تطورات إنتاج الهيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي القائم على النيكل

المضي قدمًا في التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين

Hydrogen is considered a serious candidate for replacing fossil fuels. This is true in transportation, thanks to fuel cells, and in industrial processes where hydrogen’s high combustion temperature can replace coal & natural gas when electrification is not an option.

يُعتبر الهيدروجين مرشحًا جادًا لاستبدال الوقود الأحفوري. وهذا صحيح في النقل بفضل خلايا الوقود، وفي العمليات الصناعية حيث يمكن لدرجة حرارة احتراق الهيدروجين العالية أن تحل محل الفحم والغاز الطبيعي عندما لا يكون التحويل إلى كهرباء خيارًا.

إحدى المشكلات هي أن الهيدروجين لا يُوجد غالبًا في رواسب طبيعية سهلة الوصول مثل الغاز الطبيعي. بل يحتاج إلى توليد صناعي، ويُعد التحليل الكهربائي الطريقة الأكثر استخدامًا.

التحليل الكهربائي هو تفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. من بين المشكلات في طريقة تنفيذ التحليل الكهربائي حاليًا هي الكفاءة المنخفضة (إهدار الطاقة) والتكاليف العالية، ويرجع ذلك في الغالب إلى المحفزات المكلفة مثل البلاتين.

قد يكون فريق بحثي من كوريا وجد طريقة لزيادة الكفاءة واستبدال المحفزات المكلفة ببديل أكثر تكلفة وتوفرًا وهو النيكل.

المصفوفات النانوية للنيكل تعزز إنتاج الهيدروجين

The researchers of Professor Jong Kyu Kim’s team at the Department of Materials Science and Engineering at POSTECH (جامعة بوهانغ، كوريا) have been looking to solve a major issue with hydrogen electrolysis.

المصدر: POSTECH

المشكلة هي أنه عند الإنتاج، يبقى الهيدروجين “ملتصقًا” بالمحفز، مما يمنعه من الوصول إلى المزيد من الماء والاستمرار في العمل. هذا يقلل الكفاءة، ويزيد الطاقة المطلوبة، وفي النهاية يتطلب محفزات أكثر تكلفة مما هو ضروري.

بدلاً من ذلك، أنشأ الأستاذ جونغ كيو كيم وفريقه نتوءات نانوية من النيكل مصممة بدقة، ليست عمودية تمامًا. تُظهر البنية النانوية والزوايا المائلة لأعمدة النيكل ما يُسمى بـ “النفاذية الهوائية الفائقة“، مما يجعل فقاعات الهيدروجين تنفصل بسهولة أكبر.

وهذا، بدوره، يحرر المساحة لتصل المياه إلى المحفز ويجعل التحليل الكهربائي أكثر كفاءة.

المصدر: POSTECH

يمكن لهذا أن يزيد كفاءة العملية بشكل كبير، حيث تحقق تحسينًا ملحوظًا بمقدار 55 مرة في كفاءة إنتاج الهيدروجين مقارنةً بكمية مماثلة من النيكل في هيكل فيلم رقيق تقليدي.

التوسع إلى ما وراء محفزات النيكل

The technology used nanorods of nickel but does not have to be limited to this metal. In fact, this metal of oblique nanorods reducing hydrogen adhesion can theoretically be used with any other catalyst. So, what does it mean for hydrogen prospects?

تحليل كهربائي أفضل

Currently, most hydrogen produced in the world is made from natural gas. This is economically more profitable but defeats the purpose of producing hydrogen to reduce carbon emissions.

حاليًا، يُنتج معظم الهيدروجين في العالم من الغاز الطبيعي. وهذا أكثر ربحية اقتصاديًا لكنه يتعارض مع هدف إنتاج الهيدروجين لتقليل انبعاثات الكربون.

للحصول على هيدروجين محايد للكربون حقًا، يجب إنتاجه من الكهرباء المتولدة من مصادر الطاقة المتجددة، وهو ما يُطلق عليه عادةً “الهيدروجين الأخضر”.

أي طريقة يمكنها خفض التكلفة الإجمالية لسلسلة إمداد الهيدروجين الأخضر تقربنا خطوة من جعله بديلاً عمليًا للوقود الأحفوري.

قد يكون هذا صحيحًا بالنسبة للمحفزات “الكلاسيكية” عالية الكفاءة ومكلفة مثل البلاتين، ربما في تركيبة مع أعمدة النيكل.

كما قد يكون من الممكن تطبيقه على محفزات التحليل الكهربائي الفعّالة من حيث التكلفة التي اكتُشفت مؤخرًا، مثل الروثينيوم، السيليكون، والتنغستن (RuSiW) التي تناولناها في مقالتنا “الهيدروجين الأخضر سيتجاوز الرمادي مع محفزات جديدة تجعل الإنتاج فعالًا من حيث التكلفة“.

سلسلة إمداد هيدروجين أفضل

Electrolysis is also just one of the steps that can be improved to make hydrogen a keystone of our energy systems.

التحليل الكهربائي هو مجرد أحد الخطوات التي يمكن تحسينها لجعل الهيدروجين ركيزة أساسية في أنظمتنا الطاقية.

على سبيل المثال، يمكن لخلايا الوقود المتطورة أن تجعل مركبات الهيدروجين منافسة قوية للسيارات الكهربائية، وهو ما ناقشناه في مقالتنا “هل خلايا البطارية مجرد مقدمة لخلايا الوقود الهيدروجينية؟ الجيل الحقيقي القادم للسيارات الكهربائية؟”.

كما أن حلول التخزين الكبيرة والفعّالة يمكن أن تجعل من السهل التعامل مع الهيدروجين وتوزيعه، وهو ما ناقشناه في مقالتنا “الهيدروجين أصبح أكثر جاذبية كمصدر طاقة بفضل اختراق في الاحتواء”.

تطبيقات محتملة أخرى

The use of inclined nanorods for creating super-aerophobicity could have applications beyond hydrogen.

استخدام الأعمدة النانوية المائلة لإنشاء النفاذية الهوائية الفائقة قد يكون له تطبيقات تتجاوز مجال الهيدروجين.

التأثير الأول هو أن الإنتاج الرخيص والفعّال للهيدروجين يرافقه إنتاج أمونيا فعال بالمثل. تمتلك الأمونيا بعض المزايا الكبيرة على الهيدروجين في تطبيقات مثل الوقود للشحن البحري، وهو ما ناقشناه في “إزالة الكربون من مسارات الشحن العالمية عبر الأمونيا الخضراء“.

كما أشار الأستاذ جونغ كيو كيم إلى أن تقنية الأعمدة النانوية قد تفيد عمليات كيميائية أخرى تتضمن الغازات.

“من خلال تعزيز كفاءة عملية التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين الأخضر، نحن نتقدم نحو اقتصاد هيدروجيني ومجتمع محايد للكربون.

هذا الاختراق يفيد التحليل الكهربائي للماء ويحمل وعدًا لتطبيقات طاقة متجددة أخرى حيث تلعب التفاعلات السطحية دورًا حاسمًا، مثل تقليل ثاني أكسيد الكربون وأنظمة تحويل الطاقة الضوئية.”

لذلك قد تتجاوز هذه الابتكار حدود الهيدروجين، ويمكن أن يكون له تأثير كبير على التقاط الكربون والتركيب الضوئي الاصطناعي، وهو فكرة بدأنا استكشافها في “التركيب الضوئي الاصطناعي والقابلية للتحلل: مكافحة خطر البلاستيك مع التفكير في الاستدامة”.

شركات حلول الهيدروجين

1. Aker Horizons ASA

The discovery on how to use nickel nanorods is just the latest in a series of innovations boosting the prospects of hydrogen as an alternative fuel and energy storage solutions. So it might pay off to have a diversified exposure to all the stages of the hydrogen supply chain.

الاكتشاف المتعلق باستخدام أعمدة النيكل النانوية هو أحدث ابتكار في سلسلة من الابتكارات التي تعزز آفاق الهيدروجين كوقود بديل وحلول لتخزين الطاقة. لذا قد يكون من المفيد الحصول على تعرض متنوع لجميع مراحل سلسلة إمداد الهيدروجين.

Aker Horizons is a subsidiary of the Aker group, which is centered around green energy. The Aker group is an important Norwegian conglomerate focusing on renewables and marine/offshore businesses. Aker Horizon is the holding company for several subsidiaries, including carbon capture, green hydrogen, and renewable energies.

Aker Horizons هي شركة فرعية لمجموعة Aker، التي تركز على الطاقة الخضراء. مجموعة Aker هي تكتل نرويجي مهم يركز على الطاقة المتجددة والأعمال البحرية/البحرية. Aker Horizon هي الشركة القابضة لعدة فروع، بما في ذلك التقاط الكربون، والهيدروجين الأخضر، والطاقة المتجددة.

المصدر: Aker

تُظهر الشركة نشاطًا ملحوظًا في توليد الهيدروجين والأمونيا الخضراء، بهدف إزالة الكربون من الشحن في القطب الشمالي، خاصةً في النرويج.

يمكن لـ Aker Horizons التعامل مع التكامل الرأسي الكامل للهيدروجين الأخضر والأمونيا، من توربينات الرياح البحرية إلى توليد الهيدروجين إلى إنتاج الأمونيا الخضراء.

كما تعمل على مشاريع مثل تحويل النفايات إلى طاقة في فرنسا، ومصنع طاقة حيوية في ألمانيا، والتقاط الكربون في الشرق الأوسط (السعودية والإمارات).

هذا يجعلها سهمًا جيدًا للمستثمرين الذين يبحثون عن تعرض لقطاع الطاقة الخضراء بشكل عام، مع تمركز قوي في الأمونيا الخضراء والشحن، بالإضافة إلى طاقات خضراء أخرى، وبعض التنوع الجغرافي.

2.  Ballard Power Systems Inc.

ما زلنا غير متأكدين بعد ما سيكون السوق الرئيسي للهيدروجين. قد يكون توليد الطاقة ووقود السيارات، لكنه قد يظل محصورًا في المهام الثقيلة التي يصعب كهرباؤها.

Ballard هي شركة تصنيع خلايا الوقود، ورائدة في التقنية مع أول حافلة خلايا وقود لها في عام 1993.

تركز الشركة على الأسواق الثقيلة: الحافلات، الشاحنات، القطارات/الترام، السفن, التعدين/البناء، والطاقة. بينما كانت الحافلات هي جوهر الأعمال، تتوقع الشركة أنه بحلول عام 2025 ستصبح الشاحنات قطاعًا تجاريًا رئيسيًا. كما تتوقع أن تظل أوروبا سوقها الرئيسي (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 قدره 195 مليار دولار)، وهو ما يكاد يساوي جميع تطبيقات الهيدروجين/خلايا الوقود الأخرى مجتمعة.

قد يتسارع هذا النمو إذا انخفضت أسعار إنتاج الهيدروجين بفضل تقنيات جديدة مثل التحليل الكهربائي المحسن والأرخص.

المصدر: Ballard

نظرًا لارتفاع الطاقة المطلوبة والحاجة إلى شحن سريع، كانت المركبات الثقيلة سوقًا جيدًا للهيدروجين وخلايا الوقود مقارنةً بالمركبات الخفيفة مثل السيارات. كما يقلل ذلك من الحاجة إلى أسلاك القطار للسكك الحديدية وحافلات الترام.

المصدر: Ballard

الشركة ليست غريبة على الأمونيا أيضًا، مع مثال على ذلك عقد حديث مع Amogy لتزويدها بخلايا وقود لمنصتها “من الأمونيا إلى الطاقة” التي تعتمد على تقنية تفتيت الأمونيا الفريدة.

بينما تمتلك السيارات الكهربائية فرصة معقولة للسيطرة على أسواق السيارات بسرعة، فإن المركبات الأثقل أصعب في إزالة الكربون عنها.

مع قيادتها الراسخة في هذا القطاع، ستصبح Ballard مستفيدًا رئيسيًا من دفع السياسات نحو اقتصاد هيدروجيني، بالإضافة إلى انخفاض سريع في تكلفة إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي القائم على النيكل.