الطاقة
تحسينات في إنتاج الهيدروجين باستخدام الإلكتروكيمياء القائمة على النيكل
التقدم في الإلكتروكيمياء لتحقيق إنتاج هيدروجين
يُعتبر الهيدروجين مرشحاً جاداً لاستبدال الوقود الأحفوري. هذا صحيح في النقل، بفضل الخلايا الوقودية، والعمليات الصناعية حيث يمكن لدرجة حرارة الاحتراق العالية للهيدروجين استبدال الفحم والغاز الطبيعي عندما لا تكون الكهربة خياراً.
هناك مشكلة وهي أن الهيدروجين لا يوجد عادة في رواسب طبيعية يمكن الوصول إليها بسهولة مثل الغاز الطبيعي. بدلاً من ذلك، يحتاج إلى توليد اصطناعي، مع أن الإلكتروكيمياء هي الطريقة الأكثر استخداماً.
الإلكتروكيمياء هي تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. من بين المشاكل مع الطريقة التي تتم بها الإلكتروكيمياء حالياً هي الكفاءة المنخفضة (ت浪يض الطاقة) والتكلفة العالية، ويعود ذلك في الغالب إلى المواد الكاتالية المكلفة مثل البلاتين.
قد وجد فريق بحثي من كوريا طريقة لتعزيز الكفاءة واستبدال المواد الكاتالية المكلفة بمواد أكثر توفراً ورخية مثل النيكل.
مصفوفات النيكل النانوية تعزز إنتاج الهيدروجين
баحثو فريق教授 جونغ كيو كيم في قسم علوم و هندسة المواد في بوستش (جامعة بوهانغ، كوريا) يحاولون حل مشكلة رئيسية مع إلكتروكيمياء الهيدروجين.
مصدر: بوستش
المشكلة هي أن الهيدروجين عندما يتم إنتاجه، يبقى “ملتصقا” بالمواد الكاتالية، مما يمنعها من الوصول إلى المزيد من الماء و الاستمرار في العمل. هذا يقلل من الكفاءة، ويزيد من الطاقة اللازمة، و في النهاية يتطلب مواد كاتالية أكثر تكلفة من المطلوب.
بدلاً من ذلك، قام.prof جونغ كيو كيم وفريقه بإنشاء مسفوفات نانوية من النيكل مصممة بدقة، وليست متجهة رأسياً بشكل كامل. البنية النانوية وزاوية الميل لمسافات النيكل تظهر ما يسمى “فوق كراهية الهواء“، مما يؤدي إلى انفصال الفقاقيع الهيدروجينية بسهولة أكبر.
هذا بدوره يحرر المساحة لوصول الماء إلى المواد الكاتالية و الإلكتروكيمياء الأكثر كفاءة.
مصدر: بوستش
يمكن أن يزيد هذا بشكل كبير من كفاءة العملية، مع تحسين ملحوظ يصل إلى 55 مرة في كفاءة إنتاج الهيدروجين مقارنة بمقدار معادل من النيكل في هيكل فيلم رقيق تقليدي.
توسيع نطاق المواد الكاتالية الأخرى
تكنولوجيا المصفوفات النانوية تستخدم مسافات نانوية من النيكل، ولكن لا يجب أن تقتصر على هذا الفلز. في الواقع، يمكن استخدام هذه التكنولوجيا مع أي مواد كاتالية أخرى. فماذا يعني هذا لآفاق الهيدروجين؟
إلكتروكيمياء أفضل
hiệnجما، معظم الهيدروجين المنتج في العالم يتم إنتاجه من الغاز الطبيعي. هذا أكثر ربحية من الناحية الاقتصادية، ولكنه يتعارض مع الغرض من إنتاج الهيدروجين لتقليل انبعاثات الكربون.
للحصول على هيدروجين خالي من الكربون بشكل حقيقي، يجب إنتاجه من الكهرباء التي تتم توليدها من مصادر متجددة، و通常 يسمى “الهيدروجين الأخضر”.
أي طريقة يمكن أن تقلل من التكلفة الإجمالية لسلسلة توريد الهيدروجين الأخضر هي خطوة أقرب إلى جعلها بديلاً قابلاً للتطبيق للوقود الأحفوري.
يمكن أن يكون هذا صحيحاً للمواد الكاتالية التقليدية عالية الكفاءة وعالية التكلفة، مثل البلاتين، ربما في组 hợp مع مسافات النيكل.
يمكن أن يكون من الممكن أيضاً رؤيته مطبقاً على مواد كاتالية أخرى حديثة الاكتشاف وذات كفاءة منخفضة التكلفة، مثل الروثينيوم، السيليكون، والتنجستن (RuSiW) التي غطيناها في مقالنا “الهيدروجين الأخضر على وشك استبدال الهيدروجين الرمادي مع électrocatalysts الجديدة التي تجعل الإنتاج فعالاً من حيث التكلفة”.
سلسلة توريد هيدروجين أفضل
الإلكتروكيمياء هي فقط واحدة من الخطوات التي يمكن تحسينها لجعل الهيدروجين حجر زاوية في أنظمتنا الطاقوية.
على سبيل المثال، يمكن أن تجعل الخلايا الوقودية الأكثر كفاءة مركبات الهيدروجين منافسين قويين للسيارات الكهربائية، وهو ما ناقشناه في مقالنا “هل الخلايا الكهربائية مجرد مقدمة للخلايا الوقودية الهيدروجينية؟ الجيل التالي الحقيقي للسيارات الكهربائية؟”.
ويمكن أن تجعل حلول التخزين الكبيرة الأكثر كفاءة من الهيدروجين أكثر سهولة في التعامل والتوزيع، وهو ما ناقشناه في مقالنا “أصبح الهيدروجين أكثر جاذبية ك源 طاقة من خلال اختراق في الاحتواء”.
تطبيقات أخرى محتملة
استخدام مسافات نانوية مائلة لإنشاء كراهية الهواء الفائقة قد يكون له تطبيقات أخرى.
الأثر الأول هو أن الإنتاج الكفء والرخيص للهيدروجين يأتي مع إنتاج الأمونياك الكفء أيضاً. للأمونياك بعض المزايا الكبيرة على الهيدروجين لتطبيقات مثل وقود السفن، وهو ما ناقشناه في “إزالة الكربون من خطوط الشحن العالمية من خلال الأمونياك الأخضر“.
أشار الأستاذ جونغ كيو كيم إلى أن تكنولوجيا مسافات النانوية يمكن أن تفيد العمليات الكيميائية الأخرى التي تتضمن الغاز.
“من خلال تعزيز كفاءة عملية تحليل الماء لتحقيق إنتاج هيدروجين أخضر، نحن نتقدّم نحو اقتصاد هيدروجيني ومجتمع خالي من الكربون.
هذا الاختراق يفيد عملية تحليل الماء ويعتبر وعداً لتنوع تطبيقات الطاقة المتجددة حيث تلعب التفاعلات السطحية دوراً حاسماً، مثل نظام تحويل ثاني أكسيد الكربون وتحويل طاقة الضوء”.
لذلك يمكن أن يتجاوز هذا الابتكار الهيدروجين، ويمكن أن يكون له تأثير كبير على التقاط الكربون والphotosynthesis الاصطناعي، وهو فكرة بدأنا في استكشافها في “الphotosynthesis الاصطناعي والتحلل البيولوجي: مكافحة تهديد البلاستيك مع التفكير في الاستدامة“.
شركات حلول الهيدروجين
1. أكر هورايزونز آسا
اكتشاف كيفية استخدام مسافات نانوية من النيكل هو فقط أحدث الابتكارات التي تعزز آفاق الهيدروجين كبديل للوقود وحلول تخزين الطاقة.
أكر هورايزونز هي شركة فرعية لمجموعة أكر، التي تركز على الطاقة الخضراء. مجموعة أكر هي تكتل نرويجي مهم يركز على الطاقات المتجددة والأعمال البحرية / قبالة الشاطئ. أكر هورايزونز هي شركة холдинغ لعدة شركات فرعية، بما في ذلك التقاط الكربون، الهيدروجين الأخضر، والطاقات المتجددة.
مصدر: أكر
الشركة مشهورة جداً في الهيدروجين والأمونياك الأخضر، مع هدف لتخليص الشحن في المناطق القطبية، خاصة في النرويج.
أكر هورايزونز يمكنها التعامل مع التكامل الرأسي للهيدروجين الأخضر والأمونياك، من طواحين الرياح قبالة الشاطئ إلى توليد الهيدروجين وإنتاج الأمونياك الأخضر.
كما تعمل على مشاريع مثل تحويل النفايات إلى طاقة في فرنسا، ومحطة بيوماس في ألمانيا، و التقاط الكربون في الشرق الأوسط (السعودية والإمارات العربية المتحدة).
هذا يجعلها سهم جيد للمستثمرين الذين يبحثون عن التعرض لقطاع الطاقة الخضراء بشكل عام، مع تواجد قوي في الأمونياك الأخضر والشحن، ولكن أيضاً طاقات خضراء أخرى، وتوفر بعض التنويع الجغرافي.
2. بالارد باور سيستمز إنك.
(BLPD )
نحن لا نعرف بعد ما سيكون السوق الرئيسي للهيدروجين. قد يكون توليد الطاقة ووقود السيارات، ولكن قد يبقى مقصوراً على مهام أكثر ثقلية يصعب إلكتروفيةها.
بالارد هي شركة تصنيع خلايا وقودية، وريادية في التكنولوجيا مع حافلة وقودية أولى في عام 1993.
الشركة تركز على الأسواق الثقيلة: الحافلات، الشاحنات، القطارات / الترام، السفن، التعدين / البناء، والطاقة. في حين كانت الحافلات هي 핵ة العمل، تتوقع الشركة أن تكون الشاحنات قطاعاً رئيسياً بحلول عام 2025. كما تتوقع أن تبقى أوروبا سوقها الرئيسي (50-60٪)، تليها أمريكا الشمالية (25٪).
توقعات أن تظل خلايا الوقود للشاحنات تتطور وتمثل سوقاً بقيمة 7.5 مليار دولار في عام 2030 (من سوق تقدر بـ 195 مليار دولار)،几乎 كبيرة مثل جميع تطبيقات الهيدروجين والخلايا الوقودية مجتمعة.
يمكن أن تتسارع هذه النمو إذا انخفضت أسعار إنتاج الهيدروجين بفضل تكنولوجيا جديدة مثل الإلكتروكيمياء المحسنة والأرخص.
مصدر: بالارد
بسبب القوة الأعلى المطلوبة وضرورة الشحن السريع، كانت المركبات الثقيلة سوقاً جيداً للهيدروجين والخلايا الوقودية على المركبات الخفيفة مثل السيارات. كما يقلل من حاجة سلك الكاتيناري للسكك الحديدية و حافلات الترولي.
مصدر: بالارد
الشركة ليست غريبة عن الأمونياك أيضاً، مع عقد حديث مثل عقد مع أموجي لتزويدها بخلايا وقودية لمنصة “الأمونياك إلى الطاقة” التي تعتمد على تكنولوجيا تحلل الأمونياك الفريدة”.
في حين أن السيارات الكهربائية لديها فرصة معقولة لاستبدال أسواق السيارات بسرعة، فإن المركبات الأثقل يصعب إزالة الكربون منها.
مع قيادتها الراسخة في القطاع، ستكون بالارد المستفيد الرئيسي من دفع السياسات نحو اقتصاد هيدروجيني، بالإضافة إلى انخفاض سريع في تكلفة إنتاج الهيدروجين من الإلكتروكيمياء القائمة على النيكل.
