة من كفاءة التحفيز خيارًا.
تحسين تقنية الهيدروجين والأمونيا
من المحتمل أن يتم دمج ذلك مع ابتكارات أخرى، مثل تخزين الهيدروجين بشكل أكثر كفاءة كما نوقش في «Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough». التحويل الفعال للهيدروجين إلى طاقة كما نوقش في «Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next-Gen of EVs?».
أخيرًا، يمكن دمج التحليل الكهربائي للهيدروجين عالي الكفاءة ومنخفض التكلفة، والتخزين، والاستخدام مع الاستخدام الواسع للأمونيا كوقود، ونقل، وشكل تخزين طويل الأمد للهيدروجين، كما نوقش في «Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia» و«Ammonia Production is Hugely Detrimental to the Environment – Engineers Have Just Developed a Cleaner Method».
الشركات التي تركز على الهيدروجين
1. Sibanye Stillwater
(SBSW )
يمكن لاستخدام السوارف في إنتاج الهيدروجين أن يزيد بشكل كبير من جدوى الاعتماد الواسع على الهيدروجين الأخضر من خلال جعل التحليل الكهربائي القائم على البلاتين اقتصاديًا.
قد يكون هذا دفعة هائلة لسوق البلاتين، الذي كان تحت ضغط في السنوات الأخيرة.
كان جزء أساسي من ضعف أداء البلاتين يعود إلى اعتماده القوي على الطلب على محولات العادم في سيارات وشاحنات الوقود. ومع تحول العالم نحو السيارات الكهربائية، كان ذلك يضع جدوى الطلب على هذا المعدن موضع تساؤل.
المصدر: Sibanye Stillwater
بدلاً من ذلك، إذا أصبح التحليل الكهربائي القائم على البلاتين باستخدام مخلفات المعادن من صناعة الفضاء مركزًا لاقتصاد الهيدروجين، فإن طلب البلاتين للعقود القادمة سيكون مضمونًا.
تُعد شركة Sibanye Stillwater في جنوب أفريقيا واحدة من أكبر منتجي البلاتين في العالم. ينتج البلد 80٪ من بلاطين العالم، وتتحمل Sibanye Stillwater ربع هذا الإنتاج.
المصدر: Mining Technology
كما أنها منتج لعناصر مجموعة معادن البلاتين مثل البالاديوم والروديوم والروثينيوم. وهي حاليًا تنوع لتدخل أسواق الذهب ومعادن البطاريات.
المصدر: Sibanye Stillwater
كان سوق البلاتين يتحكم فيه النقاش حول اعتماد السيارات الكهربائية مقابل محركات الاحتراق الداخلي (ICE). مع الابتكار السريع في استخدام التحليل الكهربائي للهيدروجين للبلاتين وعناصر مجموعة معادن البلاتين الأخرى، قد يتغير ذلك.
البلاتين مطلوب أيضًا في معظم تصاميم خلايا الوقود التي تحول الهيدروجين إلى كهرباء. لذا، بشكل عام، يجب أن تستفيد شركات التعدين التي تركز على البلاتين مثل Sibanye Stillwater من التقدم الذي أُحرز في تقنية الهيدروجين، بما في ذلك التحليل الكهربائي القائم على السوارف وليس فقط.
2. Ballard Power Systems Inc.
(BLDP )
Ballard هي شركة تصنيع خلايا الوقود، ورائدة في التقنية مع أول حافلة خلايا وقود تم إنتاجها في عام 1993.
تركز الشركة على أسواق المعدات الثقيلة: الحافلات، الشاحنات، القطارات/الترام، السفن، التعدين/الإنشاء، والطاقة. بينما كانت الحافلات هي جوهر الأعمال، تتوقع الشركة أنه بحلول عام 2025 ستصبح الشاحنات قطاعًا تجاريًا رئيسيًا. كما تتوقع أن تظل أوروبا السوق الرئيسية لها (50-60٪)، تليها أمريكا الشمالية (25٪).
من المتوقع أن تستمر خلايا الوقود للشاحنات في النمو وتمثل سوقًا بقيمة 7.5 مليار دولار في عام 2030 (من إجمالي سوق 195 مليار دولار)، وهو ما يقارب حجم جميع تطبيقات الهيدروجين/خلايا الوقود الأخرى مجتمعة. قد يتسارع هذا النمو إذا انخفضت أسعار إنتاج الهيدروجين بفضل التقنيات الجديدة.
المصدر: Ballard
نظرًا لارتفاع الطاقة المطلوبة والحاجة إلى شحن سريع، كانت المركبات الثقيلة سوقًا جيدًا للهيدروجين وخلايا الوقود مقارنة بالمركبات الخفيفة مثل السيارات. كما يقلل ذلك من الحاجة إلى أسلاك القطر للسكك الحديدية وحافلات الترام، ويتيح شحنًا سريعًا للنقل لمسافات طويلة.
المصدر: Ballard
الشركة ليست غريبة على الأمونيا أيضًا، فمثلاً لديها عقد حديث مع Amogy لتزويدها بخلايا الوقود لمنصتها “الأمونيا إلى الطاقة” التي تعتمد على تقنية فريدة لتفكيك الأمونيا.
في حين أن السيارات الكهربائية لديها فرصة معقولة للاستحواذ بسرعة على أسواق السيارات، فإن المركبات الأثقل أصعب في خفض انبعاثاتها الكربونية. ومع قيادتها الراسخة في القطاع، ستكون Ballard مستفيدًا رئيسيًا من دفع السياسات نحو اقتصاد الهيدروجين.
أصبح إنتاج الهيدروجين أرخص بسرعة بفضل التقدم في المحفزات التي تقلل ميكانيكيًا من تكلفة وقود المركبات التي تعمل بالهيدروجين. ومع ارتفاع أسعار النفط بسبب التوترات الجيوسياسية وزيادة الضرائب الكربونية، قد يميل الميزان لصالح الهيدروجين، خاصة للمركبات التي تتطلب طاقة عالية وتقطع مسافات طويلة (الشاحنات، الحافلات، إلخ).
