تطورات إنتاج الهيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي القائم على النيكل

المضي قدمًا في التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين

يُدرس الهيدروجين بديلًا لبعض استخدامات الوقود الأحفوري، سواء في خلايا الوقود أو في العمليات الصناعية التي يصعب تحويلها مباشرة إلى الكهرباء. وتعتمد فائدته المناخية على طريقة إنتاجه وسلسلة إمداده.

يُنتج الهيدروجين عادة من مواد أخرى بدلًا من استخراجه من رواسب طبيعية سهلة الاستغلال. والتحليل الكهربائي إحدى طرق الإنتاج، لكن الوقود الأحفوري كان المصدر الغالب لإنتاج الهيدروجين عالميًا في 2024.

يستخدم التحليل الكهربائي الكهرباء لتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. وتمثل الطاقة المستهلكة وتكلفة المعدات تحديين مهمين. وتستخدم بعض التقنيات محفزات مرتفعة الثمن مثل البلاتين، لكن ذلك لا ينطبق على جميع المحللات الكهربائية.

درس فريق كوري بنية نانوية من النيكل لتحسين انفصال فقاعات الهيدروجين. والنيكل أقل تكلفة وأكثر وفرة من المعادن النفيسة.

المصفوفات النانوية للنيكل تعزز إنتاج الهيدروجين

درس فريق الأستاذ جونغ كيو كيم في قسم علوم وهندسة المواد في POSTECH، جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية، مشكلة تعيق أداء أقطاب إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي.

المصدر: POSTECH

قد تلتصق فقاعات الهيدروجين بسطح القطب فتحجب بعض المواقع النشطة وتعيق وصول الماء. ويساعد تحسين انفصالها على تقليل هذا العائق.

استخدم الفريق ترسيبًا بزاوية مائلة لتشكيل بنى نانوية من النيكل. وتمنح هذه البنية السطح خاصية تُسمى «الطرد الفائق للفقاعات الغازية»، فتسهل انفصال فقاعات الهيدروجين عنه.

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

المصدر: POSTECH

أفادت النتائج بتحسن أداء إنتاج الهيدروجين بنحو 55 مرة مقارنة بطبقة نيكل رقيقة تقليدية تحتوي كمية مماثلة من النيكل، ضمن ظروف الاختبار. ولا يعني ذلك أن كفاءة الطاقة للمحلل الكهربائي بأكمله ارتفعت 55 مرة.

التوسع إلى ما وراء محفزات النيكل

استخدمت الدراسة قضبانًا نانوية من النيكل. وقد يُدرس تطبيق مبدأ تقليل التصاق الفقاعات على محفزات أخرى، لكن توافقه معها وأداءه يتطلبان اختبارًا لكل مادة.

تحليل كهربائي أفضل

كان معظم الهيدروجين يُنتج من الوقود الأحفوري، ولا سيما الغاز الطبيعي والفحم. ويمكن أن تكون هذه المسارات أقل تكلفة، لكنها تُطلق انبعاثات كبيرة إذا لم تُعالج انبعاثاتها.

يُطلق تعبير «الهيدروجين الأخضر» عادة على الهيدروجين المنتج بالتحليل الكهربائي باستخدام كهرباء متجددة. وتقييم أثره المناخي يشمل دورة الحياة كاملة، فلا تعني التسمية انعدام كل الانبعاثات.

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

يمكن دراسة تحسين انفصال الفقاعات على محفزات عالية الأداء مثل البلاتين، مع مراعاة التكلفة ومدى توافق البنية مع المادة.

ومن الاحتمالات أيضًا اختبار الفكرة مع محفزات أخرى، مثل المركب القائم على الروثينيوم والسيليكون والتنغستن (RuSiW) الذي تناولناه في مقالتنا «الهيدروجين الأخضر سيتجاوز الرمادي مع محفزات جديدة تجعل الإنتاج فعالًا من حيث التكلفة».

سلسلة إمداد هيدروجين أفضل

التحليل الكهربائي خطوة واحدة ضمن سلسلة إنتاج الهيدروجين ونقله وتخزينه واستخدامه. وتحسين كل خطوة قد يساعد على توسيع التطبيقات المناسبة له.

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

قد تكون للأسطح الطاردة للفقاعات الغازية تطبيقات تتجاوز إنتاج الهيدروجين.

يمكن لانخفاض تكلفة الهيدروجين أن يساهم في خفض تكلفة الأمونيا المصنوعة منه، لكن كفاءة تصنيع الأمونيا تعتمد أيضًا على مراحل أخرى. وتُدرس الأمونيا وقودًا للنقل البحري، كما ناقشنا 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 التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين الأخضر، نتقدم نحو اقتصاد هيدروجيني ومجتمع محايد كربونيًا.

ولا يقتصر هذا التقدم على التحليل الكهربائي للماء، بل يبشر بتطبيقات أخرى للطاقة المتجددة تؤدي فيها التفاعلات السطحية دورًا حاسمًا، مثل اختزال ثاني أكسيد الكربون وأنظمة تحويل الطاقة الضوئية».

قد تمتد الفكرة إلى تفاعلات أخرى تتضمن غازات، لكن اختزال ثاني أكسيد الكربون لا يعني تلقائيًا احتجازه. ومن المجالات المرتبطة بحثيًا البناء الضوئي الاصطناعي الذي تناولناه في «التركيب الضوئي الاصطناعي والقابلية للتحلل: مكافحة خطر البلاستيك مع التفكير في الاستدامة».

شركات حلول الهيدروجين

1. Aker Horizons ASA

تضيف دراسة قضبان النيكل النانوية اتجاهًا جديدًا إلى أبحاث إنتاج الهيدروجين. وتعمل الشركات المذكورة أدناه في مراحل مختلفة من قطاع الطاقة، من دون أن يثبت ذلك مشاركتها في هذه الدراسة أو استخدامها للتقنية.

كانت Aker Horizons في سياق 2024 شركة تابعة لمجموعة Aker النرويجية، تركز على تطوير مشروعات الطاقة الخضراء. وشملت أنشطتها ومصالحها الاستثمارية الهيدروجين والطاقة المتجددة واحتجاز الكربون.

المصدر: Aker

شملت خطط الشركة تطوير الهيدروجين والأمونيا الخضراء، بما في ذلك مشروعات في النرويج يمكن أن تخدم إزالة الكربون من النقل البحري.

قد يتيح تكامل الشركات والمشروعات ضمن المجموعة الربط بين توليد الكهرباء المتجددة وإنتاج الهيدروجين والأمونيا. وهذه خطط تطوير تختلف مراحل تنفيذها، وليست سلسلة مكتملة مثبتة لكل مشروع.

شملت المشروعات المرتبطة بالشركات التابعة آنذاك تحويل النفايات إلى طاقة في فرنسا، والطاقة الحيوية في ألمانيا، واحتجاز الكربون في السعودية والإمارات.

تعرض هذه الأنشطة نطاقًا من مجالات الطاقة الخضراء ومناطق جغرافية مختلفة، لكن نجاح المشروعات وعوائد الاستثمار يعتمدان على التنفيذ والتمويل والطلب.

2.  Ballard Power Systems Inc.

لم يكن واضحًا في 2024 أي التطبيقات ستقود نمو الهيدروجين. وتشمل الخيارات الصناعة وتوليد الكهرباء والنقل، ولا سيما المهام الثقيلة التي يصعب تحويلها إلى الكهرباء مباشرة.

تصنع Ballard خلايا الوقود، وكانت من رواد تطويرها؛ وقد عرضت حافلة تعمل بخلايا الوقود في 1993.

تركز الشركة على الحافلات والشاحنات والسكك الحديدية والسفن ومعدات التعدين والبناء وتوليد الكهرباء. وتوقعت في عروضها آنذاك نمو أهمية الشاحنات بحلول 2025، وأن تبلغ حصة أوروبا 50–60% وأمريكا الشمالية نحو 25%. وهذه توقعات تاريخية، وليست نتائج محققة.

قدّرت مواد Ballard لعام 2023 السوق المحتملة لخلايا وقود الشاحنات في 2030 بنحو 7.5 مليارات دولار. ويشير رقم 195 مليار دولار في الجدول نفسه إلى السوق المحتملة الكلية المرتبطة بالشاحنات، لا إلى إجمالي سوق خلايا الوقود. وهذه تقديرات سوقية وليست إيرادات متوقعة للشركة.

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

المصدر: Ballard

قد تفيد خلايا الوقود بعض المركبات الثقيلة التي تحتاج قدرة عالية ومدى طويلًا وتزويدًا سريعًا بالوقود. وفي السكك الحديدية قد تقلل الحاجة إلى خطوط كهرباء علوية، لكن جدواها تعتمد على مقارنتها بالبطاريات والكهرباء المباشرة وغيرها من البدائل.

المصدر: Ballard

وتشارك الشركة أيضًا في أنظمة تحوّل الأمونيا إلى هيدروجين لتغذية خلايا الوقود، ومن الأمثلة عقد أُعلن في ديسمبر 2022 مع Amogy لتوريد خلايا وقود لمنصتها التي تفكك الأمونيا إلى هيدروجين ثم تنتج الكهرباء. وهذا يختلف عن استخدام الأمونيا مباشرة داخل خلية الوقود.

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

يمكن أن يفتح انخفاض تكلفة الهيدروجين وتوسع الطلب فرصًا أمام Ballard. لكن الدراسة المختبرية للنيكل لا تثبت وحدها انخفاضًا وشيكًا في أسعار الهيدروجين أو زيادة مؤكدة في أرباح الشركة.